Что вы знаете о Вселенной? Вот, например, температура Вселенной какая? Сразу говорю три ответа, три варианта ответа: первый- у вселенной нет температуры вообще, второй- у Вселенной температура - ноль градусов, третий вариант- у Вселенной температура три градуса Кельвина.
Давайте, за какой больше? Значит, «нет температуры» - поднимите руки, кто за этот вариант? (несколько человек поднимают руки). Кто за «ноль градусов»? (практически нет поднятых рук). Кто за «три градуса»? (подавляющее большинство слушателей). Ну вот, сами видите, какой правильный ответ, да.
Но, подождите! Сколько у Вселенной измерений? Три варианта ответа: 3, 4, 11. Давайте, кто за «3»? (нет поднятых рук). Нет. За «4»? (Несколько человек). За «11»? (большинство). Слышали, что такое «Теория струн». Хорошо.
Что вы знаете о размере Вселенной? Три варианта ответа: Первое- бесконечность, второе – 14 миллиардов световых лет, третье- размер вселенной неизвестен. Кто за «бесконечность»? (есть поднятые руки). Кто за «14 миллиардов световых лет» (совсем мало слушателей подняли руку). Кто за «неизвестен»? (большинство). И опять правильно!
Но, подождите! Что такое «Темная энергия»? Два варианта ответа: первый вариант ответа - «темная энергия»- это весящий вакуум, очень мало весящий, но это вакуум такой, с плотностью энергии, отличной от нуля. Второй вариант ответа- это физическое поле, пронизывающее всю Вселенную? Кто за первый вариант ответа – весящий вакуум? (нет рук), Кто за второй вариант ответ? (большинство слушателей). И вот здесь-то вы попались! (смеется). Потому что на этот вопрос никто не знает ответа. Ни я, никто. Потому что это предмет вообще сложнейших измерений. Когда-нибудь этот ответ будет получен, но пока что на него нет ответа.
Ну, хорошо. Начнем, пожалуй. Вот на первом слайде (на экране) написана цифра «100 лет развития космологии». Попытаюсь вкратце набросать, как она развивалась, и к чему мы, в конце концов, пришли.
Почему 100 лет? Потому что ровно сто лет назад была опубликована общая теория относительности Эйнштейна. Что было до этого? Что люди думали о том, что из себя представляет Вселенная раньше? Была очень такая приятная картина в мозгах у людей, что это бесконечное вечное вместилище всего сущего. Нет ни начала, ни конца, ни края. И, действительно, это логично. Как себе представить конец или край, или начало? Легче всего себе представить бесконечную вселенную. И тут же возникает вопрос, почти детский: тогда почему небо темное ночью? Там есть какие-то звезды, но их очень мало. Все равно почти темное небо. А если Вселенная бесконечная, то вот это факт на уровне школьной геометрии: куда мы ни направим луч зрения, он рано или поздно упрется в поверхность какой-нибудь звезды. Пусть эта звезда будет очень далекая, но она там будет. И тогда все небо должно сиять, как поверхность звезды.
Это называется «фотометрический парадокс Ольберса». И на него не было ответа. Допустим, там что-то по дороге поглощает – пыль какая-нибудь. Да, но эта пыль нагреется и начнет светить тоже, еще хуже будет. И ответа не было долгое время. Ну, как–то жили и без этого ответа. Ну да, вот есть такой парадокс, ну, наука что-нибудь придумает. Но наука ничего не придумала, она попросту отвергла эту модель Вселенной, хорошую, красивую, оптимистичную. И получилась гораздо более, как бы я сказал, драматическая модель.
Но сначала - о первой космологической революции. Вот ее герои. Ну, это Эйнштейн, прежде всего, который сделал теорию, в которой такой Вселенной не могло существовать, он сам в это не поверил. Потом – наш соотечественник, Александр Фридман, который написал правильное уравнение, вернее, уравнение из теории Эйнштейна, упрощенное, но он в это поверил и стал настаивать, что такая модель Вселенной должна быть. Леметр, бельгиец, который сказал, что Фридман сказал все правильно, но это не есть чистая абстракция, это есть реальность, и мы эту реальность сможем наблюдать. Это был очень важный факт. И Хаббл был тот, кто это увидел, но не понял, что он увидел.
Значит, Фридман. Несмотря на то, что вы на большинство вопросов ответили правильно, сильно комментировать уравнение я не буду. Это довольно сложная вещь, это дифференциальное уравнение в частных производных, вернее, система уравнений. Здесь их десять. При попытке их расписать они выглядят кошмарно, хотя, на самом деле, это самое простое, что можно было придумать, если предположить, что тяготение - это есть не что иное, как искривление пространства. Вот после того, как мы говорим, что теория тяготения - это у нас, на самом деле, геометрическая теория, и действует она не на объекты отдельные, а на пространство в целом, мы приходим вот к такой теории, которая сложно записывается на бумаге и сложно решается, но очень простая идеологически. Это очень красивая теория Эйнштейна, в ней нет ни одного свободного параметра, кроме теории гравитации, вот это G, который, на самом деле, был уже известен до того. Это обычная ньютоновская константа тяготения, которую в школе проходят. В этом уравнении (на экране) слева - сплошная геометрия. Это свойства пространства. И эти свойства пространства уравнены. Справа это материя. Вот это T_{mu nu } - это свойства материи. На самом деле это единственное уравнение, минимальное, обладающее вот такими хорошими свойствами симметрии и простотой. И все альтернативные теории тяготения - это попытки разными способами ухудшить это уравнение, эту теорию. Их было сделано немало. Ну, у каждого должен быть свой бизнес. Вот некоторые, значит, пытаются написать альтернативные теории гравитации, например, чтобы обойтись без «темной материи», про которую я попозже скажу.
Теперь, смотрите, как это все развивалось. Эйнштейн написал уравнения, сам не поверил, пытался их испортить. Об этом тоже потом скажу. Фридман написал вариант для простого однородного изотропного случая, и видно по этим уравнениям - это очень простое уравнение, на самом деле это обыкновенное дифференциальное уравнение, - что Вселенная стационарной быть не может. Она может либо расширяться, либо сжиматься. Либо расширяться и выйти, асимптотически, бесконечность, так сказать, на константу.
Эйнштейн хотел это как-то компенсировать, чтоб все-таки была у нас бесконечная Вселенная. Пытался это сделать, изуродовав свои уравнения, но, в конце концов, отказался от этих попыток и, в конце концов, точка зрения Фридмана победила.
И главным, кто ее подхватил и стал развивать, был Леметр. Он сказал важную вещь, что эти уравнения Фридмана описывают, на самом деле, реальность, это не есть абстракция теоретическая, что мы это должны как-то наблюдать. И он сказал, как мы это можем наблюдать. Что далекие галактики, если Вселенная расширяется в соответствии с Фридманом, они должны от нас убегать. Это знаменитое «Красное смещение». Как это увидеть? По эффекту Доплера. Ну, наверное, большинство знают, что такое «эффект Доплера» - это смещение частоты либо звука, либо электромагнитных волн, если источник либо удаляется, либо приближается. Так нас ловят гаишники - по эффекту Доплера - на превышение скорости.
Если наблюдать далекие галактики, то их спектральные линии, их звезд, этих галактик, должны быть смещены в красную сторону. Это предложил Леметр. Более того, он пытался взять существующие данные и построить вот эту зависимость от расстояния, и даже у него кое-что получилось.
