Текст книги "Космос для не космонавтов"

А как на самом деле?

А вот как – звёзды удивительно живучи и стабильны. Величина силы электромагнитного взаимодействия может изменяться в 100 раз в оба направления, прежде чем существование звезды будет поставлено под угрозу. Гравитация вообще может изменяться в пределах нескольких порядков по сравнению с силами электромагнитного взаимодействия.

В целом допустимые значения гравитационных и электромагнитных сил зависят от сил ядерных. Если скорость реакций была бы выше, звёзды могли бы функционировать даже при бóльшем диапазоне гравитационных и электромагнитных сил. Напротив, менее быстрые ядерные реакции сузили бы этот диапазон, оставив его, тем не менее, достаточно широким.

Сравнение размеров звёзд различного типа. Солнце на данном изображении слева и имеет размер в 1 пиксель

Получается, что величины фундаментальных сил могут изменяться в пределах нескольких порядков, а звёзды и планеты всё равно будут вписываться в заданные условия, автоматически подстраиваясь под них. Так что подобную настройку сложно назвать тонкой.

Углерод

После того как в ядрах среднего размера звёзд произошла ядерная реакция, преобразовавшая водород в гелий, сам гелий становится топливом этих звёзд. В результате сложной последовательности реакций гелий сгорает, образуя углерод и кислород. Из-за того что ядра гелия играют важную роль в ядерной физике, им даже дали специальное название: альфа-частицы. Наиболее распространённые ядра состоят из одной, трёх, четырёх или пяти альфа-частиц. Как можно заметить, ядрá с двумя альфа-частицами, бериллия-8, не существует, чему есть простое объяснение: он нестабилен.

Нестабильность бериллия и помогает, и создает трудность для образования углерода. Когда звёзды преобразовывают ядра гелия, чтобы они стали бериллием, ядра бериллия практически сразу начинают распадаться обратно на свои составные части. В любой момент ядро звезды содержит небольшое и неустойчивое количество бериллия. Эти редко встречающиеся ядра могут взаимодействовать с гелием для образования углерода. Поскольку в данном процессе принимают участие три ядра гелия, он называется тройным альфа-процессом. Физики выяснили, что эта реакция слишком медленная для производства того количества углерода, которое наблюдается во Вселенной.

Как была решена проблема?

Чтобы разрешить этот парадокс, физик Фред Хойл предсказал в 1953 году, что при определенной энергии у ядра углерода должно быть резонансное состояние. Благодаря этому состоянию скорость реакции образования углерода намного выше, чем могла бы быть. Она настолько высока, что это вполне объясняет большое количество углерода, найденное во Вселенной (Kragh, 2010).

Позже этот резонанс измерили в лаборатории с рассчитанным уровнем энергии. Чем не тонкая настройка, которую точно кто-то подкрутил?

Между тем с другими величинами сил энергия этого резонанса могла бы быть другой, и звёзды не производили бы достаточно углерода. Образование углерода нарушается, если уровень энергии меняется в пределах всего 4 %. Этой проблеме в своё время даже дали негласное название «Тройная альфа-наладка Вселенной».

Но и тут есть простое объяснение

Предположим, ядерная физика действительно изменилась настолько, что смогла нейтрализовать углеродный резонанс. В этом случае бериллий приобрёл бы стабильность, а углерод, напротив, производился бы более логичным способом – путем добавления альфа-частиц по одной. Поэтому потеря резонанса не имела бы значения. Гелий смог бы преобразоваться в бериллий, который потом вошёл в реакцию с альфа-частицами для образования углерода. Проблемы наладки в этом случае вообще нет.

Что мы имеем в итоге?

Очевидно, что параметры, которые определяют строение звёзд и их эволюцию, далеко не очень точно настроены. Параметры Вселенной могли бы меняться в очень широких диапазонах: сила притяжения может быть в тысячи раз сильнее или слабее, значения электромагнитных сил могут варьироваться в чуть меньшем, но по-прежнему очень широком диапазоне.

