Текст книги "Космос для не космонавтов"

Что произойдёт, когда всё разлетится?

На сегодня все научные факты указывают на то, что Вселенная расширяется. Причём в момент, когда вы только начали читать даже эту главу, она расширялась немножко медленнее. И что её в таком случае ждёт?

Радиус наблюдаемой Вселенной можно сравнить с горизонтом событий чёрной дыры. Галактики будут покидать видимую для нас Вселенную всё быстрее и быстрее. Но надо понимать, что они не перестанут существовать. Просто информация от них в виде света не сможет до нас доходить. В итоге мы останемся словно внутри чёрной дыры, в которой для нас будет существовать только сверхскопление Девы, в котором мы и находимся.

Ну а то, что произойдёт дальше, зависит от значения лямбды-члена, введённого Эйнштейном. Считается, что у Вселенной возможны два основных исхода.

При меньшем значении лямбды сверхскопление станет замкнутой вселенной, в которой начнут происходить термодинамические процессы. Согласно второму началу термодинамики, тепло переходит от более нагретых тел к менее нагретым. В итоге этот процесс дойдёт до той степени, когда тепловое колебание молекул остановится, потому что исчезнет разница температур. Вещество в этот момент станет полностью однородным, движение – невозможным, а время исчезнет. Этот процесс называется тепловой смертью.

Если же значение лямбды будет бóльшим, то растаскивание не остановится, и наша маленькая Вселенная не сможет замкнуться на себе. В итоге даже наша галактика начнёт разваливаться, так как гравитация не сможет удерживать её как единое целое. Дальше начнут разрушаться связи между молекулами. Потом начнут разваливаться сами молекулы. Потом – атомы. Затем – субатомные частицы. И в последний момент существования времени исчезнет само пространство.

Абсолютно то же самое будет происходить и с теми галактиками, которые оказались по ту сторону. Этот процесс будет одинаковым в любой точке Вселенной. Всё, что её составляет, начнёт очень медленно «умирать» в бесконечном одиночестве. Пока очевидно одно – смерти Вселенной, как и любому из нас, не избежать.

Раздел 2
Теория относительности и физика Вселенной

Величайшая ошибка Эйнштейна как начало новой физики

О космологической постоянной я уже не раз упоминал в тексте. Поэтому с неё и следует начать главу про общую теорию относительности (далее – ОТО). Уже более 100 лет назад Альберт Эйнштейн, работая над этой теорией, получил новый параметр, который был назван впоследствии «космологической постоянной». Сегодня этот параметр необходим для описания влияний тёмных энергии и материи на космологических масштабах, так как в уравнениях ОТО его значение настолько мало, что эффекты, связанные с его наличием, начинают сколько-нибудь ощутимо проявлять себя лишь начиная со скопления галактик.

Надеюсь, что, дочитав до этого момента, вы уже не отрицаете факта расширения Вселенной. Но в начале прошлого века считали, что Вселенная статична и неизменна как минимум на самых больших масштабах. Из ОТО же первоначально следовало наличие только, скажем так, притягивающей формы гравитации, что логичным образом неизменно приводило к коллапсу всей материи в одной точке, хотя и сильно растягивалось во времени.

Эйнштейн в 1917 году, будучи, как и большинство физиков того времени, уверенным в том, что Вселенная стационарна, добавил в свои расчёты «отталкивающий коэффициент», чтобы уравновесить её.

При этом в своих заметках в 1918 году Эйнштейн написал следующее: «Требуется модификация теории, так как «пустое пространство» играет роль гравитирующих отрицательных масс, распределённых по всему межзвёздному пространству».

Величайшая ошибка Альберта Эйнштейна

Представление о статичности Вселенной изменил Эдвин Хаббл, именем которого назван основной поставщик обоев космической тематики на рабочий стол. В 1929 году он опубликовал работу, в которой утверждал, что другие галактики удаляются от нашей и, чем дальше они от нас находятся, тем быстрее удаляются.

Вывод был ошеломляющим и однозначным: Вселенная не статична – она расширяется.

Приняв во внимание тот факт, что предположение о статичности Вселенной, долгое время считавшееся догмой, ошибочно, Эйнштейн удалил космологическую постоянную из своих уравнений. В результате снова встал вопрос о «гравитирующем пустом межзвёздном пространстве». Тем не менее Альберт Эйнштейн решил: если Вселенная не статична, то никакой необходимости в этом коэффициенте нет!

