Космології як науці всього сто років, а вона вже дуже багато знає про те, як влаштований наш Всесвіт - як утворилося все, що нас оточує, від атомів до галактик, де і коли стався Великий вибух, що означає розбігання галактик і яке майбутнє Всесвіту. Про цю науку та її досягнення розповідає книга С.Л. Парновського "Як працює Всесвіт: Введення в сучасну космологію "(" Альпіна нон-фікшн "), що увійшла до довгого списку премії" Просвітитель "2018 року. Пропонуємо читачам познайомитися з фрагментом з неї.
Великий вибух
Отже, до 1930-х рр. стало зрозуміло - Всесвіт розширюється, що наочно проявляється в розбіганні галактик. Але відповідь на питання про те, чи мав Всесвіт початок, званий також Великим вибухом, була не настільки очевидною, як здається на перший погляд. Концепція Великого вибуху була запропонована Леметром в 1931 р., а сам термін був запропонований Фредом Хойлом в 1949 р. (Фред Хойл був противником ідеї про те, що Всесвіт мав початок, і термін «Великий вибух» був спочатку використаний в принизливому контексті.)
Справа в тому, що значення постійної Хаббла в минулому могло значно відрізнятися від сучасного. Якби воно було більше, це означало, що оцінка часу існування Всесвіту є завищеною і Великий вибух неминуче повинен був бути. З подібною ситуацією ми маємо справу у всіх типах моделі Фрідмана, в яких постійна Хаббла падає по мірі збільшення віку Всесвіту, що відраховується від Великого вибуху. Закон, за яким змінюється постійна Хаббла, залежить від того, чим переважно заповнений Всесвіт. Якщо Всесвіт заповнений так званою «холодною» матерією, тобто частинками і об'єктами, швидкості яких істотно менше швидкості світла, наприклад зірками, пилом, міжзоряним газом, то падіння постійної Хаббла відбувається за одним законом. Якщо матерія представлена у вигляді частинок, що рухаються зі швидкістю, рівною (наприклад, фотонів - квантів електромагнітного випромінювання) або близькою (наприклад, нейтрино, яке, за сучасними уявленнями, має малу ненульову масу спокою) до швидкості світла, то падіння відбувається швидше. У будь-якому випадку в момент Великого вибуху постійна Хаббла для моделі Фрідмана нескінченно велика.
Але якщо постійна Хаббла була меншою, ніж зараз, можна допустити ситуацію, коли галактики розліталися до сучасного стану протягом нескінченного проміжку часу, тобто в таких моделях Всесвіт існував завжди і Великого вибуху просто не було. Прикладом таких моделей є рішення де Сіттера, в якому Всесвіт порожній, але існує космологічна постійна. У цьому випадку розміри Всесвіту експоненційно зростають з часом, тобто раніше він був істотно меншим. У цій моделі немає Великого вибуху. Однак проти моделей без Великого вибуху існує, здавалося б, переконливий аргумент. Раз галактики розбігаються, то в минулому вони розташовувалися ближче один до одного. Вирушаючи у все більш далеке минуле, ми отримуємо Всесвіт з дуже великою щільністю матерії.
Проте астрономи придумали модель вічно розширюваного Всесвіту, в якому в минулому ми спостерігали б точно таку ж картину, як і зараз. Ця дивовижна модель, запропонована Фредом Хойлом і Джаянтом Нарлікаром, називається стаціонарною і має риси як статичної моделі Ейнштейна (нічого не змінюється з часом), так і динамічної моделі Фрідмана (Всесвіт розширюється). Творці цієї теорії висунули так званий «ідеальний космологічний принцип», або абсолютний принцип Коперника. Звичайний принцип Коперника стверджує, що властивості Всесвіту однакові в усіх точках простору. Цей принцип виник з усвідомлення того, що Земля не є центром Всесвіту і його розташування не є чимось особливим. «Ідеальний» космологічний принцип додає до цього незалежність від часу. Прагнення до ідеального світу в поєднанні з відсутністю в той час прямих доказів існування Великого вибуху призвело до появи таких дивних ідей.