Но на самом деле, первый, кто хорошо сделал, это был Хаббл. Вот здесь нарисованы воздушные шарики с нарисованными на них галактиками (на экране). Это очень важный момент, и потом мы на нем остановимся, я про него чуть-чуть скажу, это о том, что значит расширение Вселенной.
Хаббл это все померил, что чем дальше от нас галактика, тем быстрее от нас она убегает, и это видно по смещению спектральных линий. Но Хаббл сильно ошибся численно. Он ошибся в семь раз. Огромная ошибка. Как она получилась? Для того, чтобы определить расстояние до галактики, ему были нужны какие-то маяки, реперные точки. Значит, что это такое - маяки? Есть такие переменные звезды – цефеиды, они, вообще, яркие, их видно очень далеко, в соседних галактиках, они прекрасно видны. Это звезды, в которых яркость, совершенно точно, связана с периодом колебания их яркости. Чем они ярче, тем дольше периоды их колебания. Так вот, цефеиды были прокалиброваны неверно, они были прокалиброваны по окрестным звездам, по нашей галактике, и эта калибровка содержала в себе ошибку в 2 раза, примерно. То есть на самом деле цефеиды были ярче, чем считали на самом деле, чем считали в то время, и поэтому галактики соседние оказались у него ближе, чем на самом деле. Вот для более далеких галактик цефеиды уже не видны, и он там пытался калиброваться по самой яркой звезде галактики. И он путал самую яркую звезду с плотным скоплением звезд, которое ярче любой звезды. И поэтому у него все время получались галактики ближе к нам, чем на самом деле. То есть ошибки сложились в одну сторону. В результате он ошибся в 7 раз, и это было, на самом деле, довольно трагично, потому что Вселенной получалось всего два миллиарда лет. То есть два миллиарда лет - эти галактики должны были вылететь из одной точки. Ну, было уже известно, что Земля старше, чем два миллиарда лет, поэтому, естественно, это вызвало массу вопросов и претензий.
Значит, дальше. Вот эта самая геометрия. Вот я показывал воздушные шарики (на экране)- это, на самом деле, очень хорошая демонстрация того, что такое расширяющаяся Вселенная. Потому что большинство представляют себе как? Большой взрыв. Была какая-то точка, из которой начали в окружающее пространство разлетаться галактики, звезды там, галактики, вещество, в общем, из какой-то точки в окружающую пустоту. На самом деле, ничего подобного. На самом деле все пространство было маленьким. Маленьким и замкнутым. Нам очень сложно представить себе трехмерное замкнутое пространство. Мы можем убрать мысленно одну из координат и представить себе двумерное замкнутое пространство. Это обыкновенная сфера. Воздушный шарик. Давайте нарисуем на нем точки и начнем надувать. Все точки будут друг от друга удаляться. Чем дальше они нарисованы на шарике, тем быстрее они будут удаляться друг от друга. Это в свое время нам на физтехе Сергей Петрович Капица демонстрировал. Вот объяснял это на первом курсе еще. Вот он брал шарик, на нем нарисованы галактики вроде этого, подсоединял к компрессору, к трубке. Шарик надувался, надувался, он ходил вокруг, потом шарик лопался, и он с победным видом оглядывал аудиторию- вот как здорово, теперь все всё должны понять. И, действительно, понимали.
Единственно, что здесь трудно представить, - это трудно представить двумерное пространство, потому что мы трехмерные существа. Всегда хочется спросить, а что сверху и что снизу этой пленки? А ничего. Нет третьего измерения. Так и здесь. Мы живем в трех пространственных измерениях, четвертое - время. Для нас нет четвертого измерения, но в этих трех Вселенная замкнута. То есть, если бы она не расширялась, можно было бы пойти туда (показывает вперед), идти все время по прямой и вернуться оттуда (показывает с другой стороны, сзади). То есть можно было бы совершить кругосветное путешествие. На самом деле, нельзя, потому что Вселенная расширяется, и мы не успеем совершить кругосветное путешествие, даже если будем двигаться со скоростью света, она нас будет все время обгонять, ее расширение. Но, чтобы представить себе, что такое замкнутое пространство, да, теоретически, если оно не расширяется, можно пойти туда, двигаться все время по прямой и прийти оттуда. Как кругосветное путешествие по поверхности Земли, примерно.
Теперь смотрите, геометрия получается. Ну вот, нарисовали мы сферу (на экране), это соответствует вот такой статической Вселенной. Мы здесь, мы можем видеть противоположный полюс, и мы можем видеть себя с другой стороны. Луч света обогнул, а свет движется только по меридианам, по геодезическим линиям. На самом деле, все не так, потому что Вселенная очень большая. У нее есть начало по времени, и мы видим только маленький кусочек этой Вселенной, вот как на правом рисунке (изображение на экране). Здесь она заполнена шестигранниками, но можно представить каждый шестигранник в виде кружка, сидит в центре наблюдатель, и это граница для него - горизонт. Кружок, не шестигранник. Дальше он видеть не может просто потому, что свет не успел пройти на большее расстояние с момента возникновения Вселенной. Вот такая это геометрия. Вопросы есть по этой части, кто еще не понял, что такое замкнутая Вселенная?
В чем разница между «бесконечно» и «неисчисляемым»?
Это термины из разных областей. Неисчисляемое – это числа всякие, и так далее…
Ну, вот вы говорили, Вселенная бесконечна…
Бесконечная - это значит: проводим координату в каком-то направлении, и она нигде не кончается, у нее нет края, и она не замкнута, то есть у нее бесконечный объем, и у нее в принципе можно двигаться по координате, так сказать, бесконечно долго в одном направлении. Если она замкнута, то ее объем конечен.
Слушатель:
Можно вопрос? Если мы решили, что Вселенная замкнутая, значит, у нее где-то есть край? Его определили?
Борис Штерн:
Где край у Земли, у поверхности Земли? Нет края у Земли. Точно так же у замкнутой Вселенной нет края. Она замкнута. Это моделируется поверхностная сфера. Это сфера - где у нее край? Вы можете только по ней двигаться, нет для вас направления поперек. Правильно?
Спасибо.
Едем дальше.
Ну, вот так вот и совершилось начало первой революции. Смотрите. Вселенная оказалась конечного размера, конечного объема, у нее было начало, о том, что это такое за начало, я скажу позже, тогда было еще непонятно, что это за начало. Но было понятно, что если вот так все проэкстраполировать назад, то все галактики, все это помещалось в очень маленьком объеме. Очень маленькая была сама Вселенная. И, наверное, у нее когда-нибудь будет какой-нибудь конец. Стало ясно, что Вселенная, как целое, подчиняется уравнениям. То есть было вместилище всего сущего, Вселенная превратилась в физический объект, у которого есть свои свойства, срок жизни, уравнение состояния, ну, не важно, что это такое, в общем, физические свойства всякие. Вселенная стала физическим объектом. И еще очень важная вещь - у нее появилось такое свойство, как температура. Вот смотрите, что покажет градусник, если поместить его вдалеке от всех галактик. Такие места есть во Вселенной, они называются войды, где галактик очень мало, такие большие пустоты. Все звезды далеко. Что покажет градусник? Значит, ответ такой: он покажет, примерно, если бы во Вселенной были бы только звезды, и у нее не было бы никакой другой собственной температуры, градусник бы показал некий баланс по излучению со светом этих звезд, это был бы 1 градус Кельвина. То есть градусник показал бы 1 градус Кельвина. Это значит, что он поглощает свет этих звезд, нагревается до одного градуса Кельвина и сбрасывает лишнюю энергию своим излучением на этом одном градусе Кельвина. Но это не правильный ответ. Правильный ответ вы дали поднятием рук, что на самом деле там термометр покажет 3 градуса Кельвина. Причем, это разница не тройка, разница плотности излучения, это надо возвести в четвертую степень. То есть разница, если это чисто тройка, то 81, но вообще, разница эта - десятки в плотности излучения. Очень большая.
