Что такое Большой взрыв и черные дыры? Когда загорелись звезды? Как возникли первые галактические звездные острова? Каков будет вселенский "конец света"? Эти и многие другие вопросы современной астрономии, астрофизики и космологии увлекательно и популярно рассматриваются с учетом самых последних научных данных, полученных на Земле и в космосе.
Книга повествует об истории открытия расширения Вселенной и возникновении нашего мира по сценарию Большого взрыва; освещает современный подход физики и космологии к понятиям пространства и времени, галактической и звездной эволюции.
Эта книга – кратчайшая история нашего мира от Большого взрыва до последних черных дыр и разрыва пространства – времени.
Содержание:
Введение 1
Глава 1. Тайна космологической сингулярности 2
Глава 2. Под лавиной космологической инфляции 3
Глава 3. Новорожденная вселенная 5
Глава 4. Вселенское яйцо 6
Глава 5. На просторах мультивселенной 6
Глава 6. Гравитационный прибой 7
Глава 7. Эволюция галактик 9
Глава 8. Жизненный путь звезды 11
Глава 9. Сверхновые, белые карлики и нейтронные светила 12
Глава 10. Бездонные провалы пространства–времени 14
Глава 11. Полет по червоточине 18
Глава 12. Темные стороны мироздания 19
Глава 13. Великий аттрактор 21
Глава 14. Вселенская ось зла 23
Глава 15. Соты метагалактики 24
Глава 16. Космические диковины 25
Глава 17. Солнечный замок в рукаве млечного пути 27
Глава 18. Звезда по имени Солнце 28
Глава 19. Смерть окружающего мира 29
Заключение. Космический год Карла Сагана 31
Приложение 31
Глоссарий 32
Олег Фейгин
Взрыв мироздания
© Фейгин О. О., текст, 2016
© ООО "Страта", 2016
Грандиозна картина эволюции окружающего мира, расширения Вселенной от сверхплотного сверхгорячего состояния, с бурными реакциями между элементарными частицами, до современного, когда вещество распалось на гигантские системы небесных тел, возникли планеты и жизнь.
И. Д. Новиков. Эволюция Вселенной
Какой же ход логических рассуждений заставил эти видимые нами тесные пределы раздвигаться все больше и больше, теряясь в неизмеримой дали, так, что теперь человеческий разум не в силах ни объять Вселенную, о которой мы говорим, ни представить, насколько ничтожно по сравнению с ней все то, что нас окружает?
А. Азимов. Вселенная
Введение
На протяжении веков величайшие умы человечества – Аристотель, Коперник, Кеплер, Галилей и Ньютон – считали окружающий мир однородным и неизменным. На эти же свойства Вселенной изначально опирался в своих построениях Эйнштейн. Создатель теории относительности считал, что Вселенная в целом не эволюционирует, пребывая в застывшем состоянии, и никак не подвластна ходу времени. Правда, в отдельных местах Метагалактики могут возникать и гаснуть звезды и даже целые галактики, но общая картина мира остается принципиально неизменной. Однако реальная Вселенная оказалась совершенно иной, не статически застывшей, а динамичной и развивающейся: вещество Вселенной не может находиться в покое – оно должно либо расширяться, либо сжиматься.
Сегодня мы более-менее достоверно знаем, что наша Вселенная возникла из "ничего" в результате чудовищного катаклизма, получившего название "Большой взрыв".
В конце сороковых годов прошлого столетия битва между сторонниками вечной и неизменной Вселенной и расширяющимся миром достигла своего апогея. В то время одним из главных противников динамической эволюционирующей модели был британский астроном Фред Хойл.
Что же именно "взорвалось" и что вообще существовало до Большого взрыва, судя по всему надолго еще останется одной из самых жгучих загадок мироздания….
Современная космология, как наука о Вселенной в целом, построена на фундаменте релятивистской теории тяготения – общей теории относительности Эйнштейна. Из уравнений Эйнштейна следует, что массивные тела прогибают пространство, как резиновую пленку, вследствие чего кривизна пространства – времени связана с плотностью массы и энергии. Впервые применив общую теорию относительности к Вселенной в целом, Эйнштейн с изумлением обнаружил, что она должна изменяться со временем. Однако внутренне творец и бунтарь Эйнштейн был все же уверен, что мироздание стационарно и его структура постоянна в пространстве и времени. Поэтому он ввел в полученные уравнения дополнительное слагаемое, обеспечивающее неизменность Вселенной.
