Жак Поль "Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты"

Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты
Жан-Люк Робер-Эсиль

Жак Поль

Космос на ладони. Лучшие книги про Вселенную
Мы постоянно пытаемся найти пределы нашей Вселенной, именно поэтому астрономия для нас не просто одна из наук: она воплощает нашу генетическую связь со Вселенной, рассказывая, откуда возникло все, что нас окружает, да и мы сами тоже. Как Вселенная смогла из примитивного первичного состояния перейти к удивительному разнообразию наших дней? Откуда берутся звезды и планеты? Почему наше небо ночью черное?

В формате PDF A4 сохранен издательский макет книги.

Вселенная с нуля: от Большого взрыва до абсолютной пустоты

Jacques Paul

Jean-Luc Robert-Esil

La fabuleuse histoire

DE L’UNIVERS

DU BIG BANG AU BIG FREEZE

Originally published in France as: La fabuleuse histoire de l’Univers. Du Big Bang au Big Freeze By Jacques PAUL & Jean-Luc ROBERT-ESIL © Dunod, 2019, Malakoff

Во внутреннем оформлении использованы фотографии и иллюстрации:

© Frederic CASTEL/Gamma-Rapho / GettyImages.ru;

© Sebastian Kaulitzki, Science History Images, Universal Images Group North America LLC, American Photo Archive / Alamy / Legion-Media;

© UIG Education / Encyclopaedia Britannica / DIOMEDIA

© Соколова М.С., перевод на русский, 2023

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2023

Предисловие

Мы, человеческие существа, похожи на младенца, потерявшегося в колыбели огромного размера и заснувшего, свернувшись калачиком в уголке кроватки, устав от попыток нащупать границы своего крошечного мира. В точности как этот малыш, мы постоянно пытаемся найти пределы нашей Вселенной! Именно поэтому астрономия не просто одна из наук: она воплощает нашу генетическую связь со Вселенной, с этой сущностью, откуда возникло все, что нас окружает, да и мы сами тоже. И однажды мы должны будем вернуться к собственным истокам, когда жгучее Солнце сделает необитаемой нашу крошечную планету.

С тех самых пор, как мы начали осознавать самих себя и наш мир, наши взгляды обращены в небо. Уже шесть десятков лет прошло с того момента, когда юный советский военный летчик воплотил в жизнь древний миф об Икаре и проник за границы земной атмосферы на допотопном космическом корабле. И все же пока только астрономия позволяет во всех подробностях исследовать небесные тела. Чувствительные электронные глаза астрономических приборов тщательно сканируют небо. Благодаря астрономии Вселенная стала, как выразился французский писатель и ученый Бернар Ле Бовье де Фонтенель, «великим спектаклем, сравнимым только с оперой».

Именно радость от возможности поделиться несравненным научным наследием с читателями побудила нас написать «Волшебную историю Вселенной». Мы также должны воздать должное всем тем женщинам и мужчинам, которые разделяли эту страсть и были так же околдованы небом. Только благодаря всем этим мечтателям мы можем наконец увидеть того «Бога из машины», который управляет главным действием…

Описанные в книге явления были отобраны по признакам их универсального характера, например процессы, которые происходили на заре возникновения Вселенной, или те, что, вероятно, произойдут при ее конце. Другие описанные явления имеют значение для нашего существования в Солнечной системе или сыграли роль в образовании нашей звезды и определяют ее потенциальное будущее. И наконец, целый ряд упомянутых нами событий относится к историческим временам, то есть к периоду продолжительностью около четырех веков, в течение которого развитие науки двигалось все ускоряющимися темпами.

Только в конце XVII века европейское научное сообщество, обретя уверенность в себе и доминирующую роль в мире, смогло сформулировать (правда, с большим трудом) разницу между астрологией и астрономией и наконец осмелилось прийти к выводу, что Вселенная может на самом деле быть бесконечной, и даже населенной бесконечным количеством миров, похожих на наш. Еще труднее поверить сегодня, что в XIX веке большинство ученых считало Вселенную равной нашей галактике, Млечному Пути. Еще в 1990-х годах мы ничего не знали о расширении Вселенной и о темной энергии – предполагаемой причине этого расширения. Но сегодня все специалисты уверены, что эта энергия (ее природа до сих пор не ясна) составляет три четверти всего энергетического запаса Вселенной…

Еще следует пояснить, что легло в основу нашего исторического и научного выбора. В ряде случаев он отражает то, что принято называть «общепринятым консенсусом»; но для целой серии явлений мы были вынуждены приводить разные варианты интерпретаций и гипотез, которые порой весьма удачно дополняют и объясняют друг друга.