Откуда взялась эта лишняя температура? Вселенная в самом своем начале могла быть холодной, а могла быть и горячей. Априори это неизвестно, какой она была. Первый, кто поставил этот вопрос - это был Георгий Гамов, еще в сороковых годах. Он предположил, что Вселенная изначально была очень горячей, по мере расширения постепенно остывала. Почему он так предположил? Из чего состоит Вселенная? Не звезды вот, а межзвездный газ, который неизменен с самого начала. Газ между галактиками - он виден. Он состоит на самом деле из Водорода, 20 % - это Гелий, есть еще Дейтерий, есть еще Гелий-3, и, может быть, даже немножко более тяжелых элементов, типа Лития что-нибудь, чуть-чуть совсем. Но Гелия довольно много. Откуда взялся этот Гелий? Трудно предположить, что он появился изначально. То есть вначале были одни протоны во Вселенной. И в холодном сценарии, и в горячем. Но просто потому, что по физике сверхплотного вещества там не могло быть этих самых ядер Гелия. Они могли возникнуть в результате нуклеосинтеза в самой ранней Вселенной, в первые минуты ее существования. И чтобы этот нуклеосинтез мог пройти, Вселенная тогда уже должна была быть горячей. И вот тогда она должна была быть, в первые минуты, миллионы градусов, и тогда вот, чтобы правильно прошли эти реакции, сейчас Вселенная, те миллионы градусов, из-за расширения должны превратиться в 3 градуса Кельвина. Но Гамов не давал такой точной оценки - три. Там у него было 3-5, неважно, в общем. Потом еще выяснилось, что он ошибся и случайно правильно угадал, но не важно, главное, что он правильно поставил вопрос и правильно нащупал пути к решению.
А что такое эта нынешняя температура? Где она? Это вовсе не температура вещества, эти 3 градуса Кельвина, это температура излучения, заполняющего всю Вселенную. Так называемое «реликтовое излучение». Это микроволны, чуть меньше сантиметра длина волны. Ну, как в микроволновке. Его обнаружили как? Люди делали – вот Пензес и Вильсон – делали антенну для космической связи. Там приемник хороший такой, очень чувствительный и низкошумящий, и они обнаружили, что у них эта антенна все время шумит. Их приемник все время регистрирует, куда бы ни повернули сигнал, он регистрирует шум. Они долго пытались избавиться от этого шума, улучшали электронику, чистили свою антенну. И никак не могли, пока им грамотные люди не объяснили, что они сделали великое открытие. Они открыли вот это реликтовое излучение, вот этот их шум - это было реликтовое излучение, оставшееся со времен ранней Вселенной, которое заполняет весь космос. За это они получили Нобелевскую премию довольно быстро.
Вот это излучение нагреет градусник до 3 Кельвина. Теперь, когда это излучение стало излучением, свободно путешествующим по пространству? Это известно, точка. Это 380 тысяч лет от Большого взрыва. Тогда температура Вселенной упала настолько, что она стала – это была плазма, отдельно протоны, отдельно электроны, а в этот момент электроны упали на протоны, Вселенная стала нейтральной и прозрачной для света. Тогда это был свет, тогда его температура была 1000 градусов Кельвина. С тех пор Вселенная расширяется, и это излучение остывает вместе со Вселенной. Считается, что длина волны расширяется так же как расширяется Вселенная. И вот с тех пор она остыла до 3 градусов Кельвина.
Почему я так много этому посвящаю? Потому что это оказался важнейший инструмент в изучении того, что произошло в самом начале Вселенной. Вот это вот реликтовое излучение.
Ну вот, теперь смотрите, значит, это шестьдесят пятый год. Уже трудно было возражать против того, что да, был Большой взрыв, да, мы видим все его последствия. Были люди, которые возражали, например, такой Фред Хойл, он не только знаменитый астрофизик, он еще написал несколько прекрасных, совершенно, научно-фантастических романов, кстати. То есть талантливый человек, но у него сложилась в голове совершенно другая картина. Такая картина, что Вселенная, на самом деле, существует вечно, что да, она расширяется, галактики улетают, но это расширение все время компенсируется рождением вещества из ничего в этой самой Вселенной. Не такая глупая модель, между прочим, не такая уж она и безумная. Поэтому она хоть и расширяется, но ее плотность остается постоянной. Потому что идет в объем все время подпитка там, в одном кубометре в один год рождается один протон и один электрон, этого достаточно. А вот когда открыли реликтовое излучение, тут уже извините, это уже маркер этого начала Вселенной, этого Большого взрыва. Хойл и тут сопротивлялся, в конце концов, испортил себе репутацию, не получил Нобелевскую премию, которой наверняка заслуживал, за теорию звездного нуклеосинтеза, это была прекрасная работа. Его соавтор получил, а он нет. Ну, тем не менее, он сделал такую красивую картину, которая оказалась неверной, но без красивых заблуждений наука была бы более скучной. Все равно это, конечно, выдающийся человек.
Ну ладно, это был Фред Хойл, один из серьезных людей, возражавших против этого самого Большого взрыва, концепции. Но это концепция, опять же, несла в себе большие проблемы, большие парадоксы, вот эти самые, почти что детские, вопросы. Она была противоречивой. В чем заключаются противоречия? На разных участках неба мы видим примерно одинаковую картину. Но в самые первые мгновения, даже первые минуты, эти разные области неба не могли ничего друг о друге знать, они не могли успеть обменяться никаким сигналом, им для этого не хватало времени. Они были причинно не связаны. Так это формулируется на научном языке. Если они были причинно не связаны, как они вообще узнали, что надо начать расширяться вместе? Как они могли синхронизовать скорость своего расширения? Как они могли обменяться информацией о своей плотности, чтобы эта плотность была примерно одинаковой в разных местах? Да никак! Почему же тогда мы видим однородную Вселенную - это первый вопрос. Второй: начальные условия должны были быть исключительно точно подогнаны, чтобы Вселенная тут же не схлопнулась в первые секунды или, чтобы она не разлетелась со страшной скоростью, так, чтобы все атомы оказались далеко друг от друга. Точность вот этой начальной подгонки между скоростью расширения и средней плотностью, вот эта вот критическая плотность, так называемая, в самом начале плотность должна была равняться критической с точностью до 10 в минус пятидесятой. То есть единица минус там десять в пятидесятой или даже десять в шестидесятой, не важно. Колоссальная точность. Это вопрос начальных условий. Что могло так точно подогнать начальные условия? Наконец, откуда у Вселенной столько частиц - тоже большая проблема, которая, сразу вот так не видно, откуда взялись эти частицы, потому что по физике - физика нам говорит, что число частиц в расширяющейся Вселенной примерно сохраняется. Они не могли рождаться в процессе и увеличиваться, поскольку она расширяется, то из начального объема их число должно быть очень маленьким. А их очень много. Ну и наконец, что такое вот этот начальный толчок, начало расширения Вселенной?
