для чего нужна темная материя
Есть ли у тёмной материи практическое применение?
Вчера мой добрый друг Брайан написал прекрасный комментарий об исследованиях космоса, в котором он описывает экономический эффект, оказываемый космическими исследованиями на экономику, а также на наши знания и понимание Земли, её окружения и возможности предотвращения угроз. И для изучения Солнечной системы и других систем это действительно прекрасно.
Но чем бы нам заняться до этого? Ведь это не то, что изучаю я. Поэтому я спросил:
Практические аргументы за освоение космоса содержат довольно много воды. Но если следовать их логике, то то, чем я занимаюсь – поиски тёмной материи, исследование тёмной энергии, процессов формирования звёзд, судьбы и рождения и эволюции Вселенной – совершенно бесполезные вещи. Конечно, понимание Вселенной приносит понимание нашей роли и нашего места в ней, но есть ли практическое применение этим знаниям и разным областям, с нами не связанными?
Это верно для всех частиц и их античастиц: если столкнуть их вместе, на выходе получаешь 100% чистую энергию. Антиматерии во Вселенной очень мало, и она была бы очень пагубна для космического корабля – она бы аннигилировала с любой материей, с которой она вступила бы в контакт!
Но тёмная материя, которая ни с чем не взаимодействует (и точно не аннигилирует), это особый случай. Все реалистичные модели тёмной материи, известные нам, утверждают, что у неё есть особое свойство: тёмная материя является античастицей для самой себя! И во Вселенной тёмной материи полно. Если бы мы сумели понять, как собирать и сталкивать частицы тёмной материи, у нас появился бы источник энергии со 100% эффективностью, при этом практически неограниченный. Тёмную материю во Вселенной найти в 5 раз легче, чем обычную.
Далеко ли это от сегодняшних реалий? Ещё как. Но в долгосрочной перспективе, это был бы самый эффективный источник энергии? Давайте подумаем – 100% эффективность… Ну ещё бы! И это самая практичная вещь из всех, что я могу придумать для тёмной материи. Уверен, что для распространения этой идеи и внедрения её в воображение масс потребуются хорошие фантасты.
Темная материя необходима для появления жизни
Темная материя — самое загадочное и инертное вещество во Вселенной. Ее гравитационные эффекты объясняют вращение галактик, движение скоплений и самые крупномасштабные структуры во всей Вселенной. Но на меньших масштабах ее слишком мало, чтобы повлиять на движение Солнечной системы, на вещество Земли или на происхождение и эволюцию человека. При этом гравитация, которую обеспечивает темная материя, абсолютно необходима для сырых ингредиентов, которые образуют жизнь вроде нас и планеты вроде Земли. Без темной материи во Вселенной вообще могло бы не быть жизни.
Звезды производят 100% света, который мы видим во Вселенной, но всего 2% ее массы. Когда мы смотрим на движения галактик, скоплений и прочего, мы находим, что количество гравитационной массы перевешивает звездную массу в 50 раз. Можно было бы подумать, что другие типы обычной материи могли бы объяснить эту разницу. В конце концов, мы обнаружили много других типов вещества во Вселенной, не считая звезды:
Все эти формы обычной материи — или материи, которая изначально состояла из тех же вещей, что и мы: протонов, нейтронов и электронов — действительно вносят свой вклад. Газ и плазма, в частности, вносят больше, чем сумма всех звезд во Вселенной. Но даже если суммировать все эти компоненты вместе, мы получим всего 15-17% общего количества вещества, которое необходимо для объяснения гравитации. Для остального движения, что мы видим, нам нужна форма материи, которая не только отличается от протонов, нейтронов и электронов, но и не соответствует ни одной известной частице Стандартной модели. Нам нужна в некотором роде темная материя.
Чтобы понять почему, нужно вспомнить, что Вселенная началась с горячего и плотного состояния — Большого Взрыва — когда все было в виде практически однородного моря отдельных, свободных, высокоэнергетических частиц. По мере охлаждения и расширения Вселенной образовались протоны, нейтроны и легчайшие ядра (водород, гелий, дейтерий и немного лития), но ничего больше. Только спустя десятки или сотни миллионов лет назад эта материя коллапсировала в достаточно плотные регионы, чтобы образовать звезды и, наконец, галактики.
