Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса

Переводчики Арсен Хачоян, Инна Черкашина (предисловие, главы 1, 2, 4)

Научный редактор Олег Верходанов, д-р физ.-мат. наук

Редактор Антон Никольский

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректор М. Миловидова

Компьютерная верстка А. Фоминов

Арт-директор Ю. Буга

Дизайн обложки James J.Johnson

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию

и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

Originally published by Yale University Press

Карта космоса за последние 100 лет претерпела существенные изменения. В 1914 г. наша Галактика Млечный Путь представлялась целой Вселенной – маленькой, статичной, одинокой. Космологические исследования в те времена все еще опирались на классические принципы гравитации, разработанные в XVII в. Современная физика и триумфальные шаги общей теории относительности (ОТО) полностью изменили представление человечества о пространстве и времени. Сегодня мы знаем, что Вселенная динамична, темпы ее расширения только ускоряются, в то время как таинственные ключевые компоненты – темную материю и темную энергию – увидеть пока не удается. Остальная материя, из которой состоят звезды и само человечество, представлена в виде таблицы Менделеева, но это всего лишь 4 % от всей массы Вселенной. Мы удостоверились в существовании планет на орбитах других звезд. Мы подозреваем наличие других Вселенных. Все это говорит о невероятном научном прогрессе.

Из всех научных дисциплин космология, вероятно, оказала наиболее существенное влияние не только на нашу концепцию Вселенной, но и на наше понимание своего места в ней. Потребность в поиске собственной точки опоры и попытки объяснить природные явления уходят своими корнями в первобытные времена. Мы находим удивительное сходство в древних мифах о сотворении мира, которые помогали людям придать смысл изменчивым и суровым природным явлениям. Сверхъестественные объяснения пробуждают веру в невидимую и все же куда более могущественную реальность. Кроме того, они в значительной степени базируются на нашем ощущении чуда в мире природы. Изобретательное человеческое воображение позволяло древним цивилизациям представлять силы, которые напрямую не присутствовали в мире, но воспринимались как вполне реальные.

Возьмем, к примеру, Энки, шумерского бога воды, гнев которого мог стать причиной наводнений. Или Индру – бога дождя и грозы в индуизме. Радуга, вытянувшаяся на небе, служила ему луком, молнии – стрелами. Самые сильные мифы – это мифы, которые требуют большой доли воображения и в то же время помогают нам почувствовать опору под ногами.

Я выросла в Индии и всегда ощущала потребность найти свое место в мире. Энциклопедия «Британника» стала моим первым путеводителем. 32 тома 15-й редакции, помещавшиеся на книжных полках моих родителей, стали для меня воплощением всех знаний человечества того времени. Словно заколдованная, я погружалась в древние атласы, карты, которые вели путешественников к новым открытиям, и карты звездного неба. Я была очарована звездами. Мои собственные картографическое изыскания позволили мне впервые ощутить на собственном опыте, что такое научное исследование. Занявшись программированием на компьютере Commodore 64, для национальной газеты я написала программу, с помощью которой можно было составлять ежемесячные карты звездного неба над Дели. С той поры я была захвачена открытиями и исследованиями. Во времена учебы в бакалавриате Массачусетского технологического института (MIT) я изучала физику, математику и философию. Затем любопытство привело меня в магистратуру MIT на программу «Наука, технологии и общество», после чего я отправилась за океан в докторантуру по астрофизике в Кембриджском университете. Я стала ученым и продолжаю постигать новые знания, связанные с историей и философией науки, чтобы лучше узнать, как совершаются научные открытия и формируются наши знания.