Ну и на этом этапе теорию Большого взрыва, конечно, приветствовали церковники, теологи и так далее, потому что это вот акт творения в чистом виде, да еще такой тщательно подобранный, подогнанный, что получилась большая Вселенная, хорошо сбалансированная. Акт творения вот налицо.
Но пришли физики и все опошлили. Показали, как это все без Бога прекрасно происходит само собой естественным образом. Это произошло в начале восьмидесятых годов. Это произошла вторая космологическая революция под названием «Теория инфляции».
Вернемся к уравнениям. Ну, еще до уравнений. Вот я говорил, что Вселенная как бы расширяется из точки, из одной точки. Это что, из бесконечной плотности? Или, например, все знают, что такое «Черная дыра», я надеюсь. Черная дыра - это вещество, которое за счет самотяготения коллапсирует, и этот коллапс ничего не может остановить. Для внешнего наблюдателя Черная дыра уходит под горизонт, а для сопутствующего это все должно сжаться в бесконечную плотность. Это называется сингулярностью. Вопрос - действительно ли бесконечность здесь есть? Оказывается, здесь нет бесконечности. Когда мы начинаем привлекать квантовую механику, квантовая механика не разрешает абсолютного покоя, и она не разрешает абсолютной концентрации материи в одной точке. Ну, вы знаете, что электрон в атоме размазан, что его там нет в определенной точке, что он как бы размазан, это волновая функция. Точно так же пространство не может быть бесконечно плотным. При определенной плотности у нас пространство исчезает, классическое пространство. И время исчезает. Появляется вместо классического пространства квантово-механические амплитуды какие-то, которыми мы не умеем работать, потому что там начинаются всякие противоречия, где должна действовать наука под названием «Квантовая гравитация». Это называется «Планковский масштаб». Вот эта вот любая сингулярность должна упереться в этот планковский масштаб. Это соответствует следующим цифрам: плотность- 10 94 грамм на сантиметр кубический Безумная плотность, конечно. Там есть характерная масса- 10 -5 грамма. Если есть частицы, тяжелее, чем 10 -5 грамма, они уходят под свой горизонт, они становятся Черной дырой, вместо того, чтоб быть частицей. Планковская длина - это размер вот такой Черной дыры для 10-5 грамма. То есть понятно, частица находятся под своим гравитационным радиусом, становится Черной дырой. Ну и Планковское время – это, за которое луч света пересекает это размер. То есть, по идее, гравитационный коллапс должен упираться в этот планковский масштаб. Достигнута такая плотность - все, мы дальше ничего не можем сказать, больших плотностей просто не существует, потому что не существует пространства тогда, и времени не существует.
Значит ли это, что Вселенная стартовала от планковского масштаба? Не могло это быть. Потому что тогда бы она была жутко неоднородной, она бы стала совершенно неустойчивой, она была бы везде разной. Это просто арифметический факт. Должно было быть что-то еще. Вот что? И вот люди работали, долгое время, космологи, они этого не понимали - самого начала Вселенной. Как это могло произойти, как могла Вселенная стартовать, как образовались такие начальные условия. Ну вот я разговаривал с такими людьми - я сам занимался другими вещами, в то время,- что они думали, вообще, какова была психологическая ситуация? Ну как - заметали под ковер, грубо говоря, примем это как космологический постулат, вот эти начальные условия, и будем в его рамках работать, чтоб не сойти с ума. Ну, действительно, ситуация была - противоречия торчали все. До начала восьмидесятых годов.
С какой стороны пришло решение? Сам Эйнштейн пытался испортить свои уравнения. Он ввел туда Лямбда-член, который как бы противодействовал сжатию Вселенной. Но он не решал ничего, потому что этот Лямбда-член - да, он противодействовал сжатию, но он был не устойчив. Не он сам был неустойчив, а уравнения с ним были неустойчивы.
Уравнение Фридмана с Лямбда-членом выглядело вот таким образом (на экране). Я не буду подробно комментировать уравнение, потому что, наверняка, здесь много людей, для которых это просто значки, наверное, для большинства даже. Смысл в том, что физика, теория поля, подсказала выход, она дала такую же возможность, как это Лямбда-член. Из физики, из теории поля, можно получить то, что Эйнштейн пытался ввести руками в уравнение, и то, что будет противодействовать схлопыванию Вселенной, то, что будет давать расталкивание Вселенной, антигравитация, грубо говоря.
Что это за физика? Есть разные поля в природе. Все знают, что такое электро-магнитное поле. Вот свет мы видим. Все знают, что такое гравитационное поле - это тяготение. Но могут быть гораздо более простые поля по своей структуре – скалярные поля. Электромагнитное поле характеризуется четырьмя величинами, поэтому называется векторным полем, скаляр одной, поэтому называется скалярное поле. Это как поле температуры, допустим, измеряется градусами в каждой точке, и кроме градусов тут ничего нет.
Так вот, еще в шестидесятых годах стали думать, что, может быть, вся Вселенная заполнена каким-то таким скалярным полем, которое влияет на физику частиц. Оно было нужно для других целей. Оно было нужно объяснить, откуда возникает «зоопарк» частиц с разными массами. И название этого поля, наверное, все слышали когда-нибудь – это поле Хиггса. Квант этого поля- бозон Хиггса-был недавно открыт на Большом андронном коллайдере. И народ думал, что да, Вселенная заполнена однородным скалярным полем, но почему-то у него оказалась плотность энергии равна нулю только. Но она может быть любой. Плотность энергии - такая вещь, про которую заранее никто ничего не может сказать. А если бы было нечто такое в самом начале Вселенной - не поле Хиггса, а какое-нибудь другое похожее поле, плотность энергии которого была колоссальной и не была равна нулю. Вот из сравнения самого Фридмана видно, что оно бы действовало точно так же, как эйнштейновский Лямбда-член. Оно бы расталкивало Вселенную. Для тех, кто знает, что такое производная и самые простейшие дифференциальные уравнения - вот этот член убираем, он действительно мал (уравнение на экране), этого члена не существует, придуманного Эйнштейном, но вот этот, если вот этот- эпсилон – это плотность энергии- постоянна, то что этот член, что этот член - одно и то же, это есть константа. А у поля, у физического поля, заполняющего всю Вселенную, плотность энергии постоянна, и, когда Вселенная расширяется, это поле не меняется, она стоит на месте, и по-прежнему вращающаяся Вселенная, она не меняется. Поэтому имеем уравнение: a - это произвольно выбранный размер Вселенной, масштабный фактор, пропорционален константе, это его производная. Извлекаем квадратный корень, здесь получаем a с точкой, то есть это производная масштабного фактора по времени. Это переносим сюда (показывает на экране), равно константе некой, помноженной на этот масштабный фактор. a с точкой - производная a по времени, пропорциональна a. Я не знаю, может быть, даже в школе уже такие дифференциальные уравнения уже решают, а, может быть, и нет. Самое простое дифференциальное уравнение, которое дает нам какие процессы? Например, размножение бактерий в благоприятной среде, когда нет ограничения по ресурсам. Это экспонента. Или размножение нейтронов при ядерном взрыве – тоже экспонента. Каждое следующее поколение вдвое больше предыдущего. Каждый следующий промежуток времени Вселенная росла, увеличивалась, скажем, в два раза. Этих удвоений было, может быть, огромное число. Это видно, просто глядя на эти простейшие уравнения, это если Вселенная была заполнена неким тяжелым однородным скалярным полем. Это поле никуда не могло исчезнуть некоторое время.