Современный вид диаграммы Хаббла
Можно подойти к вопросу о хаббловском расширении космоса, используя более привычные, интуитивные образы. Например, представим себе солдат, выстроенных на площади с интервалом 1 м. Пусть затем подается команда раздвинуть за одну минуту ряды так, чтобы этот интервал увеличился до 2 м. Каким бы образом команда ни выполнялась, относительная скорость двух рядом стоящих солдат будет равна 1 м/мин, а относительная скорость двух солдат, стоящих друг от друга на расстоянии 100 м, будет 100 м/мин, если учесть, что расстояние между ними увеличится от 100 до 200 м. Таким образом, скорость взаимного удаления пропорциональна расстоянию. Отметим, что после расширения рядов остается справедливым космологический принцип: галактики-солдаты по-прежнему распределены равномерно, между различными взаимными расстояниями сохраняются те же пропорции.
Т. Редже. Этюды о Вселенной
В начале прошлого века замечательный петербургский математик Александр Фридман оспорил выводы признанного гения и доказал, что мир, заполненный веществом, должен расширяться или сжиматься. Полученные Фридманом уравнения лежат в основе современной космологии. Несколько позже выдающийся американский астроном Эдвин Хаббл пришел к выводу о том, что далекие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию.
Чем дальше галактика, тем больше ее скорость, а коэффициент пропорциональности получил название постоянной Хаббла. Этот вывод Хаббл получил на основе физического эффекта "красного смещения", проявляющегося в покраснении цвета галактик при их удалении. Астрофизики сразу же заподозрили, что в этом виноват эффект Доплера: приближаясь волны становятся короче, а удаляясь – длиннее.
Для звуковых волн это явление впервые исследовал акустик Кристиан Доплер: если к нам приближается электричка, то мы слышим гудок высокого тона, а когда она проносится мимо, высокий тон переходит в низкий. Эта ситуация полностью справедлива и для электромагнитных волн ( см. цветную вклейку ).
В астрономии по доплеровскому сдвигу частоты испускаемого света судят о скорости движения небесных тел. Наблюдение доплеровского сдвига частот света удаленных галактик в виде так называемого красного смещения свидетельствует о том, что все галактики удаляются от нас со скоростями примерно до половины скорости света, возрастающими с расстоянием.
Это было достаточно неожиданно, ведь в то время считалось, что галактические скопления движутся хаотично, и количества приближающихся и удаляющихся объектов примерно одинаковы. Так появилась знаменитая статья Хаббла " Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей ", в которой астроном доказывал, что далекие галактики разлетаются от нас во всех направлениях со скоростью, пропорциональной расстоянию до них. Впоследствии эта зависимость получила название закона разлета Хаббла, а коэффициент пропорциональности между скоростью и дистанцией – постоянной Хаббла.
Таким образом, теоретические модели расширяющейся Вселенной теории относительности получили неожиданное подтверждение при наблюдении эффекта красного смещения для дальних галактик. При этом расширение происходит одновременно в каждой точке и у него нет центра. В какую бы галактику мы ни попали, нам будет казаться, что все другие дальние галактики удаляются с красным смещением, пропорциональным расстоянию до них.
Само пространство как бы раздувается. Это ясно из примера с воздушным шариком: если нарисовать на нем галактики и начать надувать его, то расстояния между ними будут возрастать, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга. Следует сразу сделать замечание, что при всей своей общей наглядности такая модель неточна, ведь в ней сохраняется только взаимное расположение галактик, а сам размер их ассоциаций растет. Правильнее было бы наклеить группы различных галактик на поверхность шара-Вселенной. Тогда их размеры действительно не будут меняться, и из любой точки мы увидим разбегающиеся системы галактик.
Сейчас трудно сказать, кому же из физиков или астрономов пришла первая мысль об обратном отсчете времени, настолько это кажется очевидным. И действительно, если сегодня группы галактик стремительно разлетаются во все стороны, то когда-то в момент их рождения они должны были бы занимать гораздо меньший объем. А дальше вся Вселенная вообще должна бы сжаться в точку…
Современные расчеты показывают, что рождение нашего мира произошло где-то 13,7 млрд лет назад. Именно тогда по не совсем ясным причинам возник вселенский катаклизм, чем-то (но далеко не всем!) напоминающий взрыв с разлетающимися во все стороны частицами и полями.
