О тёмной материи и тёмной энергии, чёрных дырах и о том почему Плутон не планета

Почему Плутон – не планета?

Наблюдаемые возмущения орбиты Урана – седьмой планеты Солнечной системы – позволили астрономам теоретически предсказать открытие не только Нептуна, но и Плутона. После своего окончательного открытия в 1930 и до рубежа тысячелетий Плутон считался девятой планетой Солнечной системы. Однако в конце девяностых в среде астрономов началась масштабная дискуссия по вопросу о том, считать ли Плутон планетой.

Плутон – не планета. Таков был результат этой дискуссии. Чем руководствовались астрономы в своих выводах?

Странности Плутона

У Плутона есть свойства, которые существенно отличают его от других планет. По своему объему Плутон в три раза меньше Луны, а по своей массе – в пять раз меньше Луны. Вообще говоря, в Солнечной системе находятся шесть спутников планет, которые больше, чем Плутон. Потом мы узнали, что больше чем наполовину Плутон состоит изо льда. Так что если перенести Плутон ближе к Солнцу, туда, где находится Земля, то тепло от Солнца испарит этот лед, и Плутон отрастит хвост. Это – не очень типичное поведение для планеты. И у нас есть специальное слово для космических объектов с хвостами: мы называем их кометами.

Что произошло в девяностых годах двадцатого века? Исследования внешних областей Солнечной системы обнаружили другие объекты с орбитами, которые очень похожи на орбиту Плутона. У Плутона – довольно странная орбита: она находится под наклоном по отношению к плоскости, в которой находятся орбиты всех остальных планет Солнечной системы; орбита Плутона – вытянута, так что какое-то время своего пути Плутон находится ближе к Солнцу, чем Нептун. Эта орбита была у Плутона всегда, т.е. это не так, что Плутон внезапно поменял свою орбиту недавно. Мы обнаружили все эти объекты – сейчас счет идет на сотни, а скоро пойдет на тысячи, – и все эти объекты, как и Плутон, частично состоят изо льда; у всех этих объектов, как и у Плутона, странные орбиты; три из них – больше, чем Плутон. И в девяностых астрономы поняли, что Плутон – это просто один из крупных представителей этих объектов во внешней области Солнечной системы.

Перечисление – это не наука

Задача науки – не в том, чтобы просто перечислять объекты. Мы учим последовательность планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. И есть учителя, которые спрашивают, а как называется четвертая планета от Солнца? Ученики вынуждены запоминать и считать по пальцам: Меркурий, Венера, Земля, Марс… Это – не наука, с этим справится попугай.

Семейства объектов вместо плоского списка

Вместо того, чтобы перечислять объекты в Солнечной системе, астрономы сгруппировали их по похожим свойствам, создавая тем самым семейства объектов, которые населяют Солнечную систему. Ближние к Солнцу объекты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – имеют между собой больше, чем любой из них с любым другим объектом Солнечной системы. Вот – отдельный класс объектов. Потом идет пояс астероидов, отделяющий Марс от Юпитера. Это – скалистые фрагменты камней, и у них друг с другом больше общего, чем у любого из них с любым другим объектом в Солнечной системе. Потом идут газовые гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Огромные планеты с малой плотностью. А потом – Плутон и другие объекты из недавно открытого братства. Возможно, среди них Плутон – более счастлив, чем среди планет, поскольку, видимо, лучше быть главным среди комет, чем захудалой и непонятной планетой.

За то, что астрономы проделали эту работу – сгруппировали объекты Солнечной системы в семейства, – некоторое время им приходили гневные письма от людей, которые искренне не понимали, почему Плутон перестали считать планетой. Эти письма прекратили поступать, когда подросло новое поколение третьеклассников, которых изначально научили тому, что Плутон имеет собственную семью и к планетам не относится. Главная цель астрономов заключалась в том, чтобы сгруппировать объекты Солнечной системы по семействам, а исключение Плутона из списка планет – один из сопутствующих результатов астрономической дискуссии.

О черных дырах простыми словами



Словарь определяет черную дыру как область пространства, которая возникает вследствие полного гравитационного коллапса вещества. Гравитация в этой области настолько велика, что ни вещество, ни даже свет не могут ее покинуть. Что можно сказать о черных дырах простыми словами? Давайте проясним кое-что насчет черных дыр. Если вы оказались по соседству с черной дырой, то неважно, где вы находитесь по отношению к ней: “вниз” всегда будет означать “по направлению к черной дыре”; точно так же обстоят дела на поверхности нашей планеты: “вниз” всегда означает “по направлению к центру Земли”.

Трехмерная дыра

Мы называем черную дыру дырой, потому что она – трехмерная дыра. Если представить дыру в полу, то можно посмотреть на эту дыру снизу или сверху, потому что дыра, как мы определяем это понятие в словаре, есть сквозное отверстие в некоторой плоскости. Никто не говорит о дыре посреди комнаты, потому что это не имеет смысла, но если говорить о дыре в полу, то предложение приобретает смысл. Так вот, черная дыра – это дыра в трех измерениях. И любое направление, по которому вы приближаетесь к черной дыре, будет везти вниз в эту дыру, в которую вы будете падать.

Сингулярность

Содержимое черной дыры коллапсирует в то, что мы называем сингулярностью (очень высокие или даже бесконечные плотность вещества и искривление пространства-времени). Это – место, где мы делим на ноль и где теория Эйнштейна не работает. Теория Эйнштейна подводит нас прямо к сингулярности, но не дальше, и мы не знаем, что происходит внутри сингулярности. В каком-то смысле содержание черной дыры – сингулярность – не связано причинно-следственными связями с остальной вселенной.

