Свойства расширяющихся вселенных. Скорость расширения Вселенной - задача для космологов
О сложных теориях простым языком.
Сегодня утром умер известный физик и популяризатор науки Стивен Хокинг. Ученый занимался космологией и квантовой гравитацией.
Мы рассказываем простым языком об основных открытиях Хокинга, которые изменили науку.
Излучение Хокинга
Хокинг разработал теорию о том, что черные дыры «испаряются» за счет особого излучения, которое потом назвали его именем.
До этого открытия ученые считали, что черные ничего не излучают, а лишь поглощают. Он доказал, что черные дыры не совсем черные, так как излучают остаточную радиацию.
Также Хокинг делает вывод, что черные дыры существуют не вечно: они излучают все более сильный ветер и, в конце концов, исчезают в результате гигантского взрыва.
Эйнштейн так и не принял квантовую механику из-за связанного с ней элемента случайности и неопределенности. Он сказал: Бог не играет в кости. Похоже, что Эйнштейн ошибся дважды. Квантовый эффект черной дыры позволяет предположить, что Бог не только играет в кости, но и иногда бросает их туда, где их нельзя увидеть.Стивен Хокинг.
Вселенная создала себя сама
Эта теория Хокинга посвящена вопросу создания вселенной, у которой, по мнению ученого, не было начала и самого момента творения. Ученый предположил, что есть другое направление движения времени (не только вперед или назад), и выдвинул теорию о воображаемом времени, для которого вообще не существует понятий «начала» или «конец».
Хокинг был убежденным атеистом. Вот его цитата на эту тему:
Поскольку существует такая сила как гравитация, Вселенная могла и создала себя из ничего. Самопроизвольное создание - причина того, почему существует Вселенная, почему существуем мы. Нет никакой необходимости в Боге для того, чтобы "зажечь" огонь и заставить Вселенную работать.Стивен Хокинг.
Вселенная расширяется
До 20 века считалось, что Вселенная вечна и неизменна. Хокинг доступным языком доказал, что это не так.
В свете от далеких галактик происходит смещение в сторону красной части спектра. Это означает, что они удаляются от нас, что Вселенная расширяется.Стивен Хокинг.
Кварки не бывают одиноки
Кварки - элементарные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны. Хокинг доказал, что существуют только группами и никогда - по одному. Сила, которая связывает кварки, увеличивается с увеличением расстояния между ними. Если попытаться оттянуть один кварк от другого, они только с большей силой притянутся.
Теория сжатия Вселенной
Хокинг думал о том, что произойдет, когда Вселенная перестанет расширяться и начнет сжиматься. Пойдет ли время в другую сторону?
Мне казалось, что когда начнется сжатие, Вселенная вернется в упорядоченное состояние. В таком случае, с началом сжатия время должно было повернуть вспять. Люди в этой стадии проживали бы жизнь задом наперед и молодели по мере сжатия Вселенной. Стивен Хокинг.
Этот процесс показан в фильме «Господин Никто» с Джаредом Лето в главной роли.
Попытки создать математическую модель этой теории провалились, но она остается популярной. У Вселенной только два варианта: или бесконечное расширение, или сжатие.
Существует огромное число Вселенных
Речь идет об М-теории, которую Хокинг дорабатывал с Леонардом Млодиновым. М-теория - это ответвление теории струн. Согласно этой теории, на самом мельчайшем уровне все частицы состоят из бран - многомерных мембран, свойства которых могут объяснить абсолютно все процессы, происходящие в нашей Вселенной.
Кстати, эта теория также предполагает существование огромного числа вселенных, в которых действуют физические законы, отличные от наших.
А этот факт в свою очередь предполагает наличие инопланетян. Хокинг в них верил.
Во Вселенной со 100 миллиардами галактик, каждая из которых содержит сотни миллионов звезд, маловероятно, что Земля является единственным местом, где развивается жизнь.Стивен Хокинг.
2.2. Расширяется ли Вселенная на самом деле?
Размышляя над всей этой историей, я исходил из предпосылки, что истиной, какой бы невероятной она ни казалась, является то, что останется, если отбросить все невозможное. Не исключено, что это оставшееся допускает несколько объяснений. В таком случае необходимо проанализировать каждый вариант, пока не останется один, достаточно убедительный.
Артур Конан Дойл
Почему все так уверены, что Вселенная действительно расширяется? В научной литературе реальность расширения уже почти не обсуждается, так как профессиональные ученые, знающие проблему во всей ее полноте, в этом практически не сомневаются. Активные обсуждения этого вопроса часто вспыхивают на разного рода интернет-форумах, где представители так называемой «альтернативной науки» (в противовес «ортодоксальной») снова и снова пытаются «изобрести велосипед» и найти другое, не связанное с удалением объектов, объяснение наблюдаемому в спектрах галактик красному смещению. Такие попытки, как правило, основаны на незнании того, что, помимо красного смещения, есть и другие свидетельства в пользу реальности космологического расширения. Строго говоря, стационарность Вселенной была бы гораздо большей проблемой для науки, чем ее расширение!
Современная наука представляет собой плотно сотканную ткань взаимосвязанных результатов или, если угодно, постоянно строящееся здание, из основания которого уже нельзя вытащить ни один из кирпичей без того, чтобы все здание не рухнуло. Расширение Вселенной и созданная на его основе картина строения и эволюции Вселенной и составляющих ее объектов – один из таких базовых результатов современной науки.