Я не упоминал о скоростях ядерных реакций, а также о формировании тяжёлых элементов в недрах звёзд, которые обладают такими же огромными диапазонами изменчивости. Тому имеется экспериментальное подтверждение, которое напрочь исключает возможность применения теории тонкой настройки.

Исходя из того, что я уже рассказал, можно легко представить и гораздо более дружелюбную и даже более логичную Вселенную. Так, например, во Вселенной со стабильным бериллием могли бы существовать прямые каналы производства углерода, и ей бы не потребовалась сложная тройная гелиевая реакция. Сегодня мы понимаем, что у Вселенной много путей развития сложных структур и биологии. Получается, что она оставила себе серьёзный «запас» своих же свойств, чтобы «подстроиться», если вдруг что-нибудь пойдёт не так. Возможно, что-то действительно пошло не так, раз мы видим более лёгкие пути для формирования того, что нам известно.

Наш мозг не готов осознать вероятность существования инопланетной жизни

После того как ознакомитесь с этим подразделом, вы поймёте, почему я решил описать именно эту проблему после объяснения «тонкой настройки» Вселенной и перед её расширением.

Эволюционно мы заточены на выживание в замкнутой среде, и нам нет никакого дела до масштабов Вселенной. Точнее, мы просто не приспособлены для их осознания, и нам приходится делать для этого немалые усилия. При этом эволюция – процесс очень медленный, а изменения в окружающем нас мире происходят во всё нарастающем темпе. Говоря проще, социум развивается быстрее, чем эти изменения «записываются» в наш геном, то есть быстрее, чем мы можем приспособиться. Многие учёные именно с этим связывают нашу неспособность сдержаться от загрязнения окружающей среды, убийства себе подобных и прочих «животных» привычек.

А теперь пройдёмся по нашему стремлению быть уникальными

В галактике Млечный Путь содержится от 200 до 400 млрд звёзд. По современным оценкам (очень даже точным), от 10 до 20 % из них могут иметь планеты, пригодные для жизни. В видимой Вселенной – от 100 до 500 млрд галактик. Итого получаем (по самым минимальным оценкам) 2 млрд триллионов пригодных для жизни планет.

Предлагаю опустить тот факт, что сигнал от планеты к планете может идти несоизмеримо дольше, чем продолжительность жизни отдельно взятого человека. Допустим, если учёные некой «продвинутой» цивилизации, находящейся на планете в 65 млн световых лет от нас, соорудят невероятно мощный телескоп и посмотрят через него на нашу планету, то они увидят… динозавров! Но это совершенно отдельная тема.

Даже если вероятность зарождения жизни на «подходящей» (в нашем понимании) планете составляет всего лишь одну стоквинтилионную долю (восемнадцать нулей после запятой), то во Вселенной будет как минимум одна планета с жизнью земного типа. Мы как раз на ней и живём. Это так называемый антропный принцип: только в мире, где все условия подходят для появления разумного наблюдателя, может появиться такой наблюдатель, который начнёт удивляться тому, как все условия так замечательно для этого подходят. Во всех остальных мирах удивляться просто некому. Хотя на самом деле наблюдатель – это следствие развития условий, а не причина для их развития.

В обыденной жизни события с такой низкой вероятностью воспринимаются как абсолютно невозможные. Однако в масштабах Вселенной они практически неизбежны.

Из этого утверждения следует, что во Вселенной существует ещё как минимум одна цивилизация, достигшая того же уровня развития, что и наша. Только она не способна до нас достучаться в виду непостижимых расстояний.

Поэтому, в отличие от многих других биологических проблем, для решения проблемы происхождения жизни достаточно обнаружить даже крайне маловероятный механизм (абиогенез – самозарождение жизни), который считается таковым исключительно из-за ограниченности нашего восприятия окружающего мира.

А сейчас приготовьтесь будоражить своё сознание. Если верна концепция инфляционной космологии, о которой сказано выше, то «число попыток» зарождения жизни на той или иной планете стремилось бы к бесконечности.

В таком случае разумные существа, возникшие где-то во Вселенной, могли бы видеть историю жизни на своей планете как последовательность совершенно необъяснимых чудес, что не противоречило бы теории абиогенеза.

