18 сентября в институте медиа, дизайна и архитектуры «Стрелка» Политехнический музей при поддержке фонда «Династия» провел лекцию известного физика, профессора Колумбийского университета, автора научно-популярных бестселлеров «Элегантная Вселенная» и «Ткань космоса» Брайана Грина – «Тайны темной энергии и будущее Вселенной». В течение часа профессор попытался ответить на вопросы, волнующие не только ученых, но и всех, кто сколько-нибудь интересуется окружающим миром: что такое Вселенная, уникальна ли она, как она появилась и что ее ждет в далеком будущем. Slon приводит краткий конспект лекции.
Лекция состояла из двух частей: первая была посвящена основным положениям космологии и истории ее развития, а также современным взглядам на эволюцию Вселенной. Во второй части профессор Грин кратко рассказал о теории струн, а затем подвел итоги, опираясь на изложенные факты.
Доминирующая в современной академической среде теория, описывающая поведение космических объектов, – теория гравитации. Она говорит о том, что каждый объект Вселенной притягивается к любому другому объекту, при этом интенсивность взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между объектами. Именно эта сила не позволяет планетам сойти со своих орбит, и именно благодаря ей Луна вращается вокруг Земли.
Гравитация как следствие искривления пространства
Математический аппарат теории гравитации позволяет достаточно адекватно описывать и предсказывать эволюцию Вселенной, однако возникает вопрос, что такое гравитация и как она работает? Действительно, что заставляет взаимодействовать тела, находящиеся на расстоянии миллионов километров друг от друга?
Ответ дает общая теория относительности (ОТО), представленная на суд ученых Альбертом Эйнштейном в 1915–1916 годах. Согласно ОТО, гравитация есть искривление пространства-времени. Грин приводит такой пример: представьте лист резиновой пленки – это пространство. Очевидно, что маленький шарик, пущенный на этот лист, будет катиться по прямой. Теперь положим в центр листа массивный шар (аналог, например, Солнца) – под его весом резиновый лист прогнется, и вокруг шара возникнет ложбина. Тогда маленькому шарику (например, нашей Земле) придется катиться уже по этой ложбине, по искривленной траектории. В зависимости от начальных условий, такое движение может быть и периодическим – вокруг массивного шара. Именно таким образом наша Земля вращается вокруг Солнца.
Иными словами, массивные космические объекты искривляют пространство, а следствием этого искривления является гравитация. |
Затем известный русский ученый Александр Фридман попробовал применить положения ОТО ко всей Вселенной и пришел к неожиданному выводу о том, что Вселенная расширяется. К аналогичному выводу, независимо от Фридмана и чуть раньше него, пришел католический священник и ученый Жорж Леметр, тем самым подтвердив ограниченность и неполноту ОТО. Это вызвало резкую критику со стороны Эйнштейна. Тем не менее последующие экспериментальные подтверждения результатов Леметра и Фридмана, в том числе – открытие Хабблом закона всеобщего разбегания галактик, заставили Эйнштейна принять свою неправоту и пересмотреть постулаты теории. Однако сразу же родился новый вопрос: если Вселенная расширяется, то когда этот процесс начался и что заставляет ее расширяться?
Сколько Больших взрывов, столько и вселенных
В 1948 году советский ученый Георгий Гамов предлагает свою теорию, так называемую модель горячей Вселенной. Согласно этой теории, в самом начале был взрыв, в результате которого все пространство оказалось заполнено очень плотным и горячим первичным веществом. Из него впоследствии произошли все космические объекты, в том числе планеты, звезды, галактики. Пространство должно быть заполнено равномерно неким изучением, названным реликтовым, существовавшим уже на начальных стадиях эволюции Вселенной. Несколько позднее, в 1960-х годах, такое излучение было зафиксировано и измерено, при этом результаты оказались удивительно близкими к предсказанным математически. Так теория Большого взрыва получила первое подтверждение.
