«Такая мелочь, как звезды и планеты»: три конспекта об устройстве Вселенной

Были когда-то времена: на ранней стадии эволюции Вселенной над темной энергией доминировала пыль и даже свет, а человечество на протяжении почти всей своей истории обитало в мире «больших» объектов и относительно малых скоростей. Сейчас все совсем по-другому. А как именно, можно узнать из книги доктора физико-математических наук Эмиля Ахмедова и научного блогера Александра Громова, вошедшей в лонг-лист премии «Просветитель». Правда, Дмитрий Борисов, изучивший книгу для совместного проекта «Горького» и «Просветителя», констатирует, что это знание не дастся читателю легко.

Депортация пытливых умов

Можно ли представить мир безграничный, но не бесконечный? Можно, если вообразить двумерных тараканов, переселенных на трехмерный глобус. Жизнь этих насекомых, с детства привыкших, что двигаться можно только вправо-влево и вверх-вниз, после депортации в «трехмерие», скорее всего, не сильно изменится. Они будут ходить теми же двумерными дорогами, а отдельные пытливые умы тараканов-пилигримов будут задаваться фундаментальными вопросами и искать, например, край мира — и предсказуемо не будут находить. Субъективно мир (он же глобус) будет восприниматься ими как безграничный. И, пожалуй что, как бесконечный.

Но конечен ли глобус на самом деле? Разумеется, и не только метафорически, но и математически — его площадь будет очень легко вычислить.

Люди чем-то похожи на этих тараканов: мы, обитатели искривленного четырехмерного пространства-времени (в соответствии с консенсусом представителей физической науки, которому уже век), воспринимаем место своего обитания — мир больших объектов и относительно малых скоростей — как мир классического естествознания, описанный Исааком Ньютоном.

Долгое время (примерно до конца XIX века) человечество такими представлениями и ограничивалось. Сегодня, кроме классического естествознания (которое никто не отменял; «площадь своего приусадебного участка мы считаем, пользуясь евклидовой геометрией») есть релятивистская физика (где массы большие, а скорости зубодробительные), квантовая механика (где объекты маленькие и легкие, скорости относительно невысоки, а положения относительно стесненные — меньше степеней свободы) и чрезвычайно загадочная квантовая теория поля (где степеней свободы много, массы мало, а скорости близки к световой).

«Картины фундаментальной физики» начинаются с описания верхнего правого квадрата этого рисунка с осями, велосипедом и лампочкой. В книге представлен конспект трех резюмирующих текстов лекционного курса, посвященного специальной теории относительности, общей теории относительности и квантовой механике (лекции можно посмотреть на канале культурно-просветительского центра «Архэ»).

Книга рассчитана на узкие круги разнообразных широких сообществ: как говорит сам Эмиль Ахмедов — на молодых людей, планирующих совершить проникновение в высшее физико-математическое образование. То есть книжку не прочесть с кондачка всякому освоившему навык чтения и связной речи. Нужен соответствующий бэкграунд — разумение, как читать и понимать формулы, графики и математические выкладки.

Но чукча, как водится, не читатель, а писатель — поэтому продолжим наш непритязательный обзор.

Темная космология

Если вернуться к искривленному пространству-времени, то вот несколько таких, например, фактов о нем:

• пространство-время не является обычным фоном, а динамически меняется (как, скажем, электромагнитное поле);
• искривленное пространство любой размерности и любой кривизны в малой области вокруг любой своей точки выглядит приблизительно плоским;
• новорожденная Вселенная на одной из своих ранних стадий сильно отличалась от нынешнего «плоского» пространства-времени — она была больше похожа на четырехмерный аналог двумерного пространства-времени де Ситтера — гиперболоида с чрезвычайно малым радиусом и большой кривизной;
• «<...> теперь она (Вселенная. — Ред.) больше похожа на плоское пространство-время, чем на ранней стадии: чтобы увидеть ее искривление, надо смотреть на очень большие расстояния даже по вселенским масштабам — больше размеров скоплений галактик. <...> Размеры галактик очень малы по сравнению с расстояниями между их скоплениями».

