Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

2.10. Невидимая физика

Мы уже рассмотрели три примера свойств Вселенной, которые затруднительно объяснить без темной материи. Сначала Пуля (два сталкивающихся скопления галактик). Затем быстрые галактики в скоплениях галактик — явление, впервые описанное Фрицем Цвикки в 1930-х годах. И, наконец, вращающиеся спиральные галактики и открытия Веры Рубин в 1970-х.

Благодаря двойной глазунье в супе мы познакомились с галактиками. Но главное блюдо мы оставили на потом. Основной индикатор существования темной материи — это, по моему мнению, так называемое реликтовое излучение. Это излучение представляет собой микроволны, возникшие сразу после Большого взрыва, задолго до образования первых звезд и галактик. По сути, это излучение Большого взрыва, которое сегодня является основным двигателем для наших постоянно растущих знаний о Вселенной. Большие и маленькие числа

Мы уже встречали несколько чисел, записанных в виде степени десяти, например 10⁸. До сих пор эти числа сопровождались пояснениями. С этого момента эти степени будут появляться без дополнительных объяснений. Вот памятка для тех, кто пустил школьный курс математики на самотек.

Большие числа: 10⁸ (десять в восьмой степени) — это то же самое, что единица и восемь нолей позади. Получается, показатель степени 8 говорит о количестве нолей после единицы.

Маленькие числа: степени применимы и для небольших чисел. Но в этом случае используется знак «минус» перед показателем степени. Например, 10^-8 равнозначно 1/10⁸ или 0,00 000 001. Таким образом, отрицательный показатель степени указывает нам, через сколько знаков после запятой стоит число 1.

Мы уже заметили, как способность темной материи не сталкиваться становится определяющей, например, для Пули или для кривых вращения Рубин. Это свойство также будет решающим для понимания реликтового излучения. Но вот причины, по которым темная материя не сталкивается, мы еще не обсуждали. Перед тем, как приступить к реликтовому излучению, сделаем-ка небольшой экскурс в физику невидимости. Ведь чуть позже мы убедимся, что невидимость и отсутствие столкновений — это две стороны одной медали. Электрическая видимость

Почему что-то невидимо? Или наоборот: почему обычная материя видима? Почему вы видите книгу, которую держите в руках? И почему книга может просто лежать на столе, несмотря на гравитационные силы, которые постоянно тянут ее вниз? И на все эти вопросы ответ один: электрические заряды. Разница между видимой и невидимой реальностью — то же самое, что разница между частями мира с электрическими зарядами и без них.

Во время разговора об электричестве трудно не упомянуть его любимого брата-близнеца — магнетизм. Оба явления тесно взаимосвязаны. Например, если у вас на велосипеде динамо-машина, то колесо велосипеда заставит магнит вращаться. Так вращающийся магнит образует электрический ток, из-за которого загорается фонарь велосипеда. Мы можем пойти и другим путем и использовать электрический ток для создания магнетизма. Это применяется, например, в электромагнитах, которые, в частности, используются в больничных аппаратах МРТ. Их катушки под огромным напряжением создают мощнейшие магнитные поля. Итак, есть электричество — будет и магнетизм, и наоборот. Тогда, возможно, не так уж и странно, что физики используют такие термины, как электромагнетизм, электромагнитное излучение и так далее.

Во всех электромагнитных явлениях центральное место занимают электрические заряды. Электрические заряды

Электроэнергия влияет на все, что содержит электрические заряды. А что такое электрический заряд? Ну, это свойство, которым обладает частица под влиянием электричества. Хм… какой-то замкнутый круг выходит. Давайте разберем аналогичную ситуацию.

Сила тяжести влияет на все объекты с массой (ее мы измеряем в килограммах). И масса — это то самое качество, которым обладает частица, если на нее влияет сила тяжести (по крайней мере в повседневной физике). Таким образом, масса — это своего рода гравитационный заряд, а значит, объект «соединяется» с гравитацией. Таким же образом электрический заряд заставляет что-либо соединяться с электричеством.

Самая известная электрически заряженная частица — это электрон. Когда мы с помощью электричества включаем свет или чистим зубы, именно движение электронов мы и используем. И когда небо разрывается от мощного удара молнии, то виной всему электрические заряды, а точнее, поток электронов между грозовой тучей и землей.