Горизонт событий

Рабочее определение черной дыры гласит, что черная дыра – это пространство вокруг сингулярности, из которого нет пути назад. Границу между черной дырой, из которой нет пути обратно, и остальной вселенной поэтично называют горизонтом событий. Горизонт событий – это своеобразная мембрана, сквозь которую все что угодно, любое вещество может попасть внутрь черной дыры, но ничего не может ее покинуть (даже свет, поэтому мы и называем эти дыры черными). Фраза “нельзя вернуться из черной дыры” означает, что ткань пространства выворачивается наизнанку и не существует траектории, по которой можно покинуть черную дыру.

Размер черной дыры

Размер черной дыры – это не размер материи, которую она содержит, это – область, которую охватывает горизонт событий, т.е. размер черной дыры связан с радиусом горизонта событий. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация – взаимное притяжение между материальными телами – есть не сила, а результат искривления пространства-времени. Объект тем больше искривляет пространство-время, чем больше его плотность. Сильно искривленная область пространства-времени и есть черная дыра.

О темной материи и темной энергии

85% всей гравитации во Вселенной происходит из некоторого источника, о котором мы вообще ничего не знаем. Мы наблюдаем за электронами, протонами и другими частицами, из которых состоим и мы, и Земля, и Солнце; мы знаем, где они находятся, знаем, как их определять. И когда мы их наблюдаем и смотрим, какую гравитацию они создают, мы обнаруживаем, что все это – примерно одна шестая от всей гравитации, которая присутствует во Вселенной. Мы не знаем, что именно является причиной этих 85% гравитации.

И мы придумали термин “темная материя” для описания причины этой гравитации. Мы не знаем даже, материя ли это, хотя многие ученые предполагают это в силу убедительных причин, но мы не знаем этого наверняка. Мы могли бы назвать эту причину как-то иначе, мы используем термин “темная материя”, но мы совершенно не знаем, что именно вызывает эту дополнительную гравитацию.

Может быть, стоило бы назвать причину дополнительной гравитации темной гравитацией, но мы называем ее темной материей. Почему? Есть такая поговорка: “Если все что у вас есть – это молоток, то все ваши проблемы выглядят как гвозди” (“If all you have is a hammer, everything looks like a nail”). Если источник излишней гравитации представляет собой огромную проблему и если вы – физик, изучающий элементарные частицы, то вы склонны считать, что источник гравитации – это загадочная частица, ожидающая своего открытия. Если вы специализируетесь на гравитационной динамике, возможно, вы склоняетесь к тому, что наши законы гравитации требуют корректировки, поскольку возможно, что мы используем некорректные уравнения, когда рассчитываем количество гравитации во Вселенной, порождаемое известной нам материей, и правильная формула все исправит.

Есть также гипотеза мультивселенной, согласно которой наша Вселенная – одна из нескольких. У этой гипотезы есть исторические и философские корни, однако пока нет никаких доказательств. Предположим, что есть несколько вселенных, которые существуют в более высоких измерениях параллельно и одновременно с нашей, и гравитация может проникать через мембрану одной вселенной и оказывать влияние на соседнюю вселенную. В этом случае то, что мы называем темной материей, является обычной материей в параллельной вселенной, гравитационное поле которой мы ощущаем. Нобелевская премия ждет того, кто выяснит, что же такое темная материя на самом деле.

Темная материя – это не то же самое, что темная энергия. Это – еще один аспект Космоса, который мы не в состоянии понять. Существует в четыре раза больше темной энергии, чем темной материи, которой в свою очередь – в шесть раз больше, чем обычной материи, которую мы знаем. Таким образом, мы наблюдаем и понимаем всего 4% того, что составляет Космос.

Темная энергия – это отрицательное давление, которое существует в вакууме космоса и ускоряет расширение Вселенной. Гравитация объектов и темной материи замедляет процесс расширения Вселенной, а темная энергия – ускоряет его. Мы не знаем, что вызывает это ускорение, т.е. что такое темная энергия, однако мы знаем, что ее воздействие полностью перерастет силу гравитации, которая существует во Вселенной. Все галактики, которые существуют во Вселенной и которые с ускорением удаляются от нашей, со временем исчезнут из нашего поля зрения. Космология, как мы ее знаем, перестанет существовать, и космологи будущего, которые не смогут наблюдать никаких галактик, кроме нашей, потому что расширение Вселенной удалило их за горизонт, будут наблюдать лишь то, что останется: нашу собственную галактику. И никто из этих космологов будущего не сможет без наших объяснений понять ни теорию Большого взрыва, ни других наших теорий происхождения Вселенной.

Так что, говоря кратко, мы используем термины “темная материя”, “темная энергия”, но мы понятия не имеем, что это такое.

Состав Вселенной по данным WMAP

Данные космического аппарата НАСА, запущенного 30 июня 2001 и предназначенного для изучения реликтового излучения, которое образовалось в результате Большого взрыва, свидетельствуют о следующем составе Вселенной:

• Звезды (и другие объекты) – 0,4%;
• Межгалактический газ – 3,6%;
• Темная материя – 22%;
• Темная энергия – 74%.

Стенография видео выступления Нила деГрасса Тайсона