?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Штерн В Лектории Политехнического музея астрофизик и один из основателей и главный редактор газеты «Троицкий вариант» Борис Штерн прочитал лекцию о происхождении Вселенной.

Моя лекция будет немножко нестандартной. Обычно лектор сначала что-то рассказывает, а люди потом задают вопросы. Но сперва я задам вам три или четыре вопроса, чтобы размяться и заодно протестировать аудиторию. Как на ЕГЭ — вопрос и несколько вариантов ответа. А вы поднятием рук будете голосовать. Заодно повеселимся немножко.

Первый вопрос: возраст Вселенной. И три варианта: Вселенная существует вечно, ее возраст 20 млрд лет или 14 млрд лет (правильный ответ — 14 млрд лет. — Ред.). Следующий вопрос: размер Вселенной. И варианты: 14 млрд световых лет, Вселенная бесконечна, размер Вселенной неизвестен, но он точно больше 14 млрд световых лет (правильный ответ — размер неизвестен. —Ред.). Третий вопрос: температура Вселенной. Ноль градусов, три градуса Кельвина, у Вселенной нет температуры (правильный ответ — три градуса Кельвина, а точнее, два и семь. — Ред.). С температурой разобрались, теперь вопрос: сколько измерений у Вселенной? Три, четыре или одиннадцать? На самом деле это дело вкуса — либо четыре, либо одиннадцать. И то, и другое правильно.

Что такое космология? Это наука о Вселенной как целом. «Земля на трех китах» — это космология. И «хрустальная сфера» тоже. Но первая космологическая теория, которую вообще как-то можно обсуждать в рамках науки, — это бесконечная вечная Вселенная, идущая от Джордано Бруно и Галилея. Правда, уже в XIX веке было понятно, что что-то не так с этой бесконечностью. Первый парадокс — так называемый парадокс Ольберса — почему ночью небо темное. Из простой геометрии бесконечной Вселенной: любой луч в любом направлении упрется в звезду, и все небо должно сиять, как поверхность Солнца, и все в такой Вселенной сгорит. Другой парадокс — гравитационная неустойчивость Вселенной. Она должна сжиматься комками все больше и больше. Третий парадокс — температуры везде во Вселенной должны выровняться. Люди думали: да, парадоксы, конечно, серьезные, но как-нибудь это все рассосется, найдет наука выход из этого тупика. Но — не рассосалось. То, что я рассказываю, — первая революция в космологии — 1916 год. А все началось с публикации общей теории относительности Эйнштейна. Вот они, герои первой космологической революции, которая опровергла парадигму бесконечной вечной Вселенной.

Альберт Эйнштейн и его теория гравитации (он сам не сразу понял, что это приговор бесконечной Вселенной). Александр Фридман, который первым сказал, что Вселенная не стационарна и что это следует напрямую из теории Эйнштейна: Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Жорж Леметр — последователь Фридмана, который независимо от своего предшественника все это повторил. И Эдвин Хаббл, открывший, что Вселенная расширяется. Хаббл ошибся в семь раз, рассчитывая скорость расширения Вселенной, — ну там просто сработало несколько ошибок в одну сторону, и по Хабблу получалось, что возраст Вселенной — всего лишь два миллиарда лет. А уже тогда было ясно, что она старше. Противоречие это несколько затормозило процесс, и до 1960-х годов очень много людей — ученых в том числе — отвергали теорию расширяющейся Вселенной. А теологам, что характерно, она, наоборот, сразу понравилась, потому что это фактически вариант творения Вселенной. С переменным успехом теория, которая в 1940-х получила название «теория Большого взрыва», просуществовала до конца 60-х годов. До этого Вселенная была вместилищем всего сущего, но после вмешательства Фридмана, Эйнштейна, Леметра и Хаббла она свой статус потеряла и превратилась в физический объект с разными характеристиками: размер, плотность, температура, свет. А как представить себе этот физический объект? И вот здесь многие ломаются. Потому что как это — представить замкнутую Вселенную? Я сейчас это объясню, и дальше слушать будет легче. Легко себе представить бесконечную Вселенную, правда? А как себе представить конечную Вселенную? Проще всего, наверное, представить себе шарик, на поверхности которого нарисованы галактики, звезды. Шарик можно надувать — тогда он будет расширяться, и нарисованные галактики будут друг от друга удаляться. Очень важно понимать, что у такого расширения нет центра. Почти всегда, представляя себе Большой взрыв, люди думают, что где-то что-то в какой-то точке взорвалось и расширяется в пустоту. Ничего подобного, нет никакой пустоты. Это именно замкнутое пространство, которое легче нам представить на поверхности шарика, которое все расширяется само по себе. В нем нет пустоты, оно однородно, и в нем нет центра.

