Как плоский диск Земли стал Мультиверсом: от шумеров до коллайдера

История представлений о мире, космосе, Вселенной — в книге Сергея Язева

Сергей Язев. Вселенная. Путешествие во времени и пространстве. СПб.: Питер, 2020

Небесная твердь и неподвижные звезды

Примерно треть книги посвящена историческому обзору представлений человека о мире и своем месте в нем. Месопотамия (где были заложены основы астрономии, географии и других наук — мы это знаем по сохранившимся глиняным табличкам), древние Египет, Греция, Рим...

Такой, например, видел Землю древнегреческий философ Анаксимандр — неподвижной и в форме плоского диска.

А вот картина мира Пифагора: в центре Вселенной находится священный огонь (Гестия), вокруг которого вращается Антихтон (Противоземля) — это космическое тело нужно, чтобы заслонять Землю от центрального огня. Земля движется вокруг Гестии, за Землей — Луна, затем Солнце, Меркурий, Венера, Марс и т. д. Твердые шарообразные сферы с закрепленными на них планетами вложены одна в другую. Сферы вращаются каждая со своей скоростью.

В центре системы мира Птолемея — тоже Земля. Она неподвижна, а каждая из других планет движется по своей траектории. Мир заключен в твердую сферу неподвижных звезд (как в скорлупу), радиус которой, если переводить расчеты Птолемея в современные единицы измерения, ~ 100 млн км. Это ⅔ истинного расстояния Земли до Солнца. В системе Птолемея в этом пространстве уместились все тела системы — от Луны до Сатурна.

Наконец, вот такой представлялась гелиоцентрическая (с Солнцем в центре) система Николая Коперника. Вокруг Земли вращается только Луна. Земля, как и другие планеты, движется вокруг Солнца. Планеты закреплены на твердых концентрических прозрачных сферах, самая внешняя из которых — со звездами на своей поверхности (как точечные светильники на потолке). И если у Птолемея эта сфера непрерывно и очень быстро вращалась (полный оборот за звездные сутки), то у Коперника она остается неподвижной.

Не будем более останавливаться на том, как эволюционировали представления о Вселенной, какие перипетии имели место в истории становлении науки и какие открытия / наблюдения / расчеты стали ключевыми вехами — в книге представлен пусть и краткий, но обстоятельный исторический экскурс.

Рассмотрим некоторые показавшиеся нам интересными феномены, открытые преимущественно в XX веке (а кое-что и вовсе недавно), и то, что наука в ее актуальном состоянии может об этих феноменах нам рассказать.

По ту сторону черной дыры

В прошлом году общественности представили первое в истории фото «тени» черной дыры — темной области на фоне кольца, образованного светом от падающего на дыру вещества и ее огибающего (увидеть саму черную дыру невозможно в принципе).

Сергей Язев предлагает представить двух гипотетических «бессмертных» исследователей: одного угораздило встретиться с черной дырой, другого — стать свидетелем этой встречи.

Что произойдет? Можно сказать, что реальность «расколется» надвое. В «мире номер раз» мы будем иметь бесконечное падение в дыру первого исследователя (если он «бессмертен») или мгновенное его испепеление (если он такой, как все). В «мире номер два» гипотетический исследователь живым и невредимым вынырнет в дивный новый мир — в другой мир.

Причина данной «загогулины» в следующем. Согласно теории относительности Эйнштейна, всякая масса искривляет пространство и меняет ход времени (до этой теории Вселенная рассматривалась как пассивное вместилище). Объекты с малой массой незначительно искривляют полотно пространства-времени, большие же (например, крупные звезды, не говоря уже о сверхмассивных черных дырах) — значительно.

Представим ткань Вселенной в виде пленки. Объекты с большой массой продавливают ее, образуя впадину, — объект меньшей массы скатывается к более крупному. Со стороны это будет выглядеть, как «большое притянуло малое» (звезда — например, Солнце — «притянула» планету).

Чтобы малый объект не скатился в воронку окончательно, нужно придать ему значительную скорость (больше некой критической, называемой первой космической). И он будет двигаться вокруг, не скатываясь вниз.

