Всем привет!
Я уверен, что, глядя на ночное звёздное небо, у большинства из нас случается нестерпимый приступ зуда познания. Что же там? Что там на всех этих звёздочках? Можно ли туда попасть? Где инопланетяне, и если Вселенная бесконечна, то как это представить. Такие вопросы возникали и будут возникать у людей в силу их основного инстинкта – тяги к знаниям, а не вот это всё, о чем вы подумали. Именно тяга к знаниям позволила нам знать о Вселенной то, что мы сегодня знаем. Но самое удивительное, что теория большого взрыва и гипотезы о геометрии Вселенной не требуют ни телескопов, ни оборудования. Всё что нужно - это тяга к знаниям и звёздная ночь.
Сегодняшний выпуск на 4 пробирки, а это значит, что даже самые искушённые любители научпопа откроют для себя что-то новое. В выпуске мы постараемся хоть немного почесать научный зуд, систематизировать знания о пространстве и вскрыть завесу о форме Вселенной. Итак, тема выпуска «какой формы Вселенная».
Копнём мы как всегда издалека, а именно с начала 20-го века. Это может показаться удивительным, но в то время, всего 120 лет назад, космологии, как науки, практически не существовало. Даже научные выкладки Эйнштейна в этом направлении не так сильно отличались от концепции слонов, черепахи и плоской земли.
В общем, до 1922 года люди думали вот как: Вселенная бесконечна как во времени, так и в пространстве, висят себе звёзды посреди пустоты, висели вечно и так же вечно будут висеть. Вот и вся концепция. Почему, зачем, откуда? Всё это было настолько банальными вещами, что даже не требовало ответов. Просто "патамушта", так всегда было и так будет дальше.
Первым серьёзным ударом по таким мыслям был вопрос из разряда "ночные вопросы на завалинке". Если Вселенная существует бесконечно длительное время, и в ней бесконечное количество элементов, к примеру, светил, то почему каждый элемент не разогреется до бесконечной температуры? В этом случае всё ночное небо превратилось бы в однородную яркую поверхность. Примерно настолько же яркую как поверхность солнца. Собственно, ответов, почему небо не яркое, у науки того времени не было, а потому сей феномен получил звание парадокса. Называется он фотометрический парадокс, или же парадокс Ольберса.
Данный вопрос, впрочем, может быть вполне успешно разрешён в рамках теории относительности и ограниченности скорости света, но, ещё за 30 лет до рождения Эйнштейна, Аллан По уже всё объяснил в своей работе «Эврика». Да, вы не ослышались, Эдгар Аллан По в 1848 году делает околонаучные выкладки о конечности скорости света, ограниченности Вселенной как в пространстве, так и во времени, что, собственно, и разрушает парадокс. За конечное время не успеешь разогреться.
Хотя, конечно, научной работу не назвать - там он много пишет, но мало вычисляет. А вот Эйнштейн подбил всё с феноменальной точностью. Стоит отметить, что в конечность и в начало Вселенной Эйнштейн так и не поверил. И хотя самой логичной в рамках теории относительности была модель старта и эволюции Вселенной, Альберт не смог отказаться от догмы стационарной, вечной Вселенной, а потому придумал λ лямбда член, или космологическую постоянную, особый элемент в своих уравнениях, наделяющий вакуум характеристикой, которая бы позволила Вселенной не развалиться ну или не слипнуться в кашу.
Но, конечно, главным нововведением его теории было то, что пространство – это не абстрактная штука. Теперь пространство - это не просто пустота, в которую напичканы всякие там планеты, звёзды и различные поля. Пространство – это вроде как паутинка, в которой мы с вами словно мухи. И вот это самое пространство может изгибаться, растягиваться, сжиматься и обладает своими характеристиками.