Но сначала несколько слов о недоплеровской интерпретации красного смещения. Вскоре после открытия зависимости z от расстояния возникла – и это вполне естественно – идея, что красное смещение может быть связано не с удалением объектов, а с тем, что по пути от далеких галактик часть энергии фотонов теряется и, следовательно, длина волны излучения увеличивается, оно «краснеет». Приверженцами такой точки зрения были, к примеру, один из основоположников астрофизики в России А. А. Белопольский, а также Фриц Цвикки – один из самых нестандартно мыслящих и плодотворных астрономов XX века. К подобному объяснению z время от времени склонялся и сам Хаббл. Вскоре, однако, выяснилось, что подобные процессы потери энергии фотонами должны сопровождаться размыванием изображений источников (чем дальше галактика, тем сильнее размытие), что не наблюдалось. Другой вариант этого сценария, как было показано советским физиком М. П. Бронштейном, предсказывал, что эффект покраснения должен быть разным в разных частях спектра, то есть он должен зависеть от длины волны. К началу 60-х годов XX века развитие радиоастрономии закрыло и эту возможность – для данной галактики величина красного смещения оказалась не зависящей от длины волны. Знаменитый советский астрофизик В. А. Амбарцумян еще в 1957 году резюмировал ситуацию с разными вариантами интерпретации красного смещения таким образом: «Все попытки объяснить красное смещение каким-либо механизмом, отличным от принципа Доплера, окончились неудачей. Эти попытки вызывались не столько логической или научной необходимостью, сколько известным страхом… перед грандиозностью самого явления…».
Рассмотрим теперь несколько наблюдательных тестов, поддерживающих картину глобального космологического расширения Вселенной. Первый из них был предложен еще в 1930 году американским физиком Ричардом Толменом. Толмен обнаружил, что так называемая поверхностная яркость объектов будет вести себя по-разному в стационарной и в расширяющейся Вселенной.
Поверхностная яркость – это просто энергия, излучаемая единицей площади объекта в единицу времени (например, за секунду) в каком-нибудь направлении или, более точно, в единице телесного угла. В стационарной Вселенной, в которой причиной красного смещения является какой-то неизвестный закон природы, приводящий к уменьшению энергии фотонов по пути к наблюдателю («старение» или «усталость» фотонов), поверхностная яркость объекта должна уменьшаться пропорционально величине 1 + z . Это означает, что, если галактика находится на таком расстоянии, что для нее z = 1, то она должна выглядеть в два раза тусклее по сравнению с такими же галактиками вблизи нас, то есть при z = 0.
В расширяющейся Вселенной зависимость яркости (имеется в виду болометрическая, то есть полная, просуммированная по всему спектру, яркость) от красного смещения становится гораздо сильнее – она спадает как (1 + z )4. В этом случае объект с z = 1 будет выглядеть уже не в 2, а в 16 раз более тусклым. Причиной столь сильного падения яркости является то, что, помимо уменьшения энергии фотонов из-за красного смещения, при реальном удалении галактик начинают работать дополнительные эффекты. Так, каждый новый фотон, испускаемый далекой галактикой, будет добираться до наблюдателя с все большего расстояния и тратить на дорогу все большее время. Интервалы между приходами фотонов возрастут и, значит, за единицу времени на приемник излучения будет попадать меньше энергии и наблюдаемая нами галактика будет казаться слабее. Кроме того, в случае реального расширения зависимость углового размера галактики от z будет другой, чем для стационарной Вселенной, что также приводит к изменению ее наблюдаемой поверхностной яркости.
Тест Толмена выглядит очень простым и наглядным – действительно, достаточно взять два сходных объекта на разных красных смещениях и сравнить их яркости. Однако технические сложности его осуществления таковы, что применить этот тест смогли лишь относительно недавно – в девяностых годах XX века. Сделал это ученик и последователь Хаббла знаменитый американский астроном Алан Сендидж . Совместно с разными коллегами Сендидж опубликовал целую серию статей, в которых он рассмотрел тест Толмена для далеких эллиптических галактик.
Эллиптические галактики примечательны тем, что они относительно просто устроены. В первом приближении их можно представить как гигантские конгломераты родившихся практически одновременно звезд, имеющие сглаженное, без каких-либо особенностей, крупномасштабное распределение яркости (ярчайшие галактики на рис. 16 относятся как раз к этому типу). У эллиптических галактик существует простое эмпирическое соотношение, связывающие воедино их основные наблюдательные характеристики – размер, поверхностную яркость и разброс скоростей звезд вдоль луча зрения. (При определенных допущениях это соотношение является следствием предположения об устойчивости эллиптических галактик.) Разные двумерные проекции этой трехпараметрической зависимости также показывают хорошую корреляцию например, существует зависимость между размером и яркостью галактик. Значит, сравнивая эллиптические галактики одного характерного линейного размера на разных z, можно реализовать тест Толмена.
Примерно так и действовал Сендидж. Он рассмотрел несколько скоплений галактик на z ~ 1 и сравнил поверхностные яркости наблюдаемых в них эллиптических галактик с данными для подобных галактик вблизи нас. Для корректности сравнения Сендиджу пришлось учесть ожидаемую эволюцию яркостей галактик за счет «пассивной» эволюции составляющих их звезд, однако эта поправка в настоящее время определяется вполне надежно. Результаты оказались однозначными – поверхностная яркость галактик изменяется пропорционально 1/(1 + z )4 и, следовательно, Вселенная расширяется. Модель стационарной Вселенной со «стареющими» фотонами не удовлетворяет наблюдениям.
Еще один интересный тест был также предложен очень давно, а реализован лишь относительно недавно. Фундаментальным свойством расширяющейся Вселенной является кажущееся замедление времени у далеких объектов. Чем дальше от нас в расширяющейся Вселенной находятся часы, тем медленнее, как нам кажется, они идут – на больших z длительность всех процессов кажется растянутой в (1 + z ) раз (рис 22). (Этот эффект подобен релятивистскому замедлению времени в специальной теории относительности.) Поэтому, если найти такие «часы», которые можно наблюдать на больших расстояниях, то можно непосредственно проверить реальность расширения Вселенной.