Именно благодаря науке история жизни на Земле всё меньше похожа на цепочку невероятных чудес, что делает практически неизбежным возможность найти жизнь на других планетах.

С каждым днём, открывая всё более простые и высоковероятные способы абиогенного синтеза органики, поэтапного развития белкового синтеза и т. п., учёные не столько добывают новые доказательства принципиальной возможности абиогенеза (уже и так понятно, что он возможен), сколько последовательно и неуклонно подводят нас к необходимости искать разумную жизнь на других планетах.

Противники самозарождения жизни (в том числе и представители различных религиозных конфессий), как правило, ссылаются на три, по их мнению, неоспоримых факта, говорящих в их пользу. Но, к сожалению для них, наука и здесь взяла своё (Мазур, 2010):

1. Так, абиогенный синтез простых органических соединений они считали невозможным. На сегодня известно, что с этим нет проблем.

2. Затем эти противники перескочили на абиогенный синтез сложных органических соединений («кирпичиков» жизни). Но тут уже практически всё на стороне самозарождения – основные проблемы почти решены, попутно сделаны «фантастические» открытия.

3. И, наконец, они стали отрицать механизм репликации и наличие самих репликаторов (РНК и т. п.). Конечно, здесь проблем по части доказательств ещё много, но они постепенно и систематически решаются. К тому же с учётом того, что первые два факта были успешно доказаны, сомнений в том, что будет доказан и третий, в общем-то, нет.

После окончательного решения описанных проблем всё становится намного проще, так как начинает работать «дарвиновский» эволюционный механизм – наследственность, изменчивость, отбор.

Вывод, следующий из этой главы, достаточно простой. Пока мы не научимся мыслить масштабами Вселенной, дальше восприятия, заложенного в нас эволюцией и сформированного в условиях нашей планеты, нам не сдвинуться.

Куда и почему расширяется Вселенная?

А теперь о расширении Вселенной (Aysgarth, 2017).

Проблема в том, что расширение Вселенной многие воспринимают буквально, то есть как процесс увеличения объёма. Суть в том, что восприятие окружающего мира человеком сильно ограничено евклидовым пространством, а расширение Вселенной – это вообще процесс изменения метрики, то есть в нашем понимании она никуда не расширяется. Если представить, что за пределами Вселенной находится наблюдатель, способный визуально воспринимать информацию, он сможет увидеть что-то похожее на то, как растягивается воздушный шарик, когда его надувают. Ну а две разные точки на двумерной поверхности этого «шарика» просто медленно отдаляются друг от друга.

Разница в том, что во Вселенной четыре измерения. Если, конечно, не окажется, что верна теория струн и измерений на самом деле 10 или 26. Но нам бы и с четырьмя ужиться.

Эйнштейн ввёл в ОТО космологическую постоянную (лямбда-член), которая позволяла установить стационарность Вселенной в уравнениях (Линде, 1990).

Несмотря на то что про стационарность Вселенной все потихоньку забывают, космологическая постоянная по-прежнему применяется во всех частных случаях. Например, в астрономии и в инженерных приложениях. Таких, как системы спутниковой навигации.

Что было до и будет после?

Вопрос о том, что было до возникновения Вселенной, лишён смысла. Ведь сам предлог «до» подразумевает предшествование во времени, а возникновение Вселенной (сюрпри-и-из!) совпадает с возникновением времени.

Точно так же лишён смысла и вопрос о том, куда расширяется Вселенная. Потому что какого-то пространства, в которое происходит это расширение, нет. Сама Вселенная и есть пространство. Она просто расширяется, и это факт, который надо принять, так как он доказан.

Другой вопрос, что скорость расширения Вселенной поступательно возрастает, и интересно, к чему это приведёт в итоге. То ли причина в воздействии тёмной энергии, играющей роль антигравитации (которая проявляется лишь на колоссальных расстояниях), то ли это просто свойство Вселенной.

Непостоянная постоянная

Тут надо сделать отступление и рассказать вкратце о постоянной Хаббла – коэффициенте, входящем в закон Хаббла. Данный закон связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления, то есть описывает ускорение расширения Вселенной.