Благодарности

Мы хотели бы особо поблагодарить Анн Помпон за ее неутомимую поддержку и всегда ценные примечания. И огромное спасибо Саре Форвей за ее тщательную работу над корректурой рукописи.

Начало истории

Астрофизики изучают все те штуки, что мы видим в небе, как системы, подчиняющиеся законам физики, но, прежде всего, они исследуют саму Вселенную во всей ее огромности. В 20-х годах ХХ века, расставшись с идеей Вечной Вселенной, столь дорогой их предшественникам, философам-материалистам из века XIX, астрофизики отбросили космогонические мифы, созданные самыми разными древними культурами, и заинтересовались идеей образования Вселенной в результате некоего уникального события. Научное сообщество, опираясь на неоспоримые доказательства, согласилось с выводом, что Вселенная возникла в результате процесса, который начался тринадцать миллиарда восемьсот миллионов лет назад, и описывается Стандартной космологической моделью.

На этом этапе нам следует ввести понятие «наблюдаемая Вселенная», которым обозначается ее видимая часть. Это воображаемая сфера, в центре которой находится Земля, и граница которой – космологический горизонт – расположена там, откуда до нас не может дойти ни один сигнал. Стандартная космологическая модель сегодня относит космологический горизонт на расстояние 45 миллиарда световых лет, с учетом процесса расширения Вселенной.

Исследовать ненаблюдаемую часть Вселенной невозможно, но, согласно космологическому принципу, Вселенная, если рассматривать ее в очень большом масштабе, подобна самой себе по всем направлениям, поэтому те области Вселенной, что находятся за космологическим горизонтом, скорее всего, похожи на те, что мы наблюдаем в ее видимой части.

Эта модель соответствует идее образования Вселенной в измеримом прошлом и создает возможность дискуссий, способных смутить самый рациональный ум. Один из самых странных выводов, вытекающих из этой модели, предполагает, что физические константы были будто специально скорректированы так, чтобы возникла разумная жизнь.

События начала истории произошли очень давно и уложились в очень период (триста восемьдесят тысяч лет). Датировать их с помощью обычного календаря невозможно, поскольку при таком подходе они просто сливаются в одно. Поэтому в этой части книги мы использовали датировку с помощью отрезков времени, прошедшего с момента начала расширения Вселенной.

До Большого взрыва

Мультивселенная?

Мультивселенная – это гипотетический ансамбль всех возможных миров, каждый из которых существует по собственным законам. Наш мир развивался на основе фундаментальных физических констант, которые способствовали возникновению жизни.

В 1895 году американский философ Уильям Джеймс придумал термин «мультивселенная», правда, для совершенно другого контекста. Только в 1963 году под пером Майкла Муркока, знаменитого английского фантаста, термин получил свое нынешнее значение. В 2003 году шведско-американский космолог Макс Тегмарк предложил классификацию различных типов мультивселенной. Первый тип, основанный на общей теории относительности, предполагает, что размеры пространства, несомненно, значительно больше, чем размеры наблюдаемой Вселенной, то есть сферы радиусом примерно сорок пять миллиарда световых лет. Остальные многочисленные небесные тела расположены за космологическим горизонтом, и если считать пространство бесконечным, то вполне логично предположить существование бесконечного количества различных миров, которые отличаются от нашего распределением материи, но подчиняются тем же законам физики, на основе тех же фундаментальных констант.

Квантовая механика, другая не менее ортодоксальная физическая теория, тоже совместима с концепцией мультивселенных, по крайней мере в той ее интерпретации, которую разработал американский физик Хью Эверетт: он полагает, что результаты некоторых наблюдений нельзя предвидеть и что любое событие – результат веера возможностей, характеризующихся определенной степенью вероятности. По мнению Эверетта, каждой из этих возможностей соответствует своя вселенная.