И теперь смотрите, значит, если это было, - сразу понятно, отчего Вселенная однородна. Потому что это поле было везде одинаковым. Кроме него ничего во Вселенной не было. Она из маленькой очень быстро стала огромной и везде одинаковой, и в ней везде было одно и то же поле.
Есть еще разные терминологии. Мы говорим о постоянном физическом поле, заполняющем всю Вселенную, оно неотличимо от того, что мы называем вакуумом. Можно сказать, что это был тяжелый вакуум, тяжелая пустота, тяжелое ничто - термин, который придумал Андрей Линде. И это объясняет то, что Вселенная всюду одинакова. И это объясняет прекрасно точную подогнанность параметров взрыва, она получается автоматически. Это объясняет еще не все, но дальше я еще поговорю, это объясняет, в конце концов, то, откуда взялось столько много частиц.
Вот герои этой самой второй космологической революции. Опять большинство здесь наших. Алексей Старобинский, он сейчас живет в Москве, окончил московский физтех, работает в институте Ландау. Алан Гут - американец, он из Принстона. Вячеслав Муханов - тоже кончил физтех, сейчас в Германии, в Мюнхене, профессор. И Андрей Линде – кончил МГУ, работал в ФИАНе, сейчас в Стэнфорде. Это главные герои, которые сделали вторую космологическую революцию, хотя начиналась она еще чуть раньше. Были люди, которые сделали первые догадки, вот, например, Эраст Глинер- он из Питера, ленинградец- он первым догадался о том, что я рассказывал, что вот физика могла дать, вот теория поля могла дать вот этот самый фактор, который дает нам такую экспоненциально растущую Вселенную, что это Лямбда-член, придуманный и забракованный Эйнштейном, на самом деле, мог взяться из реальной физики, но не из теории, а вот из физики, из материи.
Дальше, в восьмидесятом году, Алексей Старобинский опубликовал работу, в которой предложен правильный механизм, который дает вот эту вот инфляцию экспоненциального расширения. Слово «инфляция» придумано позже, его придумал Гут. Алексей придумал механизм, как вот, откуда мог взяться этот тяжелый вакуум? Причем, он придумал его из первых принципов. Придумал хороший механизм, вставил его в неправильный сценарий. То есть Алексей думал как, что существовало нечто вроде сжатия Вселенной и потом отскока. И вот этот механизм дал этот плавный отскок. На самом деле, люди его тут же поймали на том, что весь этот процесс неустойчивый, не могло быть такого отскока, и что его механизм очень хороший, но его надо использовать не так. Как его использовать, я скажу немножко дальше.
В том же году, буквально, Муханов с Чибисовым сказали следующую вещь: чтобы появились галактики, неоднородности, в однородной Вселенной, единственный возможный механизм для этого, опять же, что вот эта Вселенная экспоненциально расширяющаяся. То есть они сделали свой вклад в ту же сторону. Но их работа не сразу была замечена.
Наконец, наверное, ключевой момент - это Алан Гут публикует хорошую обстоятельную статью, где тоже возникает этот самый механизм, и он придумал термин «космологическая инфляция». Инфляция - это что такое? Это раздувание, в переводе с английского. Инфляция денежной массы - это раздувание денежной массы. Инфляция Вселенной - это раздувание пространства, экспоненциальное.
Алексей опубликовал работу на пяти страницах - формулы, формулы, формулы- очень техническая работа, очень важная. Но, во-первых, через нее трудно продраться, через эту работу, во-вторых, в ней нет такой вот развернутой дискуссии - зачем это все надо. А у Гута все это есть. То есть работа на сорока страницах, очень подробная и мотивированно расписывающая этот механизм весь - зачем это все нужно, и что это дает. И при этом Алан Гут сильно ошибся. Он опять написал неправильный сценарий. У него была совершенно неправильная работа, но совершенно правильные выводы, так скажем.
В космологии очень много таких ошибок в основополагающих работах. Хаббл ошибся в семь раз, но, тем не менее, положил начало реальной наблюдательной космологии. Гамов ошибся, получив случайно правильный результат, но сделал правильную модель. И Хаббл ошибся, написав неправильный сценарий, но очень правильно это все преподнеся людям, разъяснив, зачем это надо, и что из этого получается. И, что очень важно, вот эта работа Алана Гута, она привлекла в космологию очень много физиков, которые там очень много чего полезного натворили потом.
То есть вот, сели говорить о смене парадигмы, появлении новой теории, объясняющей предыдущие парадоксы, то это именно Алан Гут. То есть работа Старобинского, она, конечно, была основополагающей и осталась, но вот эта смена парадигмы была - восемьдесят первый год, Алан Гут.
Очень быстро стало ясно, что сценарий его не работает, что он неправильно там описывает ход вещей. Но это быстро исправили. И главный, кто исправил, - это Андрей Линде, предложив новый сценарий с теми же самыми механизмами, которые действительно работают. То есть фактически он предложил, что все гораздо проще происходит, и что эту инфляцию можно запустить в очень многих разных вариантах. И для этого, на самом деле, не так уж много и нужно. Для этого нужно, чтобы возникла какая-то микроскопическая Вселенная, на коротенький промежуток времени. Размер этой Вселенной может быть там 10 -27 сантиметра, что-то совсем микроскопическое, но важно, чтобы в этом маленьком пузырьке пространства было тяжелое скалярное поле, и чтобы оно было не слишком неоднородным, более-менее однородным, заполняющим этот пузырек. Все. Грубо говоря, этого достаточно, чтобы этот микроскопический зародыш, микроскопический пузырек начал расширяться в каждый следующий промежуток времени, микроскопический, там 10-35 в секунду, чтобы он становился вдвое больше. Вдвое больше, вдвое больше, вдвое больше… И этих двоек может быть очень- очень много: десятки, сотни. А чем это заканчивается? А это заканчивается тем, что это самое тяжелое ничто, пронизывающее Вселенную, оно потихоньку начинает вырождаться, оно начинает скатываться вниз, оно начинает становиться менее тяжелым. Это процесс ускоряющийся, то есть вакуум начинает деградировать, проходит через ноль поля, допустим, попадает, допустим, в отрицательную область, начинает колебаться, колебания все сильней, и разваливается на частицы. То есть инфляция заканчивается, и этот процесс называется Большим взрывом. То есть правильный ответ - что было до Большого взрыва - до Большого взрыва была стадия инфляции.
Значит, смотрите, после, в грани этого поля, что есть Большой взрыв, Вселенная стала горячая, наполненная частицами. В ней вакуум стал обычным. Ну, энергия там маленькая, либо вообще плотность энергии нулевая, этого мы точно не знаем, либо близкая к нулю. А до этого вакуум был тяжелым. Но в ней появилось огромное количество частиц тоже с большой плотностью энергии. Изменилось уравнение состояния Вселенной. До этого у нее была плотность энергии большой, осталась такой же, но энергия изменила вид. До этого была огромная плотность энергии, и в ней было не давление, а натяжение. Знак давления был отрицательным. После Большого взрыва, после этого перехода, давление стало положительным.
Берем, подставляем это все в уравнение Эйнштейна, вернее, в уравнение Фридмана, и видим, что Вселенная, экспоненциальное расширение, перешло на расширение с торможением. Ускоренное перешло в заторможенное. Но расширение продолжилось. И вот вся эта Вселенная, то, что после Большого взрыва произошло, - это основная видимая нами история. А невидимая история, которая все это нам обеспечила, - это вот стадия инфляции.