На сегодня существует два способа расчёта постоянной Хаббла. Согласно первому, основанному на методе «стандартных свечей» (Yijung Kang, 2020), Вселенная расширяется с ускорением в 74 км/с на один мегапарсек. Второй способ, основанный на измерениях уровня реликтового излучения, даёт величину постоянной Хаббла около 67,4 км/с на один мегапарсек. Независимо от количества и качества исследований, основанных на каждом из этих способов, разница всегда одна и та же. Именно эта разница чаще всего служит поводом для разговоров о «новой физике». Причём в пользу её существования учёные стали более активно высказываться, когда появились данные о микроволновом фоне с космической обсерватории Планк. Эти данные в очередной раз подтвердили разницу.

Почему это так важно?

Определение ускорения (или даже просто его наличия), с которым расширяется Вселенная, имеет первостепенное значение для понимания её энергетического баланса или проверки ключевых компонентов стандартной космологии, таких как обоснованность общей теории относительности на космологических масштабах.

Лукас Ломбрайзер – профессор кафедры теоретической физики университета Женевы – в одной из своих работ утверждает, что согласовать разницу в получаемых значениях постоянной Хаббла можно в том случае, если наша Вселенная представляет собой «пузырь» с пониженной плотностью материи относительно внешнего пространства (Lucas Lombriser, 2020).

По его расчётам, для согласования получаемой разницы постоянной Хаббла при размере нашего «пузыря» около 250 млрд световых лет в диаметре плотность материи в нём должна быть вдвое ниже средней плотности внешней части Вселенной.

В целом эта работа может быть подтверждением в пользу хаотической теории инфляции, согласно которой мы живём лишь в одном из множества пузырей, что очень интересно. Но это уже отдельная тема.

Тёмная ли энергия?

Так почему же расширяется Вселенная?

Наиболее правдоподобная из существующих гипотеза утверждает, что это происходит из-за тёмной энергии, имеющей антигравитационное действие. Тёмная энергия заставляет Вселенную существовать, расширяет её с самых первых мгновений. Именно благодаря этой энергии на Земле существует жизнь.

Однако хочу предупредить: концепция тёмной энергии может оказаться ложной. Возможно, она призвана оттянуть момент, когда наука наконец сможет доказать полную несостоятельность этой гипотезы перед открытыми ею фактами. Точно так же, как это некогда произошло с мировым эфиром. Теория эфира одно время всех устраивала и считалась неоспоримой. До тех пор, пока дальнейшие исследования не доказали, что на самом деле никакого мирового эфира нет. И никогда не было.

Как, куда и почему всё движется?

Давайте разберёмся.

Соседкой нашей галактики является галактика Андромеды, которую, к слову сказать, можно увидеть даже невооружённым глазом. Вокруг этого тандема вращаются несколько десятков карликовых галактик (те, которые нам известны). Все вместе они образуют Местную группу галактик. В этой группе на данный момент мы знаем 54 галактики, их размеры превышают десять млн световых лет. Местная группа галактик вместе с примерно сотней таких скоплений составляет сверхскопление Девы размером уже больше 110 млн световых лет.

Совсем недавно, в 2014 году, астрофизики выяснили, что сверхскопление Девы, состоящее примерно из 30 000 галактик, входит в состав гораздо бóльшей структуры, которую назвали «сверхскопление Ланиакея». Но даже это ещё не всё, хотя, уверен, вы уже перестали осознавать масштабы.

Ланиакея вместе с таким же сверхскоплением Персея – Рыб входит в комплекс сверхскоплений Рыб – Кита, который одновременно является галактической нитью – составной частью крупномасштабной структуры Вселенной.

Но знаете, что самое интересное? Наблюдения, проведённые к данному моменту, указывают на то, что все эти структуры не просто хаотически разбросаны по Вселенной, а составляют сложную губкообразную структуру, в которой есть нити, узлы и пустоты (войды).

Есть ещё один факт, на который следует обратить внимание: сверхскопления – это самые крупные образования, которые удерживаются гравитацией от разбегания, несмотря на расширение Вселенной. Распределение сил здесь (очень упрощённо) такое: нити разбегаются в разные стороны под воздействием тёмной энергии. В то же время движение объектов внутри них в бóльшей степени определяется силами гравитационного притяжения. То есть окружающие нас галактики и их скопления настолько сильно связаны гравитацией, что с ними не может справиться расширение Вселенной.