Визуальная модель мультивселенной, по мнению некоторых физиков, должна быть похожа на нечто вроде пены, в которой каждый пузырь представляет собой образующуюся вселенную. Под воздействием энергетических флуктуаций пузырь может проходить фазу расширения, превращаясь в пространство, обладающее собственной физикой.

Таким образом, если считать, что бросок кости с шестью гранями соответствует некоему квантовому состоянию, шесть возможных позиций, в которых окажется кость после броска, соответствуют шести разным вселенным.

Теория хаотической инфляции предполагает, что пространство в целом расширяется. Это похоже на пузыри воздуха внутри поднимающегося теста. Пузыри образуются в пространстве и являются зародышами вселенных первого типа в классификации Эверетта. Некоторые из них в результате различных спонтанных нарушений симметрии обретают иные физические константы. Эта воображаемая конструкция не поддается проверке и таким образом оказывается вне области действия научных методов. Но она позволяет ответить на один из самых мучительных вопросов физики – почему фундаментальные константы будто специально скорректированы именно таким образом, чтобы эволюция нашего мира привела к разумной жизни? А в мире множественных вселенных образование обитаемого мира было бы банальным событием, и не было бы ничего удивительного в том, что одна из вселенных, та, в которой мы живем, обладала бы физическими константами, позволяющими зародиться разумной жизни.

? СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10

секунд после начала расширения)

Вселенная и ее постоянные (9,7 миллиарда лет назад)

Природный реактор (2 миллиарда лет назад)

Начало расширения

Большой взрыв

Общая теория относительности Эйнштейна позволила построить модель Вселенной, которая в самом начале своего развития была очень горячей и очень плотной. Большой взрыв у истоков Вселенной уже давно не вызывает споров в научном мире.

Для построения физической модели Вселенной астрофизики использовали общую теорию относительности, сформулированную в 1915 году Альбертом Эйнштейном. В 1922-м русский математик Александр Фридман, изучая теорию относительности, увидел вытекающую из нее возможность изучения структуры Вселенной в целом. В том же 1922 году, а потом и в 1924-м, он описал в своих работах такое развитие Вселенной во времени, которое предполагало изначальное состояние сингулярности. К тому же выводу в 1927 году пришел и бельгийский астроном и священник Жорж Леметр – он заявил в 1929-м, что разбегание спиральных туманностей, открытое американским астрономом Эдвином Хабблом, является результатом расширения Вселенной.

Любое расширение предполагает некое начало. Чтобы его описать, в 1930-х годах Леметр предположил, что материя, пространство и время возникли из единственного «первичного атома», и эта модель стала предшественницей теории, известной как «теория Большого взрыва». Авторство термина принадлежит британскому астроному Фреду Хойлу, который впервые произнес это название во время радиопередачи ВВС The Nature of Things (Природа вещей). Будучи сторонником стационарной и вечной Вселенной, он на самом деле попытался пошутить над конкурирующей теорией, но создал «звездное» слово для астрономического словаря. Термин прижился, хотя он и не точен: Большой взрыв, по сути, не был взрывом, разбросавшим материю во всех направлениях и заполнившим ею некую первичную пустоту. Это само пространство начало внезапно расширяться с течением времени, увеличивая расстояния между объектами и увлекая их за собой в процессе расширения.

Тем не менее это выражение теперь обозначает общепринятую теорию, объясняющую три объективно доказанных результата независимых наблюдений:

• чем дальше находятся далекие галактики от наблюдателя, тем быстрее они от него удаляются: в самом начале Вселенная была более плотной и более горячей, подобно газу, нагревшемуся при сжатии;

• пропорциональное содержание гелия (8 %, судя по имеющемуся количеству атомов этого элемента) одинаково во всей Вселенной; отсюда можно сделать вывод, что Вселенная пережила фазу, во время которой плотность и температура были достаточно высокими, чтобы способствовать синтезу этого элемента;

• фоновое излучение, обнаруженное на миллиметровых волнах, свидетельствует об эпохе огромной плотности и высоких температур в самом начале существования Вселенной.

Теория Большого взрыва базируется на этих трех столпах и еще двух важных гипотезах: универсальности физических законов; изотропности (у нее нет центра) и однородности (ее плотность примерно одинакова повсюду) Вселенной в очень больших масштабах.