Екатерина Диппер - Теория Большого взрыва: гид по сериалу по версии Kuraj-Bambey

Что же получается? Мы имеем световой океан, заполненный четко следующими друг за другом абсолютно одинаковыми волнами. Сами понимаете, что даже человек с полным отсутствием физического воображения, каким считает Леонарда Шелдон, способен придумать тысячу применений такому прибору, из которых кипячение жестянки с супом будет далеко не самым интересным.

Но все же мы еще не ответили на вопрос, что находится внутри у этой штуковины. Для ответа вспомним предыдущий параграф, а именно ту его часть, где говорится, что все сущее обязано иметь свою самую малую часть. Такой малой частью для света является фотон, причем процессы излучения и поглощения этих фотонов квантовыми объектами носят сильно отличающийся от классического характер. Главным тут является то, что любой объект, будь то молекула или атом, не может ни излучить, ни запросто поглотить фотон произвольной энергии[34]. Испускаемая энергия обязана иметь одно из строго определенных значений. А в случае поглощения атом склонен «выбирать», какой фотон он согласен «принять», и он однозначно любит те фотоны, энергия которых близка к той, которую он сам излучает.

Поначалу это может показаться неудобным, но именно тут и находится ключ к тому, чтобы создать источник излучения с вышеописанными свойствами. Надо просто подойти к этому явлению с другого конца и спросить: «А что будет, если в веществе уже есть какое-то количество возбужденных, готовых излучиться фотонов?» Оказывается, что такие фотоны испускаются с той же легкостью, с которой на голову великих ученых падают созревшие яблоки, особенно в том случае, если мимо пролетает их собрат с таким же количеством энергии. Самое приятное следствие этого заключается в том, что «сорванный с ветки» фотон оказывается полностью идентичным пролетевшему. Это явление, получившее название индуцированного излучения, и лежит в основе действия лазера.

К сожалению, как это часто бывает, от понимания принципа до создания работающего лазера прошло больше пятидесяти лет, что, впрочем, еще не самый впечатляющий разрыв между идеей и ее воплощением в физике. Дело в том, что для создания лазера были нужны две вещи: первое — переполненная возбужденными фотонами, или, другими словами, накачанная среда, и второе — резонатор, который не дал бы фотонам выскочить из накачанного объема раньше, чем они сами в свою очередь заставят кого-то из своих соседей тоже излучить. Для накачки рабочего тела было предложено много различных методов, но наиболее простым оказался метод оптической накачки (автор которого, кстати, тоже не остался без Нобелевской премии). В этом случае объем, в котором находятся атомы, облучается источником света, длина волны которого близка к расстоянию между уровнями вещества будущего лазера. Как мы помним, такие фотоны атомам симпатичны, и они поглощают их, накачивая вещество, как рота солдат, проходя по мосту в ногу, раскачивает мост.

Если говорить начистоту, таким методом не удается получить сколь-нибудь существенного количества атомов в неравновесном состоянии, так как возбужденная таким методом среда немедленно излучает. Но если между основным и нагретым нами уровнем имеется еще один, сравнительно долго живущий, то атомы, скатываясь на него, оказываются в ловушке. Сверху напирают их высоковозбужденные соседи, а падать вниз на основное состояние им еще рановато. Именно эта схема, получившая название трехуровневой накачки, и была реализована в первом рубиновом лазере.

Что же касается резонатора, упрощенно его можно представить как два параллельных зеркала, между которыми и ходит наша постепенно разгоняющаяся волна. Очень важным требованием оказывается строго определенное расстояние между зеркалами — тогда даже при многократном отражении каждой точки волна будет проходить с одной и той же фазой, а ее минимумы и максимумы будут совпадать.

По поводу применения лазеров любой может рассказать достаточно много, просто оглянувшись вокруг. Мы же остановимся на продолжении идеи Леонарда с консервной банкой. Действительно, лазеры позволяют концентрировать достаточно мощные пучки излучения в рекордно малом объеме, поэтому можно поразмыслить над тем, что нам нужно так сильно нагревать. Один из возможных примеров — термоядерный синтез, в случае удачного осуществления которого человечество получит безопасный и практически неисчерпаемый источник энергии. И, опять же, положа руку на сердце, ученые уже несколько раз получали результат, пока, правда, только в виде бомбы. А вот с получением управляемой термоядерной реакции не ладится уже очень долго. С одной из главных трудностей на пути к ее осуществлению, а именно созданию в малом объеме сверхвысокой температуры, — и могут помочь справиться лазеры, только вместо упаковки супа нагревать придется газообразный гелий, и не до 100 градусов, а до температуры немногим меньше температуры Солнца. Сразу видно, что эта задачка будет существенно посложнее.