Практически сразу после работ Эйнштейна на сцене науки появляется гений своего времени Александр Александрович Фридман, который с ходу превращает космологию из горстки знаний в ту науку, которая и существует сегодня. Именно он вводит понятие большого взрыва, или рождение Вселенной, хотя в тот момент оно так ещё не называлось. Более того, он делает из теории относительности уже и вовсе крышесносящие выводы: пространство порождает само себя. И вот тут нам нужно остановиться подробнее и всё разобрать.
Основная сложность в том, что гнётся и самообразовывается трёхмерное пространство. И чтобы всё увидеть правильно, нам нужно посмотреть со стороны 4-го пространственного измерения, а мы так, конечно, делать не умеем. А потому будем все манипуляции для наглядности проводить на двумерной поверхности и изгибать её в трёх измерениях.
Итак, давайте представим, что из некой точки у нас родилась Вселенная сферической формы. Полностью двумерное пространство. Родился не шар, а именно сфера – поверхность шара. Т.е. все процессы в этом мире будут происходить исключительно в пространстве данной сферы. Процессы, разумеется, будут такие же двумерные, ведь это вымышленный мир. И в этом вымышленном двумерном мире будут летать, к примеру, двумерные галактики.
И ещё раз, наш новый мир двумерный. В нём отсутствуют понятия верх и низ. Но сама ткань пространства данного мира скручена в высшем по отношению мира пространственном измерении, в третьем, и имеет форму сферы. Сама сфера – это неограниченное пространство, ни краёв ни границ у него нет. Никаких особых точек у сферы тоже нет. Наш мир родился из одной точки – это правда. Но вот никакого центра у этой двумерной Вселенной вовсе нет. Да мы с вами, трёхмерники, запросто можем показать центр сферы, это по определению равноудалённая точка от любой точки на сфере. Но данная точка не принадлежит новой Вселенной. Она вне её пределов. Она вообще в той стороне о которой двумерные жители даже не догадываются. И вот теперь мы проведём первую аналогию с нашим трехмерным миром.
Наша Вселенная вполне может представлять полноценный трёхмерный мир, являющейся поверхностью четырёхмерного шара. Мы не замечаем этого по той причине, что радиус гипершара настолько большой, что кривизну эту в пределах нашего видимого участка Вселенной попросту не заметно. Вселенная так же могла родиться из точки во время большого взрыва, но вот центра у нашей Вселенной вовсе нет. Любая точка Вселенной равнозначна по отношению к другим, и любая находится на одинаковом расстоянии от истинного центра Вселенной, который вообще может быть в том месте, которое не принадлежит нашей Вселенной, а потому и смысла говорить о нём нет.
Давайте снова вернёмся в двумерную Вселенную и добавим особенное свойство для пространства этого мира. Теперь оно умеет порождать само себя. Поверхность сферы начнёт увеличиваться. Расстояние между объектами на сфере тоже начнёт увеличиваться. Галактики станут разбегаться. И тут очень важный момент: объекты, которые принадлежат двумерному миру, функционируют по своим правилам. К примеру, у них там есть своя двумерная гравитация, которая и породила их двумерные галактики. И когда ткань пространства растягивается, то она не растягивает сами галактики. Просто не в силах этого сделать, потому что галактика самосвязана силами гравитации. Но вот если расстояния очень большие, например в несколько миллиардов световых лет, то сил гравитации уже недостаточно, чтобы удержать галактики от разбегания.
Говоря проще, это можно представить вот как: у нас есть объект, который состоит из связанных атомов, к примеру, кристалл. И он расположен на мембране, которая растягивается, но не рвётся, а словно увлекает атомы кристалла за собой. Мембрана растягивается, пытаясь разорвать кристалл, но межмолекулярные связи не дают этого сделать. И кристалл остаётся целым. Но вот если два кристалла поместить рядом, и также начать растягивать мембрану, в которой они находятся, то они начнут расползаться, увлекаемые мембраной.
Т.е. предметы в нашем плоском мире будут вести себя вот как: если ткань мира изгибается каким-либо образом, то все двумерные объекты также изгибаются вслед за миром, но если ткань мира растягивается либо сжимается, то это не влияет на сами объекты, хотя может повлиять на расстояние между ними.
