От древнегреческой космологии до современных загадок темной материи и темной энергии — познакомьтесь с неустанными поисками понимания невидимых сил Вселенной.
Есть что-то очень увлекательное в том, чтобы не знать, что происходит. Именно здесь пересекаются границы известного и неизвестного, и здесь воображение берет верх. Мы используем то, что знаем, для того, чтобы угадать наилучший путь к тому, что нам неизвестно. “Угадать» здесь, конечно же, условность. Опыт и методология указывают путь, а мы идем вперед, пытаясь понять, что находится там, на неизведанных территориях реальности. Вот почему, в самом конкретном смысле, наука — это флирт с неизведанным.
Содержание
История науки полна загадочных и невидимых веществ, материалов, которые предполагались существующими в результате экспериментов и наблюдений, сбивших ученых с пути. Еще до появления науки в том виде, в котором мы ее знаем, философы Древней Греции наполняли космос всевозможными веществами, которые выполняли все функции, необходимые для осмысления их мировоззрения. Примерно в VI веке до н.э. философ Анаксимандр выдвинул идею о том, что Вселенная наполнена апейроном — безграничным источником, дающим начало всему сущему.
Миры возникают из апейрона и, когда приходит время, возвращаются к нему в вечном танце созидания и разрушения. Примерно через 300 лет Аристотель выдвинул идею о том, что пустого пространства не существует, а все заполнено элементом, который греки называли эфиром. Считалось, что все планеты и звезды также состоят из эфира и являются вечными и неизменными. Это были древние философские рассуждения, предшествовавшие научным экспериментам. Однако привычка представлять себе странные вещества не исчезла с появлением современной науки.
Тайны тепла
Возьмем, к примеру, природу тепла. Никто не мог понять, почему вещества при нагревании становятся горячими, почему кусок дерева, потертый о другой кусок, тоже нагревается, вплоть до возгорания. Первым предположением было, что тепло — это некая субстанция, которая перетекает от одного тела к другому. Немецкий химик Георг Эрнст Шталь (1660-1734 гг.) предположил, что горение происходит в результате выделения гипотетического вещества, названного флогистоном.
Любое горючее вещество состоит из комбинации флогистона и того, что остается после горения. В некотором смысле флогистон был воспламеняющей сущностью самого огня. Однако великий французский химик Антуан Лавуазье показал, что в процессе горения происходит химическое соединение вещества с кислородом. Он также доказал, что при горении (или при любом химическом превращении) общая масса реагирующих веществ сохраняется. Отпала необходимость использовать флогистон как гипотетический элемент для понимания горения.
Однако природа тепла по-прежнему оставалась неясной. Мы знаем, что тепло переходит от горячего к холодному. Горячая миска супа остынет, если перестать ее нагревать. Лавуазье предположил, что тепло — это некая невидимая жидкость, называемая калорией, которая естественным образом перетекает из горячего вещества в холодное. Поскольку Лавуазье показал, что общая масса в любой химической реакции остается постоянной, он предположил, что эта калорическая жидкость не только невидима, но и не имеет массы. Более того, она не может быть создана или уничтожена, а только переходит из одного вещества в другое. Таким образом, задача состояла в том, чтобы доказать существование чего-то невидимого и безмассового. Или нет.
Бенджамин Томпсон (1753-1814 гг.), американский эмигрант, впоследствии ставший известным как граф Румфорд, был убежденным противником гипотезы калорий. После службы офицером в армии короля Георга III, сражавшейся с лоялистами в Америке, Румфорд оказался в Мюнхене, где курфюрст Баварии произвел его в генералы. В Мюнхене он руководил растачиванием стволов для пушек — идеальной лабораторией для изучения выделения тепла при трении.
Используя воду для охлаждения сверла и пушки, он удивлялся огромному количеству выделяемого тепла, которое быстро доводило воду до кипения и поддерживало ее в кипящем состоянии все время, пока продолжалось сверление. Он отметил, что количество тепла, выделяемого при трении, «казалось неисчерпаемым». А если так, то тепло не появляется из каких-то калорий, ведь калории это вещество, а любое вещество имеет свойство заканчиваться. Лишь спустя десятилетия ученые поняли, что тепло на самом деле — это форма движения, обусловленная возбуждением и столкновениями молекул. Вот так невидимые вещества объясняют природу тепла.
Светоносный эфир
Следующим в списке идет светоносный эфир — вещество, которое якобы поддерживает распространение световых волн. В середине XIX века большинство физиков были убеждены, что свет — это волна. А раз так, рассуждали они, то он должен двигаться в среде. Ведь водяные волны движутся по воде, а звуковые — по воздуху. Поэтому разумно было предположить, что и световые волны движутся в какой-то среде.
И физики придумали светоносный эфир. То, что этот эфир обладал поистине волшебными свойствами: он заполнял все пространство, но был невесомым, был жестким, как твердое тело, но в то же время не оказывал никакого сопротивления движению планет и Земли, был абсолютно прозрачным, чтобы мы могли видеть далекие небесные объекты — физиков не волновало. А зря. В таинственном эфире скрывался серьезный недостаток классической физики. В 1905 году Эйнштейн показал, что в существовании светоносного эфира нет необходимости, продемонстрировав, что световые волны обладают замечательным свойством распространяться в пустом пространстве, не имея никакой опоры. Еще одно невидимое вещество было списано на свалку истории.
Темная материя и темная энергия
Существуют и другие странные вещества — их слишком много, чтобы упоминать их здесь. Но сегодня мы имеем дело с двумя невидимыми субстанциями иной природы: темной материей и темной энергией. Понятие “темная материя” существует уже около 90 лет, а “темная энергия” — с 1998 года. И то, и другое было предположено на основании весьма убедительных астрономических наблюдений. Обе они обладают очень странными свойствами.
Темная материя взаимодействует с обычной материей только посредством гравитации. Она притягивает к себе все, что мы видим, и именно так мы предполагаем ее существование: невидимая рука, двигающая то, что светится в пространстве.
Темная энергия действует только в огромных космологических масштабах, заставляя саму ткань пространства растягиваться быстрее, чем мы предполагали. Другими словами, она ускоряет космическое расширение. Для этого она должна обладать так называемым отрицательным давлением — то, что мы не наблюдаем каждый день в лаборатории. А еще темная энергия, пронизывающая все пространство, очень сильно напоминает старую добрую эфирную среду.
Итак, существуют ли темная материя и темная энергия? Будут ли они обнаружены как новые невидимые субстанции, являющиеся частью реальности? Или они будут отброшены, как теория калорий и светоносный эфир?
Мы не знаем, хотя большинство физиков и астрономов ставят на то, что они существуют. Но ведь и большинство физиков XIX века были убеждены в существовании эфира. К счастью, наука способна двигаться вперед, последовательно проверяя, какие предположения сбываются, а какие нет, по мере того как мы проникаем в те области реальности, которые нам неизвестны. А значит, через несколько десятилетий мы получим ответы и на эти вопросы.
Читайте также: Темная энергия может привести ко второму Большому взрыву во Вселенной
