|
Берлин Адольф |
Спор с бесконечностью
Попытка поэтического осмысления с научно-популярным комментарием
|
|
|
Микалоюс Константинас Чюрлёнис. Звёздная соната
Космос, Вселенная издревле привлекали к себе внимание людей, наряду с тайнами, скрытыми в самом человеческом существе, единственном на Земле, способном размышлять обо всём этом в поисках трудных ответов. Кто из нас не задумывался о космической бесконечности, о бескрайности, бездонности, вечной тайне окружающего нас мира? В последние десятилетия космология сделала колоссальный скачок, найдя ответы на многие вопросы и загадки, ещё недавно считавшиеся непознаваемыми или казавшиеся неразрешимыми. Достаточно заметить, что среди нобелевских лауреатов по физике 13 учёных получили эту награду за вклад в развитие космологии. Наука приблизилась к пониманию процесса возникновения Вселенной, определения её возраста и механизма развития. Так попытаемся осмыслить их, не прибегая к помощи математических доказательств, не доступных читателям без специальной подготовки.
Вселенная состоит из сотен миллиардов галактик, каждая из которых, в свою очередь, состоит из сотен миллиардов звёзд, зачастую имеющих свои планетные системы. Уже это не может не завораживать. Люди издавна задавали себе вопрос и о происхождении Вселенной. Согласно воззрениям многих религий, Вселенная довольно молода, её возраст исчисляется тысячелетиями. Но археологические находки на Земле заставили учёных отодвинуть момент возникновения Вселенной далеко назад. В то же время долго считалось, что Вселенная бесконечно велика, у неё не было начала, и она стационарна, неизменна. Следовательно, мы видим её такой, какой она была миллионы лет назад, и такой же она останется ещё столько же лет, если не всегда. Эти представления разделялись большинством учёных вплоть до ХХ столетия.
Первую математически обоснованную нестационарную модель расширяющейся Вселенной, согласующуюся с общей теорией относительности Эйнштейна (Albert Einstein), предложил Александр Фридман в 1922 году.
Автор теории относительности в то время полагал, что Вселенная однородна, изотропна и стационарна, и потому отрицательно отнёсся к модели Фридмана, но потом признал его правоту. Это случилось после открытия, сделанного в 1929 году Эдвином Хабблом (Edwin Hubble), экспериментально подтвердившим нестационарность Вселенной. Наблюдая за далёкими звёздами с помощью самого мощного для того времени телескопа в Калифорнии, он обнаружил так называемое красное смещение в световом спектре удалённых галактик, возрастающее пропорционально расстоянию от Земли до той или иной галактики. В этом проявился известный в физике Допплеровский эффект (подобно тому, как мы слышим изменение тона гудка удаляющегося или приближающегося к нам локомотива либо автомобиля). Наблюдение Хаббла доказывало, что далёкие галактики разбегаются, удаляясь от нас и друг от друга. В честь этого эпохального открытия именем Хаббла назван знаменитый космический телескоп, выведенный на орбиту в 1990 году. Эйнштейн неоднократно подтверждал приоритет А. А. Фридмана в разработке теории расширяющейся Вселенной.
Если теперь попытаться рассмотреть развитие Вселенной ретроспективно, проследив процесс разбегания галактик во времени в обратном направлении, то следует признать, что когда-то Вселенная была чрезвычайно мала, так что был момент её возникновения. В середине ХХ века физик Георгий Гамов (George Gamow, покинувший в 1933 году СССР "невозвращенец") стал одним из основоположников теории "горячей Вселенной". Он предположил, что в начальный момент Вселенная имела чрезвычайно малые размеры и очень высокую температуру, и тогда произошло нечто наподобие гигантского ядерного взрыва. Вселенная стала расширяться и быстро охлаждаться с образованием простейших химических элементов водорода, гелия и лития. Эта гипотеза получила название теории Большого взрыва после того, как в 1965 году американские радиофизики Арно Пензиас (Arno Penzias) и Роберт Уилсон (Robert Wilson) случайно обнаружили предсказанное Гамовым реликтовое микроволновое космическое излучение, являющееся следом этого взрыва. В 1978 году Пензиас и Уилсон стали Нобелевскими лауреатами.
Так что в результате Большого взрыва образовалась наша Вселенная и связанное с ней пространство-время. При этом согласно общей теории относительности время нельзя отделить от трёх измерений пространства, потому что течение времени для любого объекта зависит от его скорости относительно наблюдателя, а также от силы гравитационного поля, которое может замедлить течение времени. Так что пространство - не абстракция, как в эвклидовой геометрии. Пространство-время неразрывно связано с окружающей физической реальностью.