Таким образом, пространство-время оказалось гибким, динамичным, колеблющимся — «с изгибами, складками, бегущими волнами и даже проколами».

Миры внутри элементарных частиц?

Но вернемся к черным дырам, чьи размеры, напомним, невелики, а масса, напротив, грандиозна.

«Сила тяготения когда-то проделала гигантскую работу, чтобы собрать, притянуть, сблизить, объединить, упаковать огромное количество материи в виде вещества и излучения в объем черной дыры, а значит, „закачать” туда огромную энергию. Этой энергии оказывается достаточно, чтобы сначала искривить, а затем порвать (курсив мой — Д. Б.) в этом месте ткань пространства-времени нашей Вселенной», — пишет Сергей Язев.

А раз так, то где гарантия, что наша Вселенная не есть «внутренности» какой-нибудь дыры, по отношению к нам внешней? Исключать такой версии нельзя, раз существуют объекты, внутри которых могут находиться целые миры (размер пространства и ход времени там могут быть совсем иными). Сергей Язев отмечает: строго говоря, такими «мироносцами» могут быть не только черные дыры, но и гипотетические элементарные частицы, так называемые фридмоны.

Теоретически, внутри такой частицы может разворачиваться свое беспредельное пространство-время — с Большим взрывом и триллионом лет истории по собственному времени.

Отсюда теория хаотичной, стремительно расширяющейся «родительской» Вселенной, порождающей все новые и новые «дочерние» вселенные. Они не взаимодействуют друг с другом, но в каждой из них происходят аналогичные «первопроцессы», порождающие уже свои вселенные со своими Большими взрывами. Таким образом вселенных может быть бесконечно много.

Большой мир с бесконечным числом вселенных называют Мультиверсом (англ. Multiverse, по аналогии с Universe — Вселенная). Или Мультивселенной.

Закатывает ли Вселенная рукава?

Наша Галактика похожа на плоскую раскручивающуюся спираль. Два спиральных рукава берут начало от концов центральной перемычки, называемой «бар», и раскручиваются в пространстве. Перемычка проходит через центральное сгущение (балдж). Два основных рукава дробятся (астрономы выделяют пять рукавов).

Размеры Галактики колоссальны. Ее диаметр, измеряемый по внешним контурам спиральных рукавов, более 100 000 световых лет (на самом деле еще больше — с учетом темной материи). Расстояние от центра Галактики до нашей Солнечной системы — ~ 26 000 световых лет. Толщина диска Галактики — ~ 1 000 световых лет. Современная оценка числа звезд в Галактике — где-то 400 миллиардов.

«Точнее сказать сложно (многие звезды загорожены облаками пыли и газа), но мы твердо знаем, что их, по крайней мере, вдвое меньше триллиона и точно больше трехсот миллиардов <...> Кроме того, известно, что в центре масс Галактики, загороженная облаками газа и пыли, находится сверхмассивная черная дыра», — утверждает Сергей Язев.

Протозвезды и протогалактики

Известная нам Вселенная не абсолютно однородна — вещество сконцентрировано в звездах, объединяющихся в галактики, которые имеют тенденцию образовывать скопления и сверхскопления галактик. Между этими скоплениями — гигантские пустоты (так называемые войды) в сотни миллионов парсек. Однако при максимально крупном масштабировании Вселенная представляет собой гигантскую сетку с приблизительно одинаковыми ячейками — скопления галактик и войды распределены примерно равномерно. С этой точки зрения Вселенная однородна.

Но на меньших масштабах, повторимся, не однородна ни разу. Если материя была бы распределена равномерно, Вселенная представляла бы собой газ (везде одинаковой плотности) из элементарных частиц, погруженных в электромагнитное излучение. Планет, звезд, пылевых облаков, астероидов и всего прочего не было бы.

Да и современная физика не знает абсолютно одинаковой плотности вещества — такого просто не бывает.