В результате расширения Вселенной увеличиваются дистанции между удаленными галактиками, но размеры самих галактик не меняются, не растет и расстояние между Землей и Солнцем, так как в пределах Солнечной системы плотности темной энергии и энергии галактической пыли пренебрежительно малы, отмечает Эмиль Ахмедов.

Сегодня считается, что плотность темной энергии составляет ~70–75% всей плотности Вселенной. Кроме темной энергии, есть еще темная материя (ее плотность — ~25–50% от всей материи мироздания). Остальное — плотность обычной, знакомой нам сызмальства материи. Ее плотность составляет до 5% от всего на свете.

Из нее-то мы и состоим — а еще из нее состоит такая мелочь, как звезды и планеты.

«Заметим, что в ходе эволюции Вселенной были и другие стадии, когда, например, над темной энергией доминировал вклад пыли или даже света. А именно, наблюдения говорят о том, что на одной из ранних стадий была ситуация, когда лидирующий вклад в плотность энергии давало излучение. <...> Затем наступила стадия, на которой доминировала плотность энергии за счет пыли».

Точность в 1/10 000 диаметра протона

Если продолжать тему космологии, то «Картины фундаментальной физики» в очередной раз напомнят нам, что не так давно произошло архиважное для научного сообщества событие. В 2015 году были впервые зафиксированы гравитационные волны, вызванные слиянием двух черных дыр (одна дыра с массой ~36 масс Солнца, другая — 29). В результате слияния образовалась новая дыра, составляющая ~62 массы Солнца.

Как отмечает Эмиль Ахмедов, необходимость существования гравитационных волн предвидел еще Исаак Ньютон, который считал, что между всякой планетой и Солнцем есть сила-посредник, действующая на расстоянии (понятия поля тогда не существовало — ученые считали, что воздействие возникает только при непосредственном контакте тел).

Гравитационная сила чрезвычайно слаба, поэтому зафиксировать ее архисложно — но это все же оказалось под силу детекторам LIGO и Virgo, располагающимся на юго-востоке и северо-западе США в ~3 000 км друг от друга, каждый — с двумя перпендикулярными относительно друг друга четырехкилометровыми плечами.

Амплитуда гравитационной волны составляет 4⁻²¹, а LIGO — это линейка точностью в 1/10 000 диаметра протона.

«С такой точностью нельзя даже четко определить границу твердого тела, не то что расстояние! Что же тогда было зарегистрировано на этих двух детекторах? <...> Во-первых, <...> если положение равновесия всех атомов в решетке твердого тела сместятся одновременно и вместе, то это уже представляет собой некоторое явление, каким бы малым это смещение ни было. Во-вторых, <...> лазером подается луч света, который проходит через «светоделительную пластину» <...> Она пропускает 50% света и отражает с той же вероятностью. <...> В-третьих, внутри каждого плеча имеется еще по одному „полупрозрачному“ зеркалу <...> в одну сторону они пропускают весь свет, а в другую отражают 99% света. Это означает, что <...> внутри каждого плеча (точнее, внутри „тоннеля накопления света“) свет 99 раз отражается туда и обратно, пока не вернется окончательно к „светоделительной пластине“. В результате каждое плечо <...> становится в 100 раз длиннее. Вместо четырех километров мы имеем четыреста, что позволяет регистрировать гравитационные волны длиной уже в несколько сотен километров...»

Это далеко не полная характеристика работы сверхчувствительных детекторов — но мы пока на этом остановимся, отсылая интересующихся к первоисточнику.

Заметим, что эвристическая ценность «Картин фундаментальной физики» еще и в том, что изложенные в ней факты, формулы и графики авторы представили с прицелом на прагматику.

Например, «Картины...» начинаются с описания работы навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, которые, «если пренебречь эффектами специальной и общей теории относительности, <...> не будут работать удовлетворительно».

То есть прагматика в данном случае не ограничивается лишь тем, чтобы помочь освоить тот или иной блок учебной программы.

Хотя и это само по себе было бы делом немалым.