Неоткрытые миры

скачать книгу бесплатно

– Нет.

– Ну и зачем тебе тогда понимать, о чём они говорят?

– Тоже верно, – вздохнула Черепаха. – Но как-то это всё мутно.

– Космологические модели менялись уже много раз. Может быть, этот инфляционно-аксионный криль тоже не всем придётся по вкусу! – засмеялся Кит.

Кит как в воду смотрел. Десятки лет экспериментаторы безуспешно разыскивали загадочные элементарные частицы, которые могли бы объяснить феномен «тёмной материи», а теоретики делали бесчисленные неудачные попытки вывести «тёмную энергию» из существующей квантовой теории.

В конце концов, после более чем тридцатилетнего господства теории инфляции в космологии, некоторые видные учёные стали громко выражать своё недовольство этой теорией, утверждая, что она неудовлетворительна, потому что вводит слишком много предположений в виде гипотетических субстанций «инфлантона», «тёмной энергии» и неизвестных ранее эффектов, вроде всемирного «фазового перехода». При этом, чтобы получить наблюдаемую ныне Вселенную, требовалось задать начальные значения её расширения с невероятной точностью. Ничтожное отклонение – и нынешняя Вселенная исчезнет. Пауль Стейнхард, Эйнштейновский профессор Принстонского университета (то есть он занимает место Эйнштейна) и директор Принстонского института теоретических исследований, в 2014 году написал в главном научном журнале Nature статью против теории инфляции. Он отметил, что теория инфляции содержит такое количество свободных параметров, что их подгонкой задним числом может объяснить любой эксперимент. По сути, её невозможно опровергнуть путем наблюдений! Стейнхардт заявил: «Инфляционная парадигма фундаментально непроверяема и, таким образом, научно бессмысленна».

– А почему профессор беспокоится не о проверяемости, а о непроверяемости теории? – спросил Андрей. Никки ответила:

– Философ науки Карл Поппер сформулировал принцип, согласно которому теория является научной, если существует принципиальная возможность её опровержения путём постановки того или иного эксперимента, даже если такой эксперимент ещё не поставлен. Если теорию нельзя опровергнуть даже в принципе, то она не является научной. Но инфляционисты считают, что принцип Поппера не применим к их теориям, а некоторые из них полагают, что принцип непременной экспериментальной проверки современных теорий устарел и не может служить руководством в работе теоретиков.

В 2017 году молодая сотрудница Принстонского университета Анна Иджас, а также Стейнхард, который является одним из отцов инфляционной теории, и профессор Абрахам Лоеб, глава кафедры астрономии Гарварда и директор Института теории и вычислений Гарвардско-Смитсоновского астрофизического центра, резко выступили против теории инфляции в популярном журнале «Сайентифик Американ». Они снова указали на то, что у теории инфляции имеются бесконечные возможности объяснить всё, что угодно, а «теория, которая может предсказать всё, что угодно, ничего не предсказывает». Гипотетические сущности вроде «инфлантона» и «тёмной энергии», на которых базируется теория инфляции, так и не нашли никакого подтверждения. Кроме того, в рамках теории инфляции появилась концепция мультивселенной, согласно которой существует не одна, а множество (например, по одним из многих расчетов, 10 в степени 500) вселенных.

– Это сколько? – не поняла Галатея.

– Ну… миллион – это 10 в степени 6, то есть десятка, умноженная на десятку, – и так шесть раз. Миллион миллионов – это 10 в степени 12. Если сказать фразу «миллион миллионов миллионов…», где слово миллион повторится восемьдесят три раза, то мы получим представление о количестве вселенных, которое даёт теория инфляции.

– Ничего не поняла, – вздохнула Галатея, – Но продолжай, пожалуйста.

– Эти вселенные не соприкасаются и не сообщаются друг с другом, но их фантастическое количество позволяет если не решить, то как-то обойти проблему тонкой подгонки начальных параметров Вселенной. Действительно, если вселенных так много, то почему хотя бы одной из них не иметь параметров, благоприятных для возникновения разумной жизни? Именно в такой комфортной Вселенной возникнут учёные, которые зададутся вопросом о строении мира. Трое упомянутых критиков характеризуют концепцию «мультивселенной» как «мультибеспорядок» (в самом мягком переводе, хотя подходит и выражение «мультикошмар») и считают эту концепцию, наряду с тонкой подгонкой начальных параметров, фатальным недостатком теории инфляции.

В ответ на эту критику четверо учёных-инфляционистов опубликовали письмо, под которым собрали ещё три десятка подписей видных учёных. В числе прочих аргументов инфляционисты привели и такой: в теории инфляции работает девять тысяч учёных, написавших четырнадцать тысяч статей. Неужели это может быть не наукой?