В изначальной горячей Вселенной возникали флуктуации (случайные отклонения) плотности материи — где-то она становилась чуть-чуть выше, чем в соседних областях. Из-за этого данный объем пространства концентрировал в себе вещества немного больше, чем соседний объем. Эта область начинала «притягивать» к себе частицы чуть сильнее, чем соседние. Масса и плотность этой области увеличивалась. Постепенно процесс разгонялся, флуктуации нарастали как снежный ком, контраст плотности возрастал — вещество из окружающих областей перемещалось в область нарастающей массы.

«Самое главное, что иначе быть не может: не бывает вещества без флуктуаций плотности. Достаточно флуктуации случайно появиться, включится закон тяготения в форме гравитационной неустойчивости. Он будет работать автоматически, усиливая флуктуацию и формируя тем самым сгущение материи — протогалактику», — пишет Сергей Язев.

В этих огромных сгущениях газа возникли новые гравитационные неустойчивости — но уже в меньших масштабах. Из сравнительно плотного газа сформировались еще более плотные газовые сгустки — протозвезды. Сила тяготения привела к падению оставшегося газа на протозвезды и к последующему нагреву.

Наконец, температура и плотность в недрах газовых шаров рано или поздно достигала таких значений, при которых вспыхивают термоядерные реакции — протозвезды превращаются в звезды.

Темная материя предшествовала «видимой» Вселенной?

Сергей Язев отмечает, что еще в середине XX века астрономы стали замечать, что расположенные на периферии галактики звезды движутся почти с той же скоростью, что и звезды рядом с центром (а должны бы замедляться). Такое распределение скоростей не соответствовало расчетам масс галактики.

Изначально было такое объяснение: астрономы не учитывали невидимые черные дыры, недооценивали количество пыли и газа в галактиках, не видели небольшие тусклые звезды (например, черные карлики). Но если учесть все это, масса все равно значительно не увеличится. А чтобы расчеты соответствовали наблюдениям, «скрытой массы» должно быть в 5-6 раз больше, чем всего видимого вещества.

Новое предположение: существует некая таинственная «скрытая масса», распределенная по всей галактике (и даже выходящая за пределы внешних ее границ).

Так возникло представление о темной материи. Как подчеркивает Сергей Язев, в настоящее время гипотеза о ее природе сводится к следующему: это неизвестный науке тип элементарных частиц, чрезвычайно слабо или вовсе не взаимодействующих с известным нам веществом.

По всей видимости, эти элементарные частицы не подчиняются так называемому сильному ядерному взаимодействию — силам, которые склеивают протоны между собой в ядре атома и не дают им разлететься под действием электрического отталкивания (иначе образовывались бы ядра непривычных нам атомов). Частицы темной материи не должны подчиняться и электромагнитному взаимодействию — это означает, что они не влияют на электромагнитное излучение (свет). Поэтому мы их и не видим.

«Один из гипотетических вариантов еще не открытых частиц физики и астрономы назвали аббревиатурой WIMP (Weakly Interacting Massive Particles (слабо взаимодействующие массивные частицы), или просто вимпы. Если они существуют, то их можно почувствовать только по их гравитационному воздействию. Они присутствуют и в нашей Галактике, и в нашей Солнечной системе, находятся рядом с читателем этой книги и постоянно проходят его насквозь. Читатель, впрочем, этого не замечает, поскольку, как следует из их названия, они слабо взаимодействуют с веществом», — пишет автор книги.

Более того, есть гипотеза, что флуктуации распределения темной материи на заре формирования Вселенной могли привести к образованию ее структуры. В ранние времена после Большого взрыва еще до флуктуаций протонов, нейтронов и электронов возникали флуктуации частиц темной материи, не взаимодействующей с фотонами. А когда по мере остывания Вселенной протоны, нейтроны и электроны смогли объединиться, формируя атомы водорода (а также небольшого количества дейтерия («тяжелого водорода») и гелия), первичные флуктуации — сгустки темной материи — уже имели место. В этих сгущениях под действием их гравитации стали концентрироваться сгустки барионной материи, из которых сформировались сгущения газа — протогалактики, превратившиеся со временем в скопления звезд — галактики.