Кстати, о том, что космологическая постоянная является величайшей ошибкой Эйнштейна, сказал физик Георгий Гамов, пусть и якобы от его имени.

Вернуть космологическую постоянную!

ХХ век можно считать по истине золотым в части научных изысканий о сущности Вселенной. С его середины начались наиболее активные исследования. В рамках первоначальной версии теории Большого взрыва расширение под действием гравитации должно было замедляться и, как следствие, вероятно, перейти в состояние Большого сжатия. Были, конечно, предположения, что расширение может продолжаться бесконечно долго, но тот факт, что оно просто обязано замедлиться, казался бесспорным, заняв не некоторое время место догмы, наподобие ещё недавней статичности Вселенной.

Но результаты двух экспериментов, поставленных специально для решения этого вопроса в 1998 году, дали ответ, который никто даже не предполагал: Вселенная расширяется с ускорением! На сегодня ускорение расширения было неоднократно подтверждено и в настоящее время считается хорошо установленным фактом.

Однако первым же делом возникает очевидный вопрос: что может объяснить ускорение расширения? Тут-то физики и вспомнили про «величайшую ошибку» Эйнштейна.

Отрицательные массы

Предположение, что во Вселенной имеются вещества с отрицательной массой, является контринтуитивным, поэтому наш мозг отказывается его воспринимать. Но доктор Джейми Фарнс из Оксфордского центра электронных исследований Департамента инженерных наук разработал теоретическую модель, которая предполагает, что тёмные энергия и материя могут быть объединены в одну субстанцию – подобие жидкости с отрицательной массой (Farnes, 2018).

Модель Фарнса представляет собой модифицированную космологическую модель Lambda-CDM («Лямбда-СиДиЭм» – сокращение от Lambda-Cold Dark Matter). Эта модель помогает предсказывать наблюдаемое распределение тёмной материи в галактиках, давая несколько проверяемых предсказаний. Судя по всему, она к тому же обладает потенциалом на совмещение с данными, полученными при наблюдении далёких сверхновых звёзд, космического микроволнового фона и скоплений галактик.

Выводы из работы Фарнса просто удивительные и, повторюсь, плохо воспринимаемые логикой. Во Вселенной на полном серьёзе могут реально существовать отрицательные массы. Такая гипотеза как минимум может стать началом новой космологической теории.

Доктор Фарнс дал своим выводам такое объяснение:

«…Теперь мы думаем, что и тёмная материя, и тёмная энергия могут быть объединены в некую «жидкость», которая обладает характеристикой «отрицательной гравитации», то есть отталкивает весь другой материал от себя. И, хотя это всё ещё далеко под вопросом, теория предполагает, что космос симметричен как в положительных, так и в отрицательных своих качествах…».

Предположительное распределение тёмной материи в виде гало вокруг нашей галактики

Считалось, что отрицательная материя, если она действительно существует, по мере расширения Вселенной будет становиться менее плотной, что противоречит наблюдениям, которые никак не указывают на её истощение. В связи с этим доктор Фарнс в своей работе применяет «тензор создания», согласно которому отрицательные массы создаются непрерывно.

Интересно, что именно эта модель стала первой, которая даёт наиболее правильные предсказания поведения тёмной материи. К примеру, абсолютное большинство галактик, включая нашу, вращаются настолько быстро, что должны разрываться на части. Однако этого не происходит.

Поэтому учёные пришли к выводу, что существует невидимое «гало» тёмной материи, которое удерживает галактики от того, чтобы разваливаться. Новое исследование полностью подтверждает, а главное – предсказывает образование гало тёмной материи. Его данные полностью согласуется с данными, полученными при наблюдениях за последние 100 лет.

О теории относительности «на пальцах»

Пора переходить непосредственно к теории относительности. Рассказать о ней настолько просто, чтобы её понял даже ребёнок, вероятно, невозможно. Потому что существуют понятия и теории, интуитивно не воспринимаемые нашим мозгом, о чём я уже не раз говорил в предыдущих главах. Но можно описать теорию относительности так, чтобы она не вызывала страха в изучении (Трефил, 2007). Ну а база по физике и математике нужна в любом случае.

