22 октября 2020, четверг, 07:20
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.ДзенОдноклассники

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Вселенная. Путешествие во времени и пространстве

Продолжаем знакомить читателей с книгами, вошедшими в длинный список премии «Просветитель» 2020 года. 17 сентября станут известны восемь книг, которые продолжат борьбу за премию.

Издательство «Питер» представляет книгу астронома Сергея Язева «Вселенная. Путешествие во времени и пространстве».

Это рассказ о наших шагах на пути познания Вселенной — от кипящей и бурлящей материи до разумных существ; от самых примитивных, сказочных и мифических представлений об устройстве космоса до сегодняшних, поражающих воображение теорий и гипотез; от черных дыр, тоннелей через время и пространство, до микроскопических частиц, в которых заключены свои миры со своими физическими законами. А главное — эта книга о том, что будет дальше с человечеством и Вселенной, ведь похоже, что мы в самом начале пути и впереди еще много интересного — того, что сбудется на самом деле!

Предлагаем прочитать фрагмент одной из глав книги.

Эйнштейн был первым, кто попытался построить научную и математически обоснованную теорию, которая описывала бы всю Вселенную. Впервые речь шла не об устройстве отдельной звездной системы с планетами или отдельной галактики, а об устройстве мира в целом. Поэтому теория Эйнштейна оказалась первым наброском современной космологии — но уже не умозрительной, а соответствующей всем известным законам природы и результатам наблюдений.

Впрочем, определенная умозрительность в новой теории все-таки присутствовала. Эйнштейн был убежден в том, что Вселенная стационарна — неизменна и вечна. Но (видимо, к удивлению ученого) из его математических построений это не следовало. Наоборот, получалось, что Вселенная «не хочет» быть стационарной.

Если теория правильна и корректно изложена математически, значит, формулы адекватно описывают реальность. На основании проверенных формул мы рассчитываем траектории космических аппаратов (например) и убеждаемся, что «правильная» математика дает верные результаты.

Уровень компетентности лучших ученых, их знания физики и математики дают если не гарантию, то, по крайней мере, высокую вероятность того, что ошибок в рассуждениях и расчетах нет.[1] В науке, кроме того, принято всё и всегда проверять и перепроверять. Теория Эйнштейна показывала, что Вселенная не может быть стационарной. Но сам автор теории был уверен, что это невозможно. Допустить, что Вселенная нестационарна (расширяется или сжимается), он не мог. Значит, что-то нужно было менять в теории.

Эйнштейн предположил следующее: Вселенная однородна. Это значит, что средняя плотность материи (в виде вещества и полей) в среднем одинакова по всей Вселенной. Нет никаких сверхплотных сгущений материи, вещество разбросано по всей Вселенной приблизительно равномерно.

Кроме того, в основе теории лежало второе предположение — об изотропности Вселенной. Слово «изотропность» означает, что все направления во Вселенной равноправны. В ней нет таких направлений, которые чем-то отличаются от других — например, чтобы в одном из направлений нарастала плотность вещества, а в других — нет.

Космологическая модель Эйнштейна описывала однородную и изотропную Вселенную.

Для того чтобы его теория описывала стационарную Вселенную, Эйнштейн добавил в свои уравнения дополнительное слагаемое. Он обозначил его заглавной греческой буквой «лямбда» (Λ) и назвал космологической постоянной. Эта величина должна была компенсировать воздействие гравитационного парадокса и противодействовать сжатию Вселенной, которое прямо следовало из его уравнений.

Что это такое, какой физический смысл имеет космологическая постоянная и что это за сила, которая должна действовать как антигравитация, Эйнштейн не знал. Вселенная казалась ему стационарной (не сжимающейся и не расширяющейся), поскольку не было фактов, говоривших, что это не так. Зато фактом являлось то, что звезды в Галактике и сами галактики находятся на огромных расстояниях друг от друга и кажутся[2] неподвижными.

Эйнштейн ввел в свои уравнения космологическую постоянную, надеясь на то, что в будущем удастся выяснить ее сущность. В том, что какая-то сущность есть, Эйнштейн не сомневался: что-то же должно препятствовать сжатию всего вещества Вселенной под действием его (вещества) тяготения.