Питер Войт, математик из Колумбийского университета, известный своей борьбой против теории струн, вступил в дискуссию на стороне антиинфля-ционистов. Он считает, что началась уже не научная, а политическая борьба. Войт так высказался о научности концепции мультивселенной: «Смех в том, что большинство учёных, с которыми я когда-либо говорил об этом, не думают, что претензии на мультивселенную являются наукой, но не видят причин тратить своё время на споры с лженаукой. Она просто исчезнет сама по себе, так как со временем становится всё яснее, что мультивселенная, с научной точки зрения, – пустая идея. К сожалению, я не вижу, как эта идея исчезает, и думаю, что она наносит очень серьёзный ущерб физике и её общественному имиджу. В настоящее время ведётся политическая кампания, и одна сторона очень решительно настроена на выигрыш и тратит на это много энергии. Другая сторона должна активизироваться и заставить себя услышать».

Так как трое критиков теории инфляции придерживаются мнения, что Большой Взрыв – это Большой Отскок, а Вселенная в своём минимальном размере не была квантовым объектом, то эту полезную дискуссию (а научные дискуссии все без исключения являются полезными) можно рассматривать как борьбу сторонников циклической Вселенной против модели одноразовой Вселенной.

– Одноразовая Вселенная – это как одноразовый памперс? – хихикнул Андрей. – Не очень престижный статус.

– Для объяснения отскока Вселенной группа Стейнхарда предложила мембранную модель, предполагающую введение нового пространственного измерения, но эта модель не является единственной или самой убедительной моделью циклической Вселенной. Например, есть космологическая модель Никодима Поплавского, где за отскок отвечает сверхвысокое давление, существующее в неэйштейновской теории гравитации, а сама Вселенная пульсирует внутри огромной чёрной дыры.

– Чёрной дыры мне в панцире только не хватало, – проворчала Гигантская Черепаха, которая внимательно прислушивалась к обсуждению. – Особенно огромной.

– Многие учёные удивительным образом перестали видеть фундаментальную разницу между моделями, создаваемыми в рамках теории гравитации, и моделями, возникающими среди сотен неэйнштейновских подходов. На самом деле в космологии существует только одна проверенная теория – общая теория относительности Эйнштейна (все остальные – гипотезы), а в физике известны и экспериментально исследованы только четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное). Следуя принципу Оккама, космологические модели нужно создавать на основе этих известных вещей и выходить за рамки известных теорий и экспериментальных фактов только в самом крайнем случае. Тем не менее ведущие физические журналы полны космологических статей, основанных на неэйнштейновских теориях, введении новых измерений и физических полей, ранее не известных науке.

К космологическим моделям, которые разрабатываются в рамках теории Эйнштейна, можно отнести модель с переменной гравитационной массой, в которой Большой Взрыв, или Большой Отскок, произошёл из-за быстрого уменьшения гравитационной массы коллапсирующей Вселенной, что породило сильную антигравитацию. Появились интересные статьи, в которых обсуждается идея, что из прошлого цикла Вселенной к нам проникли не только протоны, но и множество уцелевших чёрных дыр, которые и играют роль тёмной материи, а вокруг самых массивных из них формируются галактики.

В настоящий момент общепринятой и не вызывающей серьёзных возражений теоретической модели Вселенной не существует. Человечество вкладывает в решение космологических проблем миллиарды долларов, поэтому дискуссии вокруг тёмной энергии и тёмной материи вышли за рамки чисто академических. Научное сообщество совершает огромные усилия, публикуя ежегодно тысячи статей, связанных с тёмными сущностями; значительные суммы выделяются на космические проекты, наземные телескопы и подземные лаборатории, изучающие природу тёмной материи и тёмной энергии. Но число вопросов к моделям Вселенной не уменьшается, а только растёт:

1. Является ли Вселенная одноразовой расширяющейся структурой или циклической системой с периодами сжатия и расширения?

2. Каков был минимальный размер Вселенной?

3. Какова была температура и плотность Вселенной в момент максимального сжатия?

4. Какие объекты (например, чёрные дыры, барионы) прошлых космологических циклов могут уцелеть при сжатии Вселенной до минимального размера и попасть в современный цикл?

5. Почему произошёл Большой Взрыв? Существовало ли ускоренное расширение в начальный момент Большого Взрыва, и чем оно было вызвано?

6. Почему так однородна и изотропна была Вселенная при отделении излучения от материи, случившемся 380 тысяч лет после Большого Взрыва? Именно это реликтовое излучение наблюдают сейчас астрономы. С чем связаны глобальные и локальные отклонения реликтового излучения и других космологических параметров от однородности и изотропии?

7. Почему Вселенная расширяется с ускорением до сих пор? Какие силы обеспечивают современное ускорение? Как долго будет разлетаться Вселенная?

8. Тёмная материя – что это такое? Состоит ли она из физических объектов, и какова их природа? Или теория Эйнштейна нуждается в модификации?