Останки сверхновой выбрасывают более тяжелые вещества, но благодаря мощному гравитационному притяжению диффузного, вытянутого гало темной материи мы будем удерживать большую часть этой массы внутри нашей собственной галактики. Со временем вещество вернется в обычные, богатые нормальной материей регионы, сформирует нейтральные молекулярные облака и ляжет в основу последующих поколений звезд, планет и, что самое интересное, органических молекулярных комбинаций.
Сверхъестественное Вселенского масштаба: что такое тёмная материя, куда ведут черные дыры, и зачем нужна квантовая механика
Физика, как ни парадоксально звучит, — наука наиболее разношёрстная, неизученная и неполноценная. И это мнение не только научных журналистов, но и самих учёных, понимающих как много ещё им предстоит открыть. Взять ту же Теорию относительности Эйнштейна: она идеально работает для планет и галактик, но для микромира субатомных частиц она совершенно непригодна. В микроскопических масштабах правит квантовая физика.
Если даже теоретические модели физики не могут объединиться, то что уж говорить об экспериментальных наблюдениях. Здесь как в притче об истине и слоне: один слепой мудрец сказал, что истина — это огромное и необъятное, потрогав слона за брюхо, другой — что она длинная и гибкая, коснувшись хобота животного, а третий — что у истины кисточка на тонком стебельке — как у хвоста.
И всё же, существуют в мире науки неоспоримые результаты наблюдений и идеальные с математической точки зрения гипотезы, в которых действительно интересно разобраться. Ведь они могут открыть такие просторы для размышлений, что попытка осмыслить бесконечность Вселенной покажется детской загадкой о качелях.
Тёмная материя
Выяснилось: на долю обычной материи, из которой состоим мы с вами, звёзды, планеты и все остальное, приходится всего 4,9% от общего состава. 26,8% приходится на долю тёмной материи; больше всего во Вселенной тёмной энергии — 68,3%. Осознав ничтожность наших галактик, кластеров и туманностей, учёные заволновались: что это такое, и почему мы до сих пор ничего об этом не знаем?
Тёмную материю можно охарактеризовать всего двумя словами: «вездесущая» и «неуловимая». Если вспоминать школьный курс физики, то можно припомнить, что видов взаимодействия (по крайней мере, нам известных) существует всего четыре — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Всё, что мы можем увидеть или засечь каким-либо прибором, обязательно будет участвовать в электромагнитном взаимодействии, однако тёмная материя, как назло, этим не занимается.
Теоретики решили, что если есть материя, значит, она из чего-то состоит. В смысле, из каких-то частиц, похожих на наши атомы, или по крайней мере, протоны и электроны. Как только ни пытались назвать эти частицы физики — тёмными атомами, аксионами, космионами, тяжёлыми нейтрино. Наконец, сравнительно недавно с названием для частиц тёмной материи определились. Их назвали вимпами.
Астрономический спутник «Планк».
Вимп — грубая калька с английской аббревиатуры WIMP, которая расшифровывается как Weakly Interacting Massive Particles, то есть, «слабо взаимодействующие массивные частицы». Из четырёх видов взаимодействий вимпы участвуют только в двух — слабом, как видно из названия, и гравитационном, как видно из наблюдений. Астрономы постоянно сталкиваются с гравитационной тягой, которую оказывают скопления тёмной материи на наши родные звёзды и галактики.
На этом познания физиков о тёмной материи заканчиваются, если, конечно, не учитывать массу громоздких расчётов. Совершенно неясно, какой массой обладают эти частицы: одни расчёты указывают на 6-8 гигаэлектронвольт, другие — на 33 гигаэлектронвольта, а третьи дают вообще несопоставимые с реальностью данные.
Также непонятно, как поймать злосчастные вимпы. Пока что физики-экспериментаторы пытаются зафиксировать случаи взаимодействия тёмной материи с обычной и используют для этого сверхчувствительные детекторы. Участники эксперимента LUX («Большой подземный ксеноновый детектор»), к примеру, недавно заявили об отрицательных результатах своих трёхмесячных поисков, и о том что искомых вимпов малой массы найдено не было.
Пока весь мир ждет, когда будут выделены средства на постройку более чувствительных и крупных детекторов, остается только фантазировать, что же такое тёмная материя и тёмная энергия, и что они скрывают под своей темнотой.
Чёрные дыры
Чёрные дыры — фактически мёртвые звёзды. Они не имеют ничего общего с тёмной материей и являются вполне обычными с определённой точки зрения объектами. После того, как массивное светило напрочь исчерпает свой запас топлива и взорвётся сверхновой, образуется собственно чёрная дыра.
