Читаем Звездануло: весело и доступно про проблемы современной физики и астрономии онлайн бесплатно

© Роман Юдаев, 2024

© ООО Издательство «Питер», 2024

© Серия «New Science», 2024

Приветствую вас, дорогие читатели!

Давайте знакомиться, я Гусь-Звезданусь, ваш верный ассистент и проводник по удивительному миру науки. Моя задача – помочь автору донести до вас самые сложные и запутанные темы так, чтобы они стали понятными и интересными каждому. Когда-то мне на голову упала звезда, и меня мощно звездануло. С тех пор я обрел особую способность объяснять сложные явления простыми словами. Надеюсь, что после прочтения нашей книги вас тоже звезданет и вы полюбите науку так же, как и я!

Мчимся к закоулкам Вселенной вместе!

Я уверен, вы слышали, что такое теория Большого взрыва. Нет-нет, не сериал. Это про космос, как Вселенная родилась и все такое.

Для начала попробуйте сами вспомнить, что знаете на эту тему.

…Попробовали? А теперь я вам расскажу, что там к чему на самом деле.

Короче, вся теория Большого взрыва умещается во фразе: «Раньше Вселенная была маленькая и горячая, а сейчас ее размотало во все стороны и охладило». Все. Больше ничего придумывать не надо.

Дело в том, что в теории Большого взрыва нет… ВЗРЫВА, блин! Никаких комментариев, что там взорвалось и кто подорвал.

До середины прошлого века ученые спорили, какой же была Вселенная раньше. Кто-то говорил, что горячая, а кто-то – что холодная. Все решили молодые звезды. Сторонники холодной Вселенной утверждали, что молодые звезды состоят из гелия. Но в 1960-х выяснилось, что это не совсем так. С тех пор победители застолбили название «Теория Большого взрыва», хотя, строго говоря, звучать должно бы как-то типа: «Теория Большого взрыва ПЛЮС модель горячей Вселенной».

Позже были еще попытки описать Вселенную разными способами. То ее представляли как результат столкновения двух трехмерных пространств (браны[1] в теории струн), то как сверхтекучую жидкость (сторонники этой гипотезы до сих пор даже не верят в саму возможность ее доказательства), то вообще представляли Вселенную внутри черной дыры или в качестве голограммы. Кстати, Илон Маск[2] в их числе, я бы на вашем месте задумался…

Так вот, нафига вообще все эти модели плодить, в чем проблема? В сингулярности. Кто угадал – похвалите себя, вы молодцы. Что такое эта сингулярность? Черт его знает. Никто не разобрался с ней до сих пор, но все носятся вокруг, тычут в нее пальцами. А там, натурально, деление бесконечности на ноль выходит. В общих чертах сингулярность – это единство всего: пространства, времени, гравитации, электрического, слабого, сильного взаимодействий и вообще… Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали, что при любом раскладе в общей теории относительности появится сингулярность. Напрашивается вопрос: а зачем ее вообще придумали? Вспоминаем основную мысль теории Большого взрыва («раньше Вселенная была маленькой и горячей…») и продолжаем думать, что было раньше. Вот вам и сингулярность. Надеюсь, понятно. На самом деле до сих пор никому особо-то ничего не понятно, не переживайте.

В общем, об эту сингулярность ученые периодически спотыкаются, всем она мешает, и ребята ждут, кто же избавит физику от этой непонятной фиговины. Лучше всех пока получилось у Алана Гута в 1981 году. Он взял идеи советского физика Алексея Старобинского и предложил такой фокус (следите за мыслью). Меняем понятие «сингулярность» на понятие «скалярное поле[3]» и… Все! Оказалось, так можно. Скаляр же не имеет никаких размерностей, никакого пространства в нашем понимании… То есть, с нашей точки зрения, это просто бесконечно сжатая точка. Практически сингулярность. Ни у кого из светлых голов претензий не возникло. Поменяли сингулярность на это поле, и поменялось вообще все. Каждому полю нужны частицы-переносчики и частицы, которые на это поле воздействуют. У электромагнитного поля есть фотоны и электроны. У других полей бозоны, глюоны и всякие другие страшилки. Ну и тут нужен какой-нибудь носитель. Так, давайте отвлечемся и немного поговорим про квантовые флуктуации.