Надо упомянуть еще одну важную деталь картины мира Эйнштейна образца 1917 года. Вселенная Эйнштейна не бесконечна: она имеет конечный объем. Но означает ли это, что наблюдатель на звездолете, двигаясь по прямой, однажды должен упереться в стенку (например, кирпичную) с красивой надписью «Конец Вселенной»? Этого не произошло бы. По представлениям Эйнштейна, пространство нашей Вселенной искривлено и замкнуто само на себя. Звездолет, летя вперед и вперед, однажды должен попасть в ту же точку, откуда он вылетел, только с обратной стороны. Из-за кривизны пространства геодезическая линия, которая кажется нам прямой, немного искривляется и в конечном итоге замыкается. Ситуация аналогична кругосветному путешествию по поверхности Земли: мы движемся вперед и вперед по поверхности, которая кажется нам плоской, и попадаем в ту же точку, откуда начали свой путь. Замечательно, что в обоих случаях нет никакого «края света».

Это тоже был новый элемент картины мира. По Эйнштейну, Вселенная только кажется бесконечной: она, безусловно, огромна, но ее объем конечен (а значит, велико, но не бесконечно количество галактик). Аналогично конечна поверхность Земли — никакой границы у нее нет, но есть вполне определенная площадь, которую можно выразить, например, в квадратных километрах. Точно так же в принципе можно выразить и общий объем Вселенной (например, в кубических километрах) в рамках такой модели. Правда, данных для этого нет: кривизну пространства Вселенной до сих пор не удалось установить. Если она (кривизна) и существует, то очень мала (иначе мы бы ее уже определили). А это значит, что Вселенная либо имеет громадный объем, либо (при нулевой кривизне) все-таки бесконечна.

Новая теория, описывающая мир, по-видимому, произвела сильное впечатление на российского математика и геофизика, которого звали Александр Александрович Фридман (1888–1925).

Фридман — представитель петербургской математической школы, которую некогда основал знаменитый математик Леонард Эйлер. Учителем Фридмана был замечательный русский ученый Владимир Алексеевич Стеклов, имя которого носит нынешний Математический институт Российской академии наук (РАН).

Фридман проанализировал теорию относительности и показал (привел математические доказательства), что уравнения Эйнштейна на самом деле описывают не только частный случай статической (не изменяющейся) Вселенной, но и крайне интересные случаи динамичной Вселенной. Из уравнений следует, что Вселенная может расширяться и сжиматься как единое целое!

Научная статья Фридмана называлась «О кривизне пространства». Он написал ее в голодном послереволюционном Петрограде в мае 1922 года и отправил в авторитетное немецкое научное издание «Физический журнал» (Zeitschrift für Physik), где статья была опубликована в том же году.

Уравнения Эйнштейна (если убрать космологическую постоянную) описывают несколько удивительных вариантов устройства Вселенной, обнаруженных Фридманом.

 

По горизонтальной оси отложено время, по вертикальной оси — расстояние между галактиками. Представим себе, что какая-то сила в момент времени, обозначенный цифрой 0, придала начальные скорости сгусткам материи (например, галактикам), они разлетаются, и расстояние между ними со временем увеличивается.

Дальше происходящее зависит от средней плотности материи во Вселенной. Если плотность (количество массы в единице объема) велика (больше некоего критического значения) — разлет галактик должен происходить всё медленнее из-за притяжения между ними. Можно себе представить, что все галактики связаны между собой резиновыми жгутами, которые препятствуют разлету. Галактики движутся всё медленнее и однажды остановятся. Этому моменту соответствует верхняя точка кривой 1 на графике выше. Ситуация напоминает полет брошенного вверх камня, который не может преодолеть притяжение Земли, летит вверх с замедлением и останавливается на мгновение, после чего начинает с ускорением падать обратно на Землю. Точно так же галактики начинают падать друг на друга — сближаться с ускорением под воздействием собственного притяжения и в конце концов должны столкнуться, образовав единый ком вещества.

Если средняя плотность материи во Вселенной равна некой критической величине, разлет галактик никогда не остановится — тяготение не сможет справиться с инерцией начального толчка. По мере того как галактики будут оказываться всё дальше друга от друга, сила притяжения между ними будет ослабевать, и график всё больше будет походить на прямую (кривая 2).