Что же касается темной материи, то это вещь совсем из другой области (кажется, Леонард и правда хватается то за одно, то за другое). Заниматься этим стоит скорее Раджу, как астрофизику, а не тратить время на поиски следов суперструнной теории в гамма-вспышках. Впрочем, это тема следующего параграфа.

Когда речь заходит о Радже, сразу вспоминается Киплинг с его словами о том, что Западу и Востоку не сойтись. Ну, скажите на милость, зачем человеку заниматься находящимися в глобальном кризисе суперструнами вместо того, чтобы оставаться в лоне наблюдательной астрономии, переживающей второе рождение?

Но об этом мы поговорим чуть позже, а сейчас займемся вплотную темной материей, тем более, что в сериале она упоминается достаточно часто. Так что это за зверь, и почему он такой темный?

История эта началась в 1937 году, когда астроном Цвикки (кстати, работавший в том же Калифорнийском технологическом университете, что и наши «ботаники») внимательно присмотрелся к скоплению галактик в созвездии Волос Вероники и применил к нему известную теорему о вириале. В нашем случае эта теорема связывает скорость вращения галактик друг относительно друга с суммарной массой всего скопления. После всех проделанных вычислений оказалось, что галактики вращаются с такой скоростью, что сила гравитации просто не способна удержать их вместе. И для того, чтобы скопление не разлетелось на мелкие кусочки[35], его масса должна быть существенно больше, раз эдак в 500. Тут надо заметить, что до Цвикки молчаливо предполагалось, что вещество, если уж оно существует, должно как-то себя проявлять, а не просто болтаться бесполезной грудой в пространстве. Представьте себе ощущения только что отлипших от окуляров своих приборов астрономов, когда им навязывают факт, что все, что они видят, составляет лишь малую часть огромного пирога, называющегося Вселенной. Естественно, про открытие Цвикки постарались забыть, и на сорок лет в астрономии восстановилось хрупкое спокойствие. Впрочем, также понятно, что чем более новые приборы становились доступны для развлечения ученых, тем сложнее было утаить шило в мешке.

Гром грянул в 1975 году, когда молодые астрономы Вера Рубин и Кент Форд сделали заявление, отмахнуться от которого так просто уже не получилось. Для того, чтобы понять, что они там «наспектрометрировали», нам стоит слегка коснуться школьного курса физики. Если мы напряжемся, то вспомним, что сила гравитации обратно пропорциональна квадрату расстояния, поэтому скорость одного объекта, вращающегося вокруг другого, уменьшается с увеличением расстояния между ними. Но, если мы захотим измерить скорости вращающихся объектов уже внутри тяготеющей массы, например, Земли, результат будет отличаться. С этой целью можно провести следующий мысленный эксперимент. Начнем бурить круговые, проходящие по экватору туннели под поверхностью Земли, все глубже зарываясь в нее и приближаясь к центру. Мы с удивлением обнаружим, что скорости объектов, запущенных по этим искусственным, вырезанным в толще планеты орбитам окажутся одинаковыми. В этом случае уменьшение эффективной массы Земли компенсируется приближением к ее центру. Собственно это и обнаружили Рубин и Форд применительно к спиральным галактикам. Большая часть светящегося вещества в них находится ближе к их яркому и взрывающемуся центру[36], и скорость звезд на большом удалении от него по идее должна быть меньше. На самом же деле она оказывается практически одинаковой вдоль всего рукава галактики, что означает и одинаковую плотность материи. На рис. 2 схематично показан основной вывод Рубин и Форда: кривая А отвечает веществу, сосредоточенному в центре, а B — экспериментально полученный результат. Работа была проделана очень серьезная и в дальнейшем неоднократно подтверждалась для всех из подвергнутых этой процедуре галактик, так что даже самым упертым скептикам пришлось согласиться с доводами в пользу скрытой массы. В настоящий момент считается, что все видимое вещество — пульсары, звезды, планеты, межзвездный газ, кометы, астероиды и прочее — вместе составляют не более 20 % от всей материи Вселенной.