Столь великая работа не могла не обрасти различными легендами. По одной из них, прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в то мгновение, когда он ехал на трамвае по Берну (Швейцария) и взглянул на уличные часы. Эйнштейн внезапно осознал: если б трамвай разогнался до скорости света, то в его, Эйнштейна, восприятии эти часы остановились. То есть время исчезло бы.

Как бы то ни было, этот эффект является следствием одного из центральных постулатов теории относительности – различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь фундаментальные величины, как расстояние и время.

Если переходить на научный язык, то Эйнштейн показал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчёта, в которой находится наблюдатель.

Если, к примеру, пассажирка движущегося поезда уронит свою сумочку, то для неё она упадёт вертикально вниз, а вот для пешехода, стоящего на платформе, мимо которой едет этот поезд, сумочка будет падать по параболе.

Не стóит, правда, забывать, что есть и универсальные вещи, не зависящие от точки отсчёта. К примеру, закон, согласно которому вызвано падение, никак не зависит от наблюдателя. Иными словами, от наблюдателя зависит лишь описание событий, но не законы природы. В этом и заключается принцип относительности.

Принцип относительности породил две теории, одна из которых является частным случаем другой, и которые, собственно, описал Эйнштейн.

Специальная (частная) теория относительности (СТО), опубликованная в 1905 году, говорит нам о том, что законы природы одни и те же для всех систем отсчёта, движущихся с постоянной скоростью. Общая теория относительности (ОТО), распространяющая этот принцип на любые системы отсчёта, включая движущиеся с ускорением, гораздо более сложная с точки зрения математического аппарата. Поэтому она была завершена Эйнштейном лишь к 1916 году.

Осознавая, сколько было потрачено лет и насколько обширную совокупную работу совершили многие учёные, чтобы сформулировать и описать теорию относительности, хочется передать привет всем тем, кто уверенно обещает объяснить её «на пальцах», говоря, что и базовых знаний будет достаточно.

Специальная теория относительности (СТО)

Начну с того, что абсолютное большинство самых парадоксальных и противоречащих интуиции и логике эффектов, которые возникают при движении со скоростью, близкой к скорости света, предсказывает именно СТО. Самый известный из них – эффект замедления хода часов, или эффект замедления времени. Уверен, большинство из вас сейчас вспомнило фильм «Интерстеллар».

В этой же картине представлены и кротовые норы, являющиеся одним из следствий формул СТО. Если не вдаваться в подробности, то суть и аллегории фильма и формул заключается в том, что время в системе координат, движущейся со скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается. Ну а длина (протяженность в пространстве) объектов вдоль оси направления движения – наоборот, сжимается.

Вообще, этот эффект был описан ещё в 1889 году ирландским физиком Джорджем Фицджеральдом. Затем дополнен в 1892 году Хендриком Лоренцем из Нидерландов. В результате он получил название «сокращение Лоренца – Фицджеральда».

Вот почему я говорю, что теория относительности – это результат совокупной работы многих учёных.

Сокращение Лоренца – Фицджеральда объясняет, почему опыт Майкельсона – Морли, на который ссылаются адепты эфирной гипотезы (определение скорости движения Земли в космическом пространстве путём замеров «эфирного ветра») дал отрицательный результат и показал, что эфира не существует.

Эйнштейн, к слову сказать, не просто включил эти уравнения в СТО, а дополнил их аналогичной формулой преобразования для массы, согласно которой масса тела тоже увеличивается по мере приближения скорости тела к скорости света.

Интересно, что псевдоучёные продолжают пользоваться тем фактом, что выводы и предсказания теории относительности зачастую противоречат логике и интуиции (хотя, заметим, научные выводы контринтуитивны не только в физике, но и в любой другой точной науке). Они словно забывают тот факт, что сами из года в год находят полные и прямые экспериментальные подтверждения теории Эйнштейна, но, тем не менее, продолжают распространять в научной среде свои непонимание и нежелание учиться.

Далее я расскажу о некоторых принципиальных доказательствах более подробно. А сейчас приведу один из самых показательных, на мой взгляд, опытов.