Теперь, а что было в начале инфляции? Как я сказал, в самом начале была очень маленькая Вселенная какая-то там. Как она появилась, мы не знаем. Но мы можем догадываться. Мы не знаем, потому что мы не умеем работать одновременно с квантовой механикой и с гравитацией. То есть там было то, что теории современной не по зубам. Там было то, что в метафорическом виде было лучше всего сказано Уилером, что это пространственно–временная пена, или планковская пена. То есть возникновение, квантовое, из ничего огромного количества Вселенных, вот так вот исчезающих, тут же коллапсирующих, какое-то количество из которых вдруг были подхвачены инфляцией и начали расширяться. Вот что-то такое, это чисто на уровне метафор. И более точного научного определения этому нет, потому что не существует науки «Квантовая гравитация». То есть все равно самое начало Вселенной - это остается загадкой, но эту загадку отодвинули гораздо дальше, понятно, да? То есть раньше было загадкой, почему Вселенная везде однородная, с чего начался Большой взрыв и так далее. Сейчас все это уже пройдено, и все вопросы отодвинуты гораздо дальше, вот близко к планковскому масштабу. То есть расширилась сфера наших знаний. Сфера незнания никуда не делась, но она отодвинулась довольно сильно.
Многие воспринимали теорию инфляции, как нечто формальное, безумное и так далее, но в девяносто седьмом году было обнаружено, что инфляция во Вселенной идет прямо сейчас, только гораздо более медленная, других масштабов. И с чем это связано - это тоже, наверное, все слышали- это называется «Темная энергия», то , что вызывает современное ускоренное расширение Вселенной. Я об этом еще скажу.
Значит, тогда Вселенная в самом начале – вот эта инфляционная стадия - в два раза увеличивалась за 10-35 секунды. Сейчас она в два раза увеличивается за время порядка десяти миллиардов лет. Это просто совершенно другие масштабы, но механизм похожий. Мы не знаем, что такое темная энергия. Вернее, мы знаем ее параметры, мы знаем ее плотность - это плотность нашего пространства, пустоты - это один грамм в кубе с ребром сорок тысяч километров, то есть это десятки объемов Земли. Это один грамм. Но это доминирует вообще в плотности Вселенной. Вселенная пустая. И вот эта ничтожная плотность - это то, что составляет большую часть содержимого нынешней Вселенной. Так что вот. И мы это точно увидели, что просто видно ускоренное расширение Вселенной, видно, чем оно вызвано. То есть не видно, чем оно вызвано, а видно плотность этого субстрата, который вызывает вот это ускоренное расширение Вселенной. Это 70% содержимого Вселенной, это называется темная энергия. Как она связана с нашей физикой, мы пока не знаем. Это какая-то новая физика.
Здесь я пропускаю несколько картинок, они достаточно сложны. Вот эти ответы я уже сказал.
Значит, инфляция автоматически подготавливает точнейший баланс между скоростью расширения и плотностью Вселенной. Это называется критическая плотность. Всюду одинаково, потому что у всех частей Вселенной, хоть у них не было причинной связи в какой-то момент, но раньше, до начала инфляции, эта связь была. Они все родились из одного маленького пузырька, и все были заполнены одним вакуумом. У них общая биография. Гигантское число частиц. Это я сказал. Это поле рассыпалось на частицы, этот вакуум рассыпался на частицы.
Теперь, еще один интересный факт, что вся эта Вселенная наша, она досталась даром, поскольку ее суммарная энергия равна нулю. В ней полно всякой положительной энергии, эта всякая положительная энергия компенсируется большой отрицательной энергией связи.
Остался еще один вопрос, про который я уже упоминал. Откуда у Вселенной структура? А структуру мы видим. Что такое структура Вселенной? Во-первых, это галактики, это скопление галактик. Но есть еще более крупные структуры. Вот, например, вот этот рисунок сверху (на экране), каждая точка - это скопление галактик. Размер этого рисунка - пара миллиардов световых лет. Мы видим, что это все неоднородно, что это все в каких-то волокнах. На расстоянии где- то 300 миллионов световых лет, больше даже немножко, Вселенная уже примерно однородная, а на меньших расстояниях это такие вот волокна, ячейки. Теперь понятно примерно, как это все образуется. Снизу (на экране) – это результат моделирования на компьютере, на суперкомпьютере, гравитационной неустойчивости Вселенной. Сверху – это реальная карта, снизу - результат моделирования. Ну, примерно видно, что качественно это как-то похоже.
Вот это еще одна карта современной Вселенной в большем масштабе (на экране). Видны всякие ячейки, неоднородности. И вот, чтобы эти неоднородности возникли, чтобы возникли скопления галактик, чтобы возникли сами галактики, неоднородности должны быть в самом начале. Откуда они взялись, эти неоднородности? Если бы их не было, не было бы ничего. И нас с вами, потому что не было бы звезд, Вселенная была бы заполнена газом. Все. Однородным газом.
Откуда взялись неоднородности? Оказывается, инфляция умеет делать и это. И вот как раз Вячеслав Муханов первым это выяснил, в восьмидесятом году, он описал этот механизм и показал, к чему он должен приводить. Это было удивительно. Механизм, на самом деле, уникальный, казалось бы, приводящий в шок. Каждая галактика - это результат квантово-механического эффекта в ранней Вселенной. Мы привыкли, что квантовая механика - это нечто микроскопическое, описывает микроскопические системы: атом и так далее, какие-нибудь там фононы в веществе. А здесь гигантские системы. Как это все получалось? Квантовая механика говорит, что ничто не может быть в покое. Наше пространство - теория поля, квантовая теория поля, говорит, что наше пространство заполнено колебаниями всех полей. Мы этих колебаний не видим, потому что они компенсируют друг друга. Потому что они все, всякие - на всякое колебание с одной фазой найдется колебание с противофазой. Они друг друга погасят.
А если мы им устроим какой-нибудь дисбаланс? А как мы им устроим дисбаланс? Будем что-нибудь очень быстро менять. Допустим, включим какое-то поле или какое-нибудь движущееся столкновение двух объектов. Вот эти вот колебания поля - нулевые колебания они называются, они переходят в реальные колебания полей, если что-то быстро меняется, появляются частицы, появляются неоднородности. На привычном языке они называются флуктуациями. Так вот, если Вселенная очень быстро расширяется – это то же воздействие. И нулевые флуктуации поля, полей всех, не успевают за этим расширением. Чтобы им скомпенсироваться,- они хотят скомпенсироваться в старом пространстве - оно вдвое расширилось. Они превращаются в реальные неоднородности, все эти начальные колебания. Они превращаются в реальные неоднородности плотности пространства. Там еще, на стадии инфляции. И они все очень- очень маленькие вначале.
Теперь смотрите, родилась маленькая неоднородность, а пространство расширяется. И пространство растягивает эту неоднородность. Пока она растягивается, там возникла еще одна маленькая, которая тоже начала растягиваться. Это, как конвейер, который из маленьких неоднородностей делает большие. Он растягивает их. Он растягивает, сохраняя амплитуду. Вот здесь вот (изображение на экране) было превышение средней плотности, допустим, на одну стотысячную. Оно стало большим, но оно так и стало – одна стотысячная, на нем еще сидят другие, меньшие неоднородности, размером тоже одна стотысячная, и случайно складываются. И вот этот конвейер готовит нам широкий спектр неоднородностей, именно расширение пространства.