Против теории Большого взрыва всегда протестовал Фред Хойл, талантливейший астрофизик, — ему не нравилась сама эта идея. Хотя термин «Большой взрыв» придумал именно он. Вообще говоря, «Большой взрыв» — это плохой перевод. Реально по-английски это звучит как «Big Bang», «большой бэмс», хлопок. Хойлу, как я уже сказал, хлопок этот не нравился. Он считал, что Вселенная бесконечна и вечна. Ну да, еще и расширяется, но расширение это компенсируется тем, что каждый год в одном кубическом километре из ничего рождается один протон и один электрон. Таким образом, плотность поддерживается постоянная. И эти новые частицы потом сгущаются в галактики… Но в действительности они не сгущаются, и это одна из проблем теории Фреда Хойла, которая на самом деле очень красивая: мы живем в вечной Вселенной, там решаются парадокс Ольберса и проблема тепловой смерти, жить в такой Вселенной прекрасно, но — она невозможна. И тому есть множество аргументов и одно прямое опровержение. Его предложил Георгий Гамов, наш соотечественник. Он говорил, что Вселенная изначально была горячей и от этого должно было остаться так называемое реликтовое излучение. Это была довольно интересная история: излучение начали искать сознательно, а нашли несознательно. Нашли его Арно Пензиас и Роберт Вилсон, которые работали в компании Веll Laboratories, занимавшейся космической связью.

Они отлаживали антенну и никак не могли избавиться от какого-то постороннего шума. В конце концов канадский астроном Джим Пиблс, который в то время преподавал в Принстоне и сознательно искал реликтовое излучение, сказал им: «Ребята, вы — верите вы в это или нет — сделали великое открытие». Вскоре после этого Пензиас и Вилсон получили Нобелевскую премию. И вот тогда уже стало очень сложно противостоять концепции Большого взрыва. Но Фред Хойл продолжал сопротивляться. В конце жизни он заработал себе репутацию настоящего фрика, из-за чего во многом и не получил Нобелевскую премию, которую, безусловно, заслуживал. До конца своих лет — а прожил он до 2002 года — он не признавал Большого взрыва. И все равно — великий ученый. Великие заблуждения иногда так же полезны для науки, как и великие открытия.

Теория Большого взрыва устоялась — в нее поверили практически все вменяемые люди, кроме Фреда Хойла и еще нескольких человек. Когда я говорю «вменяемые люди», я имею в виду ученых — простой человек совершенно не обязан верить ни во что. Но остались вопросы. Например: почему Вселенная так велика и сбалансирована? Чуть-чуть что-то изменим в начальных условиях — все либо разлетелось мгновенно на космологические расстояния, либо схлопнулось. Очень точно надо было подстроить вот этот самый начальный толчок, чтобы Вселенная получилось такой большой с одной стороны и такой медленно разлетающейся с другой. Или вот еще вопрос: а почему Вселенная всюду примерно одинакова? Когда началось расширение — в начале Большого взрыва — разные области Вселенной ничего друг о друге не знали. Они просто не успели обменяться сигналами, потому что есть ограничение — скорость. А как они узнали, что надо начать расширяться одновременно? Как синхронизовались их плотность и температура? Во Вселенной ведь очень много всего — одних только частиц десять в 90-й степени! И наконец: что послужило начальным толчком?

Давайте сначала разберемся с тем, какие были начальные условия. Мы не знаем. Теологи говорили: «Это как раз по нашей части: начальный толчок, да еще хорошо устроенный, — понятно, что это Творец». И так продолжалось до 1980-х годов, пока не началась Вторая космологическая революция. И вот ее герои.