На борту авиалайнера, совершавшего регулярные трансатлантические рейсы, разместили сверхточные атомные часы. После каждого его возвращения в аэропорт приписки их показания сверяли с контрольными. Выяснилось, что часы на самолёте постепенно отставали от контрольных всё больше и больше. Правда, речь идёт о долях секунды, но нам важно принципиальное доказательство отставания.

Ну и, конечно, нельзя забывать об экспериментах на различных ускорителях частиц, включая Большой адронный коллайдер (БАК). Там пучки заряженных субатомных частиц (протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света. Ими либо обстреливают различные ядерные мишени, либо, как на БАК, сталкивают друг с другом. Последнее намного эффективнее, так как скорости движущихся навстречу друг другу объектов складываются.

При увеличении скоростей частиц до близких к скорости света их массы тоже увеличиваются. Этот факт необходимо учитывать. Иначе результаты эксперимента попросту не будут поддаваться разумной интерпретации.

Таким образом, чтобы вам ни говорили, СТО уже очень давно перешла из разряда гипотез в область инструментов прикладной инженерии, где её используют наравне с законами механики Ньютона.

Кстати, о законах Ньютона

Необходимо особо отметить, что СТО, хотя она внешне и противоречит законам классической ньютоновской механики, на самом деле практически в точности воспроизводит все обычные уравнения законов Ньютона. Конечно, при условии, если её применить для описания тел, движущихся со скоростью значительно меньше, чем скорость света. То есть СТО не отменяет ньютоновскую физику, а расширяет и дополняет её.

Принцип относительности помогает также понять, почему именно скорость света, а не какая-нибудь другая играет столь важную роль в этой модели строения мира. Такой вопрос задают многие из тех, кто впервые столкнулся с теорией относительности. Скорость света выделяется и играет особую роль универсальной константы потому, что она определена естественнонаучным законом (см. Уравнения Максвелла). В силу принципа относительности скорость света в вакууме одинакова в любой системе отсчёта. Казалось бы, такое утверждение противоречит здравому смыслу, поскольку получается, что свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного доходит до наблюдателя одновременно. Однако это так.

Благодаря своей особой роли в законах природы скорость света занимает центральное место и в ОТО.

Общая теория относительности

ОТО применяется уже не только к движущимся с постоянной друг относительно друга скоростью, но и ко всем системам отсчёта. Поэтому, как уже было сказано, она и выглядит гораздо сложнее с точки зрения математики.

Включая в себя СТО (и, следовательно, законы Ньютона) как частный случай, ОТО расширяет границы и, если можно так сказать, даёт новую интерпретацию гравитации, которая на сегодня является её нерешённой частью.

Один из наиболее интересных фактов заключается в том, что ОТО описывает пространство четырёхмерным, добавляя к трём пространственным измерениям время. Поскольку все четыре измерения неразрывны, речь идёт о пространственно-временных интервалах между событиями. Так и появилось понятие пространства-времени. Тут интуиция, как говорится, вообще выходит из чата. Ведь наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, могут расходиться даже в мнении о том, произошли ли два события одновременно или одно предшествовало другому.

Спешу огорчить «альтернативщиков»: речь идёт не о нарушении причинно-следственных связей. Существования систем координат, в которых два события происходят не одновременно и в разной последовательности, даже ОТО не допускает (что упускают псевдоучёные и мракобесы).

Законы Ньютона тоже никак не нарушаются – меняется причина их возникновения. Если Ньютон говорил, что Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения, то Эйнштейн посредством ОТО показал, что причина в другом (что уже многократно было доказано, но об этом ниже).

Согласно ОТО, гравитация – это следствие деформации упругой ткани пространства-времени под воздействием массы. Наиболее понятный (хоть и слишком упрощённый) пример известен абсолютному большинству: туго натянутое полотно, на которое помещён массивный шар, деформируется под его тяжестью, из-за чего вокруг него образуется впадина в форме воронки.

То есть когда мы говорим о вращении Земли вокруг Солнца, то речь идёт не о взаимном притяжении. А о том, что наша планета как бы «падает» на Солнце, «катаясь» вокруг «воронки», образованной в результате «продавливания» Землёй пространства-времени.

То, что мы принимаем за силу тяжести в ньютоновском понимании, на самом деле исключительно внешнее проявление искривления пространства-времени. На сегодня лучшего объяснения природы гравитации, чем даёт нам ОТО, не найдено. И это факт!