Рис. 22. Импульсы, испущенные далеким объектом на красном смещении z с интервалом в 1 секунду, доберутся до нас с интервалами 1 + z секунд.
В 1939 году американский астроном Олин Вилсон опубликовал заметку, в которой он отметил удивительное постоянство формы кривых блеска сверхновых звезд (см. пример кривой блеска сверхновой Тихо Браге на рис. 4, а также рис. 23) и предложил использовать эти кривые в качестве «космологических часов». Вспышка сверхновой – это один из самых мощных катастрофических процессов во Вселенной. В ходе такой вспышки звезда со скоростью ~ 104 км/с сбрасывает оболочку с массой, сравнимой с массой Солнца. При этом звезда становится ярче в десятки миллионов раз, и в максимуме блеска она способна затмить всю галактику, в которой она вспыхнула. Столь яркий объект, естественно, виден на очень больших, космологических расстояниях. Как можно использовать кривые блеска сверхновых в качестве «часов»? (Их можно использовать и в качестве «стандартной свечи», но об этом я расскажу чуть позже.) Во-первых, не все сверхновые одинаковы по своим наблюдательным проявлениям и по кривым блеска. Их делят на два типа (I и II), а те в свою очередь подразделяют на несколько подтипов. В дальнейшем мы будем обсуждать только кривые блеска сверхновых типа Ia. Во-вторых, даже у этого типа звезд кривые блеска на первый взгляд выглядят очень разнообразными и совсем не очевидно, что с ними можно сделать. Например, на рисунке 23 показаны наблюдаемые кривые блеска нескольких близких сверхновых типа Ia. Эти кривые довольно сильно отличаются: например, светимости показанных на рисунке звезд в максимуме блеска различаются почти в три раза.
Рис. 23. Кривые блеска SN Ia: на верхнем рисунке показаны наблюдаемые кривые, на нижнем они сведены в одну с учетом корреляции между формой кривой блеска и светимостью сверхновой в максимуме. По горизонтальной оси отложены дни после максимума блеска, по вертикальной – абсолютная звездная величина (мера светимости). По данным проекта Calan-Tololo Supernova Survey
Ситуацию спасает то, что разнообразие форм наблюдаемых кривых блеска подчиняется четкой корреляции: чем ярче SN в максимуме, тем более плавно затем спадает ее яркость. Эта зависимость была открыта советским астрономом Юрием Псковским еще в 1970-х годах и позднее – уже в 1990-х – была подробно изучена другими исследователями. Оказалось, что с учетом этой корреляции кривые блеска SN Ia удивительно однородны (см. рис. 23) – например, разброс светимостей SN Ia в максимуме блеска составляет лишь около 10 %! Следовательно, изменение блеска у SN Ia может рассматриваться как стандартный процесс, длительность которого в локальной системе отсчета хорошо известна. Использование этих «часов» показало, что у далеких сверхновых (сейчас обнаружено уже несколько десятков SN с z > 1) изменения видимого блеска и спектра замедлены на множитель (1 + z ). Это является непосредственным и очень сильным аргументом в пользу реальности космологического расширения. Еще одним аргументом является согласие возраста Вселенной, получаемого в рамках модели расширяющейся Вселенной, с возрастом реально наблюдаемых объектов. Расширение означает, что с течением времени расстояния между галактиками увеличиваются. Мысленно обратив этот процесс вспять, мы приходим к выводу, что это глобальное расширение должно было когда-то начаться. Зная текущий темп расширения Вселенной (он определяется значением постоянной Хаббла) и баланс плотностей составляющих ее подсистем (обычное вещество, темная материя, темная энергия), можно найти, что расширение началось примерно 14 миллиардов лет назад. Значит, мы не должны наблюдать в нашей Вселенной объекты с возрастом, превышающим эту оценку.
Но как можно найти возраст космических объектов? По-разному. Например, с помощью радиоактивных «часов» – методами ядерной космохронологии, которые позволяют оценивать возраст объектов путем анализа относительной распространенности изотопов с большими периодами полураспада. Изучение содержания изотопов в метеоритах, в земных и лунных породах показало, что возраст Солнечной системы близок к 5 млрд лет. Возраст Галактики, в которой находится наша Солнечная система, конечно, больше. Его можно оценить по времени, которое необходимо для образования наблюдаемого в Солнечной системе количества тяжёлых элементов. Расчеты показывают, что синтез этих элементов должен был продолжаться в течение ~ 5 млрд лет до образования Солнечной системы. Следовательно, возраст окружающих нас областей Млечного Пути близок к 10 млрд лет.
Другой способ датирования Млечного Пути основан на оценке возраста составляющих его старейших звезд и звездных скоплений. Этот метод основан на теории звездной эволюции, хорошо подтвержденной разнообразными наблюдениями. Результат этого подхода – возраст различных объектов Галактики (звезд, шаровых скоплений, белых карликов и пр.) не превышает ~10–15 млрд лет, что согласуется с современными представлениями о времени начала космологического расширения.