Это тело представляет собой сверхплотную точку — так называемую сингулярность — аналогичную тому, что представляла собой Вселенная в момент Большого взрыва. Сингулярность окружена горизонтом событий — гипотетической границей, за которую не может выйти ни материя, ни свет, ни даже информация. К слову, знаменитый Стивен Хокинг немного несогласен с последним утверждением: его именем названо так называемое излучение Хокинга, представляющее собой частицы, которым всё же удалось выпрыгнуть за пределы горизонта событий.
После осознания того факта, что чёрные дыры удерживают своей гравитацией целые галактики и обладают массами, равными миллионам солнечных, но крайне малыми размерами, начинается самое интересное.
Он предположил, что в параллельном измерении существует другая Вселенная, но не трёхмерная, как наша, а четырёхмерная. Поэтому наша трёхмерность — всего лишь горизонт событий четырёхмерной чёрной дыры, и образовалась наша Вселенная в момент взрыва сверхновой, выброса вещества и рождения чёрной дыры в четырёх измерениях. Эта версия идеально подходит для объяснения странной равномерности температурного фона, которого вряд ли могла достичь Вселенная за 13,8 миллиардов лет своего существования.
Квантовая механика
Квантовая механика скрывает за собой самые интересные тайны Вселенной. Выше уже было сказано: законы квантовой механики идеально функционируют для описания взаимодействий субатомных частиц, однако для описания природы массивных тел, будь то стул и стол или звезда и галактика, квантмех непригоден.
Но что будет, если включить фантазию? В этом разделе физики есть, как минимум, два явления, достойных внимания и ближайшего рассмотрения. Первое из них называется суперпозиция. Некая частица обладает сразу несколькими состояниями до тех пор, пока её не измерят — всё зависит от нас, наблюдателей. Здесь же уместно вспомнить замученного интернет-пользователями кота Шрёдингера : теоретик придумал этот мысленный эксперимент именно для иллюстрации понятия суперпозиции — кот жив и мёртв одновременно, пока коробку не откроют и наблюдатель не сыграет свою роль.
По принципу суперпозиции строятся квантовые компьютеры. В них вместо привычных битов функционируют кубиты (qubit, quantum bit — квантовый бит), которые принимают значения «0» и «1» одновременно. За счёт этого увеличивается скорость вычислений и, соответственно, производительность компьютера.
Другое квантовомеханическое явление называется квантовой запутанностью. Представьте себе две частицы, разведённые по разным концам Вселенной. Если они «запутаны» друг с другом, то как только одна из них примет определённое состояние, другая мгновенно пример противоположное. Если бы они сообщались посредством какого-либо электрического сигнала, то он шёл бы миллиарды лет, а тут смена происходит одновременно.
Фантазии на тему квантовой запутанности приводят учёных к разным выводам. Например, крупная команда исследователей из Принстона, Стэнфорда и Вашингтонского университета рассмотрела это явление с точки зрения макромира, то есть Общей теории относительности. Как показали расчёты, с математической точки зрения связь запутанности между двумя частицами полностью идентична червоточине — гипотетическому туннелю между двумя чёрными дырами, сквозь который можно путешествовать по пространству и времени.
И если представить, что наша Вселенная — всего лишь голограмма, проекция от другой или других миров, это математически означает, что то, что мы видим как квантовую запутанность, есть червоточина, только в четырёхмерном мире.
Исследованием голографического принципа занимается и всю жизнь занимался аргентинец Хуан Малдасена (Juan Maldacena). Изучая квантовую механику, учёный пришёл к выводу, что с ОТО её может примирить лишь теория струн, пока что полностью математическая. В рамках этой теории действует принцип, согласно которому наша Вселенная — результат проекций нескольких других измерений, от каждой из последних взявший по одному измерению.
На одной идее о квантовой запутанности можно зайти очень далеко. В конце концов, мгновенная передача какой-либо информации есть прямо нарушение принципа непреодолимости скорости света. Если когда-нибудь кто-нибудь придумает, как заставить запутанные частицы передавать нужную нам информацию — а пока что к этому не подобрались даже теоретики — то у нас появится шанс, к примеру, связаться с обитателями далёких планет. Если на них, конечно, вообще кто-то живет.
А если придумают как по запутанности передавать материю, то мечты фантастов о телепортации станут реальностью.