Проще говоря, это возникновение частиц и античастиц в каком-то объеме вакуума по парам. То есть, когда мы говорим «вакуум», мы не подразумеваем, что там ВООБЩЕ ничего нет, а просто считаем, что там нет структурированного вещества, а если еще точнее – энергии. Помните Эйнштейна? E = mc², и все дела. Вот как раз в этой формуле он и сказал, что в принципе можно сравнивать энергию и массу. Только без всех этих шизотерических «настройся на нужную энергию, и откроется третий глаз». И вот мы приносим в скалярное поле наши квантовые флуктуации. В поле начинают появляться квантовые шумы, заряженные частицы начинают накапливаться и создавать неоднородности, где-то их больше, а где-то их вообще нет. Остается только подождать.

Знаете, что бывает, когда в электромагнитном поле появляются неоднородности? Разряд… Молния, например. Ну никто же не задумывается, что это такое, да? Смотрите, неоднородности одного поля влияют на другие поля. Молния, например, нагревает пространство и грохочет.

Кстати, если молния случится под водой, то образуются пузырьки кислорода и водорода. Так вот, ученые выяснили, что в скалярном поле такой разряд создает пузырек нашего родного трехмерного пространства. Кстати, опять тут Эйнштейн натоптал с той же формулой. При разряде появляется какое-то количество энергии, и что она делает? Правильно, выпадает в осадок массой. А масса что делает? Правильно, гнет пространство. А как гнуть то, чего нет? Никак. Значит, для того чтобы масса вообще могла существовать, нужно, чтобы существовало пространство. Такие дела.

Все те же ученые решили, что скалярное поле очень вязкое и обладает большим коэффициентом трения. И если бы разряд происходил без трения, то процесс был бы настолько быстрым, что пузырек пространства был бы совсем небольшим. Но трение эту картину тормозит. В итоге пузырек успевает раздуться аж до таких размеров, что мы до сих пор краев не видим.

В общем, умные люди вычислили скорость, с которой должна была расширяться Вселенная, и цифры сошлись с классическими уравнениями прежней версии. Помните модель горячей Вселенной? Решением этих уравнений стала экспонента, а фазу распирания так и назвали – экспоненциальный рост Вселенной.

По этим расчетам, за аж 10^–36 доли секунды новорожденная Вселенная (т. е. этот изначальный пузырек вакуума) должна была расшириться в объеме в 10⁷⁸ раз.

Это вам даже не скорость света. Эйнштейн запретил чему бы то ни было двигаться быстрее скорости света в пространстве. Но он не запрещал самому пространству двигаться с любой скоростью.

Так что никакого взрыва, в общем-то, и не было. Было распирание Вселенной, а если в рамках терминов – инфляция. Так эта модель и называется сейчас – инфляционная модель Вселенной. Отличие от стандартной в основном во времени этого распирания. И самое интересное, что с 2003 года спутники подтверждают именно эту модель Вселенной – инфляционную.

Так, с рождением пространства разобрались, а как там материя появилась? Давайте я пропущу все математические выкладки и расчеты, а мы просто вспомним закон сохранения энергии. О чем этот закон? Спойлеры в названии: в замкнутой системе энергия сохраняется. Так вот, грубо говоря, когда наше пространство расширяется, энергия размазывается по всему объему и уменьшается в каждой точке. А вот тут в дело вступает гравитация. Если мы поднимем яблоко над полом, то его потенциальная энергия немного увеличится. А если мы разнесем пространство очень-очень быстро на обалдеть как далеко, то там и циферки будут соответствующие. И эта самая потенциальная энергия сначала переходит в тепловую (тут-то и начинается модель горячей Вселенной), а потом и вовсе через фазовый переход выпадает в осадок в собственно энергию и материю. Снова вспоминаем Эйнштейна, да.

А теперь сладенькое. Вся эта инфляционная модель подразумевает крышесносную штуку. Поле-то скалярное никуда не делось, неоднородности в нем как были, так и продолжают копиться, а значит, вполне вероятно, что наша Вселенная – одна из многих. И каждый такой пузырек получил свою физику и свои характеристики. Про разные варианты мультивселенной я расскажу чуть позже, а пока давайте узнаем, что же такое сингулярность. Или сингулярности?

Начну с сингулярности. Слово это означает просто «единство», и видов сингулярности очень много. Я сейчас буду рассматривать гравитационную и космологическую сингулярность. Об остальном можете почитать на досуге, если любопытно.

Итак, космологическая сингулярность – это состояние Вселенной до момента Большого взрыва, то есть ДО того, как она стала расти. Ученые не могут никак собрать уравнения этого момента, которые описывали бы пространство и время. Они вообще стараются не говорить про сингулярность точными терминами. Догадки, предположения, неявные формулировки – пожалуйста. Короче, она всех конкретно заинтриговала и, хотя никто ничего точно не знает, пользуются ею вполне успешно.