Возраст других галактик определить, конечно, сложнее, чем возраст Млечного Пути. У далеких объектов мы не видим отдельные звезды и вынуждены изучать лишь интегральные характеристики галактик – спектры, распределение яркости и пр. Эти интегральные характеристики складываются из вкладов огромного числа составляющих галактики звезд. Кроме того, наблюдаемые характеристики галактик сильно зависят от наличия и распределения в них межзвездной среды – газа и пыли. Все эти трудности преодолимы и современные астрономы научились восстанавливать истории звездообразования, которые должны были привести к наблюдаемым в настоящее время интегральным характеристикам галактик. У галактик разных типов эти истории различны (например, эллиптические галактики возникли в ходе мощной одиночной вспышки звездообразования много миллиардов лет назад, в спиральных галактиках звезды рождаются и в настоящее время), однако не обнаружено галактик, начало звездообразования в которых превышало бы возраст Вселенной. Кроме того, наблюдается вполне определенный, ожидаемый для реально расширяющейся Вселенной, тренд – чем дальше по z мы забираемся во Вселенную, то есть переходим к все более ранним этапам ее эволюции, тем, в среднем, более молодые объекты мы наблюдаем.
Важными аргументами, поддерживающими расширение Вселенной, являются также существование реликтового излучения, наблюдаемое увеличение его температуры с ростом красного смещения, а также содержание элементов во Вселенной, но об этом я расскажу чуть позже. Закончить же свой рассказ я хочу, быть может, самым наглядным свидетельством расширения Вселенной – изображениями далеких галактик (см. пример на рис. 24).
Одними из самых эффектных результатов работы космического телескопа «Хаббл» (Hubble Space Telescope), несомненно, являются замечательные картинки разнообразных космических объектов – туманностей, звездных скоплений, галактик и пр. Наблюдениям из космоса не мешает земная атмосфера, размывающая изображения, и поэтому снимки HST примерно в десять раз более четкие, чем наземные. На этих очень четких снимках (их угловое разрешение составляет около 0.""1) в 1990-х годах впервые удалось детально рассмотреть структуру далеких галактик. Как оказалось, далекие галактики не похожи на те, что мы наблюдаем около нас. С ростом красного смещения увеличивается доля асимметричных и неправильных галактик, а также галактик в составе взаимодействующих и сливающихся систем: если при z = 0 к таким объектам можно отнести лишь несколько процентов галактик, то к z = 1 их доля возрастает до ~ 30-40 %.
Рис. 24. Фрагмент Сверхглубокого поля космического телескопа «Хаббл» (размер изображения 30"" x 30"")· Большинство видимых на рисунке галактик имеют z ~ 0.5: 1, то есть они относятся к эпохе, когда Вселенная была примерно вдвое моложе.
Почему это происходит? Простейшее объяснение связано с расширением Вселенной – в более ранние эпохи взаимные расстояния между галактиками были меньше (при z = 1 они были в два раза меньше) и, следовательно, галактики должны были чаще возмущать друг друга близкими прохождениями и чаще сливаться. Этот аргумент не является столь однозначным, как упомянутые раньше, однако он наглядно свидетельствует о вполне определенной, соответствующей картине расширяющейся Вселенной, эволюции свойств галактик со временем. Итак, расширение Вселенной подтверждается разнообразными, совершенно не связанными друг с другом, независимыми наблюдательными тестами. Кроме того, нестационарность Вселенной неизбежно возникает и при теоретических исследованиях ее структуры и эволюции. Все это позволило знаменитому советскому физику-теоретику Якову Зельдовичу еще в начале 1980-х годов заключить, что теория Большого взрыва, основой которой является расширение Вселенной, «столь же надежно установлена и верна, сколь верно, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий».
| |
Моя диссертация "Свойства расширяющихся вселенных" наконец-то завершена.
Первые строки Введения: Представление о том, что Вселенная расширяется, появилось недавно. Все прежние космологии были по сути своей стационарными, и даже Эйнштейн, чья теория относительности лежит в основе всех современных исследований в космологии, считал естественным предложить статическую модель Вселенной. Однако со статическими моделями, подобными эйнштейновской, которые, как предполагается, существуют бесконечное время, связаны очень серьезные трудности…
Микроволновый фон говорил о том, что Вселенная в прошлом прошла горячую плотную стадию. Но он не доказывал, что эта стадия была началом Вселенной. Можно было представить себе, что Вселенная ранее находилась в фазе сжатия, а затем при высокой, но конечной плотности испытала отскок и перешла от сжатия к расширению. Имел ли этот факт место на самом деле – чисто фундаментальный вопрос, и это было как раз то, что требовалось для завершения моей диссертации.
Гравитация стягивает материю, а вращение разрывает ее на части. Поэтому первым делом я задался вопросом: не могло ли вращение вызвать отскок Вселенной? Вместе с Джорджем Эллисом я смог показать, что ответ на этот вопрос отрицательный, если Вселенная пространственно однородна, то есть если она одинакова во всех точках пространства. Однако двое русских ученых, Евгений Лифшиц и Исаак Халатников, утверждали, что им удалось доказать, будто в общем случае сжатие без точной симметрии всегда будет приводить к отскоку при достижении конечной плотности. Этот результат был очень удобен для марксистско-ленинского диалектического материализма, поскольку позволял обойти неприятный вопрос о сотворении Вселенной. И поэтому он стал догматом для советских ученых.
Лифшиц и Халатников были представителями старой школы в общей теории относительности, то есть записывали огромные системы уравнений и пытались найти решения. Но было не очевидно, что найденные ими решения являются наиболее общими. Роджер Пенроуз предложил новый подход, который не требовал в явном виде решать эйнштейновские уравнения поля, а работал лишь с некоторыми общими свойствами, например с тем, что энергия положительна, а гравитация притягивает. В январе 1965 года Пенроуз провел по этой теме семинар в Лондонском Королевском колледже. Я не был на этом семинаре, но слышал о нем от Брэндона Картера, с которым мы делили кабинет в Кембридже, в новом отделении прикладной математики и теоретической физики на Силвер-стрит.
