очти цялата ни вселена е изградена от тъмна енергия и тъмна материя. Но какво представляват те и защо ги има? Изследователите все още търсят отговора на този въпрос...

Вселената съществува, следователно има маса. Този прост, но неоспорим факт не е за подценяване, защото е в основата на съвременното ни космологично разбиране. За масата на звездните обекти можем да съдим по техните гравитационни влияния. Например, ако около една точка, в която не виждаме нищо, се въртят няколко звездни обекта (подобно на планетите около слънцето ни), то в тази на пръв поглед празна точка би трябвало да има нещо. Вероятно черна дупка.

С благодарност към създалите законите на гравитацията и движението на звездните обекти физици като Нютон и Айнщайн космолозите наблюдавали небето с мощни телескопи и пресмятали масата на отделните звездни системи и галактики. След време те натрупали достатъчно наблюдения, създали модел, основан на средната плътност на вселената, и пресметнали нейната маса.

Това бил велик момент. Първо, защото бил страхотно постижение, и второ, защото предизвикал голям смут в научните среди. Според пресмятанията излизало, че едва около 4% от масата на вселената се дължи на познатата ни материя (виж графиката). Останалите около 96% били приписани на мистичните тъмна енергия и тъмна материя*. Е, новината не била лоша за всички – някои физици, например такива, ползващи т.нар. струнна теория, били предрекли съществуването им. Но защо се наричат тъмни?

Името се дължи на природата им, а не на желанието на физиците да подчертаят незнанието си. Материята, която изгражда нас и света, в който живеем, е съставена от разни частици като протони, електрони, неутрони и т.н. Всички те са обединени с общото название бариони. Барионите си взаимодействат със светлината. Иначе нямаше да ги виждаме. Тъмната енергия и тъмната материя обаче не взаимодействат със светлината и си стоят тъмни и невидими. Оттам идва и името им.

Тук някой по-паметлив бивш седмокласник би казал, че светлината е просто част от електромагнитния спектър. Не излъчват ли тези тъмни неща някакъв друг вид радиация, примерно микровълнова? Отговорът на науката засега клони към отрицателен. Основната маса на вселената се дължи на вещество, което не взаимодейства с барионната материя по друг начин освен чрез гравитационното си поле.

Тъмната енергия

е предречена от теоретиците доста отдавна, като е възможно тя да представлява форма на космологичната константа на Айнщайн** или, с други думи, енергията на вакуума. Името си е получила през 1998 г., когато двама физици изучавали раздалечаването на две супернови (наскоро избухнали звезди). Според дотогавашното схващане за вселената тя се разширявала с постоянно намаляваща скорост. Това било логично – разширението се дължало на инерцията от Големия взрив***. А, както знаем, с времето инерцията намалява.

Учените обаче открили нещо съвсем друго. Вселената се разширявала с все по-голяма скорост, тоест равноускорително. Това било голям проблем, защото нещо трябва да предизвиква това разширение. А то липсвало. Така се родила идеята за тъмната енергия, която не можем да видим, но която отблъсква материята на вселената, която от своя страна се разширява все по-бързо и по-бързо.

През следващите години изследователите натрупват още индиректни доказателства за наличието на тъмната материя. Например благодарение на нея по-плътните звездни скупчвания не са колабирали вследствие на гравитацията. Физиците биха казали простичко така: "Ако тъмната енергия я нямаше, съществуването на хората, които сега й се чудят, нямаше да е възможно."

Остава да разберем какво точно изгражда около 74% от нашата вселена, които се падат на тъмната енергия. Засега обаче дори нямаме най-обща идея как точно да го сторим.

Тъмната материя

е по-малката загадка. Не само защото изгражда едва около 20% от вселената, а защото имаме предположение какво представлява и как да я изследваме. Въпреки че съставящото я вещество има 24 порядъка по-ниска плътност от водата, то е достатъчно плътно и тежко, за да можем да го открием.

Всъщност и сега има няколко експеримента, които е възможно да са успели да открият тъмна материя. Техните резултати не са недвусмислено потвърдени, но никога не е грешка да напишеш в научната си статия, че може би (но само може би) наблюдаваното явление се дължи на тъмната материя. Ако не си прав, не е страшно - нищо не твърдиш категорично. Ако си прав обаче, ще получиш Нобелова награда. Така вече векове учените приписват всичко, което не могат да обяснят, на това, което се очаква да бъде открито.

В случая това нещо най-вероятно са вид небарионни частици, известни като слабо взаимодействащи масивни частици (weakly interacting massive particles, WIMPs). Наричат ги слабо взаимодействащи, защото на практика не си "общуват" с привичната ни материя чрез квантови сили, тоест чрез обмен на разни частици на взаимодействието като глуони, бозони и т.н. Има и други възможности и е "задължително да си държим съзнанието отворено за тях", както казват физиците Robert Caldwell и Marc Kamoinkowski в скорошна статия в Nature (2009;458:587), посветена на "тъмните" неща във вселената.

Откриването на WIMPs е една от основните цели на големия адронен блъскач (LHC), най-мощния ускорител за частици в света, който очакваме най-сетне да започне работа по-късно тази година. Поне още десет подземни и извънземни експерименти планират или вече търсят преки доказателства за природата на тъмната материя.

Тъмната енергия е косвено отговорна за наличието на наблюдател, тоест за съществуването на човечеството. Нейното гравитационно поле е причина за съществуването на най-плътните звездни обекти - това са звездите и планетите (черните дупки са особен случай и затова не ги споменаваме тук). Тъмната материя също така изглежда противодейства на усилията на тъмната енергия да "разпръсне" вселената, превръщайки я в рядка супа с еднаква плътност.

Някой вероятно би се запитал: щом тъмната материя упражнява гравитационно влияние върху светлата материя, не трябва ли те да имат еднаква природа? Този аргумент е много смислен, но изисква да знаем какво точно представлява гравитацията. А ние всъщност не знаем. Нито какво я поражда, нито какви частици я пренасят, нито защо я има. Знаем само, че е свойство на материята и че се усилва с масата, но намалява с разстоянието.

Разбирането какво е тъмната материя може би ще ни разкрие природата на гравитацията. Това би решило един от най-големите проблеми на физиката и сякаш ще покаже пътя, по който да бъде съставена т.нар. Велика теория на обединението, която ще свърже в единен модел квантовата механика с теорията на относителността.

===========

*Всъщности досега 2% от масата на вселената не са приписани на нищо (виж графиката).

**Тази константа е въведена от Айнщайн, за да се изрази идеята, че в абсолютно празно пространство може да се съдържа енергия.

***Вселената е възникнала от безкрайно плътна маса, която е избухнала преди около 14 млрд. години. Явлението е известно като Големия взрив.