Кстати, за чудесами физики не надо лезть ни в чёрную дыру, ни нырять внутрь атома, достаточно выйти завтра утром на пробежку. Знайте, чем быстрее вы бежите сквозь пространство, тем медленнее движетесь сквозь время. Так что душ будете принимать не только постройневшим, но и помолодевшим.
Текст: Ася Горина, редактор «Вести Наука».
Что такое темная материя и зачем она нужна людям
Темная материя — самая загадочная тема современной астрофизики. Астрофизик, журналист и автор блога «Популярная наука» в «Яндекс. Дзен» Александр Дементьев объясняет, что это такое и зачем ее изучать
По оценкам международной группы ученых, 80% вещества Вселенной приходится на темную материю. То есть состоит неизвестно из чего. И открытие этого феномена сулит человечеству гигантские перспективы. Возможно, даже большие, чем изобретение электричества.
Впервые термин «темная материя» использовал голландский астроном Якобус Каптейн 99 лет назад. С тех пор вопрос о том, что представляет собой это загадочное вещество, остается открытым.
Что такое темная материя
Темная материя — вид скрытого вещества. Она не участвует в электромагнитном взаимодействии, как «обычная» известная нам материя. Поэтому мы не можем ее обнаружить.
Как же мы тогда узнали, что темная материя существует?
Темная материя проявляет себя в гравитационном взаимодействии. Общая масса каждой галактики в несколько раз превышает суммарную массу ее звезд.
Если говорить максимально просто: мы видим, что масса во Вселенной, в частности у галактик, в разы больше, чем должна быть. Если сложить массу всего вещества, которое мы можем обнаружить (звезды, скопления, туманности, черные дыры и т.п.), этого не хватает, чтобы объяснить, откуда такая гравитация. Для этого масса должна быть выше. Эту «лишнюю» массу и записали на счет темной материи.
Без темной материи в космосе недостаточно массы для образования звезды. Без нее вещество «разбредалось» бы по космосу. Темная материя обеспечивает необходимую массу, которая запускает процесс образования звезд.
Примерное распределение вещества для среднестатистической эллиптической галактики выглядит так:
15% массы приходится на горячий газ;
5% — на светящуюся видимую материю;
оставшиеся 80% приходятся на темную материю.
Каковы доказательства, что темная материя существует
Гипотеза о существовании темной материи родилась в теоретической физике. В экспериментальной физике обнаружить ее в каком-либо виде пока не удалось. Но есть убедительные экспериментальные доказательства того, что «лишняя» масса существует.
Звезды и галактики движутся с совсем другими скоростями, чем должны при условии, что темной материи не существует.
Горячего газа в галактиках слишком много. Если бы лишней массы не было, галактика не смогла бы его удержать.
Гравитационные линзы. Свет, идущий от удаленных объектов, искажен гораздо больше, чем должен.
Почему открытие темной материи важно для человечества
Темная материя давно перестала быть локальной проблемой отдельной науки. Узнав ее природу, мы гораздо лучше поймем, как устроен наш мир и, возможно, получим доступ к новым видам дешевой энергии и инновационным материалам.
В 1888 году Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн (обратите внимание, какая красивая цифра — 1888!). За этим последовал шквал открытий. Ученые узнали, как устроен атом, открыли, что существуют галактики, начали использовать новые виды энергии, ранее недоступные человечеству. И наша жизнь кардинально изменилась!
Сейчас 21-й год XXI века (не менее красивая цифра). И новым сравнимым по масштабу открытием может быть природа темной материи.
Даже если выяснится, что ее нет и это нелепая гипотеза, это приведет к перевороту в современной физике. Такое уже было в нашей истории. Ведь открытие электромагнитных волн отправило в небытие понятие «эфира», в котором якобы движутся все космические объекты. Никакого эфира нет, но это было важно доказать для дальнейшего прогресса в физике.
Что же представляет собой темная материя. Четыре гипотезы
Предположений о том, что же такое темная материя, в современной физике огромное количество. Но глобально их все можно свести к четырем типам:
1. «Обычное» вещество. Темная материя может представлять собой совокупность черных дыр, нейтронных звезд, планет-изгоев и т.п. То есть различные объекты, которые трудно обнаружить.
Эта гипотеза считалась весьма вероятной на заре исследования темной материи. Сейчас же к ней относятся скептически, ведь черные дыры можно отлавливать по их взаимодействию с окружающей материей.