Поначалу я не мог понять, в чем суть. Пенроуз показал, что стоит только умирающей звезде сжаться до определенного радиуса, неизбежно возникает сингулярность – точка, где пространству и времени приходит конец. Естественно, я подумал, что мы уже знаем о невозможности воспрепятствовать коллапсу массивной холодной звезды под действием собственной гравитации, пока она не достигнет сингулярности с бесконечной плотностью. Но в действительности уравнения были решены только для случая коллапса идеально сферической звезды, а реальные звезды, конечно же, не были в точности сферическими. Если Лифшиц и Халатников правы, отклонения от сферической симметрии будут увеличиваться по ходу коллапса звезды и приведут к тому, что разные части звезды промахнутся относительно друг друга, избежав тем самым сингулярности с бесконечной плотностью. Но Пенроуз показал, что они ошибались: небольшие отклонения от сферической симметрии не будут препятствовать появлению сингулярности.
Я понял, что подобные рассуждения можно применить и к расширению Вселенной. В этом случае я мог доказать, что существовали сингулярности, в которых берет начало пространство-время. Так что Лифшиц и Халатников опять оказались неправы. Общая теория относительности предсказывает, что Вселенная должна иметь начало, – результат, который не избежал внимания церкви.
Обе первоначальные теоремы о сингулярностях – пенроузовская и моя – требовали допустить, что Вселенная обладает горизонтом Коши, то есть поверхностью, которую траектория каждой частицы пересекает один, и только один, раз. Поэтому могло оказаться, что наши первые теоремы о сингулярности просто доказывали, что Вселенная не имеет горизонта Коши. Хотя это интересная возможность, но она была несравнима по важности с тем, что время может иметь начало или конец. Поэтому я озадачился такими доказательствами теорем о сингулярности, которые не требовали бы допущений относительно горизонтов Коши.
В течение следующих пяти лет мы с Роджером Пенроузом и Бобом Герочем разработали теорию причинностной структуры в общей теории относительности. Какое это было замечательное ощущение – получить в свое полное распоряжение целое поле для исследований! Как не похоже это было на физику элементарных частиц, где люди буквально дрались друг с другом, чтобы застолбить свежие идеи! Там и по сей день всё по-прежнему.
Я изложил кое-что из этого в эссе, которое в 1966 году получило в Кембридже премию Адамса . Оно легло в основу книги "Крупномасштабная структура пространства-времени", которую я написал совместно с Джоном Эллисом и опубликовал в Cambridge University Press в 1973 году . Книга все еще переиздается, поскольку это фактически последнее слово в вопросе о причинностной структуре пространства-времени, то есть о том, какие точки пространства-времени могут влиять на события в других точках. Я хочу предостеречь широкую аудиторию от попыток обратиться к этой книге, поскольку она сугубо специальная и написана в то время, когда я пытался придерживаться того же уровня строгости, что и чистые математики. Сегодня я больше обеспокоен тем, чтобы быть правым, чем праведным. Как бы то ни было, почти невозможно быть ригористом в квантовой физике, поскольку вся эта область покоится на очень шаткой математической почве.
7. Черные дыры
Сама мысль о некоем объекте, который мы ныне именуем черными дырами, насчитывает уже более двух столетий. В 1783 году кембриджский преподаватель Джон Мичелл опубликовал в "Философских трудах Лондонского Королевского общества" статью об объектах, которые он называл "темными звездами". Он отмечал, что достаточно массивная и компактная звезда могла бы обладать столь сильным гравитационным полем, что удерживала бы испускаемый ею свет. Любой свет, испущенный с поверхности этой звезды, будет возвращен обратно ее гравитационным полем, не сумев значительно от нее отдалиться.
Мичелл предположил, что таких звезд может быть много. Хотя их нельзя увидеть, поскольку свет от них до нас не доходит, можно почувствовать их гравитационное притяжение. Такие объекты мы называем теперь черными дырами, поскольку это отражает их сущность – черные пустоты в космосе. Похожее предположение было сделано спустя несколько лет французским ученым маркизом де Лапласом, по-видимому независимо от Мичелла. Весьма интересно, что Лаплас включил эту гипотезу лишь в первое издание своей книги "Изложение системы мира" , в последующих изданиях ее уже нет. Возможно, он решил, что это безумная идея.
Как Мичелл, так и Лаплас считали, что свет состоит из частиц, подобных пушечным ядрам, которые могут замедляться гравитацией и падать обратно на звезду. Это было несовместимо с результатами проведенного в 1887 году эксперимента Майкельсона – Морли, который показал, что свет всегда распространяется с одинаковой скоростью. Совместимой теории воздействия гравитации на свет не было вплоть до 1915 года, когда Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности. На ее основе Роберт Оппенгеймер и его студенты Джордж Волков и Хартланд Снайдер в 1939 году показали, что звезда, исчерпавшая свое ядерное топливо, не сможет противостоять гравитации, если ее масса превышает некий предел, сравнимый по порядку величины с массой Солнца. Выгоревшие звезды с большей массой должны коллапсировать внутрь самих себя, образуя черные дыры, содержащие сингулярности с бесконечной плотностью. Эйнштейн никогда не признавал черных дыр или возможности сжатия материи до бесконечной плотности, хотя это и предсказывалось его теорией.
Начавшаяся война отвлекла Оппенгеймера для работы над атомной бомбой. После войны больший интерес вызывала атомная и ядерная физика, и более двадцати лет гравитационный коллапс и черные дыры пребывали в забвении.
Интерес к гравитационному коллапсу вновь проснулся в 1960-х годах, после открытия квазаров – очень далеких объектов, которые являются чрезвычайно компактными и мощными оптическими и радиоисточниками. Материя, падающая в черную дыру, была единственным правдоподобным механизмом, который мог объяснить выработку такого большого количества энергии в столь малой области пространства. Тогда вновь вспомнили о работе Оппенгеймера, и специалисты стали заниматься теорией черных дыр.