Потом произошел Большой взрыв, экспоненциальное расширение закончилось, а эти неоднородности никуда не делись, они перешли в неоднородности плотности частиц. Более того, при Большом взрыве получается, что они усилились. Порядка на полтора, может быть, на два порядка они усилились. Просто это из-за неких довольно сложных процессов, которые там происходят, видно, что эти неоднородности усиливаются при переходе от стадии инфляции к стадии горячей Вселенной.
Вселенная продолжает расширяться уже по сценарию Фридмана, горячая Вселенная, и на каком-то этапе эти неоднородности с контрастом одна сотая начинают расти за счет самотяготения. Включается гравитационная неустойчивость. Они растут-растут и они вырастают до того, что входят в нелинейную стадию и начинают расти быстро, и из них-то, из больших, и вырастают - сначала первыми из них вырастают гигантские звезды, потом галактики, потом скопления галактик, потом крупномасштабная структура. Это все рост начальных незначительных квантовых возмущений, которые были сначала квантовыми, потом закрепились, потом растянулись и потом усилились за счет гравитационной неустойчивости. Так возникла вся структура Вселенной.
Теперь еще одна важная вещь. Кроме того, что Муханов с Чибисовым –это была работа Муханова с Чибисовым, но основные вычисления сделал Муханов- кроме того, что они показали, что вот этот механизм работает, получаются такие возмущения, они также посчитали их спектр. Что это значит? Что такое спектр? Есть большие возмущения, большого масштаба, есть маленькие. Вопрос: у них одинаковая амплитуда или разная, контраст? Первый вариант ответа - она одинаковая, потому что они все растягивались одним процессом, инфляция. Это первое приближение. Но, на самом деле, второе приближение, что инфляция в конце своем тормозилось, и из-за того что она тормозилась, между ними есть маленький перекос. Вот этот конвейер притормаживался чуть-чуть. Поэтому оказывается, что у больших флуктуаций, больших по размеру, амплитуда должна быть чуть больше, что этот эффект небольшой, если, скажем, плоский спектр, когда все амплитуды одинаковы, описывается параметром «единица» с степенным наклоном, то здесь должно быть - ноль девяносто шесть. Это Муханов сделал такое предсказание. Оно было четким, но оно оказалось чисто академическим. Ну да, ну вот такой спектр, но мы все равно это никогда не увидим и никогда не узнаем. Ну и что с того? И только лет через двадцать стало понятно, что увидим нужное, может быть. И это очень важно.
Теперь, смотрите, я рассказал про реликтовые излучения. На самом деле, это очень важный инструмент для того, чтобы попытаться понять, что было в самом начале Вселенной. Это реликтовые излучения с момента 380 тысяч лет – с возраста Вселенной, 380 тысяч лет, - путешествует по прямой. Вселенная для него стала прозрачной, а раньше была не прозрачной. Но что это значит, это значит, у нас есть снимок ранней Вселенной в возрасте 380 тысяч лет. Снимок Вселенной. И она уже тогда должна была быть немножко неоднородной. Уже тогда в нашей Вселенной должны были быть неоднородности контрастом одна тысячная, если меньше, то не получается никаких галактик. Значит, и в реликтовом излучении мы должны видеть неоднородную картинку эту. Правда, как выяснилось, меньшего контраста. То есть вот этот уровень 10-3 прошли, и все однородно, 10-4 – все однородно.
Тут пришла на помощь темная материя. Потому что темная материя - какое-то вещество, нам не известное, которого во Вселенной много, но которое очень плохо взаимодействует со светом и с обычным веществом, вообще никак, только через гравитацию, через тяготение. Свет его не чувствует. И поэтому было сказано так: 10-3 – это в темной материи. Она первая начинает сгущаться. Темная материя начинает комковаться. А у вещества большое давление, оно не могло скомковаться за этой темной материей, оно осталось более однородным. Поэтому контраст 10-3 тогда в темной материи, но в обычной материи все равно должен быть контраст типа 10-5 и одна стотысячная. В какой-то момент его не видели, и в какой-то момент началась напряженка: вроде мерили - было все однороднее. Было нервное время, что вся наша космология может полететь к черту. И в девяносто втором году получили хорошую карту этого реликтового излучения, это американский спутник «КОБЕ», в котором этот контраст, 10-5, и выплыл, он стал виден, все вздохнули с облегчением.
Но настоящая революция, наблюдательная, произошла позже. Это уже наше тысячелетие. Были запущены два великолепных телескопа, микроволновых, в космос. Это «WMAP», американский, и позже был запущен «Планк», европейский (на экране). Вот это кусочки неба, снятые одним и другим. Ну, видно, что «Планк» гораздо лучше, там четче картинка, но все «сливки» успел снять» WMAP». То есть на основе данных «WMAP» уже вся космология была сделана, а данные «Планка» всю эту картину только уточнили.
Значит, что они намерили, эти телескопы? Они намерили вот такую карту неба (изображение на экране) в микроволновых лучах. Но эта картинка - что такое - ее надо как бы мысленно обернуть вокруг головы. То есть это вся сфера небесная спроектирована на плоскость вот таким образом. Ну, есть такие проекции Земли даже, но я не помню, как она называется. Это все небо. Это рисунок контрастный, а на самом деле он не контрастный. На самом деле контраст тут всего одна стотысячная, но как бы постоянная величина вычтена, и то, что вокруг этой стотысячной- вверх- вниз – вот здесь изображено. Здесь вычтена Галактика, здесь вычтено из-за того, что Земля движется вместе с Солнцем и с Галактикой, одна часть неба ярче другой - это так называемый диполь, происхождение его тривиально, - это вычтено. И осталась хорошо почищенная картинка от внешних источников. Много здесь, чего почищено, и осталась вот эта вот картинка.
Что на ней видно? Тут много люди, чего пытались здесь увидеть. Вот здесь, если курсор виден (показывает на экране), вот здесь буква S и здесь вот менее ясная буква H- инициалы Стивена Хокинга. Здесь есть какие-то «пальцы», здесь есть аномальное холодное пятно. Люди увидели здесь концентрические кольца, которые должны появиться в одной из космологических теорий, именно Роджера Пенроуза, который говорит, что там во Вселенной предыдущие этапы связаны с последующими, и след предыдущей Вселенной должен быть виден в виде концентрических колец на этой карте. Нашли эти концентрические кольца. Весь этот бизнес продолжался, пока четверо людей - вот авторский коллектив, все начинаются на буку Z - все реальные люди, то есть ничего выдуманного нет. Они так подобрались, и первого апреля, только не четырнадцатого, а двенадцатого года, по-моему, опубликовали статью, где они здесь нашли «самйлик», «антисмайлик», лик «Христа на Туринской плащанице» и много чего еще, теми же методами. Это все бред сивой кобылы, эти все прямые наблюдения здесь каких-то структур. Более того, есть сильное теоретическое утверждение о том, что, если эта картина произошла в результате наложения независимых флуктуаций плотности, здесь в принципе ничего нельзя увидеть, это так называемое свойство гауссовости.