Так куда всё летит? Поиском ответа на этот вопрос занялись специалисты из Еврейского университета в Иерусалиме (Yehuda Hoffman, 2017). В рамках своей работы они собирали и анализировали данные проекта Cosmicflows-2, который измерил расстояния и скорости более 8 000 близлежащих галактик.

Для начала исследователи подтвердили, что Местная группа галактик летит в сторону Великого аттрактора – гравитационной аномалии в центре Ланиакеи. Великий аттрактор, в свою очередь, со скоростью 660 км/с притягивается более массивным сверхскоплением Шепли.

Астрофизики решили копнуть глубже и сравнили скорость Местной группы с расчётной, которая выводится из массы сверхскопления Шепли. Результат вы узнаете в следующей книге. Шучу.

Оказалось, что, несмотря на массу в 10 000 масс нашей галактики (что невозможно себе представить), сверхскопление Шепли, тем не менее, не смогло бы разогнать нас до такой скорости.

Тогда специалисты решили построить карту антискоростей (векторов, которые направлены в сторону, обратную векторам скоростей). В итоге они обнаружили область, находящуюся на противоположной стороне от сверхскопления Шепли. Эта область словно отталкивает нас от себя ровно с той скоростью, чтобы в сумме дать искомые 660 км/с. Уверен, многие уже подумали о том, что речь идёт об электрическом диполе.

Трёхмерная проекция участка местной Вселенной. Слева синими линиями обозначено поле скоростей всех известных галактик ближайших сверхскоплений – они, очевидно, двигаются в сторону аттрактора Шепли. Справа красным показано поле антискоростей (обратные значения поля скоростей). Они сходятся в точке, откуда их «выталкивает» отсутствие гравитации в этой области Вселенной.

Yehuda Hoffman et al 2016

Само собой, любители всяких альтернативных теорий заговорили об антигравитации. На самом деле всё можно объяснить гораздо проще. Представьте, что из центра вас тянут в две противоположные стороны по пять человек. Если они в среднем обладают одними и теми же физическими параметрами, то вы останетесь на месте. Только будете смещаться в одну из сторон в зависимости от того, прибавилось или убавилось на ней количество тянущих людей. А если на одной из сторон число людей будет больше, чем на другой? Тогда вы сдвинетесь в ту сторону, где их общая масса больше. А теперь представьте, что с одной стороны от вас никого нет. В этом случае вы будете удаляться от пустоты так, будто она вас отталкивает.

Классический электрический диполь из учебника физики. Wikimedia commons

Карта скоростей местной Вселенной размером примерно 2 млрд. световых лет. Желтая стрелка по центру выходит из Местной группы галактик и указывает скорость ее движения примерно в направлении аттрактора Шепли, и точно в противоположную сторону от репеллера (обозначен желтым и серым контуром в правой и верхней области). Yehuda Hoffman et al., 2016

Во Вселенной наблюдается ровно то же самое. Только в роли тянущих на себя выступают галактики и их скопления, которые распределены неравномерно. Именно так и происходит и с нашей галактикой. На противоположной стороне от скопления Шепли находится область, которую учёные назвали Великим Отталкивателем, или Великим Репеллером. Это несколько кубических мегапарсек пространства, необычайно бедно заполненных галактиками, которые не способны компенсировать гравитационное притяжение с противоположной стороны. К сожалению, Великий Репеллер находится в зоне избегания, то есть в области пространства, закрытой от нас нашей собственной Галактикой. Поэтому мы не можем пока узнать, насколько это пространство пустое.

Лишь недавние наблюдения с помощью рентгеновских лучей и радиотелескопов, благодаря которым стало возможным регистрировать излучение, свободно проходящее сквозь газ и пыль, позволили составить первый приблизительный список галактик в зоне избегания. Там их действительно оказалось очень мало.

Таким образом, учёные подтвердили вероятное наличие войда с той стороны.