Наука - это постоянное заигрывание с неизвестным.
Ключевые выводы
- История современной космологии является одним из величайших триумфов человеческого воображения.
- Тем не менее, загадок предостаточно, особенно природа темной материи и темной энергии.
- Наука движется вперед, принимая неизвестное как вызов; неправильный поворот - это часть пути вперед.
“Откуда все взялось?” - пожалуй, самый увлекательный вопрос, который мы можем задать - настолько, что он намного старше самой науки, учитывая, что большинство религий также задавались вопросом о нашем происхождении. То, что наука присоединилась в течение 20th века в качестве мощного нового голоса в этом разговоре, является не чем иным, как экстраординарным. Насколько удивительно, что вид млекопитающих на маленькой планете смог разработать интеллектуальные и технологические инструменты, чтобы сказать что-то конкретное об истории самой Вселенной? И как далеко мы можем зайти, рассказывая эту историю?
Темная материя и темная энергия - яркие напоминания о том, что наука - это постоянное заигрывание с неизвестным.
Мы знаем, что история Вселенной началась около 13,8 миллиардов лет назад (отсюда и название нашей колонки, 13,8) и что с тех пор она расширяется и охлаждается. Откуда нам это знать? Есть несколько путей: (1) Галактики удаляются друг от друга со скоростями, пропорциональными их расстоянию, увлекаемому расширением самого пространства; (2) Ванна микроволновых фотонов (т. е. частиц, из которых состоит свет и все другие формы электромагнитного излучения) пронизывает всю вселенную, служа окаменелостями со времени образования первых атомов водорода, примерно через 400 000 лет после Большой взрыв - как и предсказывала теория; и (3) Между секундой и тремя минутами после Большого взрыва первые легкие атомные ядра были сформированы в результате процесса, называемого «первичным нуклеосинтезом», в количествах, также предсказанных теорией и подтвержденных наблюдениями.
Недостающие ингредиенты во Вселенной
Все вышеизложенное - сплошная наука. Но этого недостаточно. Мы хотим отправиться еще дальше во времени, чтобы объяснить некоторые более тонкие детали космического расширения до и после образования легких ядер и микроволнового фона. Итак, мы добавляем к космическому рецепту еще два компонента, оба из которых предполагаются данными наблюдений, но все еще окутаны тайной: темная материя и темная энергия.
Если мы думаем о материальном составе Вселенной как о рецепте торта, мы в настоящее время оказываемся в странной ситуации, зная, что у нас есть три основных ингредиента - обычная материя, темная материя и темная энергия - и сколько каждого из них нам нужно, но мы действительно не знаем, каких двух больше всего. Мы много о них знаем, но явно недостаточно. И это агония и (потенциальный) экстаз научных исследований, сила спекуляций, открывающих новые способы мышления о природе или погружающих нас в еще большее замешательство.
Темная тайна
Темная материя впервые была выдвинута в 1930-х годах швейцарско-американским астрономом Фрицем Цвикки, когда он заметил, что галактики в скоплениях движутся быстрее, чем должны, если бы материя в скоплении была только материей, которая сияла (и, следовательно, был виден нашим телескопам). События развивались быстрее после того, как в конце 1970-х годов американский астроном Вера Рубин и ее сотрудники заметили, что звезды в галактиках вращаются быстрее, чем должны бы, если бы материя внутри них была, опять же, только материей, которая сияла. Интенсивные поиски темной материи, названной так потому, что мы ее не видим, продолжались последние четыре десятилетия или около того, но все еще с отрицательными результатами. Удивительно то, что мы совершенно ясно видим его эффекты, когда смотрим на объекты в космосе. Имея массу (и, следовательно, гравитационное притяжение), он влияет на то, что мы можем видеть. Но попытки собрать частицы темной материи до сих пор не увенчались успехом, что несколько напрягало противоречие между астрономическими наблюдениями и фундаментальной теорией.
Темная энергия была открыта в 1998 году и является еще более загадочной и неуловимой. Мы знаем, что она не состоит из частиц или небольших кусков материала, как, вероятно, темная материя; кажется, что это эфирное вещество, которое пронизывает весь космос странным свойством заставлять пространство растягиваться быстрее, чем ожидалось. Мы не можем думать об этом как о какой-то локализованной вещи, а скорее как о распределенной, как воздух в атмосфере (вроде).
Попытки собрать частицы темной материи до сих пор не увенчались успехом, что несколько напрягало противоречие между астрономическими наблюдениями и фундаментальной теорией.
Кандидаты темной энергии довольно странные. Один кандидат состоит из квантовых флуктуаций энергии в пустом пространстве, которые материализуются в виде частиц, которые появляются и исчезают, энергии самого вакуума. Или это может быть таинственное свойство самого пространства, нечто, изобретенное Эйнштейном, чтобы спасти свою неудачную модель статической Вселенной 1917 года, которую сегодня называют «космологической постоянной». Скорее всего, если это темная энергия, то это лишь приближение к чему-то гораздо более сложному и тонкому, что только сейчас кажется нам постоянным. Или, возможно, темная энергия - это какой-то неизвестный вид вещества, смоделированного как прозрачное поле, которое пронизывает все пространство, ласково называемое космологами «квинтэссенцией», перекликаясь с веществом, которое Аристотель предполагал составлять небесные объекты и заполнять небеса.
Как следы на снегу
Чем бы они ни были, темная материя и темная энергия могут революционизировать наше понимание Вселенной. Подобно едва уловимым следам лисы на огромном снежном поле, мы знаем, что они существуют в той или иной форме благодаря тому, как они запечатлевают свое присутствие в том, что мы можем видеть в мире. Если бы мы не знали, что лиса существует, мы бы сделали вывод, что эти следы оставило животное. Затем мы попытались представить, что это за животное, оставившее такие следы, используя имеющиеся доказательства.
Точно так же мы видим следы темной материи и темной энергии, запечатленные во Вселенной, и пытаемся определить, какими таинственными вещами они могут быть. Темная материя и темная энергия - яркие напоминания о том, что наука - это постоянное заигрывание с неизвестным. Даже если наши текущие рассуждения уводят нас в неправильном направлении, нам нужно идти на риск, чтобы углубить наше понимание мира.