Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

А что бы произошло, если бы нам на мгновение удалось отключить электрические силы в вашем теле, пока вы стояли на тротуаре? Первым делом вы бы распались на части. Впрочем, давайте все же представим, что вашим клеткам каким-то магическим образом удалось удержаться вместе. Да, тогда вы бы провалились сквозь асфальт, к самому центру Земли и танцевали бы между южной частью Тихого океана и Норвегией, точно так же, как то ньютоновское яблоко из темной материи. Провалиться под землю ни вам, ни обычному яблоку не дают электрические заряды.
Так что стоит быть готовыми к следующему утверждению: темная материя не сталкивается, потому что не содержит электрических зарядов. Поэтому и просто на полу она валяться не будет. Из этой материи не образуются книги, люди, лоси или планеты. Получается, мир темной материи, грубо говоря, неосязаем.
Отсутствие электрических зарядов — это причина не только неосязаемости темной материи, но и ее невидимости. Почему? Придется сначала разобраться с понятиями видимости и света.
Свет и электромагнитные волны
Когда мы что-то видим, будь то корова или далекая галактика, происходит это благодаря тому, что свет достигает наших глаз. Но что же такое свет?
Видимый свет — малая часть явления, которое мы называем электромагнитными волнами. Эти волны перемещаются в пространстве со скоростью света. Мы замечаем световые волны, когда они достигают наших глаз, но видим мы далеко не все волны. Частенько мы можем не разглядеть световые волны, которые гуляют прямо у нас под носом, стремятся к чьим-то еще глазам или даже стене, дереву или горе. Чтобы лучше понять природу световых волн, нужно сначала взглянуть на наиболее привычные нам волны — те, что можно наблюдать на воде.
Меня трудно назвать бывалым моряком, но при мысли о волнах я всегда вспоминаю о прекрасном озере Мьёса. Представьте себе, что сейчас чудный летний день и неподвижная водная гладь улыбается вам. Как создать волны на воде? Допустим, вы используете типично норвежский прием и создадите волны так: зайдете по пояс в воду и начнете опускать в воду мяч, а потом снова вытаскивать. От мяча будут расходиться отличные круговые волны. Если вы зануда, то станете бросать и поднимать мяч с особым ритмом, похожим на азбуку Морзе.
Погружение мяча в воду — хорошая аналогия с электромагнитными волнами. Здесь пляжные мячи играют роль электрических зарядов, а волны в воде можно сравнить с электромагнитными волнами.
На пляж вы пришли со знакомым и в этот чудесный день ваш спутник или спутница тоже играет в воде в собственный надувной мяч. Через какое-то время волны от вашего мяча доходят до этого знакомого. Он не без удивления обращает внимание, что эти волны касаются и его мяча. Мяч опускается и приподнимается в том же ритме, который вы создали, поэтому приятель сразу же обращает внимание на послание, зашифрованное в волнах. После интерпретации сообщения друг в ответ окунает свой мяч в воду, так что новое волновое сообщение начинает двигаться к вам. Добравшись до вашего мяча, волны примутся раскачивать его и передадут вам ответное сообщение.
Настало время покинуть нашу парочку. Не станем расшифровывать переданные морзянкой сообщения. А урок из этой истории извлечем следующий: раскачивая мяч, можно создать волны, которые в свою очередь раскачают другой надувной мяч. Впечатлились? Не особо? Тогда давайте сравним волны на озере со световыми волнами.
Электромагнитные волны, а соответственно, и свет работают по тому же принципу, что и волны на озере, с одной лишь разницей — вместо мячей и воды в игру вступают электрические заряды и электромагнитные волны соответственно. Если вы возьмете электрический заряд, такой как электрон, и немного встряхнете его (или станцуете буги-вуги), электрон испустит электромагнитные волны. И если колебания пляжного мяча создают волны в воде, то колебания электрона создают волны в электрических и магнитных полях.
 
Полях? Да, электромагнитные поля — это основная концепция, на которой основываются понятия света, видимости, невидимости, сталкивающихся яблок и галактик. А поле-то, собственно говоря, — это, вообще, что такое? Термин «поле» встречается во многих областях физики, и не только когда речь идет об электромагнетизме. Например, мы часто говорим о полях тяготения, или гравитационных полях. Если книга находится в гравитационном поле, это означает, что на нее будут действовать гравитационные силы. В определенной точке комнаты, например на столе перед вами, гравитационное поле будет иметь определенное направление и силу, а в другой точке оно может вести себя иначе. То же самое с электрическими и магнитными полями. Возле магнита будет магнитное поле, а около электрического заряда имеется поле электрическое.
Вокруг потертого о волосы шарика образуется электрическое поле, но увидеть мы его не в силах. А откуда же мы тогда знаем, что оно существует? Поместим в одной точке положительно заряженную частицу, чтобы впоследствии наблюдать, с какой силой и в каком направлении ее тянет. Если поместить положительный заряд рядом с отрицательно заряженным шариком, который потерли о волосы, то мы увидим, что он притягивается прямо к шарику. Направление заряда можно использовать для определения направления электрического поля. Кроме того, видно, что сила притяжения, а значит, и поле тем сильнее, чем меньше расстояние между положительным зарядом и воздушным шаром.
Как уже упоминалось, свет и все другие формы видимости существуют благодаря электрическим и магнитным полям. Однако электрическое поле вокруг воздушного шара невидимо. Чтобы поля были видны, они должны начать раскачиваться назад и вперед и создавать волны. И как этого добиться?
Допустим, вам удалось взять в руку один электрон. Представьте, что вы держите его на расстоянии вытянутой руки, на уровне глаз. Потом вы начинаете раскачивать электрон вверх и вниз, очень быстро. Что тогда будет с электрическим полем?
Давайте посмотрим на электрическое поле в том месте, где изначально находился электрон, прямо перед вашими глазами. Когда вы перемещаете электрон выше, электрическое поле будет направлено вверх, к электрону. Когда электрон перемещается ниже уровня глаз, поле будет направлено вниз. Встряхивание электрона создаст поле, направленное попеременно то вверх, то вниз.
Похоже на ситуацию на озере Мьёса? Надувной мяч нырял и выныривал, а на воде появлялись волны. Теперь электрон ныряет и выныривает и мы получаем волны в электрическом поле. И не только. Мы уже знаем, что электричество порождает магнетизм и наоборот. В случае со встряхнутым электроном волны электрического поля также будут формировать волны магнитного поля. В итоге мы получили то, что принято называть электромагнитной волной, и она движется в пространстве со скоростью света.
Впервые электромагнитные волны описал шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. В 1860-х годах он обобщил все, что мы знали об электричестве и магнетизме, в виде набора математических уравнений, которые сегодня мы называем уравнениями Максвелла. В уравнения были включены уже известные законы, показывающие, как электричество преобразуется в магнетизм и наоборот. Основываясь на этих уравнениях, Максвелл доказал существование электромагнитных волн и рассчитал, что они будут двигаться в пространстве со скоростью, почти полностью соответствующей скорости света. Вот к какому выводу он пришел:
Соответствие между результатами указывает на то, что свет и магнетизм являются проявлениями одного и того же вещества и что свет — это электромагнитная помеха, которая распространяется через поле в соответствии с электромагнитными законами.
Иначе говоря, электромагнитные волны и свет — это одно и то же. Получается, при встряхивании электрон тоже будет излучать свет. Но того, что свет излучается, недостаточно. Глаз должен обладать способностью воспринимать этот свет. Каким образом это происходит?