9. Если Вселенная – циклическая система, то какая сила обеспечит изменение направления движения галактик – с разбегания на сближение?

10. Второй закон термодинамики гласит, что все процессы ведут к увеличению энтропии. Если Вселенная циклична, то как решить проблему непрерывного роста энтропии в такой системе? Ведь если какой-то параметр во Вселенной непрерывно растёт, то о какой цикличности можно говорить?

11. Является ли наша Вселенная единственной, или существует множество Вселенных, которое предполагается концепцией мультивселенной?

12. Является ли Вселенная преимущественно квантовым объектом, или же она главным образом подчиняется общей теории относительности Эйнштейна?

13. Нужна ли для понимания Вселенной квантовая теория гравитации? Возможно ли в принципе построение такой теории?

Это «чёртова дюжина» самых главных космологических вопросов, которые остаются нерешёнными. И пока они не решены, Черепахе придётся подпирать модель Вселенной.

Всегда находятся учёные, считающие, что именно они построили самую верную модель Вселенной, но при детальном и объективном рассмотрении всегда обнаруживается, что эти теории всё ещё покоятся на прочном панцире Черепахи, правда, названия у этого панциря могут быть самые разные.

Истина заключается втом, что мы не нашли окончательных ответов на главные вопросы: «Как была создана Вселенная?» и «Как она устроена?» Более того, чем больше мы узнаём о Вселенной, тем больше вопросов у нас возникает. Поэтому космология остаётся одной из самых интересных и увлекательных наук, а Гигантской Черепахе придётся ещё немного потерпеть несовершенство наших знаний о Вселенной.

– Ладно, потерплю ещё, – сказала гигантская Черепаха, выслушав эту тираду. – Но только недолго!

Галатея спросила Никки:

– А что такое «недолго» для существа с возрастом в шесть тысяч лет?

– Хороший вопрос, – задумчиво ответила Никки. – И что будет, если гигантской Черепахе наконец надоест подпирать наши неуклюжие модели Вселенной?

Примечания для любопытных

Николай Коперник (1473–1543) – польский астроном, автор гелиоцентрической модели мира, сменившей старую геоцентрическую, в центре которой находилась Земля.

Иммануил Кант (1724–1804) – немецкий философ и астроном, который предположил нестационарность Вселенной, состоящей из огромного количества галактик, похожих на наш Млечный Путь.

Весто Слайфер (1875–1969) – американский астроном Лоуэлловской обсерватории, измеривший в 1907 году скорость движения галактики Туманность Андромеды, а в последующие годы – скорость десятков других галактик. Его работы стали основой современной наблюдательной космологии.

Генриетта Ливитт (1868–1921) – американский астроном Гарвардской обсерватории. В 1908 году показала, что у цефеид, нового класса переменных звёзд, период пульсаций связан с их светимостью. Эти звёзды позволили впервые измерить расстояния до других галактик.

Эдвин Хаббл (1889–1953) – американский астроном обсерватории Маунт-Вилсон. Измерил расстояние до Туманности Андромеды с помощью цефеид и показал, что скорость роста разбегания галактик растёт с увеличением расстояния до них (закон Хаббла).

Альберт Эйнштейн (1879–1954) – физик, нашедший уравнения современной теории гравитации, описывающей динамику Вселенной. Лауреат Нобелевской премии по физике (1921).

Александр Фридман (1888–1925) – физик и астроном, нашедший решения уравнения Эйнштейна, которые описывают нестационарную, в том числе и циклическую, Вселенную.

Жорж Леметр (1894–1966) – бельгийский астроном. Нашёл нестационарные решения уравнения Эйнштейна для Вселенной и выдвинул концепцию «атомного взрыва» огромного первичного атома, который и стал началом расширения Вселенной.

Ричард Толмен (1881–1948) – американский физик, автор известной книги «Относительность, термодинамика и космология» (1934), в которой обсуждаются изменения энтропии в циклической модели Вселенной.

Георгий Гамов (1904–1968) – физик и астроном, родившийся в России. Вместе с учениками выдвинул концепцию горячей циклической Вселенной и правильно предсказал наличие и уровень реликтового излучения.

Арно Пензиас (р. 1933) – американский астроном и сотрудник компании Белл, открывший реликтовое излучение в 1965 году и получивший за это Нобелевскую премию по физике за 1978 год.

Роберт Вильсон (р. 1936) – американский астроном и сотрудник компании Белл, открывший реликтовое излучение вместе с Пензиасом и разделивший с ним Нобелевскую премию (1978).

Роберт Дикке (1916–1997) – американский астроном и разработчик астрономических приборов. Член Национальной академии США.

Стивен Вайнберг (р. 1933) – американский физик и астроном. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1979 год за работы по объединению электромагнитного и слабого взаимодействия.

