Приямвада Натараджан
Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса
Посвящается Амме и Аппе
Предисловие
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.
С древних времен мы наслаждаемся величием ночного неба, состоящего из тысяч неподвижных точек света — звезд, восходивших и заходивших в одно и то же время. Однако в 1718 г. британский астроном Эдмунд Галлей, второй по значимости астроном Королевства Великобритании, обнаружил, что координаты звезд постепенно меняются. Например, звезды Сириус, Арктур и Альдебаран сместились далеко от тех мест, которые описаны древнегреческим астрономом Гиппархом около 2000 лет назад. По-видимому, «неподвижные» звезды блуждали.
Такие неожиданные, дезориентирующие открытия распространены в космологии, и нынешнее понимание расширяющейся с ускорением Вселенной аналогично перевернуло наши привычные представления. Все началось в 1543 г., когда Николай Коперник переместил ось вращения мира с Земли на Солнце, вокруг которого мы «с тех пор» обращаемся. Теперь общеизвестно, что речь идет о Солнечной системе, но в то время считалось, что Солнце — центр Вселенной. Открытие движения звезд привело к еще большим изменениям нашего понимания Вселенной. В 1920-х гг. были открыты другие галактики, что говорило о том, что Млечный Путь — всего лишь одно скопление звезд среди многих, а затем было доказано, что Вселенная расширяется, и астроном Эдвин Хаббл подступил к изучению происхождения и эволюции Вселенной. Сегодня у нас есть изображения нескольких миллионов галактик и данные о них, многие из которых настолько далеки, что их свет, который мы видим, возник, когда Вселенная находилась в зачаточном состоянии, то есть в возрасте миллиарда лет при нынешних 13,8 млрд. Эти открытия являются частью более обширной истории о том, как мы пришли к некоторым из самых замечательных идей в космологии за последние 100 лет и как эти идеи получили развитие. Человеческий фактор науки, изобилующий личным соперничеством, столкновениями амбиций и поиском славы, тормозил или же, наоборот, продвигал многие открытия. Человеческое стремление к безопасности и сохранение статус-кво вступают в действие, когда мы сталкиваемся с драматическими изменениями. Эта инстинктивная инертная реакция на новые радикальные идеи препятствует принятию перемен в нашем глубоко укоренившемся мировоззрении. Ученые не освобождаются от этого и часто сопротивляются новому, пока не примут убедительные доказательства.
