Книга: Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную - Мартин Рис

Современная космология, как и вся астрономия, частью которой она является, наука во многом абстрактная, и все больше напоминает чистую математику. Все дело в том, что космология – это не что иное, как учение о Вселенной как едином целом, а такие величины трудновообразимы и не подлежат рациональному объяснению и пониманию в рамках простого человеческого опыта без использования серьезного математического аппарата. Фундамент математики – это модели и значения (числа). Потому неудивительно, что понимание наукой устройства Вселенной в наши дни свелось к ряду ключевых чисел, малейшие колебания значений которых напрямую отражаются на продолжительности существования знакомого нам мира и нас самих.

«Астрономия – одна из первых наук, связанных с числами, в древние времена игравшая чрезвычайно важную роль в создании календарей и мореплавании. Сейчас астрономия переживает новую эпоху открытий. Волнующий переход в новое тысячелетие значительно повысил интерес к нашему космическому окружению. Астрономия все еще остается наукой чисел, и эта книга рассказывает о шести из них, принципиально важных для Вселенной и нашего места в ней.»

За последние сто лет исследованный нами мир стал шире ни много ни мало на 10 млрд световых лет! Теперь мы оперируем не только понятиями звездных систем и галактик, но самой Вселенной в целом. Это налагает определенную ответственность, ведь после того, как мы узнаем, как появилась и как умрет наша Вселенная, мы приблизимся к тому знанию, которое наши предки оставляли исключительно Богам.

«Объяснение ультраранней вселенной и разработка понятия мультивселенной – задачи текущего столетия. Они будут выглядеть не такими устрашающими, если мы оглянемся на то, что было достигнуто за XX в. Сто лет назад загадкой было само сияние звезд; мы и понятия не имели о том, что находится за пределами нашего Млечного Пути, который считался статической системой. Для сравнения: сейчас наша панорама расширилась на 10 млрд св. лет, и ее историю можно проследить до первых долей секунды в «начале». Конечно, физически мы можем осуществлять исследования по-прежнему только в нашей Солнечной системе, но усовершенствование телескопов и датчиков позволяет нам изучать такие далекие галактики, что свет от них шел до нас 90 % времени после Большого взрыва. Мы нанесли на карту – по крайней мере в общих чертах – бо́льшую часть пространства, которое для нас в принципе доступно, хотя подозреваем, что за границами нашего поля зрения Вселенная занимает гораздо более значительный объем, свет от которого до нас еще не добрался (и, возможно, никогда не доберется).»

И космология, как наука, не напрасно ставит перед собой большие задачи.

«Являясь фундаментальной наукой, космология одновременно самая грандиозная из наук об окружающей среде. Ее целью является понимание того, как простой «огненный шар» развился в сложную среду обитания, которую мы видим вокруг себя, – того, как здесь, на Земле, и, возможно, во многих других биосферах где-то еще развитие живых существ могло увенчаться их собственными размышлениями о том, как они появились.»

*Мартин Рис

Мартин Рис, британский космолог и астрофизик, член Королевского общества (и его президент в 2005–2010 гг.), акцентирует наше внимание всего на шести числах (N, ε, Ω, λ, Q, D), каждое из которых определенным образом задает параметры того мира, в котором мы с вами живем. Он предлагает нам подойти к воображаемой приборной панели по управлению Вселенной, чтобы понять, почему на этой панели присутствует каждая из шести «физических» рукояток и затем, попробовать поменять положение каждой из них, чтобы увидеть, как меняется наш мир.

Коротко обо всех шести числах:

