Нас пронизывают черные дыры, но мы этого не замечаем: какую пользу науке принесут поиски темной материи
Вселенная наполнена черными дырами.
Фото: Shutterstock.
На Радио “Комсомольская правда” дебютировала новая передача, она называется «Время науки с КП». Ее ведут радиожурналист Мария Баченина и академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ). Они приглашают для разговора в студию выдающихся российских ученых. Гостем первого эфира стал директор Научно-исследовательского института ядерной физики имени Скобельцына МГУ, член-корреспондент РАН Эдуард Боос. Тема программы: загадочная темная материя и темная энергия - разгадка этой тайны дает ключ к силам, которые превосходят по мощи атомную энергию.
НАЙТИ ТО - НЕ ЗНАЮ, ЧТО
Мария Баченина:
- А как ученые узнали, что существуют темная материя и темная энергия, если до сих пор непонятно, что это такое?
Александр Сергеев:
- Ученые привыкли работать с конкретными фактами. В случае темной материи и темной энергии есть очень важное экспериментальное доказательство их существования. Оно есть, но потрогать его мы пока не можем.
Эдуард Боос:
- Кое-что потрогать все-таки удалось с помощью одной из сил, существующих в природе, а именно - гравитационного взаимодействия. Как мы знаем, в природе существует четыре типа сил. И одно из них самое слабенькое - это гравитационное взаимодействие, благодаря которому тела притягиваются друг к другу. Поэтому мы ходим по земле и никуда не деваемся, планеты вращаются по своим орбитам и тд. И вот ученые увидели нечто странное. В 1933 году американо-швейцарский физик-астроном Цвикки, обнаружил, что в одном из скоплений галактик семь или девять галактик движутся с какими-то огромными скоростями, которые невозможно объяснить, если учитывать только гравитационную силу, которая подчиняется законам Ньютона. То есть силу со стороны видимой материи.
Мария Баченина:
- Он это в телескоп увидел?
Эдуард Боос:
- Конечно. Затем, когда появилась более точная аппаратура, в разных галактиках стали измерять, так называемые, угловые скорости. Ведь галактика крутится, и все звезды в этой галактике крутятся. И в целом ряде таких галактик (первая, по-моему, была галактика Андромеды) измерение угловой скорости поставило ученых в тупик. Звезды должны были разлетаться под воздействием центробежной силы, но что-то их удерживало внутри этих вращающихся спиралевидных галактик. Но что? Родилась очень красивая идея. Она получила название «Стандартная космологическая модель», куда в качестве главного ингредиента - чтобы все сложилось гармонично - было включена некое вещество. Его назвали «темная материя». Темная, потому что в отличие от “светлой” - барионной материи, составленной из протонов, нейтронов, ядер - темная материя не светит ни в каких диапазонах. Ее не видно. Но гравитационные взаимодействия есть.
ГДЕ ЗАЧЕРПНУТЬ ВЕДЕРКО ТЕМНОЙ МАТЕРИИ?
Александр Сергеев:
- Надо добавить, что этой темной материи очень много. Оказалось, что ее по массе примерно раз в пять больше, чем видимой материи - той, из которой состоят звёзды, планеты, галактики и все другие видимые объекты во Вселенной.
Мария Баченина:
- А что мешает изучать? У нас космонавты выходят в космос. Зачерпнул ведерком, привез на Землю. Пожалуйста, изучайте. В чем проблема?
Эдуард Боос:
- К сожалению, мы не знаем, что именно надо зачерпывать. Эта материя взаимодействует только гравитационным образом. И это взаимодействие настолько слабое, что ничего зачерпнуть не получится.
Александр Сергеев:
- Эти частицы, которые дают массу, они практически не взаимодействуют ни с чем, в том числе с этими “ведерками”. Чтобы “зачерпнуть” надо создавать специальные устройства. Как это должно работать мы пока не понимаем, хотя ставится огромное количество экспериментов.
Мария Баченина:
- А в нашей Солнечной системе есть темная материя?
Александр Сергеев:
- Она где-то в другом месте, и там ведрами черпать надо. Кстати, где эти места, где темной материи больше, чем в среднем?
Эдуард Боос:
- Считается, что в скоплениях галактик.
Фото: Shutterstock.
НАМ ПОВЕЗЛО, ЧТО СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА НАХОДИТСЯ НА ОКРАИНЕ ГАЛАКТИКИ?
Александр Сергеев:
- А внутри галактики? Если брать нашу галактику, в которой мы с вами счастливо и интересно живем.
Эдуард Боос:
- Обязательно должна быть темная материя.
Александр Сергеев:
- Мы с вами знаем, что наш дом - Солнечная система - находится на периферии галактики. Далеко от центра. Но предполагается, что в какой-то части нашей галактики может быть много темной материи.
Эдуард Боос:
- Не очень много, но она должна быть.
Александр Сергеев:
- Сейчас, мне кажется, пришло время поговорить о кандидатах в частицы темной материи. Кто из круга претендентов наиболее вероятный?
Эдуард Боос:
- Это могут быть нейтрино с малыми энергиями, какие-то новые частицы, либо некие образования, например, первичные черные дыры. Но надо отметить, что нейтрино сами по себе никоим образом не могут обеспечить наблюдаемую сегодня тёмную материю.