Однако что же стало движущей силой Большого взрыва? Нам известна лишь сила гравитации, но она притягивает предметы, а не отталкивает, как это должно было быть на стадии зарождения Вселенной. Попытка ответить на этот вопрос привела к появлению инфляционной модели Вселенной, предполагающей, что на ранних этапах имела место так называемая антигравитация, вызванная наличием определенного вида «топлива», заполнявшего все пространство. Следствием этого является температурная неоднородность Вселенной в разных участках. Математические расчеты в рамках модели позволили эту неоднородность предсказать, и оказалось, что экспериментальные данные удивительно точно ложатся на теоретически рассчитанную кривую (например, график углового распределения спектра мощности реликтового излучения).
Большой взрыв привел к появлению нашей конкретной Вселенной, в то время как другой взрыв приведет к появлению еще одной, иной вселенной: взрыв – вселенная, еще взрыв – еще вселенная, и так далее. Таким образом инфляционная модель приводит к мысли о том, что наша Вселенная – не единственная. |
Какая форма правильна? Не поверите – все
Какая же частица самая маленькая? Известно, что все вещества состоят из молекул, затем идут атомы, внутри которых – электроны, протоны, нейтроны, состоящие из кварков. А что дальше? На этот вопрос и отвечает теория струн: элементарные частицы и взаимодействия между ними есть результат колебаний микроскопических (порядка 10-35 м) нитей (филаментов). Колеблясь каким-то определенным образом, струна порождает одну частицу, другим образом – другую частицу. Очевидно, что экспериментальная проверка этой теории на данном этапе развития науки и технологии невозможна в силу малого размера изучаемых объектов, тем не менее теория струн претендует на звание «общей теории всего»: так, например, она впервые позволила объединить квантовую механику и теорию относительности.
Это так называемые скрытые или скрученные размерности, замкнутые сами на себя на столь малых масштабах, что экспериментально обнаружить их нельзя. Иначе говоря, эти измерения спрятаны в самой ткани пространства. Кроме того, уравнения теории струн налагают существенные ограничения на геометрическую форму скрытых измерений. Форма скрытых измерений и будет определять свойство объекта, таким образом, теория позволяет описать множество объектов и взаимодействия между ними. Интересно, что на данный момент существует около 10500 (больше, чем частиц во всей Вселенной) вариантов форм скрытых размерностей, и какая из них правильная, долгое время было непонятно. Несколько десятилетий ученые перебирали возможные варианты, надеясь найти соответствующий нашей Вселенной и однозначно предсказывающий существование частиц и взаимодействий.
Так длилось до тех пор, пока не была высказана идея о том, что не существует «правильной» формы, поскольку все формы – правильные и соответствуют лишь разным видам организации и существования вселенных. |
Сколько во Вселенной темной энергии?
В 1990-х годах было показано, что наша Вселенная не только расширяется, но это расширение еще и происходит с ускорением, хотя должно быть наоборот: по мере удаления друг от друга объекты должны все сильнее притягиваться. Как уже говорилось, космические объекты раздвигаются под действием некоторой субстанции, топлива – темной энергии. Каково же ее количество во Вселенной? Было рассчитано, что оно составляет приблизительно 10-120 в приведенных планковских единицах.
Наша же Вселенная – лишь единичный пример, сравнить который с чем бы то ни было мы пока не в состоянии. |
Так что же ждет ее в будущем?
Если принять верность теории мультивселенной, инфляционной модели и теории Большого взрыва, то Вселенная продолжит расширяться, становясь все более пустой и холодной, – все это свидетельствует о том, что условия для жизни в ней будут все менее и менее приемлемыми. Но в то же время, может быть, в параллельной Вселенной все гораздо лучше? Жизнь в нашей Вселенной погибнет, в другой зародится. Современные ученые пытаются найти следы возможного столкновения вселенных, и, возможно, когда-нибудь им это удастся.
Посмотреть фотографии с лекции Брайана Грина в институте «Стрелка»