Мироздание не статично. Это подтвердили исследования астронома Эдвина Хаббла еще в 1929 году, то есть почти 90 лет назад. На эту мысль его навели наблюдения за движением галактик. Еще одним открытием астрофизиков в завершение двадцатого века стало вычисление расширения Вселенной с ускорением.
Как называют расширение Вселенной
Некоторые удивляются, услышав, как ученые называют расширение Вселенной. Это наименование у большинства связано с экономикой, причем с негативными ожиданиями.
Инфляция - это процесс расширения Вселенной сразу после её появления, причем с резким ускорением. В переводе с английского «инфляция» - «накачивать», «раздувать».
Новые сомнения о существовании темной энергии как фактора теории инфляции Вселенной используют противники теории расширения.
Тогда ученые предложили карту черных дыр. Первоначальные данные отличаются от тех, что были получены на позднем этапе:
- Шестьдесят тысяч черных дыр с расстоянием между самыми дальними больше одиннадцати миллионов световых лет - данные четырехлетней давности.
- Сто восемьдесят тысяч галактик с черными дырами с удалением в тринадцать миллионов световых лет. Данные, полученные учеными, в том числе российскими ядерными физиками, в начале 2017 года.
Эти сведения, говорят астрофизики, не противоречат классической модели Вселенной.
Скорость расширения Вселенной - задача для космологов
Скорость расширения действительно является задачей для космологов и астрономов. Правда, о том, что скорость расширения Вселенной не имеет постоянного параметра, космологи больше не спорят, расхождения перешли в другую плоскость - когда расширение начало ускоряться. Данные о кочевании в спектре очень далеких сверхновых галактик первого типа доказывают, что расширение - это не внезапно наступивший процесс.
Ученые считают, что первые пять миллиардов лет Вселенная сужалась.
Первые последствия Большого Взрыва сначала спровоцировали мощное расширение, а потом началось сжатие. Но темная энергия все-таки повлияла на рост мироздания. Причем с ускорением.
Американские ученые приступили к созданию карты размеров Вселенной для разных эпох, чтобы выяснить, когда началось ускорение. Наблюдая взрывы сверхновых, а также направление концентрации в древних галактиках, космологи заметили особенности ускорения.
Почему Вселенная «разгоняется»
Изначально подразумевалось, что в составленной карте значения ускорения не были линейны, а превратились в синусоиду. Ее назвали «волной Вселенной».
Волна Вселенной говорит о том, что ускорение не шло с постоянной скоростью: оно то замедлялось, то ускорялось. Причем несколько раз. Ученые считают, что было семь таких процессов за 13,81 миллиарда лет после Большого Взрыва.
Однако космологи пока не могут ответить на вопрос о том, от чего зависит ускорение-замедление. Предположения сводятся к мысли, что энергетическое поле, от которого берет начало темная энергия, подчинено волне Вселенной. И, переходя от одного положения к другому, Вселенная то расширяет ускорение, то замедляет его.
Несмотря на убедительность доводов, они все-таки остаются пока теорией. Астрофизики надеются, что информация орбитального телескопа «Планк» подтвердит существование волны Вселенной.
Когда нашли темную энергию
Впервые о ней заговорили в девяностые из-за взрывов сверхновых. Природа темной энергии неизвестна. Хотя еще Альберт Эйнштейн выделил космическую постоянную в своей теории относительности.
В 1916 году, сто лет назад, Вселенная еще считалась неизменной. Но сила притяжения вмешалась: космические массы неизменно бы ударились друг от друга, если бы Вселенная была недвижима. Эйнштейн объявляет гравитацию за счет космической силы отталкивания.
Жорж Леметр обоснует это через физику. Вакуум содержит энергию. Из-за её колебаний, приводящих к появлению частиц и дальнейшего их разрушения, энергия приобретает силу отталкивания.
Когда Хаббл доказал расширение Вселенной, Эйнштейн назвал чушью.
Влияние темной энергии
Мироздание раздвигается с постоянной скоростью. В 1998 году миру представили данные анализа вспышек сверхновых первого типа. Было доказано, что Вселенная разрастается все быстрее.
Происходит это из-за непознанного вещества, её прозвали «темной энергией». Выяснится, что она занимает почти 70 % пространства Вселенной. Суть, свойства и природа темной энергии не изучены, но её ученые пытаются выяснить, имелась ли она в других галактиках.
В 2016 году вычислили точную скорость расширения на ближайшее будущее, но появилось несовпадение: Вселенная расширяется с большей скоростью, чем ранее предположили астрофизики. В среде ученых разгорелись споры о существовании темной энергии и её влиянии на скорость расширения пределов мироздания.
Расширение Вселенной происходит без темной энергии
Теорию независимости процесса расширения Вселенной от темной энергии выдвинули ученые в начале 2017 года. Расширение они объясняют изменением структуры Вселенной.
Ученые из Будапештского и Гавайского университетов пришли к выводу, что несовпадение расчетов и реальной скорости расширения связаны с изменением свойств пространства. Никто не учитывал, что происходит с моделью Вселенной при расширении.
Усомнившись в существовании темной энергии, ученые объясняют: самые большие концентраты материи Вселенной влияют на её расширение. При этом остальное содержание распределяется равномерно. Однако факт остается неучтенным.
Для демонстрации обоснованности своих предположений ученые предложили модель мини-Вселенной. Они представили её в форме набора пузырьков и начали просчет параметров роста каждого пузырька с собственной скоростью, зависящей от его массы.