Александр Сергеев:
- Мы с вами знаем, что Вселенная наполнена черными дырами. В центре нашей галактики находится огромная черная дыра с массой, по-моему, несколько миллионов масс Солнца. Но есть, возможно, и маленькие черные дыры, размером даже не сантиметр, а грубо говоря, с диаметр протона - это 10-15 метра. И внутри этой очень маленькой области пространства сосредоточена масса, скажем, порядка массы астероида. Эти частицы - первичные черные дыры, сформировались на самой начальной стадии после Большого взрыва. Они не видны. Возможно, такие черные дыры пронизывают нас с вами, прямо сейчас, но мы этого не чувствуем совсем. Однако, если их достаточно много, тогда они могут быть кандидатами в частицы темной материи. И большой вызов для современных ученых состоит в следующем: можно ли здесь на Земле провести какие-то эксперименты, которые прольют свет на темную энергию и на темную материю? Мы с Эдуардом Эрнстовичем здесь представляем Национальный центр физики и математики. Это новый, очень важный проект в нашей стране, который 4 года назад стартовал по поручению президента. Новый научный центр строится рядом с Российским федеральным ядерным центром в городе Саров. В этом Академгородке XXI века, будут построены новые установки, на которых мы сможем изучать новую физику, в том числе и физику, связанную с темной материей и энергией.
ЧТО ОБЩЕГО У НЦФМ И ЦЕРН?
Мария Баченина:
- Что вы вкладываете в понятие Академгородке XXI века?
Александр Сергеев:
- Смотрите, есть ЦЕРН — крупнейший в мире научно-исследовательский центр по физике частиц, для которого построили Большой адронный коллайдер. Как он устроен? Там несколько тысяч ученых работают в Швейцарии, а кроме того, тысячи ученых в десятках стран участвуют в научных программах, ставят эксперименты, обрабатывают результаты этих экспериментов и т. д. В результате складывается уникальная система получения нового знания. Мы бы хотели, чтобы и у нас в стране появилось что-то такое. То есть не просто создать какой-то отдельный научный институт или какой-то мощный университет, а создать общую площадку для кооперации всех ученых нашей страны. Национальный центр физики и математики, в который государство вкладывает огромные деньги, - это уже сейчас есть кооперация больше чем 50 научных учреждений и университетов. Через некоторое время там будет полно молодежи - мы создали в НЦФМ филиал МГУ. И мы очень надеемся, что геополитика, в конце концов, перейдет из жесткого в мягкий вариант, и наш центр будет международным, то есть в него смогут приезжать ученые из-за рубежа. Тогда мы точно будем существенным компонентом международного разделения труда для решения самых удивительных загадок природы.
ЦЕРН — крупнейший в мире научно-исследовательский центр по физике частиц, для которого построили Большой адронный коллайдер.
Фото: Shutterstock.
Эдуард Боос:
- Действительно, у нас внутри Национального центра физики и математики сложилось сообщество из нескольких институтов и научных групп, которые участвуют в этих исследованиях. Они связаны, с одной стороны, с теми экспериментами, которые ведутся в том же ЦЕРНе. Поскольку то, что мы делаем, это в русле мировой науки. У нас есть определенные достижения и новые идеи, как может детектироваться темная материя и на Большом адроном коллайдере, и на тех установках, которые будут построены в НЦФМ.
Мария Баченина:
- А как эти установки могут выглядеть? В чем идея?
Александр Сергеев:
- Создать для эксперимента совершенно уникальные условия, скажем, сильное магнитное поле или очень низкие температуры, близкие к абсолютному нулю. Это могут быть очень чувствительные антенны, так называемые однофотонные приемники, которые чувствуют свет на уровне совсем маленьких долей энергии. Это самый передний край высочайшей теоретической физики и высочайшей физики экспериментов. На этом стыке как раз и можно надеяться на то, что мы поймаем следы темной материи. А теперь давайте зададим себе вопрос: допустим, мы определим и найдем эту темную материю? И что с того? Где в народном хозяйстве может быть использована темная материя?
Эдуард Боос:
- Известно, что крупные проекты, например, тот же ЦЕРН и другие ускорители, экономически окупаются задолго до того, как заканчивают свою работу. У меня нет никаких сомнений, что установки мирового уровня, которые построят в НЦФМ, окупятся достаточно быстро. Каким образом? Принципиально новая аппаратура создается на основе новых технологий. Затем они начинают применяться в других отраслях, находят коммерческое применение и таким образом многократно окупают затраты.
Александр Сергеев:
- То есть это не прямой эффект, допустим нашли темную материю, и стали разливать ее по стаканам. Это некий смежный эффект. Крупные научные установки дают вклад в развитие народного хозяйства не напрямую, а через те новые решения, которые предлагают физики и инженеры. Вот они оказываются востребованным, не только в той области знаний, где делается открытие, а изменяют весь технологический уклад. И общество выходит на новый виток развития.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ
Вселенная не такая, как мы думали: Ученые изучили темную материю и ахнули
Раскрыт один из главных секретов темной материи: ученым помогло "кольцо Эйнштейна"
СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ
Жизнь в космосе: физик рассказал, как зарождается жизнь во Вселенной, как космические льды можно создать в земных условиях и как звучат кометы (подробнее)