Карл Поппер (1902–1994) – философ и социолог. Родился в Австрии, работал в Новой Зеландии и Англии. Один из самых влиятельных философов науки в XX веке. Рыцарь, член Лондонского королевского общества.

Сказка о тёмной материи тёмного космоса

Если человек живёт в большом городе, небосклон которого загромождён высокими зданиями, а вечера утопают в электрических огнях, то он редко видит звёзды и не интересуется ими. Поэтому так много астрономов вышло из пустынь, степей и прерий, великолепное звёздное небо которых пробирает даже самые чёрствые души. Жителям приморских городов тоже повезло: там морской горизонт ничем не загорожен и смыкается с космической бездной, от которой легко кружится юная голова.

В самом начале двадцатого века на берегу синего-синего моря, которое люди почему-то называют Чёрным, жил маленький мальчик. Он слышал вокруг болгарскую речь, потому что приморский городок был болгарским, чешскую – ведь его мать была чешкой, и немецкую – от отца, богатого швейцарского бизнесмена. Многоголосый мир, тёплое шумное море и холодные загадочные звёзды, весёлая мать и рассудительный отец, который ценил честность коммерсанта, – эмоциональное и рациональное слились в юном Фрице Цвикки в удивительный сплав, определивший его яркую жизнь и колоритный характер.

В шесть лет мальчика отправили для обучения коммерческому делу в небольшой швейцарский городок, к бабушке и дедушке. Но мальчик был уже очарован звёздами, он не уставал любоваться ими, когда они поднимались над швейцарскими заснеженными вершинами. Поэтому он решил изучать не коммерцию, а физику и математику – сначала в школе, а потом в Цюрихском политехническом институте – том самом, где учился сам Альберт Эйнштейн.

Мальчик вырос и превратился в молодого способного учёного. В 1925 году он получил стипендию и уехал в Америку, в Калифорнию, где располагался быстро растущий Калифорнийский технологический институт и обсерватории, Маунт-Вилсоновская и Паломарская. Здесь можно было увидеть звёздное небо так близко, как удавалось немногим из землян.

За следующие двенадцать лет Фриц Цвикки получил множество научных результатов, что поставило его в ряд величайших астрономов XX века. Но почти в каждом своём открытии он настолько опережал своё время, что коллеги категорически его не понимали. Поэтому Фриц Цвикки жил в состоянии острого конфликта с научным сообществом. Как вспоминал один из очевидцев, «окружающие видели в нём сумасшедшего, а он их считал глупцами». В результате у Цвикки, который нисколько не скрывал своего мнения о коллегах, возникли проблемы с публикациями трудов, с признанием его приоритета и с получением наблюдательного времени на крупнейших телескопах с диаметром в 2,5 и 5 метров.

Важнейшим открытием Фрица Цвикки является объяснение в 1934 году (вместе с Вальтером Бааде) механизма взрыва сверхновых звёзд. Цвикки и Бааде предположили, что ядро массивной звезды сжимается в плотный нейтронный шар размером в десяток километров. При этом выделяется столько энергии, что внешняя оболочка звезды разлетается в разные стороны, выпуская наружу мощное световое излучение, которое можно заметить на расстоянии даже миллиардов световых лет. Сверхновые рождают не только яркий свет, но и космические лучи, а на месте их взрыва остаётся маленькая нейтронная звезда. Спустя тридцать три года предсказание Цвикки и Бааде о существовании нейтронных звёзд смогла подтвердить Джоселин Белл, открывшая в 1967 году пульсары, которые представляют собой нейтронные звёзды с сильным магнитным полем.

Астроном Цвикки нашёл в небе 129 сверхновых звёзд, установив этим рекорд. Телескопы, снабжённые компьютерами, довели к концу двадцатого века число открытых сверхновых до многих тысяч. Четыре Нобелевские премии по физике были присуждены за работы, связанные с нейтронными звёздами и сверхновыми. Более четверти миллиона научных статей опубликовано о сверхновых, название которым придумали Цвикки и Бааде. Знаменитый физик Кип Торн назвал статью Цвикки – Бааде 1934 года о сверхновых, нейтронных звёздах и космических лучах «одним из самых пророческих документов в истории физики и астрономии».

В 1937 году Цвикки высказал идею о гравитационном линзировании на скоплениях галактик.

– Что это такое? – поинтересовалась Галатея.

– Эйнштейн предсказал, что свет звезды искривляется в гравитационном поле Солнца. Астрономы стали интересоваться: а можно ли заметить искривление звёздного света в поле другой звезды? Но расчёты показали, что это очень маловероятно из-за маленького углового размера звёзд. Цвикки, зная, что скопления галактик имеют гораздо больший размер, предположил, что свет далёких объектов может искривляться на таких скоплениях.