16 Июня 2018

Важные научные открытия последнего столения

Опубликовал К.В. Кулик

Наша концепция Вселенной существенно отличается от той, которая имела верх в научных средах более ста лет назад. Людям было известно о том, что нашу галактику наполняют несколько планет, кроме нашей. Знали также такие вещи, как расстояния до звёзд нашей галактики, однако что находится за её пределами - этого не знал никто. Пока что весь научный мир опирался на данные, полученные Ньютоном, и не знал о тех вещах, связанных с гравитацией, открытых впоследствии Эйнштейном. Многим теориям, как теория Большого взрыва, и связанными с ней научными утверждениями, было суждено пройти сложный свой путь к открытию, а затем и признанию учёными и общественностью. Многие революционные открытия не были сделаны, и дожидались терпеливо своего часа. Прорывы в данной сфере последовали друг за другом в течении десятилетий, открывая всё более интересные перспективы, разрушающие привычный уклад мышления и представлений.

Научные открытия 1910 годов

Подоплёкой для них стали исследования Эйнштейна с последующим подтверждением его теории. Благодаря этому мощный толчок и прорыв в области знаний о гравитационных взаимосвязях получили иные проекты и исследования различных учёных всего мира. Помогая объяснить всё то, чего не могла сделать общая теория относительности, теория относительности Эйнштейна в буквальном смысле слова помогла заглянуть в будущее, и в тайны мироздания и устройства Вселенной. Например, это касалось того факта, который заставлял задумываться многих учёных планеты - прецессия орбиты Меркурия, нарушающая своим фактом существования Ньютоновский закон обратных квадратов для гравитации. Для Меркурия прецессия оказалась превышающей расчётную на 0,1 дуги, чего в принципе было не должно быть. После данного открытия учёные посчитали, что дело в том, что существует ещё неоткрытая планета, оказывающая влияние на Меркурий. Исследователи дали ей имя - Вулкан, и тщетно занимались поисками. Однако, поиски не дали результатов, и учёные предположили, что закон обратных квадратов Ньютона имеет неточности. Но с чем связаны эти неточности и какую величину они составляют, на этот вопрос ответ не мог дать абсолютно никто. Кроме Эйнштейна, открывшего теорию относительности, и обнаружившего тот удивительный факт, который навсегда изменил наши понятия о Вселенной - о том, что время и пространство искривляются, следовательно, благодаря ему Солнце и планеты подчиняются гравитации с некоторой долей приблизительности, не следуя законам абсолютно точно. Такое открытие спровоцировало настоящую революцию понимания вселенских процессов.

Продолжение череды открытий. 1920 года.

На тот период о наличии огромной Вселенной за пределами Млечного пути не было известно, но путь к этому уже был открыт исследованиями Хаббла и его научной работой. Он увидел несколько туманностей, наполненные звёздами того же типа, которые имеются в нашей галактике, однако их яркость была настолько низка, что объяснение этому было только одно - между нами пролегают миллионы световых лет, то есть, нахождение их за пределами нашей галактики. Хаббл не стал ограничиваться только наблюдениями и подобными заключениями, а измерил значение рецессии, а также расстояние до других галактик, позволившее значительно расширить границы известной Вселенной.

Исследования в области материи, наполняющей Вселенную. 1930-е года.

Фриц Цвикки принёс просто неоценимый вклад в историю своими исследованиями, открыв первым существование тёмной материи. Наблюдая за галактиками, исследователь заключил некоторые выводы, побудившие его создать теорию скрытой массы, оказавшейся весьма резонансной в учёных кругах. Он предположил, что во вселенной существует особый вид материи - невидимый, и проявляющий себя только с видимым при их при взаимодействии. Было заключено, что масса этого вещества во много раз превышает массу всех видимых объектов. Идея о том, что скрытая масса существует была лишь вопросом времени в своём выражении, ведь подобные догадки царили в научном обществе с самого начала открытия галактик. Однако догадки Цвикки вначале не были особо радушно восприняты в мировом сообществе, поэтому популяризацию эта теория получила лишь в 1970-х годах. Его исследования позволили заключить, что обычного видимого вещества в галактиках не хватает для создания всех существующих гравитационных связей, а тёмная материя имеет массу, превышающую массу обычной материи в 5 раз благодаря своей плотности.