Такое моделирование Вселенной показало ученым, что она может изменяться без учета энергии. А если «примешать» темную энергию, то модель не изменится, считают ученые.
В общем-то, споры все еще продолжаются. Сторонники темной энергии говорят, что она влияет на расширение границ Вселенной, противники стоят на своем, утверждая, что значение имеет концентрация материи.
Скорость расширения Вселенной сейчас
Ученые убеждены, что расти Вселенная начала после Большого Взрыва. Тогда, почти четырнадцать миллиардов лет назад, оказалось, что скорость расширения Вселенной больше скорости света. И она продолжает расти.
В книге Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова «Кратчайшая история времени» отмечается, что скорость расширения границ Вселенной не может превышать 10 % за миллиард лет.
Чтобы определить, какова скорость расширения Вселенной, летом 2016 года лауреат Нобелевской премии Адам Рисс рассчитал расстояние до пульсирующих цефеид в близких друг к другу галактиках. Эти данные позволили вычислить скорость. Выяснилось, что галактики на расстоянии не меньше трех миллионов световых лет могут отдаляться со скоростью почти 73 км/с.
Результат был удивителен: орбитальные телескопы, тот же «Планк», говорили о 69 км/с. Почему зафиксирована такая разница, ученые не в силах дать ответ: им ничего не известно о происхождении темной материи, на которую опирается теория расширения Вселенной.
Темная радиация
Еще один фактор «разгона» Вселенной обнаружили астрономы с помощью «Хаббла». Темное излучение, как предполагают, появилось в самом начале образования Вселенной. Тогда больше в ней было энергии, а не материи.
Темное излучение «помогло» темной энергии расширить границы Вселенной. Расхождения в определении скорости ускорения были из-за неизвестности этого излучения, считают ученые.
Дальнейшая работа «Хаббла» должна сделать наблюдения более точными.
Таинственная энергия может уничтожить Вселенную
Такой сценарий ученые рассматривают уже несколько десятилетий, данные космической обсерватории «Планк» говорят, что это далеко не только предположения. Их опубликовали в 2013 году.
«Планк» замерил «эхо» Большого взрыва, появившееся в возрасте Вселенной около 380 тысяч лет, температура составила 2 700 градусов. Причем температура менялась. «Планк» определил и «состав» Вселенной:
- почти 5 % - звезды, космическая пыль, космический газ, галактики;
- почти 27 % - масса темной материи;
- около 70 % - темная энергия.
Физик Роберт Колдуэл предположил, что темная энергия обладает силой, способной нарастать. И эта энергия разъединит пространство-время. Галактика будет отдаляться в ближайшие двадцать-пятьдесят миллиардов лет, считает ученый. Этот процесс будет происходить при нарастающем расширении границ Вселенной. Это оторвет Млечный Путь от звезды, и он тоже распадется.
Космосу отмерили около шестидесяти миллионов лет. Солнце станет карликовой гаснущей звездой, и от нее отделятся планеты. После взорвется Земля. В следующие тридцать минут пространство разорвет атомы. Финалом станет разрушение структуры пространство-время.
Куда «улетает» Млечный Путь
Иерусалимские астрономы убеждены, что Млечный Путь набрал максимальную скорость, которая выше скорости расширения Вселенной. Ученые объясняют это стремлением Млечного Пути к «Великому Аттрактору», считающемуся самым крупным Так Млечный Путь уходит из космической пустыни.
Ученые используют разные методики измерения скорости расширения Вселенной, поэтому нет единого результата этого параметра.
Природа темной энергии является предметом ожесточенных споров. Открытый чуть менее чем тридцать лет назад, невидимый компонент Вселенной все еще не получил единого объяснения. Пришло время разобраться: почему темная энергия вызывает столько проблем, и как ученые пытаются ее детектировать?
Форма вселенной
С хорошей степенью точности наша Вселенная пространственно-однородна и изотропна – она не содержит «особых» точек и направлений, относительно которых ее свойства меняются. Такое пространство создать непросто: необходимо поддерживать определенную плотность энергии всех входящих в нее компонентов.
Уже в 1980-х годах ученым была точно известна так называемая критическая плотность, обеспечивающая пространственно-плоскую Вселенную. Но полученные результаты измерения количества барионного вещества в галактических кластерах совместно с плотностью, которую мог обеспечить Большой взрыв, скорее указывали на низкую плотностью материи в пространстве.
Также о недостатке материи говорил возраст шаровых скоплений – весьма немолодых конгломератов звезд. Оказалось, что такие скопления родились как минимум 10 миллиардов лет назад: но при наблюдаемом количестве вещества после Большого взрыва расширение Вселенной должно было постепенно замедляться и в целом оценка ее возраста была меньше. Наш мир оказывался моложе, чем его составляющие.
Сверхновые типа Ia
Окончательно убедить ученых в необходимости поиска нового источника энергии во Вселенной смогли сверхновые типа Iа – звезды, жизненный цикл которых заканчивается вспышкой, настолько интенсивной, что ее возможно наблюдать на Земле.
Две команды ученых, Supernova Cosmology Project, руководителем которого был Сол Перлмуттер, и High-Z Supernova Research Team, возглавляемый Брайаном Шмидтом, предложили процедуру использования самых мощных телескопов в мире для изучения сверхновых.
Прорыв совершил Марк Филлипс, астроном, работающий в Чили: он предложил новый способ определения внутренней светимости сверхновых типа Ia, которая напрямую связана с расстоянием до небесного тела. С другой стороны, расстояние до некоторых из звезд можно было определить с помощью закона Хаббла, описывающего изменение длины волны излучаемых объектом фотонов вследствие расширения Вселенной.