Разумеется любая теория в физике и космологии является мракобесием до того как появятся чёткие формулы описывающие процессы. И вот Александр Фридман вывел уравнение, которое по праву называют главным уравнением в космологии.
Оно работает уже не для вымышленного плоского мира, а для нашей с вами трёхмерной Вселенной, и показывает связь между скоростью растягивания или же порождения пространства (либо той самой трёхмерной мембраны, в которой мы живём), количеством материи и энергии, которое наполняет это пространство и степенью искривления этого пространства.
Уравнение было получено Александром чуть более ста лет назад в 1922-м году, а позже было подтверждено на практике. Например, Эдвином Хабблом в 1929-м, когда он заметил, что галактики, действительно, разбегаются.
Давайте внимательнее посмотрим на этот процесс. Представим, что есть наша галактика - Млечный Путь, и далёкая галактика - N1, на расстоянии ровно 1 мегапарсек от нашей.
Обе галактики находятся в пространстве, которое порождает само себя. Чем больше пространства, тем быстрее оно себя порождает. Скорость рождения этого пространства недостаточна, чтобы разорвать саму галактику на кусочки – уж очень сильно галактика связана гравитацией, но её вполне хватает чтобы расстояние между галактиками увеличивалось. Экспериментально установлено, что 1 мегапарсек пространства порождает в 1 секунду примерно 70 км. Т.е. галактика Млечный Путь и галактика N1 будут удаляться друг от друга на 70 км/с.
Тут очень важно отметить, что галактики не разлетаются друг от друга в привычном смысле этого слова. У галактик нет никаких двигателей, и они вообще могут покоиться относительно пространства. Расстояние между ними увеличивается за счёт того, что увеличивается количество этого самого пространства. Для наглядности добавим ещё одну далёкую далёкую галактику N2 с другой стороны от Млечного Пути. На расстоянии 2 Мпк.
Все галактики будут разбегаться друг от друга с разными скоростями.
Млечный Путь – N1 – 70 км/с
Млечный Путь – N2 – 140 км/с
N1 – N2 – 210 км/с.
Т.к. галактики мы брали наобум, то подобные скорости будут характерны для любых галактик или тел, находящихся в пространстве. Но самое интересное то, что пространство может нарастать вообще с любой скоростью. Скорость рождения пространства зависит только от того, какой объём пространства его порождает, и всё. Т.е. оно вообще не ограничено по сути ничем и запросто может превысить световую скорость. Если галактики будут находиться на достаточном расстоянии, то скорость их взаимного удаления вполне может превысить скорость света. И вот тут рвётся один из шаблонов. Но как так!? Это же явно противоречит теории относительности. А вот и нет. В теории относительности предметы передвигаются внутри пространства, а само пространство может нарастать с любой скоростью.
Вот для наглядности такой пример. У нас есть космолёт, который двигается в сторону планеты. Между космолётом и его целью один световой год.
Т.е. если корабль двигается со скоростью половина от световой, то он прилетит через два года. Но тут Вселенная решила подшутить над пилотами, и, пока корабль летел, вставила между космолётом и кораблём ещё световой год пространства. И вот теперь кораблю нужно лететь уже четыре года до цели. Через два года, когда между кораблём и планетой снова оставался один световой год, Вселенная вновь вставила дополнительное расстояние в виде одного светового года. И вот так этот корабль будет лететь вечно на скорости в пол световой, но никогда не прилетит к планете. А если пространство будет нарастать быстрее чем 300 000 км/с, то планета и вовсе скроется из космологического горизонта космического корабля.
Итак, уравнение Фридмана говорит нам о том, что свойство самопорождения пространства разрывает Вселенную на части. Силы гравитации пытаются сжать её в точку. А ещё помимо всего этого ткань Вселенной может быть изогнута особым образом. Давайте распишем варианты существования Вселенной. Я буду говорить о нашей трёхмерной Вселенной, но картинки буду для наглядности буду рисовать для двумерной.