Открытия 1940-х годов. Исследования в области изучения расширения Вселенной

В тот период большая часть наблюдательного, исследовательского и экспериментального ресурса ушла в области смежного характера, к ракетостроительной и разведывательной отраслям. Физикам-ядерщикам пришлось самостоятельно вести работу по продолжению изучения Вселенной. Год 1945 - Георгий Гамов создаёт не что иное, как полную экстраполяцию расширяющейся Вселенной. Суть её можно выразить одной фразой - если она продолжает остывать и расширяться сегодня, то в прошлом она была плотнее и горячее. То есть, когда-то Вселенная была настолько горячей, что в ней не могли быть сформированы атомные ядра, а также не было возможности образовываться и у нейтральных атомов. Значит, Вселенная формировалась из легчайших элементов, а сейчас мы можем наблюдать называемое условно послесвечение. То есть, было получено теорию, имеющую название Теория Большого взрыва.

Конкурирующие между собой теории. 1950-е года

Теории Большого взрыва противостояла другая, стационарная теория, которую выдвинул Фред Хойл и его коллеги. Для обеих теорий характерно предположение о том, что все элементы, которые входят в состав Вселенной, которые имеют большую массу, зародились на стадии, которую именуют ранней Вселенной.

Однако, в отличие от своих коллег, которые были приверженцами Теории Большого взрыва, Хойл был склонен предполагать то, что элементы Вселенной были сформированы не в состоянии, когда она была плотной, а гораздо ранее, ещё в предыдущем поколении. После этого Хойлу и его коллегам довелось представить подробнейшие объяснения, как термоядерные процессы, которые происходят в звёздах, выстраиваются в периодическую систему. Благодаря этому, мы смогли узнать о том, что углерод может образовываться из гелия ещё до того, как собственно стали проводиться такие реакции, предсказывая процесс, который был уникальным, называемый тройным альфа-процессом. Для его осуществления требовалось, чтобы углерод находился в потенциально новом состоянии. Открытое и изученное состояние было названо углеродным состоянием Хойла. Именно так было выяснено, что всем тяжёлым элементам нашей системы предшествовали другие звёзды, поэтому они выступают их наследием.

Открытия 1960-х годов. На пороге нового видения Вселенной

Мы не можем видеть небо в спектре микроволнового излучения. Поэтому можем только поверить на слово учёным, утверждающим то, что мы бы видели зелёное пространство, с шумовыми вкраплениями в центре, который внесли горячие точки. Прогнозируемое послесвечение от большого взрыва было открыто Уилсоном и Пензиасом в 1965 году. Однако ни одному из них не была понятна суть того, что они открыли. Только после того как было исследовано спектр этого излучения, стало понятно, что данное открытие объясняет появление Вселенной именно в результате какого-то взрыва, как объяснили измеренные флуктуации.

Идея космической инфляции. 1970-е года.

Теория Большого взрыва породила массу вопросов насчёт того, почему Вселенная является такой пространственно плоской, а также почему температура остаётся одинаковой по всем её направлениям. Эти размышления и исследования привели Алана Гута к идее о космической инфляции, то есть о периоде, когда Вселенная экспоненциально расширялась на первых этапах своего развития, в её первые мгновения. Поэтому не стоит удивляться тому, что эта сфера космического исследования породила множество ярких и жарких споров, в том числе о том, что она несостоятельна, ведь по своей сути она так и является недоказанной.

Однако, при всей спорности отдельных моментов, данная идея гласит, что до Большого взрыва у Вселенной было другое особое состояние.

1987 год

Эти года не подарили ничего существенно нового для области космических исследований, кроме того, что в 1987 году была исключительная, редкая возможность наблюдать сверхновую. Такое явление случается всего раз на сто лет, и произошла она достаточно удачно, ведь у человечества в эти года уже появились приборы, а именно детекторы, которые позволили её наблюдать и отследить нейтрино. Многие сверхновые были зафиксированы в других, смежных нам галактиках, если можно позволить такое выражение, однако эта суперновая была именно так близко к нам, чтобы с полной уверенностью засчитать нейтрино от неё во благо науки. Если бы детекторы были на тот момент более современного плана, и появились они гораздо раньше, то мы бы могли стать свидетелями ещё нескольких суперновых и уловить намного больше нейтрино.

