pavel_sviridov (pavel_sviridov) wrote,
pavel_sviridov
pavel_sviridov

Category:

Как возникла Вселенная и что с ней будет дальше? Часть 1

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.

Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 4 comments