Современная теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией, правда, возникли и новые вопросы:
Что было до Большого взрыва?
На что же был похож Большой взрыв?
Почему наше пространство имеет нулевую кривизну геометрии Евклида?
Почему Вселенная сравнительно однородна, ведь при любом взрыве вещество разлетается в разные стороны неравномерными осколками?
Что привело к начальному разогреву новорожденной Вселенной до невообразимо высокой температуры?
Глава 1. Тайна космологической сингулярности
…В этот момент нарушается математически корректное описание геометрии пространства – времени. Такое свойство характерно для большинства физически приемлемых решений уравнения Эйнштейна. Существование таких сингулярностей наводит на мысль о некоторой неадекватности общей теории относительности. Очень может быть, что некая будущая теория окажется свободной от такого "греха".
Впрочем, некоторые космологи полагают, что как раз и следует ожидать нечто подобное сингулярности, ибо образование Вселенной – событие особенное. Если до нулевого момента ничего не существовало, то "акт творения" знаменует собой полнейшее нарушение закона сохранения вещества и энергии. Такое нарушение фундаментальных законов физики можно объяснить только предполагая существование сингулярности.
Дж. Нарликар. Неистовая Вселенная
Проходят миллиарды лет, пока становятся зримо видны изменения в строении галактик или в структуре составляющих их звезд. И астрономы, если они хотят исследовать какой-либо долговременный космический процесс, должны запускать "машину времени воображения" на основе логического мышления. Ведь если галактики в настоящий момент разлетаются во все стороны, то вполне можно представить обратный ход событий. Тогда, перематывая назад кадры вселенского кино естественной истории, мы увидим, как материя сожмется в одну точку.
Как гласит теория Большого взрыва, Вселенная возникла из точки с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Это состояние, называемое сингулярностью, не поддается математическому описанию, оно характеризуется огромной плотностью массы и кривизной пространства.
С сингулярности началось взрывное расширение Вселенной. По неизвестным нам (пока) причинам в один прекрасный миг сингулярная точка взорвалась, и с той поры ее вещество все время расширяется, преобразуясь, распадаясь и самоорганизовываясь. Может быть, через многие миллиарды лет расширение сменится сжатием до новой сингулярной точки…
Как ни малы или велики масштабы окружающего мира, их все же можно как-то оценить рядом сопоставлений. Значительно труднее представить себе, что значит "начало начал" нашего мира. Здесь один из главных вопросов связан с тем состоянием Вселенной, которое предшествовало "начальному моменту". Получается, что наш мир как бы вдруг появился "из ничего"? Очень часто процесс Большого взрыва иллюстрируют картиной, напоминающей взрыв мины или гранаты, когда в пространстве рождаются и разлетаются частицы и атомы, подобно осколкам и газам. Однако эта аналогия совершенно не объясняет, как же возникло и стало стремительно расширяться само пространство – время.
Один из сценариев рождения нашего мира
Рождение замкнутой Вселенной (шарик на последней части IV рис.) из плоского мира Минковского (М на стадии I). На промежуточных стадиях, вдали от флуктуации, приводящей к рождению (отщеплению) шарика, метрика остается плоской ("минковской"). Спонтанное рождение мира "из ничего". До момента t = 0 метрика (и, в частности, время) не существовала.
Я. Б. Зельдович. Возможно ли образование Вселенной "из ничего"?
Подобные вопросы еще сравнительно недавно если и озвучивались, то получали единый, можно сказать, хрестоматийный ответ: это лежит за гранью науки. Тут приводилось понятие космологической сингулярности стянутой в точку материи Вселенной с бесконечными (правильнее сказать – стремящимися к бесконечности) плотностями вещества и энергии. Стена космологической сингулярности долго закрывала сущность того, что же и почему взорвалось. Конечно, долго такое положение в космологии продолжаться не могло, и в шестидесятых годах прошлого века стали появляться "запредельные" сценарии рождения нашего мира из ничего.