«В этой книге описываются шесть чисел, которые считаются наиболее важными. Два из них связаны с основными силами; другие два определяют размер и общую структуру Вселенной и показывают, будет ли она существовать вечно; еще два говорят о свойствах самой Вселенной: 1) Вселенная простирается так далеко из-за того, что в природе существует чрезвычайно важное огромное число N, равное 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Это число является отношением силы электрического притяжения, удерживающей атомы вместе, к силе гравитационного притяжения между ними. Если бы в числе N было хоть немного меньше нулей, могла бы существовать только короткоживущая миниатюрная вселенная: ни одно существо не могло бы стать больше насекомого, и времени на биологическую эволюцию не хватило. 2) Другое число, ε (эпсилон), значение которого составляет 0,007, определяет, насколько прочно связаны ядра атомов и как атомы формируются. От его значения зависит светимость Солнца и, более опосредованно, то, как внутри звезд водород преобразуется во все элементы периодической таблицы. Углерод и кислород распространены повсеместно, а золото и уран встречаются редко – и все это из-за процессов, которые происходят внутри звезд. Если бы ε равнялось 0,006 или 0,008, мы вообще бы не существовали. 3) Космическое число Ω (омега) измеряет количество вещества во Вселенной – галактик, рассеянного между ними газа и темной материи. Ω указывает нам на важность отношения между силами притяжения и расширением Вселенной. Если бы это отношение было слишком высоким по отношению к определенному критическому значению, Вселенная давно бы схлопнулась. Если бы оно было слишком низким, не сформировались бы галактики и звезды. Кажется, первоначальная скорость расширения Вселенной была идеально рассчитана. 4) Измерение четвертого числа λ (лямбда) было самой крупной научной новостью 1998 г. Сила, о которой совершенно не подозревали – космическая «антигравитация», – контролирует расширение Вселенной, хотя и не оказывает какого-либо заметного эффекта на расстояниях меньше миллиарда световых лет. Со временем ей предначертано стать доминирующей над силой притяжения и другими силами, по мере того как наша Вселенная будет становиться все более пустой и темной. К счастью для нас (и к удивлению физиков-теоретиков), λ очень мала. Иначе бы ее воздействие не позволило сформироваться галактикам и звездам и космическая эволюция закончилась бы, даже не начавшись. 5) Элементы всех космических структур – звезд, галактик и скоплений галактик – несут на себе отпечаток Большого взрыва. Сущность нашей Вселенной зависит от одного числа, Q, которое представляет собой соотношение двух фундаментальных энергий и составляет примерно 1/100 000. Если бы Q было еще меньше, Вселенная была бы инертной и не имела сложной структуры. Если бы Q было значительно больше, на месте Вселенной возникло бы очень мрачное место, где звезды и планетные системы были бы поглощены огромными черными дырами. 6) Шестое жизненно важное число известно уже много столетий, но теперь его рассматривают с новой точки зрения. Это количество пространственных измерений нашего мира, D, и равно оно трем. Жизнь не смогла бы существовать, если бы D равнялось двум или четырем. Время – это четвертое измерение, но оно отличается от остальных тем, что имеет направленность: мы можем двигаться только в направлении будущего. Около черных дыр пространство так искривлено, что свет движется по кругу, а время может стоять на месте. Более того, сразу после Большого взрыва в микромасштабах пространство уже могло обнаружить свою глубинную структуру, лежащую в основе всего, – вибрацию и гармонию объектов, называемых «суперструнами», в десяти измерениях.»

Чем больше понимаешь, насколько точно «подогнаны» значения шести ключевых чисел, для того, чтобы в нашей Вселенной смогли появиться галактики, звезды, планеты и все разнообразие 92 химических элементов, тем больше подозреваешь приложенную к сотворению мира руку, а точнее – Разум. Но причастен ли Творец к настройке параметров Вселенной?

«Эти шесть чисел составляют «рецепт» эволюции Вселенной. Более того, результат очень чувствителен к их значениям: если бы любое из них было чуть-чуть другим, не было бы звезд и не могла бы существовать жизнь. Является ли такая точная «настройка» всего лишь случайностью, совпадением? Или в этом проявляется воля милосердного Творца? Я придерживаюсь третьего мнения. Бесконечное количество вселенных прекрасно может существовать там, где эти числа другие, только большинство из этих вселенных были бы мертворожденными или стерильными. Мы могли появиться (и поэтому сейчас существуем) только во вселенной с «правильной» комбинацией. Осознание этого дает совершенно новую точку зрения на Вселенную, наше место в ней и на саму природу физических законов.»

Там, где есть начало и конец света, а также миллиарды лет (для человека, кажущиеся бесконечностью), неизменно возникают разговоры на философские темы, например, о сложности Вселенной:

«Невероятная, захватывающая многогранность биологической эволюции и разнообразие жизни на Земле заставляют нас понимать, что в мире, где нет жизни, все гораздо проще. И эта простота – или, по крайней мере, относительная простота – это характерная черта тех объектов, которые изучают астрономы. Есть вещи, которые трудно понять, потому что они сложные, а не потому, что большие. Задача досконально изучить, как атомы соединяются в живые существа – здесь, на Земле, а возможно, и в других мирах, – достаточно сложна, чтобы сделать разгадку происхождения жизни более обескураживающей, чем решение любой из космологических проблем. Тем не менее по этой причине я не думаю, что стремиться понять нашу огромную Вселенную – это слишком большая самонадеянность.»