Ну и, наконец, если средняя плотность материи во Вселенной окажется меньше критической, разлет, как и во втором случае, будет продолжаться бесконечно, и расстояние между галактиками будет неограниченно увеличиваться (кривая 3 на графике). В этом смысле результат развития по вариантам 2 и 3 одинаков — Вселенная оказывается «открытой», и разлет галактик в такой Вселенной может продолжаться бесконечно. Различается для кривых 2 и 3 только кривизна пространства Вселенной (для случая 2 кривизна равна нулю, и такое пространство можно назвать плоским).

Замечательно то, что во всех случаях Вселенная не оказывается стационарной: расстояние между галактиками либо растет, либо уменьшается со временем, но не остается постоянным, как предполагалось в стационарном варианте модели Эйнштейна с космологической постоянной.

Это был сильный и неожиданный результат.

Впервые в современной истории всерьез обсуждался вариант нестационарной (либо расширяющейся, либо сжимающейся) Вселенной[3], который не был придуман — он следовал из математических уравнений, строившихся на основе известных законов природы!

Но наблюдения свидетельствовали, что галактики находятся на огромных расстояниях друг от друга — как минимум это миллионы световых лет. По-видимому, можно было предложить два варианта, как это могло случиться. Либо галактики как-то (непонятно как) уже сформировались на огромных расстояниях друг от друга, а сила тяготения их друг к другу «стаскивает», и мы находимся на этапе, когда все галактики будут со временем «слетаться», чтобы в конечном итоге столкнуться. Либо галактики, наоборот, разлетаются под влиянием какой-то силы или начального «толчка», и в прошлом галактики были ближе другу к другу (а еще раньше, в некий «момент 0», все они были в одном месте).

В обоих случаях модели Фридмана говорили о том, что «момент 0» существовал! Был начальный момент, когда произошло какое-то величайшее событие в истории нашей Вселенной: либо галактики (вдруг) возникли на больших расстояниях друг от друга, либо они возникли все в одном месте, но какая-то неведомая сила «разбросала» их по огромному объему. А что будет дальше — зависит от средней плотности Вселенной. Существование «момента 0» говорило о том, что у Вселенной было начало!

Фридман это хорошо понимал. И прямо об этом писал.

Автору этой книги представляется, что в развитии картины мира можно выделить по крайней мере три важнейших, можно сказать, революционных, интеллектуальных прорыва.

Первый — это появление картины мира Анаксимандра. Это был грандиозный интеллектуальный рывок, когда человек пришел к мысли, что тяжелая Земля не может стоять на бесконечных подставках и постаментах, а просто парит в пространстве. К этому привело критическое мышление философа, его логика. Он осознал, что такое решение логичнее тупиковой идеи о бесконечных подставках. Замечательно, что никаких экспериментов и наблюдений, которые подтверждали бы эту идею, не было. Это была умозрительная концепция, и она была принята потому, что в ней было меньше противоречий, чем в альтернативных идеях.

Второй прорыв — это картина мира Джордано Бруно. Философ пришел к мысли, что Вселенная безгранична в пространстве, что никаких границ у Вселенной нет и не может быть. У такой Вселенной нет центра и нет окраин, она всюду и всегда примерно одинакова.

И, наконец, третий интеллектуальный прорыв связан с концепцией Александра Фридмана. Из уравнений Фридмана получалось, что у Вселенной должно быть начало. Что же касается бесконечности и кривизны Вселенной, то, как и у Эйнштейна (не надо забывать, что именно уравнения Эйнштейна лежали в основе разработок Фридмана), Вселенная Фридмана — это так называемая гиперсфера конечного размера — как и у Эйнштейна, но меняющаяся со временем.

Можно заметить, что идея меняющейся со временем (эволюционирующей) Вселенной автоматически разрешала и гравитационный парадокс Зелигера, и фотометрический парадокс Ольберса. Во Вселенной Фридмана гравитация ведет себя так, как ей и положено: она честно притягивает галактики друг к другу. Если общая масса галактик велика, гравитация победит, и галактики приблизятся другу к другу, объединяясь в единый ком материи. Если же загадочный начальный толчок был столь мощен, что галактики приобрели огромные скорости и тяготение не сможет их побороть, — расширение Вселенной будет продолжаться вечно.

Что касается фотометрического парадокса, то он решается самим фактом существования начала Вселенной. Если у Вселенной было начало, значит, позади у нас пусть большой, но не бесконечный интервал времени. Это значит, что свет от каких-то далеких галактик просто еще не дошел до нас с каких-то направлений, и в этом направлении мы видим черное небо.