Оказалось, что сверхновые в далеких галактиках гораздо более «бледные»: их светимость была сильно меньше предсказанной исходя из расстояния, рассчитанного по закону Хаббла. Иными словами, сверхновые должны были находится гораздо дальше: так ученые впервые предположили, что Вселенная не просто расширяется, а с некоторым ускорением.
Наблюдение далеких сверхновых типа Ia в одночасье перевернуло представление ученых о Вселенной. Исследования показали, что около 70 % плотности энергии составляет новый, неизвестный компонент с отрицательным давлением.
Термин «темная энергия» предложил позднее космолог Майкл Тeрнер, а перед учеными встала новая загадка: объяснить природу еe возникновения.
Можно ли объяснить ускоренное расширение Вселенной?
В настоящее время существуют три класса теорий, претендующих на роль темной энергии. Первый вариант постулирует наличие энергии у вакуума: по сути дела это стало возвращением к космологической постоянной, предложенной Эйнштейном для поддержания статической Вселенной. В новом варианте плотность вакуума одинакова во всем пространстве, но не исключается, что она могла меняться со временем.
Второй вариант, получивший название квинтэссенции, предложенный немецким физиком Кристофом Веттерихом, предполагает наличие нового поля – фактически, новых частиц, вносящих вклад в общую плотность Вселенной. Энергия таких частиц уже не только изменяется со временем, но и в пространстве: для того, чтобы сильные колебания плотности темной энергии отсутствовали, частицы должны быть достаточно легкими. В этом, пожалуй, состоит основная проблема квинтэссенции: предложенные варианты частиц, согласно основным принципам современной физики, не могут оказываться легкими, а наоборот, приобретать значительную массу, и на данный момент никаких указаний на этот сценарий не получено.
К третьему варианту относятся различные теории модифицированной гравитации, в которой взаимодействие между массивными объектами не подчиняется стандартным законам Общей теории относительности (ОТО). Существует великое множество модификаций гравитации, но к настоящему времени отклонения от ОТО в экспериментах не были обнаружены.
Темная энергия, несмотря на огромный вклад в состояние Вселенной, упорно «прячется» от наблюдателей, и изучаются лишь косвенные проявления ее свойств. Среди них основную роль играют барионные акустические осцилляции, анизотропия реликтового излучения и слабое гравитационное линзирование.
Барионные акустические осцилляции
Барионные акустические осцилляции, или, сокращенно, БАО – наблюдаемое периодическое изменение плотности обычного, барионного вещества на больших масштабах. В первоначальной, горячая космической плазме, состоявшей из барионов и фотонов, конкурировали два процесса: гравитационное притяжение, с одной стороны, и отталкивание за счет высвобождения энергии при реакциях между веществом и фотонами – с другой. Подобное «противостояние» приводило к акустическим колебаниями, подобно звуковым волнам в воздухе между областями с различной плотностью.
При остывании Вселенной в определенный момент произошла рекомбинация – отдельным частицам стало выгоднее образовывать атомы, а фотоны фактически стали «свободными» и отделились от вещества. При этом вследствие колебаний вещество успело разлететься на некоторое определенное расстояние, называемое звуковым горизонтом. Последствия наличия горизонта в настоящее время наблюдаются в распределении галактик во Вселенной.
Сам по себе звуковой горизонт – величина, предсказываемая космологически. Он напрямую зависит от параметра Хаббла, определяющего скорость расширения Вселенной, который в свою очередь определяется и параметрами темной энергии.
Реликтовое излучение
Микроволновое реликтовое излучение – дальний «отголосок» Большого взрыва, равномерно заполняющие Вселенную фотоны с практически одинаковой энергией. В настоящее время именно реликтовое излучение является основным источником ограничений на различные космологические модели.
Однако, с увеличением чувствительности инструментов было обнаружено, что реликтовое излучение анизотропно и имеет неоднородности – с каких-то направлений приходит несколько больше фотонов, чем с других. Такое различие в том числе также вызвано наличием неоднородностей в распределении вещества, и масштаб распределения «горячих» и «холодных» пятен на небе определяется свойствами темной энергии.
Слабое гравитационное линзирование
Еще один важный для исследования темной энергии эффект – гравитационное темное линзирование – состоит в отклонении пучков света в поле вещества. Линзирование одновременно позволяет изучать структуру Вселенной и её геометрию, то есть форму пространства-времени.
Существуют различные виды гравитационного линзирования, среди которых наиболее удобным для изучения темной энергии является слабое линзирование за счет отклонения света крупномасштабной структурой Вселенной – это приводит к размыванию изображений далеких галактик.
Темная энергия одновременно влияет как на свойства источника, например расстояние до него, так и на свойства искажающего картинку пространства. Поэтому слабое линзирование, с учетом постоянно обновляющихся астрономических данных, является вдвойне важным способом постановки ограничений на свойства темной энергии.
Темная энергия – по прежнему в тени
Подведем итоги, что же удалось узнать физикам за практически тридцатилетний стаж изучения темной энергии?
С большой точностью известно, что темная энергия обладает отрицательным давлением: более того, уравнение зависимости давления от плотности энергии определено с большой достоверностью, и такими свойствами не обладает ни одна другая известная нам среда.
Темная энергия пространственно-однородна, а ее вклад в плотность энергии стал доминирующим относительно недавно – около пяти миллиардом лет назад; при этом она влияет одновременно и на расстояния между объектами и на саму структуру Вселенной.
Различные космологические эксперименты позволяют изучать темную энергию, но в настоящее время ошибки измерения слишком велики, чтобы делать точные предсказания. Пока что ученые еще явно далеки от ответа на вопрос о природе темной энергии, которая многие миллиарды лет тайно управляет устройством Вселенной.