Для того щоб при розширенні Всесвіту щільність не падала, знадобилося припустити, що матерія виникає з нічого рівномірно у всьому Всесвіті, причому з такою швидкістю, щоб компенсувати розріження, викликане розширенням. Ця теорія безперервного творіння матерії може бути описана також у більш завуальованому вигляді. Припустимо, що у Всесвіті існує невідоме поки науці поле, назване C-полем (від англійського слова creation - створення), яке, з одного боку, забезпечує розширення Всесвіту, а з іншого - може перетворюватися на звичайну матерію, забезпечуючи її безперервну генерацію. Розрахунки показали, що, згідно з цією теорією, в 1 м3 повинен народжуватися один атом водню за мільярд років.
Основоположні статті про стаціонарну космологію були опубліковані Германом Бонді, Томасом Голдом і Фредом Хойлом в 1948 р. Як не дивно, ця теорія досі має деяке число прихильників на чолі з Нарлікаром, одним з її авторів, які намагаються пояснити сучасні космологічні дані, використовуючи стаціонарну модель в XXI ст. Докладну розповідь про розвиток цієї теорії можна знайти в огляді Хельги Краг. Слід зазначити, що існує досить невелика кількість вчених, які заперечують Великий вибух.
Теорія Великого вибуху була детально опрацьована. Це зробив уродженець Одеси Георгій (Джордж) Гамов. Радянський фізик, член-кореспондент Академії наук СРСР, він зі своєю родиною втік на Захід, де продовжував займатися фізикою. У рамках теорії Великого вибуху він детально розглянув усі стадії, які пройшов Всесвіт на ранньому етапі свого існування. Теорія відповідала на питання, які частинки і в якій кількості заповнювали Всесвіт в кожен момент часу, як змінювалася його температура, як відбувався нуклеосинтез, тобто утворення ядер більш важких елементів з більш легких елементів.
Це була перша космологічна модель, яка не обмежувалася рішенням рівняння Ейнштейна. Вона використовує космологічне рішення Фрідмана, але особлива увага приділялася тому, чим був заповнений Всесвіт на різних стадіях свого розвитку і які процеси при цьому відбувалися. Вміст Всесвіту впливав на швидкість його розширення, так що і розширення Всесвіту, і еволюцію матерії, що заповнює його, треба було досліджувати одночасно.
Всі передбачення теорії Гамова, які можна було перевірити за астрономічними даними, підтверджувалися, а відкриття реліктового випромінювання стало вирішальним аргументом на користь її правоти. Відтоді в продовження десятиліть космологи називали теорію Гамова стандартною космологічною моделлю, оскільки вона лежала в основі всіх космологічних розрахунків. Окремі деталі уточнювалися, але істотної переробки не піддавалися. За справедливістю, Гамов мав би розділити Нобелівську премію з фізики 1978 р. з Пензіасом і Вілсоном, але Гамов помер у 1968 р., а Нобелівську премію не можна отримати посмертно.
Зауважимо, що крім стандартної космологічної моделі Гамов отримав й інші результати, гідні Нобелівської премії, наприклад створив теорію альфа-розпаду ядер. Важко сказати, чи визнав Нобелівський комітет цей результат недостатньо важливим для Нобелівської премії або не захотів сваритися з Радянським Союзом, який був би явно не в захваті, якби премію вручили неповерненцю. Цікаво, що теоретично він міг також претендувати і на Нобелівську премію з фізіології та медицини за пояснення принципів запису інформації в ДНК триплетами нуклеотидів.
Але повернемося до стандартної космологічної моделі, яка сама по собі, безумовно, заслуговувала Нобелівської премії. Популярний виклад висновків цієї моделі можна знайти в багатьох книгах, у тому числі науково-популярних. Бестселером свого часу стала книга лауреата Нобелівської премії Стівена Вайнберга «Перші три хвилини», в якій описані перші три хвилини існування нашого Всесвіту, згідно теорії Гамова.