Фундаментальные вопросы о Вселенной, которыми задаётся Мартин Рис:

«Два фундаментальных вопроса, связанных со Вселенной, звучат так: «Почему она расширяется?» и «Почему она такая большая?» Мы можем проследить, что происходит во время расширения, и экстраполировать процессы на несколько самых первых секунд (и подтвердить наши гипотезы распространенностью гелия и дейтерия). Но теория Большого взрыва в действительности является описанием (и достаточно успешным) того, что происходило после Большого взрыва, она ничего не говорит о том, что же положило начало расширению вообще. Другую загадку можно сформулировать так: «Почему наша Вселенная в целом однородна (что делает космологические данные легко поддающимися обработке), но в то же время позволяет образовываться галактикам, скоплениям и сверхскоплениям?» И, если продолжать дальше: «Что предопределило сами физические законы?»

В роли ответа на один из фундаментальных вопросов ученые выдвигают инфляционную модель Вселенной:

«Согласно теории инфляционной Вселенной, причина того, почему Вселенная столь велика и почему тяготение и расширение так четко уравновешены, лежит в каком-то значительном событии, которое произошло очень рано, когда вся наша наблюдаемая Вселенная была буквально микроскопических размеров. При колоссальной плотности той эпохи в игру вступило некое «космическое отталкивание», похожее на невообразимо сильное число λ. Именно оно взяло верх над обычным тяготением. Расширение «рвануло на верхней передаче», что привело к неудержимому ускорению, позволившему зародышу Вселенной раздуться, гомогенизироваться и установить «хорошо настроенное» равновесие между тяготением и кинетической энергией. Предполагается, что все это произошло в пределах всего лишь первых 10–35 секунд Большого взрыва! Условия, которые существовали тогда, очень далеки от тех, которые мы можем проверить экспериментально, поэтому о деталях можно говорить только умозрительно. Тем не менее мы можем строить предположения, согласующиеся с другими физическими теориями и с тем, что мы знаем о более поздней Вселенной. <…> Математические формулы (если только они не очень длинные и в самом деле сложные) обычно не оперируют огромными числами. Единственный естественный путь для «скромного» числа – создать гигантское – такое, как 1078, общее число атомов в наблюдаемой Вселенной, – если оно является показателем экспоненциальной зависимости (так можно сказать, если использовать математические термины), т. е. оно говорит нам, сколько раз параметр удваивается. Каждый раз, когда радиус сферы увеличивается вдвое, ее объем возрастает в восемь раз (в обычном евклидовом пространстве). Для того чтобы достичь такого числа, как 1078, потребуется лишь сотня подобных удвоений.»

Факты, подтверждающие теорию Большого взрыва:

«Теорию Большого взрыва пытаются опровергнуть вот уже более 30 лет [уже 50 лет]. Различные данные могли доказать ее несостоятельность, если бы были иными. Вот пять из них. ● Астрономы могли обнаружить объект, содержание гелия в котором равняется 0 или имеет уровень ниже 23 % от содержания водорода. Это было бы фатальным для теории, поскольку термоядерная реакция с водородом может легко произвести гелий сверх того количества, которое было до появления галактик, но нет никакого способа превратить весь гелий обратно в водород. ● Фоновое излучение, так точно измеренное аппаратом COBE, могло иметь спектр, отличающийся от ожидаемого спектра «абсолютно черного тела» (или теплового равновесия). ● Изучая нейтрино, физики могли обнаружить что-нибудь, несовместимое с Большим взрывом. В «огненном шаре» нейтрино должны были по численности превосходить атомы во много раз – примерно в миллиард, как и фотоны. Если бы каждый нейтрино весил хотя бы миллионную долю от веса атома, то они в целом составили бы слишком большую массу для ныне существующей Вселенной – даже бо́льшую, чем скрыта в темной материи. Как мы уже говорили, реальная масса нейтрино (если она не равна нулю), по всей видимости, слишком низка, чтобы опровергнуть теорию. Но может выясниться, что она выше. ● Количество дейтерия могло пойти вразрез с той величиной, которая, как ожидалось, сохранилась от Большого взрыва. ● Температурные флуктуации на небесной сфере могли бы дать значение числа Q, которое было бы несовместимо с тем, что логически выводится из нынешней структуры Вселенной, если бы оно не равнялось 1/100 000. Теория Большого взрыва прошла все испытания.»