Проверить ОТО непросто, поскольку в обычных лабораторных условиях её результаты практически полностью совпадают с результатами, предсказанными законом всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее несколько важных экспериментов были проведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной.

Кроме того, ОТО помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе. Например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звёзд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца или звёзд вообще.

На самом деле значительные (действительно заметные) различия между результатами, предсказанными ОТО и законами Ньютона, проявятся только при наличии сверхсильных гравитационных полей. Это свидетельствует о том, что для полноценной проверки потребуются сверхточные измерения очень массивных объектов. Например, чёрных дыр. И знаете что? Мы очень близки к таким измерениям. Ведь на подходе гравитационно-волновая астрономия. Но об этом поговорим позднее.

Первое подтверждение общей теории относительности

29 мая 1919 года была сделана фотография солнечного затмения, с помощью которой был доказан основной постулат общей теории относительности: гравитация является не силой притяжения, возникающей между телами в космосе, как объяснял Исаак Ньютон, а свойством пространства-времени, которое искривляется под воздействием массивного тела.

Фотография, положившая начало «веку гравитации»

За тем затмением наблюдали две группы астрономов. Первая группа в составе Артура Эддингтона и его помощника Эдвина Коттингемна находились на острове Принсипи к западу от Африки. Вторая группа британских исследователей находилась в городе Собрал, что на севере Бразилии. При этом обе экспедиции были организованы Королевским астрономом Фрэнком Уотсоном Дайсоном.

Изображение из публикации о той работе

В то время мир всё ещё не оправился от Первой мировой войны. Поэтому научные исследования финансировали весьма скудно, и у астрономов было слишком мало оборудования. Помимо прочего, предсказывать погоду тогда практически совсем не умели (будем считать, что сейчас это выходит отлично). Обе эти проблемы оказывали отрицательно существенное влияние на работу, призванную зафиксировать отклонение света под действием гравитации.

Во-первых, если смещение будет обнаружено, как узнать, что конкретно его вызывает: ньютоновская физика или эйнштейновская? Ведь, согласно Ньютону, величина отклонения луча света должна равняться 0,8 угловых секунды, а по Эйнштейну – примерно 1,8. Одна угловая секунда составляет 1/3600°. Обнаружить такую небольшую разницу с приборами того времени – чрезвычайно сложная задача.

Во-вторых, на Принсипи весь день до затмения шёл дождь, а затем опустился туман, который несколько мешал наблюдениям и фотосъёмке. Но задача доказать или опровергнуть самую революционную научную идею XX века стоила всех усилий.

Эддингтону и Коттингемну удалось сделать 16 снимков. Но только два их них отображали достаточное количество звёзд, по которым можно было определить смещение.

У группы астрономов в Бразилии, несмотря на лучшие погодные условия, все 19 снимков, полученных при помощи основного телескопа, оказались не в фокусе. К счастью, у учёных был запасной телескоп, чуть меньше первого, с помощью которого им удалось сделать ещё восемь снимков, оказавшихся удачными.

В августе 1919 года рабочие материалы обеих групп были тщательно изучены. В итоге фотопластинки из Принсипи показали величину отклонения лучей света около 1,6 угловых секунд, из Бразилии – 1,98. Другими словами, безоговорочно была подтверждена общая теория относительности.

Через три месяца учёные презентовали одну из фотографий астрономов (ту, что в начале главы) во время выступления перед Лондонским королевским обществом, что дало начало «веку гравитации». Выступление повергло в всех присутствующих в шок: теория гравитации Ньютона, которая 200 лет была основной, стала частным случаем общей теории относительности.

Журналисты с огромным удовольствием подхватили эту новость, сопровождая её кричащими заголовками (кликбейт всегда был), наподобие этого: «Идеи Ньютона о гравитации выбросили на помойку».

Это было грубым искажением правды об открытии. Никто ничего никуда не выбрасывал! Просто ОТО показала процессы, происходящие во Вселенной, гораздо шире, чем теория гравитации Ньютона.

Последующие наблюдения за другими солнечными затмениями снова и снова подтверждали правоту ОТО. А первые же снимки, сделанные телескопом «Хаббл», выявили ещё большее искривление света под действием гравитации.