Как отмечает Сергей Язев, сегодня определены вклады всех известных видов материи в плотность Вселенной. Плотность темной материи и привычного нам вещества — примерно 3×10⁻³⁰ г/см³. Это чрезвычайно мало. Почему так, ведь существуют масштабнейшие звезды с огромной плотностью, образующие галактики, в которых таких звезд сотни миллиардов? Есть огромные молекулярные облака и грандиозные облака пыли между звездами...

«Все дело в гигантском объеме, в котором распределено вещество Вселенной. Расстояние между звездами внутри галактик огромно, расстояние между галактиками — тем более. Значительная часть пространства Вселенной — это пустота (точнее, почти пустота), где можно найти лишь отдельные частицы, мизерные по массе. Если же вспомнить огромные, совершенно пустые пространства войдов протяженностью в сотни миллионов световых лет, где нет ни звезд, ни планет, ни пыли, ни газа, то получается, что средняя плотность вещества во Вселенной чрезвычайно мала. Если же оценить среднюю плотность темной энергии <...> получается несколько больше: 7 × 10⁻³⁰ г/см³. Это соответствует плотности энергии, которую обеспечивают всего три атома водорода в кубическом метре. Кажется, что это очень мало. Но это существенно больше средней плотности обычного вещества во Вселенной».

Что касается обнаружения частиц темной материи, то для этого проводятся эксперименты на Большом адронном коллайдере. Но пока, как отмечает Язев, коллайдер осуществил не открытие, а «закрытие» частицы нейтралино (относящейся к вышеназванным вимпам).

Что тогда темная материя, если не вимпы? Теоретики рассматривают другие варианты: стерильные нейтрино и аксионы. Будут «ловить» их.

Полпроцента за ~ 2 500 лет

Итак, согласно последним общеизвестным данным, во Вселенной содержится:

• ~ 6,9×10⁻³⁰ г/см³ (68,89 %) темной энергии,
• ~ 2,6×10⁻³⁰ г/см³ (26,07 %) темной материи,
• ~ 0,49×10⁻³⁰ г/см³ (4,9 %) барионной материи,
• малые доли % — электромагнитное излучение + нейтрино.

Сергей Язев подчеркивает: в последние десятилетия дополнительно выяснилось, что исследователи серьезно недооценивали массу газа (преимущественно водорода) в межгалактическом пространстве. Бóльшая часть (4,5 % из 5 %) от общей плотности энергии во Вселенной, которая приходится на вещество, принадлежит межгалактическому газу, а привычная нам материя, из которой состоят звезды, планеты, астероиды, пыль, газопылевые облака внутри галактик — это не более 0,5 %.

«Мир, который астрономы исследуют, начиная с древних греков на протяжении последних двух с половиной тысяч лет — это всего лишь полпроцента от всей энергии/массы, которая присутствует в наблюдаемой (а скорее всего, и не только наблюдаемой) части Вселенной», — констатирует автор.

Пути и шествия Вселенной

А вот краткое поэтапное изложение истории формирования Вселенной (такой сценарий предлагает современная наука).

Внутри крошечного клочка высокоэнергетичного вакуума (материи в особом, крайне маловероятном состоянии — такой сегодня не существует) действуют и грандиозная сила гравитации, и чудовищная сила отталкивания (втрое больше). Из-за этого клочок раздувается.

↓

Скрученное, сжатое до минимально возможных размеров внутреннее пространство-время этого клочка стремительно развертывается, расширяясь с бешеной, постоянно нарастающей скоростью.

↓

В ходе растяжения неизбежно возникают мизерные флуктуации — слабые локальные отклонения от среднего значения (где-то плотность становится чуть больше или чуть меньше). Флуктуаций становится больше в ходе расширения, которое происходит чрезвычайно быстро — невероятно малые доли секунды.

↓

Высокоэнергичный вакуум распадается, материя превращается в обычный (стабильный, нераспадающийся) физический вакуум. Значительная доля первичного вакуума трансформируется в энергию вещества (темного и барионного) и на энергию электромагнитного излучения. На этом этапе Вселенная представляет собой безграничный огненный океан из раскаленного вещества и коротковолнового излучения.