Но возможна ли «Вселенная из ничего»? А как же быть с энергией?

«Может показаться парадоксальным, что целая Вселенная протяженностью 10 млрд св. лет (которая, возможно, расширится еще дальше, за пределы нашего горизонта) могла появиться из бесконечно малой крупицы. Это возможно потому, что, сколько бы Вселенная ни раздувалась, ее полная энергия по-прежнему может быть равна нулю. Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна, все имеет энергию, равную mc2. Но все также имеет и отрицательную энергию из-за тяготения. Нам нужна энергия, чтобы выбраться за пределы земного притяжения, т. е. нам нужно сжечь достаточно ракетного топлива, чтобы достичь скорости 11,2 км/с. Таким образом, по сравнению с астронавтом в космосе на Земле мы испытываем дефицит энергии. Но этот дефицит (который можно назвать «потенциальной гравитационной энергией») с учетом того, что все во Вселенной складывается, может достичь значения минус mc2. Другими словами, Вселенная создает для себя такую глубокую «гравитационную яму», что все в ней имеет отрицательную гравитационную энергию, которая точно компенсируется ее энергией массы покоя. Поэтому энергия, затраченная на раздувание нашей Вселенной, на самом деле может быть равной нулю.»

*** Шесть чисел: много это или мало, для того, чтобы создать такую огромную, сложную и красивую Вселенную? Кажется, мало. Но если задуматься о том, что выражают собой эти числа: силу гравитационного взаимодействия, силу расширения Вселенной, количество вещества в ней, количество энергии, которую способен отдать каждый атом, количество доступных нам измерений… то становится понятно, насколько эта система сложна, и насколько идеально она настроена для того, чтобы в ней появился разум. Наш разум! Однако, это не отрицает того, что существуют многочисленные иные Вселенные с другими значениями этих параметров, в которых нас нет и быть не может. Возможно, именно эти шесть чисел - тот самый идеальный инструмент для сотворения любого мира, нужна лишь грамотная настройка параметров. Но кто каждый раз выступает настройщиком? Для физиков этот вопрос пока открыт.

*** Более подробно суть всех шести чисел (N, ε, Ω, λ, Q, D), а также изменения во Вселенной, которые произойдут при корректировке их значений, можно узнать из иллюстрированного КОНСПЕКТА-ЦИТАТНИКА по ссылке ниже. https://telegra.ph/Martin-Ris-Vsego-shest-chisel-Glavnye-sily-formiruyushchie-Vselennuyu---konspekt-P-Mozhejko-11-04 ***

МОЕ МНЕНИЕ ОБ ИЗДАНИИ: Качественное издание в традиционном для «АНФ» оформлении. Формат стандартный (145x215 мм), твердый переплет, без суперобложки, 226 страниц. Достоинства издания: научный редактор – Сергей Попов (д-р физ.-мат. наук); хорошее качество печати; белая бумага; твердый переплет; наличие колонтитулов; информация об авторе; примечания (разбиты по главам), алфавитный указатель; иллюстрации с комментариями; подробное содержание. Недостатки издания: было бы удобнее, если бы примечания автора были вынесены сносками, а не отнесены в конец книги.

ПОТЕРЯЛ БЫ Я ЧТО-НИБУДЬ, ЕСЛИ БЫ ЕЕ НЕ ЧИТАЛ: Да. Книга предлагает провести довольно увлекательный мысленный эксперимент по корректировке Вселенной, путем попеременного изменения шести ее ключевых физических параметров.

КОМУ ПОРЕКОМЕНДОВАЛ БЫ: Книга безусловно будет интересна тем, кто интересуется астрономией, астрофизикой и в целом, устройством Вселенной, ее эволюцией и взаимосвязями в ней.

ВИДЕО В ТЕМУ: Одной из самых интересных загадок Вселенной, является истинная природа т.н. «тёмной материи», существование которой в том или ином виде для ученых очевидно. Не стоит придавать этому названию лишний мистицизм. Лучше оценить физическую сторону дела, благодаря яркому поясняющему ролику от проекта «KOSMO».