Первый способ мы уже рассмотрели - это сферическая или же замкнутая Вселенная, она же зовётся Римановской. В такой если пойти в одну сторону, то рано или поздно вернёшься с другой стороны, разумеется, если отбросить ограничение по скорости света.
Второй способ искривления и топологии — это Вселенная седло, или же открытая Вселенная, или же Вселенная Лобачевского. В ней до края уже не дойти. Более того, если два космических корабля в такой Вселенной будут очень долго лететь по параллельным прямым с одной скоростью, то расстояние между ними будет со временем увеличиваться, другими словами, параллельные прямые в такой Вселенной вовсе не обязаны оставаться параллельными.
Ну и третий промежуточный вариант – это Евклидова, или плоская Вселенная. Плоская не в смысле двумерная, а в смысле не искривлённая. Такую тоже обойти по кругу нельзя. Но в ней параллельные линии всегда останутся параллельными.
Так в какой же Вселенной мы с вами живём? Ответить на этот вопрос можно довольно просто. Всего-то нужно взять три точки в пространстве, построить между ними треугольник, а затем замерить сумму его углов. Если сумма больше 180, то получим первый вариант – замкнутую топологию.
Если меньше, то второй – открытую Вселенную.
Ну а если равна, то получим третий вариант – Евклидову Вселенную.
Но вот в чём засада. Мерить угол нужно непосредственно из точки замера. А сторона треугольника должна быть ну очень большой. Возможно несколько миллионов или даже миллиардов световых лет. В любом случае так далеко люди не летают, а потому свойства нашей Вселенной приходится изучать из того, что имеем.
И, к счастью, Александр Фридман дал лазейку и для этой части непознанного. Напомню, что его уравнение выводит связь между скорость расширения пространства, массы и энергии, которая его наполняет, и кривизны этого самого пространства.
Тут и стоит поднапрячь извилины, часть на 4 пробирки.
Если мы примем постоянной скорость расширения Вселенной, и будем отталкиваться от количества массы/энергии, то выходит, что существует некая критическая плотность материи, от которой напрямую зависят глобальные геометрический свойства Вселенной.
Тут и далее под материей я понимаю всю массу и энергию, включая тёмную. Ведь мы помним что Е= мс2.
Если плотность нашей Вселенной выше критической, то она замкнута. Рано или поздно расширение в такой топологии перейдёт к сжатию, и Вселенная схлопнется. Большое сжатие и смерть.
Если реальная плотность ниже критической, то наша Вселенная – это седло и подчиняется геометрии Лобачевского. Она открыта, а параллельные прямые расходятся. Такая Вселенная не схлопнется, а того хуже разлетится настолько, что не то что галактики, даже пожалуй атомы и молекулы формироваться в такой больше не смогут. Разумеется, смерть всему живому.
Ну а если реальная плотность материи во Вселенной в точности равна критической, то Вселенная Евклидова или плоская. Она ещё очень продолжительное время будет радовать своих обитателей рождением новых галактик, а потом постепенно наступит её тепловая смерть, как и всем населяющим её формам жизни.
Как вы заметили, бесконечного счастья и условий для вечной жизни во Вселенной нет ни при каких вариантах. Но нас с вами это не должно особенно волновать. Времени существования Вселенной при любом раскладе ещё очень много. Нам с вами точно хватит.
А теперь посмотрим на ситуацию и на уравнение Фридмана с другой стороны. Мы примем за факт, что плотность Вселенной в точности равна критической, но вот скорость расширения может гулять. И мы точно так же получим три тех же самых варианта.
Если скорость расширения будет слишком мала для имеющегося количества материи, то здравствуй большое схлопывание.
Если слишком высока, то Вселенная разлетится на запчасти, да так что атомы станут невозможными.