Полученные данные послужили толчком и отправной точкой для нейтринной астрономии - они положили начало этой области.

Нейтринная астрономия способна дать ответы на массу вопросов, которые не могут быть отвечены при помощи других направлений астрономии и астрофизики, ведь она изучает нейтринное излучение внеземных источников. Это позволяет предполагать возможные сценарии по которым будет разворачиваться судьба Вселенной.

Переворот в видении будущего Вселенной. 1990-е года

Открытие тёмной материи и истоков Вселенной было шокирующим для всего мира, и для научного мира в частности. Не меньший шок произвело открытие в среде научного социума конца Вселенной, открытого в 1998 году. Сверхновые и нейтрино послужили основанием для такого вывода, ведь если ранее предполагалось всего три варианта возможного исхода - Большое сжатие, замерзание и Критическая Вселенная, которая стремится к нулю и находится на границе между этими состояниями, то теперь было показано, что со временем все галактики всё быстрее удаляются друг от друга. Группы местных галактик однажды скроются за горизонтом, и Вселенная замёрзнет. Она раномерно и бесповоротно остынет и станет холодной.

Из чего состоит Вселенная. 2000-е годы

Флуктуационные исследования послесвечения, который нам оставил Большой взрыв, привело нас к тому чудесному факту, что мы теперь в точности можем утверждать, что знаем, из чего состоит сама Вселенная. Благодаря данным, которые были получены WMAP, и которые были улучшены Планком, были созданы крупномасштабные структуры, а также данные по тем суперновым, которые были изучаемы, мы теперь можем представить практически целостную картину Вселенной, включающую такие неведомые и малораскрытые ранее аспекты. Так, мы узнали о том, что малую долю всего излучения во Вселенной составляют излучения фотонов. Небольшой и лёгкий взнос придают для гало излучения нейтрино, создающие гравитационные связи галактик и прочих скоплений. Обычная материя составляет 4,9% общей массы, и сюда входит всё, что имеет атомную структуру. Доля тёмного вещества, или материи, которая не вступает во взаимодействия, составляет всего 27%. Остальные 68% занимает тёмная энергия, свойственная самому пространству.

Суперземли. 2010-е года

Десятилетие оказалось весьма насыщенным для различных открытий самого разного плана. Сюда входит и открытие ряда планет, похожих на Землю, что делает их потенциально обитаемыми, или по крайней мере, располагающими для этого условиями, конечно, весьма относительными к земным. Нами было обнаружено десятки и тысячи подобных Земле планет, однако, из всего этого многообразия удалось выделить максимум несколько, дейтствительно соответствующих критериям отбора. Может быть, ещё рано говорить о том, что это самое громкое открытие десятилетия, однако, все предпосылки для этого даны. Практически, миссия “Кеплер” совершает открытие потенциально обитаемых планет, и возможно, среди всего их разнообразия найдётся действительно разбивающая все наши понятия о существовании и условиях для него внеземных живых организмов. На самом деле, помимо данных открытий экзопланет, обнаруженные гравитационные волны подтвердили сделанные в прошлом столетии догадки, которые были сделаны Эйнштейном. Поэтому теория относительности может считаться выдержавшей испытание временем.

Пока мы стоим на пороге новых удивительных открытий, способных перевернуть наш привычный уклад и весь наш мир, и предпосылки для этого закладывались годами, поэтому ещё, пожалуй, рано говорить о том, что все величайшие открытия уже сделаны. Вселенная в нашем понимании бесконечна, хотя с этим можно поспорить с научной точки зрения, поэтому и пространство для открытий будет более чем огромным. Объять все аспекты, интересующие нас сегодня, практически невозможно, хотя мы и стремимся к этому. Примером этому может послужить эта временная хронология открытий, приведшая нас к более полному пониманию Вселенной, огромной и в целом такой необъятной.