Фридман в своей научно-популярной книге «Мир как пространство и время», изданной в 1923 году, написал:

«Переменный тип Вселенной представляет большое разнообразие случаев. Для этого типа возможны случаи, когда радиус кривизны мира… постоянно возрастает с течением времени. Возможны далее случаи, когда радиус кривизны меняется периодически: Вселенная сжимается в точку (в ничто), затем снова из точки доводит радиус свой до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку, и т. д.».

Возникает масса вопросов.

Что было до начала Вселенной? Почему Вселенная не возникла раньше (или позже)? Что, собственно, произошло? Как может гигантская Вселенная, содержащая множество галактик, сжаться в точку? Означает ли тот факт, что Вселенная когда-то не существовала, а затем почему-то возникла, что Вселенную кто-то создал?

Ответов на эти (и другие) вопросы не было.

Альберт Эйнштейн ознакомился со статьей Фридмана. Сначала она ему не понравилась и он счел теорию ошибочной. Но, изучив внимательно математические выкладки Фридмана, Эйнштейн согласился с тем, что в смысле математики у Фридмана всё получилось верно.

Однако Эйнштейн продолжал считать, что фридмановские расчеты, будучи правильными с математической точки зрения, не имеют отношения к реальной Вселенной и что Вселенная все-таки стационарна.

По поводу того, стационарна или не стационарна Вселенная, можно было спорить сколько угодно. Модели Фридмана поражали воображение, но казались нереальными. Они утверждали, что среднее расстояние между галактиками должно меняться со временем: либо увеличиваться (если мы находимся на стадии расширения, то есть разлета галактик), либо уменьшаться (если на практике реализуется первая из моделей и мы находимся на стадии сближения галактик). Как принято в науке, любая теория должна проверяться на практике — в ходе экспериментов либо наблюдений. Понятно, что в астрономии опыты поставить невозможно, и значит, все надежды можно было возложить на наблюдения.

 

Ранее в рубрике «Медленное чтение» были представлены следующие книги, вошедшие в длинный список премии «Просветитель» 2020 года.

  1. Воскобойников Олег. Средневековье крупным планом. — М.: Бомбора, 2020.
  2. Егоров Виталий. Люди на Луне: Главные ответы. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.
  3. Космарский Артем. «Третий рейх. 16 историй о жизни и смерти». — М.: Аванта, 2020.
  4. Кукушкин Николай. Хлопок одной ладонью. Как неживая природа породила человеческий разум. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.
  5. Лосева Полина. Против часовой стрелки. Что такое старение и как с ним бороться. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.
  6. Никифорович Григорий. От оргазма до бессмертия. Записки драг-дизайнера. — Минск: Дискурс, 2019
  7. Соколов Александр. Странная обезьяна. Куда делась шерсть и почему люди разного цвета. — М.: Альпина нон-фикшн
  8. Попов Сергей. Все формулы мира. — М.: Альпина нон-фикшн, 2019.
  9. Ревзин Григорий. Как устроен город. — М.: Strelka Press, 2019.
  10. Чупринин Сергей. Оттепель: События. Март 1953 — август 1968 года. — М.: Новое литературное обозрение, 2020.
  11. Яблоков Илья. Русская культура заговора. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.


[1] Помню, как выдающийся современный космолог Игорь Дмитриевич Новиков выступал в МГУ на огромной открытой конференции, посвященной Международному году астрономии в 2009 году. На вопрос скептика из зала он сказал следующее: «Мы арифметических ошибок не делаем».

[2] Важное слово — «кажутся». На самом деле, как выяснилось позже, дело обстоит совсем не так.

[3] В древности идея пульсирующей Вселенной, в которой непрерывно следуют друг за другом новые циклы обновления, существовала в Индии. На этот вариант «пульсирующей» Вселенной указал сам Фридман.

Обсудите в соцсетях

«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ МФТИ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность антропогенез археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биоинформатика биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера вакцинация викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты клад климатология клонирование комары комета кометы компаративистика космос культура культурология лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеоклиматология палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы путешествие пчелы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экзопланеты экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Алексей Ананьев Дмитрий Козак Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад Солнечная система альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса вымирающие виды глобальное потепление грипп защита растений инвазивные виды информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология культурные растения междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эволюция звезд эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество Европейская южная обсерватория жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PayPal PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2020.