↓

Распад первичного вакуума и рождение частиц — это и есть Большой взрыв.

↓

Большой взрыв порождает частицы вещества и антивещества. Последнее тут же аннигилируется, превратившись в электромагнитное излучение (хотя есть мнение, что где-то антивещество могло и сохраниться — например, в чрезвычайно далеких от нас галактиках, где не может взаимодействовать с обычным веществом).

↓

С появлением частиц «включается» гравитация, с распадом высокоэнергетичного вакуума — «отключается» антигравитация. Пространство Вселенной изначально расширяется по инерции (благодаря колоссальной кинетической энергии, набранной на предыдущем этапе). Но затем гравитация работает как тормоз. Скорость расширения постепенно уменьшается, но все равно остается огромной, из-за чего плотность материи в целом во Вселенной (кроме физического вакуума) неуклонно падает.

↓

Первые флуктуации плотности приводят к развитию сгущений и разрежений, гравитационная неустойчивость формирует уплотнения газа частиц темной материи.

↓

Колоссальная температура позволяет частицам сталкиваться, но всей «таблицы Менделеева» еще не получается. Из-за того, что плотность фотонов (квантов электромагнитного излучения) больше плотности вещества, образуются лишь самые простые реакции (например, 12 ядер атомов водорода (протонов) превращаются в ядро атома гелия).

↓

Вселенная расширяется — падает температура, снижается плотность. Ядра водорода и гелия получают возможность присоединить к себе электроны — формируются нейтральные атомы. В нейтральном газе электромагнитное излучение может распространяться сквозь среду — газ становится прозрачным. Реликтовое излучение существовало и раньше, но только теперь получает возможность свободно распространяться по ставшей для него прозрачной Вселенной. Плотность излучения уменьшается значительно быстрее плотности вещества. Излучение уже не мешает гравитационной неустойчивости — и газ, состоящий из водорода и гелия в массовом соотношении 3:1, скучивается в местах уже наметившегося сгущения частиц темной материи.

↓

«Произошло нечто удивительное. Гравитация локально победила расширение: сгущения вещества выпали из этого процесса. Гигантские облака темной материи и притянутые к ним облака водорода и гелия сами уже не расширялись: здесь движение этих частиц подчинялось закону тяготения — искривившееся в этих местах пространство-время удерживало материю от расширения. Но пространство между галактиками продолжало расширяться, и это расширение постепенно уносило протогалактики друг от друга», — пишет Сергей Язев.

↓

При этом разлет галактик нельзя сравнивать, например, с разлетом осколков разорвавшегося снаряда (они разлетаются внутри пространства, которое не расширяется). Галактики, напротив, находятся в растягивающемся пространстве и потому удаляются друг от друга как блестки на воздушном шаре (но только блестки-галактики есть не только на поверхности шара, но и в составе гелия, которым наполняют шар).

↓

В протогалактиках из сгущений газа формируются звезды, становящиеся фабриками химических элементов. Внутренние термоядерные реакции, взрывы при взаимодействии близких звезд — эти и другие катастрофические процессы порождают твердые микроскопические частицы пыли, содержащие рожденные в звездах кремний, железо, углерод, окись титана. Они становятся твердым материалом для формирования астероидов, карликовых планет, планет и их спутников.

↓

Примерно через 7 миллиардов лет после Большого взрыва (незадолго до того, когда на Земле появились первые живые организмы) пространство-время Вселенной настолько растягивается, что стало проявляться отталкивание, порожденное вакуумом. Близкие галактики разлетаются по инерции, участвуя в общем потоке растягивающегося пространства. Но ставшие далекими галактики начали понемногу ощущать нарастающее отталкивание, и растягивание пространства стало ускоряться.

«Так случилось, что наш разум возник на фазе ускоренного расширения Вселенной. Скорее всего, раньше это случиться не могло: почти 4 миллиарда лет развивалась жизнь на Земле — от момента окончательного формирования планеты и возникновения первой примитивной жизни до появления разума», — резюмирует Сергей Язев.