Для объяснения причины Большого взрыва американский космолог Алан Гут (Alan Guth) в 1981 году предложил идею космической инфляции. Она заключается в следующем: в первые мгновения в первичной материи, сосредоточенной в ничтожно малом объёме при огромной температуре, преобладали силы отталкивания, так что в доли секунды система расширилась в триллионы раз (подобно тому, как стремительно растут цены при гиперинфляции). В 2009 году за создание инфляционной модели Гут был награждён престижной медалью Ньютона.
В 1982 году Стивен Хокинг (Stephen Hawking, знаменитый космолог, парализованный вследствие бокового амиотрофического склероза) предположил, что охлаждение системы после Большого взрыва происходило неравномерно. Вследствие этого в некоторых, более холодных местах Вселенной силы притяжения стали преобладать над отталкиванием, и в результате гравитации там формировались галактики, внутри которых облака водорода и гелия, сжимаясь, образовывали гигантские скопления - звёзды. Последние вследствие ядерных процессов, происходящих внутри них при колоссальных давлениях и температурах, наполнили Вселенную электромагнитным излучением - светом (вспомним библейское "Да будет свет!"). По мере расходования горючего через миллиарды лет звёзды сжимались и взрывались (превращаясь в сверхновые звёзды) с выбросом в окружающую среду образовавшихся при таком взрыве более тяжёлых элементов, например, углерода и кислорода. Из этой-то звёздной пыли впоследствии сформировались практически все космические тела за исключением звёзд: кометы, метеориты, астероиды, планеты, в том числе и наша Земля, включая все населяющие её живые организмы, в том числе и людей. Так что мы с вами состоим полностью из звёздного вещества.
Интересно, что в 2001 году с помощью американского спутника "Уилкинсон" была получена фотография распределения следов реликтового микроволнового излучения во Вселенной, отражающая то, как последняя выглядела около 14 миллиардов лет назад. При этом предсказанные Хокингом температурные колебания следов реликтового излучения на фотоснимке точно отвечали рисунку расположения современных галактик. Это явилось подтверждением взглядов Хокинга на причину и механизм формирования галактик и звёзд.
Можно ещё заметить, что в результате эволюции достаточно массивных звёзд (гораздо больше Солнца) могут образоваться так называемые чёрные дыры. Это происходит, когда после исчерпания материала для термоядерных реакций такая звезда сжимается к центру до небольших размеров, и происходит её гравитационный коллапс. При этом вокруг звезды образуется область в пространстве-времени, где гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть её не могут никакие объекты, даже кванты света. Так что такой объект невозможно увидеть, откуда и произошло название " чёрная дыра". Границу этой области называют горизонтом событий.
Чёрная дыра может также образоваться при коллапсе центральной части галактики или протогалактического газа. По современным представлениям, в центре большинства галактик находятся подобные очень большие чёрные дыры, масса которых может достигать нескольких миллиардов солнечных масс. Возможность существования чёрных дыр следует из общей теории относительности Эйнштейна.
* * *
В дальнейшем последовал ряд ещё более сенсационных открытий в космологии (что является темой отдельного разговора). Оказалось, что мы долго даже не подозревали о существовании рядом с нами огромного невидимого, но реального мира, к тому же составляющего бОльшую часть содержимого нашей Вселенной. Были открыты тёмная материя и тёмная энергия ("тёмная" - условное название, отражающее только тот факт, что невозможно их прямое наблюдение, а можно лишь косвенно обнаружить их присутствие, например, по создаваемым гравитационным эффектам).
На полях хочу отметить, что в космологии иногда смешивают понятия вещества и материи. Строго говоря, материя - это вещество (состоящее из частиц, имеющих массу покоя) и поле, которые связаны между собой знаменитой формулой Эйнштейна - эквивалентности массы физического объекта и его полной энергии: E = mc^2. В некоторых случаях они могут переходить друг в друга. Например, при аннигиляции частиц с античастицами они полностью переходят в поле, энергия которого отвечает этой формуле.
Оказалось, что тёмная материя (вещество) составляет 22 процента всей материи Вселенной, тёмная энергия (поле) - 74 процента, а на обычное вещество и энергию остаётся лишь около 4 процентов, из которых 3.6 процента составляет межгалактический газ. Слабое утешение для нас с вами... или же предмет гордости, что нам повезло попасть в эти оставшиеся 0.4 процента.
|