Ну а если скорость в самый раз, то ещё очень долго в нашей Вселенной будет комфортно жить.
По последним прикидкам, плотность нашей реальной Вселенной и скорость её расширения идеально подходят друг для друга. Таким образом наша Вселенная Евклидова и будет существовать ещё очень долго.
Другой метод оценки кривизны Вселенной основывается на фотографиях реликтового излучения, любезно предоставленных нам телескопами COBE, WMAP и «Планк».
Дело в том, что реликтовое излечение не однородно. Оно словно имеет вкрапления в своей структуре. Фотография с телескопа «Планк» - это карта температур реликтового излучения с точностью до десятитысячной доли градуса. Так вот, исходя из теории большого взрыва и детальных выкладок Георгия Гамова, мы можем предположить, как должно выглядеть реликтовое излучение, ну а наблюдая его в реальности, мы можем делать выводы о топологии Вселенной.
В замкнутой Римановской Вселенной, нам будет казаться, что неоднородности реликтового излучения словно растянуты, и больше, чем на самом деле.
В открытой Вселенной Лобачевского, эти же неоднородности будут словно меньше, чем на самом деле.
Ну а в Евклидовой не искривлённой Вселенной, фотки будут в точности соответствовать расчётам.
И вот сегодня фотографии реликтового излучения дают нам право говорить, что Вселенная не искривлённая. Хотя и с определённой погрешностью. Быть может, вся наша видимая Вселенная всего лишь небольшой кусочек невероятно огромной искривлённой Вселенной. Просто мы можем разглядеть настолько крошечную её часть, на которой и кривизны-то не рассмотреть.
Итак, если в двух словах о том месте, где мы живём. Наша Вселенная – это Евклидов шар диаметром 93 млрд световых лет с центром в солнечной системе.
Радиус шара, как легко заметить, превосходит 13,8 млрд световых лет. На первый взгляд такого не может быть, ибо возраст нашей Вселенной как раз 13,8 млрд лет, а значит что самые далёкие части нашей видимой Вселенной находятся в том месте от которого свету к нам ну никак не добраться, даже за всё время жизни Вселенной.
На самом деле так происходит от того, что Вселенная постоянно расширяется. И эти самые далёкие объекты были на этом месте 13 млрд. лет назад. Но теперь они улетели значительно дальше, примерно на 46,5 млрд. св. лет.
Ткань бытия, в которой мы обитаем – это не вымышленное вместилище всего и вся, а физический объект, обладающий свойствами и характеристиками, например, способностью к самопорождению, ограничению скорости передвижения внутри себя, возможностью искривляться. Пространство обладает и другими более специфическими свойствами, не относящимися к сегодняшнему выпуску, например, возможность порождать виртуальные частицы.
В нашем мире нет физической возможности добраться до края Вселенной и даже до границ видимой её части. Сколько бы ни летел на максимально возможной скорости, Вселенная будет себя порождать быстрее, чем ты летишь. И наш кусок мира словно что-то вроде невообразимо громадной тюрьмы для всех её обитателей, стражниками в которой выступают законы физики.
Разумеется, это не истинная форма Вселенной, это форма для нас с вами – жителей земли. И на сегодня мы не имеем возможности говорить ни о чём другом. Ибо всё другое скрывается за рамками космологического горизонта, ограниченного законами природы, которые мы называем теория относительности. Быть может, нам с вами – людям, удастся их обойти, а быть может, они настолько железобетонные, что наши сегодняшние знания о форме Вселенной практически близки к потолку реальных возможностей. В любом случае, мы можем говорить о чём-то принципиально новом, только если человечество преодолеет барьер в скорость света. А до этого имеем вот такую Вселенную.
А вот почему наша Вселенная именно такая и что может быть за гранью пространства, мы поговорим в следующем выпуске. В выпуске про самые невероятные теория рождения мира. А сегодняшний выпуск подошёл к концу, всем добра и отсутствии в жизни космологических ограничений.