Питання: Де саме стався Великий вибух? Відповідь: Нерідко це питання можна почути навіть від професійних фізиків. Відповідь на нього проста: виберіть будь-яку точку за своїм смаком, наприклад кінчик вашого носа. Саме в цій точці стався Великий вибух. Втім, будь-яка інша точка нашого Всесвіту нітрохи не гірша, оскільки в ній також стався Великий вибух, причому в той же самий час. Історія будь-якої точки, що йде в минуле (ще її називають світовою лінією), рано чи пізно впреться у Великий вибух. Причиною цього питання, мабуть, служать кадри науково-популярних фільмів, які нерідко ілюструють Великий вибух, показаний зовні. У реальному Всесвіті Великий вибух не можна спостерігати зовні, оскільки цього самого «зовні» просто не існує. Якщо проводити аналогію з вибухом бомби, то це не вибух бомби, що спостерігається з боку, а вибух бомби з точки зору мікробів, що живуть всередині неї, хоча ця аналогія не зовсім вірна, оскільки бомба не є точковим об'єктом.
Питання: Чи застосовуються закони фізики до опису Великого вибуху? Відповідь: З точки зору математики момент Великого вибуху є тим, що називається сингулярністю або особливістю. До Великого вибуху також застосовують термін «космологічна сингулярність у минулому». Поблизу такої сингулярності кривизна простору-часу прагне нескінченності. Тут необхідно зробити невеликий відступ. Справа в тому, що сучасна наука виходить з припущення, що всюди в спостережуваній частині Всесвіту закони фізики однакові. Незважаючи на постійно проведені перевірки цього припущення, поки не виникло обґрунтованих сумнівів у його справедливості. При цьому слово «спостережуваної» згадано не просто так, оскільки, згідно з деякими теоріями, за космологічним горизонтом закони фізики можуть бути зовсім іншими. Тепер повернемося до Великого вибуху. Сучасна наука не може описати стан Всесвіту відразу після нього, оскільки відповідні теорії (наприклад, квантова гравітація) ще не створені. Проте ми сподіваємося, що існуючі теорії можуть цілком задовільно описати Всесвіт, вік якого істотно перевищує планківську одиницю часу, приблизно рівну 10-42 с. Слова «ми сподіваємося» стоять тут через те, що ми навряд чи коли-небудь зможемо спостерігати що-небудь, що відноситься до такої ранньої стадії існування Всесвіту.
Питання: Чому стався Великий вибух? Відповідь: Таке запитання легко поставити, але на нього важко відповісти. Більшість космологів вважають, що Великий вибух - результат квантових ефектів, наприклад квантової флуктуації або квантового тунельного переходу.
Питання: Як гігантський Всесвіт з безліччю галактик міг утворитися в результаті квантової флуктуації? Відповідь: Почнемо з дивовижного факту, що стосується гігантського Всесвіту з мільйонами галактик. Відомо, що атомне ядро має масу менше, ніж сумарна маса складових його протонів і нейтронів, що, власне, і є причиною їх існування. Це явище називається ядерним дефектом (ще кажуть - дефіцитом) маси. Маса відповідно до формули E = mc2 зменшується на енергію ядерних взаємодій, поділену на квадрат швидкості світла. У нашому Всесвіті цей ефект незначний. Але в гравітаційному полі існує свій, гравітаційний, дефіцит мас. Тому маса Всесвіту дорівнює масі складової її матерії мінус гравітаційний дефіцит маси. Для замкнутого Всесвіту повну масу запам'ятати дуже просто: вона дорівнює нулю. Гравітаційний дефект маси повністю компенсує масу матерії. А утворити шляхом квантової флуктуації об'єкт з нульовою масою вже не здається такою неможливою річчю.
Питання: Чому не створюються нові всесвіти всередині нашого всесвіту? Відповідь: Це зовсім не факт. Існують гіпотези про те, що нові всесвіти народжуються постійно. Можливо, поки ви читали цю пропозицію, на відстані менше кілометра від вас утворився новий всесвіт. Але для зовнішнього спостерігача цей всесвіт схожий з екзотичною елементарною часткою. Подібні частинки Мойсей Марков називав фрідмонами.
Питання: Що було до Великого вибуху? Відповідь: На це питання сучасна наука не може дати жодної відповіді. Якщо хтось стверджує, що знає відповідь, він, швидше за все, помиляється. Один з елегантних способів уникнути відповіді на це питання полягає в тому, щоб сказати, що час з'явився разом з нашим Всесвітом і поняття «до Великого вибуху» просто не існує.
Повністю читайте: Як працює Всесвіт: Введення в сучасну космологію. - М.: Альпіна нон-фікшн, 2018. - 277 с.