Расчеты говорят, что в космологической сингулярности материя бесконечно плотная и бесконечно горячая. И это же становится противоречием. Сейчас объясню почему.

Температура возникает, когда частицы бьются друг о друга. То есть если происходит столкновение частиц с выделением какой-то энергии. Так вот, в бесконечно плотном веществе места, чтобы двигаться, у частиц нет, а значит, биться они друг о друга не могут и температуре просто неоткуда взяться.

Давайте для наглядности представим бильярдный стол – это будет пространство, а шары выступят в роли частиц. При ударе двух шаров повышается температура системы, то есть стола и шаров. Бесконечная плотность – это ситуация, когда весь стол плотнячком забит этими шарами, и даже между ними что-то вроде песка. Смогут шары биться друг об друга? Фигушки. Откуда тогда температуре взяться? Правильно, неоткуда. А вот по уравнениям она там есть. И не какая-то там приемлемая, а целая бесконечность… А еще бесконечная плотность означает, что вещество настолько плотное, что даже объема не должно занимать. То есть это со всех сторон точка безразмерная – пространства в принципе может и не быть в такой точке, и сама эта точка может не находиться в пространстве, как мы его понимаем. Да, свихнуться можно.

Ладно, поехали дальше. Мы уже понимаем, что в первой главе говорили именно о космологической сингулярности.

Что там со вторым типом сингулярности, который мы рассматриваем? Это уже гравитационная сингулярность, и она мне представляется немного лайт-версией сингулярности космологической. Суть в том, что она может находиться внутри нашего пространства-времени. То есть даже не может, а вполне себе находится. В черных дырах. Недавно и снимки были, и детекторы фиксировали волнения пространства. Раньше не все верили в то, что эти черные дыры вообще существуют, а недавно появились неопровержимые улики.

Так вот, что такое черные дыры и что там за сингулярность? Давайте так скажу: сингулярность – это конец черной дыры, если он вообще существует. Поэтому давайте сначала разберемся с черными дырами и потом подойдем к сингулярности.

Помните дядьку Эйнштейна? Так вот, он нам рассказал, что пространство нельзя рассматривать без времени, и стал говорить пространство-время. Потом он сказал, что тела, которые обладают массой, это пространство-время гнут. И чем тяжелее тело, тем больше гнет. Часто это объясняют таким образом: представьте, что вы взяли покрывало и растянули его с кем-то на весу. Теперь представьте, что это пространство-время. Да, для этого бы пришлось быть пятимерными существами, но просто представьте, что это покрывало – пространство-время. Теперь в середину этого покрывала можно положить арбуз. Этот арбуз будет обозначать тяжелую звезду какую-нибудь. Покрывало прогнулось под тяжестью арбуза. Рядом положите яблоко. Яблоко скатилось к арбузу. Так Эйнштейн представлял себе гравитацию. Для понимания этого пока достаточно.

Так вот, черная дыра образуется там, где мы положим что-то очень тяжелое. Настолько, что покрывало просто порвется. Строго говоря, конечно, порвется оно или просто растянется бесконечно вниз – это еще не до конца понятно, но разница для нас пока очень мала. Суть в том, что черная дыра так сильно прогибает пространство-время, что даже свет из нее не может выбраться. Все, что окажется на определенном расстоянии от черной дыры, падает в нее. И здесь мы можем только догадываться, что вещество внутри черной дыры, так же как и в космологической сингулярности, бесконечно плотное. Но это пока никем не доказано, и научное сообщество может закидать нас тапками за такие высказывания, так что тсс…

Так что это за расстояние такое? Вообще, черная дыра окружена горизонтом событий. Кстати, как раз его тень и сфотографировали недавно, а вовсе не черную дырку в пространстве-времени. На этом горизонте событий и заканчивается возможность избежать падения в обычную черную дыру.

И тут Остапа понесло… Ученые придумали вращающиеся черные дыры и вот тут уже нашли возможность избежать печальной участи. Там целых два горизонта событий: внешний и внутренний, и из-под внешнего еще как-то можно смотаться. Эти способы теоретически должны сработать, но пока, ясен пень, никто ничего не проверял. Уже до дыр заездили пример с водоворотом, но если вы дочитали до этого места, то наверняка не слышали о нем. Итак, представьте, что человека на лодке начинает засасывать в водоворот. Что делать? Грести против течения? Не стоит – водоворот сильнее. Нужно, наоборот, грести по течению, набрать скорость и уже в конце немного свернуть от центра воронки. Этакий маневр. В случае с черной дырой ученые говорят, что что-то такое тоже сработает.