Именно в такой последовательности — справа налево. Алексей Старобинский — живет в Москве, работает в Институте теоретической физики им. Ландау. Алан Гут — преподает в Принстоне. Вячеслав Муханов — окончил Физтех, писал диплом и защищался в ФИАНе, сейчас работает в Германии. Андрей Линде из ФИАНа — сейчас в Стэнфорде. Все четверо — будущие нобелевские лауреаты. Правда, к сожалению, их четверо, а надо троих… Но выделить кого-то одного тяжело — они все мудрецы. Что же такого они сделали? Так получилось, что они почти одновременно разработали теорию космологической инфляции, или инфляционную модель Вселенной. Я уже говорил: Вселенная — это поверхность шарика, только не двумерная, а трехмерная (точнее, даже четырехмерная, так как у нее есть время плюс три пространственные координаты). Когда-то Вселенная была очень маленькой. Какие силы на нее действовали? Или — можно на другой язык перевести — какие силы есть в вакууме? Почти никаких. А на поверхности шарика какие силы могут действовать? Сила поверхностного натяжения? А что будет, если мы подставим силу поверхностного натяжения в теорию гравитации Эйнштейна? На самом деле это очень просто показать, но надо писать простейшее дифференциальное уравнение, а я не буду это делать. Ответ такой: сила поверхностного натяжения будет не сжимать, а со страшной силой расталкивать шарик. Если она сильная, шарик будет раздуваться. «Раздувание» по-английски «inflation», оттуда и термин. Одна из загадок природы — энергия вакуума равна нулю. Если когда-то, в самое первое мгновение Вселенной, эта энергия была положительной (а вакуум с положительной плотностью энергии — это отрицательное давление) и если мы такой вакуум подставим в уравнение Эйнштейна, то увидим, что он растягивает пространство со страшной силой в геометрической прогрессии. За каждый определенный промежуток времени Вселенная удваивается в своем размере, но при этом остается самоподобной, то есть вакуум не меняется. Вселенная в два раза расширилась, а все в ней осталось тем же. В следующий момент она еще в два раза расширится, но локально она везде одинакова. И что же дальше? Вселенная со страшной скоростью расширяется. А если она расширяется уже сто времен с удвоением? Значит, она расширилась с какого-то изначального показателя на шестьдесят порядков? А что случилось с этим расширением? Тяжелый вакуум, вообще говоря, не самая стабильная вещь — он может просто выгореть. Но когда у системы есть какое-то состояние плотное, то понятно, что она хочет избавиться от этой энергии, перейти в более низкое энергетическое состояние. И что при этом происходит? Вакуум горит, передает свою энергию частицам и перестает быть вакуумом. И вот когда он передал свою энергию, родилась горячая Вселенная, произошел Большой взрыв. Вот такой сценарий написали эти люди. И это единственно правильный ответ. Что было до Большого взрыва? Инфляция Вселенной.

Comments

( 6 comments — Leave a comment )
(Deleted comment)
mord08
Aug. 30th, 2015 02:15 pm (UTC)
Вселенная
Поскольку здесь невозможны какие-то подробности, а Ваш коммент. мне очень понравился, напишу лишь несколько слов: Цитата-мнение
"Александр Фридман, который первым сказал, что Вселенная не стационарна и что это следует напрямую из теории Эйнштейна: Вселенная либо расширяется, либо сжимается".
Поскольку на самом деле (это - заметно), что она не то, и не другое, получается, что должно существовать и другое объяснение ее стабильности и, что самое существенное, оно уже есть. Только оно обнаружено в микро мире, а должно быть распространено на все области Вселенной: и на микро, и на макро, и на Галактики, и на всю Вселенную в целом. Это объяснение называется..."Конфайнмент". Справедливость подобного утверждения подтверждается тем, что никто из "вменяемых физиков" не предполагает, что кварки либо "должны" слиться (модель сжатия), либо "должны" разлететься (модель расширения). За счет чего существует конфайнмент, разговор отдельный и довольно долгий....
"замкнутое пространство, которое легче нам представить на поверхности шарика"...
Эта модель представляет собой очевидно искусственное и недопустимо "натянутое" представление, не имеющее под собой ни малейшей связи с реальностью.
"Хойлу, как я уже сказал, хлопок этот не нравился. Он считал, что Вселенная бесконечна и вечна"
Отдавая дань большого уважения Хойлу, нужно немного уточнить: Вселенная вечна, но не бесконечна, поскольку в трехмерном пространстве может существовать бесконечное количество трехмерных Реальностей (См. СТО), которые не сливаются лишь потому, что существуют в разном времени. А разное Оно только потому, что разные в них плотности потоков информации (См. СТО), потоков, плотность которых определяют скорость хода времени.
"мы живем в вечной Вселенной, там решаются парадокс Ольберса и проблема тепловой смерти, жить в такой Вселенной прекрасно, но — она невозможна…".
Но, как ни крути, Она есть, а значит возможна. А возможна она только потому, что рост Энтропии в ней компенсирается увеличением количества новой Информации (которая существует в различных формах энергии), информации, которую создают различные формы Сознания. Ну... и все такое, прочее, насчет Вселенной и процессов ее познания....


lifter2012
Aug. 8th, 2015 04:05 am (UTC)
Ничего ученые не знают.. Что там с тем зондом который вылетел за пределы солнечной системы?
oldbomzh
Aug. 8th, 2015 04:14 am (UTC)
"правильный ответ — 14 млрд лет. — Ред."

Откуда эта бредятина?


yamaha3
Aug. 9th, 2015 09:56 am (UTC)
пару мыслей по теме
yaroslavneytrin
Aug. 28th, 2015 01:27 pm (UTC)
Вселенная она плоская, а на этой плоскости существуют некие образования...
( 6 comments — Leave a comment )