По сути, в основе моей работы как астрофизика-теоретика, связанной с составлением карты темной материи и исследованием процесса формирования черных дыр, лежит ощущение чуда и стремление раскрыть тайны Вселенной – чувство, похожее на то, что испытывали люди древности. Меня все еще увлекает изучение карт, которые помогают нам ориентироваться, – все то, что впервые возбудило мой интерес, когда я была ребенком и жила в Дели. Я исследую отклонение света, идущего из отдаленных галактик, гравитационное линзирование, чтобы определить местоположение темной материи, которая является причиной таких отклонений. Я также исследую формирование и рост черных дыр, самых удивительных и загадочных объектов во Вселенной. В настоящее время участвую в одном из самых крупных и новаторских проектов картографирования Вселенной, когда-либо предпринимаемых человечеством, – программе Hubble Frontier Fields. Цель проекта – глубже проникнуть в отдаленные уголки Вселенной и более точно, чем когда-либо, отметить местоположение темной материи. В период с 2014 по 2017 г. камеры на борту космического телескопа «Хаббл» расходовали значительную долю времени на данный проект. Конечно, я лишь одна из многих исследователей, использующих эти уникальные наблюдения и отдающих свои силы работе по созданию масштабной карты Вселенной. Впереди нас ждет множество новых удивительных открытий. Мы, как и поколения наших предшественников-ученых, можем столкнуться с необходимостью полностью пересмотреть нынешний статус-кво.

Существует немало книг, посвященных истории космологических открытий, однако в данной работе я поставила цель по-иному взглянуть на процесс развития научных идей, то, как их оспаривали и в конце концов принимали. Чтобы следить за развитием событий, не обязательно быть астрофизиком. Примеры из области космологии, которые я привожу в работе, предназначены для иллюстрирования гораздо более обширных тенденций в сфере научных исследований и открытий. В частности, я прослеживаю развитие радикальных научных идей, которые постоянно меняли карту космоса. Эволюция идеи, возникающей из мрака, получающей популярность, а затем и всеобщее признание, кажется мне крайне захватывающей. В космологии создание и уточнение карт часто отражает данный процесс, выходя за рамки картографии. Тектонические сдвиги в понимании мира в прошлом веке потребовали пересмотреть привычные «карты знаний». Но утверждение новых идей не происходит в одно мгновение, оно всегда становится предметом дебатов. По мере оспаривания учеными господствующих представлений о Вселенной наше мировоззрение и символическая карта продолжали непрерывно меняться, требуя от нас адаптироваться и быть готовыми к изменениям.

Это история необычайного полета фантазии, появления радикальных идей, подпитываемых новыми открытиями. Процесс принятия идеи раскрывает различные стороны как всей науки, так и отдельных ученых – эмоциональные, психологические, личные и социальные, выходящие за рамки чисто интеллектуального стремления к знаниям. Это видение противоречит популярной точке зрения, что наука состоит лишь из исследований с целью получения фактических данных об устройстве мира. Дело в том, что наукой занимаются люди и она строится из переплетения субъективных мнений.

Споры и разногласия в научном сообществе являются неотъемлемой его частью, и мы заостряем на них внимание именно потому, что они демонстрируют, как новые идеи борются за право на существование. Именно поэтому мне интересно, почему возникают споры в сообществе космологов и как разрешаются. Эти споры не прекращаются, поскольку свойственны самой природе научных поисков. Научный ум совершенствуется и приобретает гибкость в процессе дискуссий, которая ежедневно подвергается проверке и позволяет ученым преодолевать потрясения от новых открытий, подвергающих сомнению основы знаний. Я показываю, как космологи справляются с этими переменами и уточняют свои «карты знаний», творчески используя энергию любознательности.

Это мощное слияние новых идей и новых технологий, меняющее наше знание о космосе. Возьмем, например, изобретение спектрографа, который раскладывает свет на составные части, позволяя дистанционно изучать химический состав далеких звезд; мощные телескопы и чувствительные камеры, обладающие невероятно высоким разрешением; или компьютеры, способные хранить и обрабатывать огромные массивы данных – все это породило новые идеи и позволило ученым их подтвердить или опровергнуть.

В последние несколько десятилетий исследователи проникли еще дальше вглубь пространства и времени, используя сложные детекторы и спутники. Мы описали реликтовое излучение, исследование которого приближает нас к моменту творения – Большому взрыву. На нашем собственном «заднем дворе» мы обнаружили тысячи планет, вращающихся вокруг звезд за пределами Солнечной системы. Тем не менее осталось много тайн.