Естественно, бесконечность – понятие математическое, и в нашем случае оно просто обозначает рамки применимости тех или иных моделей развития Вселенной, которые ученые называют космологическими сценариями. Что происходит в области сингулярности (да и существует ли она в реальности?), не знает никто, но логически очевидно, что там становятся неприменимы многие законы привычного для нас мира, описываемые теорией относительности и квантовой физикой.
Одними из первых свои версии предложили академики Яков Зельдович и Андрей Сахаров. По мысли этих выдающихся российских физиков, прежде всего надо было выяснить, не противоречит ли само предположение об образовании Вселенной "из ничего" основным законам сохранения, которые являются фундаментом современной физики. Причем нужно учесть, что самый общий закон сохранения материи в самых различных процессах так и формулируют: "из ничего не может получиться ничего". Подобную формулировку академики Зельдович и Сахаров отвергали "с порога", считая ее наивной и ненаучной, поскольку есть закон сохранения энергии и электрического заряда.
* * *
Прежде всего рассмотрим закон сохранения электрического заряда. Тут вроде бы все ясно и достаточно очевидно – запрета на рождение электронейтральной Вселенной пока еще никто не выявил, и наш мир вполне может содержать равное количество как положительных, так и отрицательных зарядов. Почему мы склоняемся именно к такой структуре мироздания? Тут можно рассуждать от противного: ведь если бы положительное и отрицательное электричество не компенсировали друг друга, то вокруг постоянно бушевал бы электрический шторм – возникали бы и тут же гасли сильнейшие электрические поля, разрушая однородность нашего мира.
Итак, Вселенная, судя по всему, строго нейтральна и вполне могла возникнуть "из ничего", не противореча закону сохранения электрического заряда.
Теперь следует проанализировать выполнение закона сохранения барионного заряда. Ядро любого атома состоит из равного количества протонов и нейтронов, поэтому для стабильности материи на атомарном уровне требуется постоянство суммы этих частиц. Ведь даже радиоактивность атомных ядер проявляет себя либо как перегруппировка нейтронов с протонами, либо как взаимные превращения нейтронов в протоны, и наоборот. Если бы закон сохранения барионного заряда не выполнялся, то протон, одна из основных ядерных частиц, как в свободном, так и в связанном ядерном состоянии был бы нестабильным, периодически распадаясь с выделением громадной энергии. Поскольку этого еще никто не наблюдал, то и вся Вселенная, возникшая "из ничего", должна иметь нулевой барионный заряд.
Рассмотрим закон сохранения энергии для Вселенной в целом? Напомним, что энергия покоящихся частиц эквивалентна ее массам – следовательно, сохранение энергии покоя эквивалентно сохранению массы. Мы уже знаем, что общая теория относительности связывает геометрию пространства и тяготение. При этом релятивистская теория гравитации Эйнштейна делает вывод: в замкнутом мире отрицательная энергия гравитации должна в точности компенсировать положительную энергию тяготеющей материи. Таким образом энергия "ничего" равна нулю, как и энергия замкнутой Вселенной. Поэтому закон сохранения энергии не должен противоречить образованию "из ничего" геометрически замкнутого мироздания. Вот так общая теория относительности устраняет последнее препятствие на пути возникновения нашего мира "из ничего".
Но что же в действительности вызвало Большой взрыв? Для ответа понадобилось полвека исследований, в результате которых выстроилась одна из самых удивительных в современной космологии гипотез рождения мироздания. Трудно даже перечислить всех физиков, астрономов и космологов, принесших свои оригинальные идеи на алтарь науки. Больше всего их было сформулировано в работах выдающихся физиков прошлого и нынешнего столетия: Джона Уилера, Стивена Хокинга, Якова Зельдовича, Андрея Сахарова и Игоря Новикова. Их суть сводится к тому, что наша Вселенная является результатом развития гигантского искажения некоего суперпространства.
Постепенно "стандартную" теорию возникновения нашего мира сменила оригинальная разработка видных российских физиков Эраста Глинера, Алексея Старобинского, Давида Киржница и Андрея Линде. В этом космологическом сценарии описывалось рождение Вселенной в процессе сверхбыстрого расширения: инфляции. Основой для описания этого явления послужили общая теория относительности Эйнштейна и хорошо изученный раздел теоретической физики – квантовая теория поля.