По оценкам астрофизиков, на все эти объекты может приходиться максимум 10% вещества галактик. Но никак не 80%.
2. Темная материя состоит из частиц, которые мы еще не открыли. Вероятнее всего, эти частицы должны быть довольно крупными, так как проявляют себя в гравитационном взаимодействии. И эти частицы не заряжены, иначе они проявляли бы себя в электромагнитном взаимодействии.
Частицы темной материи, скорее всего, и сейчас прошивают Землю, пролетая сквозь нее с огромными скоростями. Но никак не взаимодействуют с ней. С одной стороны, их трудно поймать, с другой — от них трудно экранироваться. И это плюс — значит, частицы темной материи есть везде. Осталось только обнаружить их.
Сейчас по всему миру пытаются эти частицы отловить. Напрямую это сделать очень сложно (они же, как мы помним, «не любят» взаимодействовать с приборами).
Возможно, поможет косвенный метод — когда мы зафиксируем взаимодействие этих неведомых частиц с другими и увидим их косвенные проявления, например в виде фотонов.
3. Что-то не так с гравитацией. Точнее, с гравитацией как силой природы всё прекрасно. Что-то не так с нашей теорией гравитации.
«Зачем плодить новые странные сущности и частицы? Давайте пересмотрим теорию гравитации», — говорят адепты этой гипотезы.
Альтернативные теории гравитации (например, модифицированная ньютоновская динамика (MOND) способны объяснить отдельные явления. Но пока не удалось создать теорию гравитации, которая объяснит все явления в совокупности и непротиворечиво.
4. Темной материи не существует. Это как раньше с эфиром. Все думали, что он есть (иначе как световые волны могут путешествовать по пустому пространству?). Но оказалось, что свет — не только частицы, но и волна, и эфир для перемещения ему не нужен. Так и тут. Возможно, у уже известных законов физики есть обратная сторона, которую мы не знаем. Но, скорее всего, он завязан на предыдущих сценариях.
Что даст человечеству открытие темной материи
Мы знаем 118 природных элементов таблицы Менделеева. И это лишь 20% вещества. Представляете, какие тайны могут быть сокрыты в остальных 80%?
Новые материалы и технологии. Древние греки знали об электричестве, но оно было для них чем-то вроде фокуса. Ведь забавно, как к расческе после причесывания притягиваются кусочки бумаги!
Когда журналист спросил Максвелла, зачем нужны его уравнения поля, ученый развел руками: он просто описал взаимодействие, существующее в природе. А теперь жизнь невозможно представить без электричества.
Но только когда мы постигли природу электричества, человечество пошло вперед семимильными шагами. Греки и понятия не имели, что подобные технологии возможны!
Теодор Мейман Фото: ТАСС
Когда в 1960 году Теодор Мейман представил свой первый лазер, он даже близко не представлял, как и зачем его можно использовать. А теперь он активно применяется в медицине, химии и навигации.
Понимание темной материи может теоретически дать нам доступ к энергии, которая будет намного эффективнее электричества.
Освоение космоса. Будущее человечества неизбежно связано с космической экспансией.
На Земле не так безопасно, как кажется. Человечество развилось в период относительного спокойствия. Однако за всю биологическую историю планеты было пять случаев крупного массового вымирания видов и еще 20 — менее масштабных. И только освоение других планет (говоря экономическим термином, диверсификация жизни) позволит увеличить шансы на выживание.
А как осваивать космос, путешествовать в межзвездном пространстве, если мы не знаем, из чего состоит 80% его вещества?
Мировоззрение. Кроме практической пользы будет польза философская. Мы серьезно уточним ответ на вопрос, как устроена наша Вселенная. И почему она расширяется с ускорением.
В XIX–XX веках был расцвет философии. Создавались мировоззренческие концепции, которые помогали человечеству определиться с целями и установить моральные границы. Сейчас же философия пребывает в стагнации. Искать смысл жизни в накоплении и потреблении — слишком примитивная задача. Религиозные и идеалистические мировоззрения — в очевидном кризисе.
Человечество не может развиваться без смысла. Это наша важная особенность как вида. По мнению Юваля Ноя Харари, автора книги «Sapiens. Краткая история человечества», единственное отличие человека от других животных в том, что мы можем объединиться одной идеей и вместе работать над ее воплощением.
Нужны новые крупные научные открытия, чтобы человечество смогло найти новые мировоззренческие смыслы. Иначе как нам двигаться дальше?