У электронов так называемый отрицательный электрический заряд. А самая известная частица с положительным электрическим зарядом — протон. Протон ровно настолько же положителен, насколько отрицателен электрон, поэтому если взять комок с равным количеством протонов и электронов, то его общий электрический заряд будет нулевым. Тогда мы скажем, что он нейтральный.

Большинство окружающих нас в обычной жизни предметов относительно электрически нейтральны. Вот в человеке, например, более 10²⁸ электронов — число, сравнимое с количеством песчинок в Сахаре. Но когда этим электрическим зарядам составляет компанию равное число положительно заряженных протонов, в результате получается электронейтральный человек. И книга в ваших руках, и птицы на крыше электрически нейтральны, и большинство исследований подтверждают, что наша Вселенная в целом электрически нейтральна. Таким образом, и в человеке, и в книге, и во Вселенной примерно одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц.Воздушные шары и электрические лунные коровы

Чтобы хорошенько разглядеть электрические заряды, придется добраться аж до атомного уровня. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором находятся протоны и электрически нейтральные нейтроны. А вокруг ядра — облако отрицательно заряженных электронов. В нейтрально заряженном атоме количество электронов в электронном «облаке» равно количеству протонов в ядре.

Когда атомы объединяются и образуют структуры, такие как молекулы, книги и планеты, то именно электронные облака различных атомов не дают им развалиться. Электроны в одном атоме притягиваются к положительно заряженному ядру другого атома, тем самым их связывая. Таким образом, в нашем структурированном мире никак не обойтись без электрического заряда.

Между электрическими зарядами действуют определенные силы. Одинаковые заряды отталкивают друг друга, а разные — притягивают. Таким образом, если взять два шарика с избытком электронов, то они будут отталкиваться, а если один шар будет с избытком электронов, а другой с избытком протонов, то они будут притягиваться друг к другу. Действие этого эффекта можно оценить, если потереть волосы о праздничные воздушные шары, чтобы те прилипли к потолку. Разные материалы, такие как волосы и резина, обладают разной способностью удерживать электроны, и, когда вы трете воздушный шар о волосы, некоторые электроны из волос будут перемещаться к воздушному шару. В таком случае воздушный шар получает отрицательный заряд, а волосы — положительный. Волосы и воздушный шарик будут притягиваться друг к другу, и вы сделаете прикольную прическу в стиле «безумный профессор». Если вы поднесете воздушный шар к потолку, электроны там будут отталкивать отрицательно заряженный шар. Получается, потолок около шарика получит небольшой положительный заряд. Потолок и шарик будут притягивать друг друга, и шарик там так и останется. А если поднести два натертых о волосы шарика на разных ниточках близко друг к другу, то они будут отталкиваться, так как у обоих отрицательный заряд.

Воздушные шарики иллюстрируют, как работает электроэнергия, однако нам все же еще не совсем понятно, насколько она могущественна. Количество электронов, перешедших от ваших волос к воздушному шару, относительно мало, неужели этой энергии достаточно, чтобы удерживать шарик под потолком? И насколько влиятельными бывают силы между электрически заряженными объектами? И что произойдет, если мы заменим воздушные шары Луной и Землей?

Луна обращается по околоземной орбите. Благодаря силам притяжения Земли, Луна, несмотря на свою огромную скорость, не улетает в космос, а остается на своей орбите. В качестве мысленного эксперимента примерьте на себя роль космического Деда Мороза, который раздает дополнительные электроны небесным телам. Не скупясь, вы протягиваете мешок электронов Земле и точно такой же — Луне. Таким образом, отрицательные электрические заряды будут способствовать взаимному отталкиванию Земли и Луны. Однако сила тяжести никуда не делась, поэтому планета и спутник продолжают притягивать друг друга. Насколько большими должны быть мешки с электронами, чтобы электрические силы преодолели силы гравитации и оттолкнули Луну от Земли? Оказывается, хватит и 350 кг лишних электронов. Для сравнения: все электроны на Земле вместе весят столько же, сколько вся вода Мирового океана, так что это и вправду немного.

Получается, что электроны, соответствующие массе двух коров, мощнее, чем гравитационные силы, связывающие Луну с Землей. Но гравитация все же контролирует движения между небесными телами, и происходит это из-за того, что они на самом деле электрически нейтральны. В Земле и Солнце, в астероидах, далеких звездах и огромных галактиках электронов примерно столько же, сколько протонов.