Тем не менее, на самом деле, из этой картины следует очень много, только смотреть надо не так. Как на это дело все надо смотреть? Первым догадался Андрей Дмитриевич Сахаров, что при Большом взрыве начинаются интересные эффекты, именно, ходят звуковые волны, эти звуковые волны имею общую фазу - они стоячие, они все стартовали с максимумов, у них одна и та же фаза, но разная частота. И это значит, что к моменту рекомбинации вот этой, 380 тысяч лет, этот детский снимок Вселенной, разные звуковые колебания пришли в разной фазе. Те, что пришли в фазе один период- 2π, у них максимальная амплитуда или π , у них тоже максимальная амплитуда только противоположного знака. Те, что пришли в фазе π/2, - они попали в ноль, или 3π/2 там, 5π/2 – в нечетной фазе все они попадают в ноль, а те, что в четной фазе, они попадают в максимуме. И, следовательно, пятна определенного размера должны иметь высокий контраст, пятна другого размера должны иметь маленький контраст. Что надо сделать, значит? Надо разложить эту карту неба по пятнам разного размера.
Многие слышали, что такое Преобразование Фурье. Это здесь надо сделать двумерное преобразование Фурье. Научно это называется разложение по мультиполям. Менее научно это называется, ну так, скажем, вот картинка (на экране), которая изображает контраст пятен разного размера. На самом деле, это более сложное разложение, но примерно это так.
Смотрите, вот один градус, пятна размером один градус, имеют максимальный контраст на этой картинке. А пятна размером, скажем, пять градусов или десять градусов, это левая часть (изображения), гораздо ниже. А потом снова, видите, вот это вот, как раз предсказанное Сахаровым -осциллирующая кривая. Она взялась оттого, что разные волны приходят в разной фазе: одни в нулевой, другие в максимальной. И это мы наблюдаем, разложив вот эту картинку по контрастам пятен разной величины.
Теперь, смотрите, точки – это наблюдения «Планка» здесь вот (на изображении), а здесь, в хвосте, наблюдения наземных микроволновых телескопов. Синяя кривая – это теория. Эта теория имеет подгоночные параметры. Но этих подгоночных параметров всего шесть штук, на самом деле. И причем эти параметры очень разумные. Какие они? Это, во-первых, амплитуды вот этих начальных неоднородностей. Получается типа 10-5, это амплитуда примерно про то, что я говорил. Они потом приработались, на разных масштабах стала амплитуда другой.
Вот этот самый наклон спектра неоднородностей, который считал Муханов, - это еще один подгоночный параметр. Доля обычного вещества во Вселенной - это еще один подгоночный параметр. То есть, смотрите, какие они все фундаментальные. Дальше, доля темной материи. Наконец, кривизна Вселенной, ну или то же самое, это у нас будет однозначно связано с количеством темной материи. Кривизна в теории инфляции должна получиться ноль, она и есть ноль по измерениям. Ну и еще один параметр – оптическая толща электронов.
Смотрите, вот эти шесть параметров, которые очень естественны, на самом деле, они дают согласие, прекрасное, вот такой сложной кривой, со сложными экспериментальными данными, со многими максимумами.
Я вам скажу, пользуясь своим опытом, что, на самом деле, подогнать вот этот пик (на изображении) с этой подложкой, не зная, что там происходит, вот так вот феноменологически подогнать: берем Гаусс, искажаем его, меряем амплитуду, асимметрию даем, подложку вычисляем. Это уже шесть параметров, только, чтоб подогнать один этот главный пик. А здесь шестью параметрами подогнана такая жутко сложная кривая. Но это, извините, триумф. Это как шестью выстрелами убить сорок зайцев. Как это вообще возможно? Меня это поражало в свое время. И сейчас поражает. Это значит, люди очень хорошо понимают, что вот в этой ранней Вселенной происходило, и умеют это численно считать очень точно.
Ну что ж, это и есть, я считаю, один из научных триумфов последнего времени. Очень хорошие знания о ранней Вселенной. Космология стала точной наукой.
Что дала эта подгонка? То есть все получилось нормальным, более того, все получилось, как и предсказывали, в том числе и Муханов. Он мне говорил, что я там общался с человеком, который обрабатывает данные «WMAP», они заложили плоский спектр, а я им говорю, попробуйте спектр с наклоном 0.96 вместо единицы. Но он мне отвечал, да что у нас плоский, и так все опишет, он естественный. Потом, говорит, через некоторое время тот человек признался, у него волосы встали дыбом, когда он увидел, что 0.96 дает гораздо лучшее согласие, чем единица. Это именно то, что предсказывает теория инфляции, это одно из триумфальных предсказаний, потому что оно было неочевидно, оно было нетривиально. Тривиальное предсказание – это плоский спектр. Сбылось нетривиальное. Сейчас уже с хорошей значимостью. И все остальные параметры оказались поддерживающими теорию инфляции.
Теперь смотрите, вот эти предсказания, что Вселенная плоская, это значит, что она огромная, она растянулась на огромное расстояние; неотличима от плоской, так и есть, с точностью 1%, то есть размер Вселенной, по крайней мере, в сто раз больше, чем размер до горизонта Вселенной.
Наклон спектра - триумф тоже. Еще другие свойства: свойство адиабатичности и гауссовости. Не буду объяснять, что это такое, но, в общем, это тоже все прекрасно подтвердилось. В других моделях это может быть не так.
Одного подтверждения нет до сих пор. Потому что теория инфляции предсказывает, кроме всего прочего, еще существование реликтовых гравитационных волн. Два года назад возникла сенсация: реликтовые гравитационные волны открыты. Это установка на Южном полюсе (на фото). Прямо Южный полюс. Один из этих телескопов - вот который справа (на экране) - это микроволновый телескоп «BICEP 2», который очень хорошо изучает поляризацию реликтового излучения. Еще в восьмидесятых годах Александр Полнарев - тоже кончил физтех, мой друг, сейчас в Лондоне – подсказал, как выделить из реликтового излучения эти реликтовые гравитационные волны - по его поляризации. Определенная картина поляризации. Такие вот завитки (изображение на экране) в поляризации, и «BICEP 2» именно их увидел. И уже к основоположникам теории инфляции, несмотря на подозрительно большой эффект, вот уже к Андрею Линде пришел под камеру человек с бутылкой шампанского, постучал, и вот он под камеру сказал об открытии, налили шампанского - это все была постановка. И вот тут, на снимке (на экране) они с Аланом Гутом пьют шампанское. Я как раз тогда писал книжку про всю эту историю, с Андреем контачил, я ему сказал, что надо подождать. Но я поздно это сказал, то есть шампанское они уже выпили, что есть подозрение, там подозрительно большой эффект, узкая полоса, я тут же позвонил человеку, который в команде "Планка" этим занимается - Павел Носельский, он сказал, что чушь собачья, что это никакие не гравитационные волны, что это пыль. И они видят эту пыль. Просто эта команда «BICEP 2» недооценила фоновый эффект, а именно, железную пыль в нашей Галактике, не так далеко. В Галактике полно всякого турбулентного магнитного поля, в Галактике полно всяких железных пылинок. Эти пылинки ориентируются по этому магнитному полю и излучают поляризованное излучение, которое своим хвостом залезает как раз в эту область, где реликтовые излучения. И оно как раз дает эту картинку, такую же ровно, как должны давать гравитационные волны, она их сымитировала. Но это не значит, что мы никогда не выпьем шампанского, что эти гравитационные волны не будут найдены, есть очень сильные основания предполагать, что через сколько –то лет их найдут все-таки. Теория инфляции будет подтверждена уже окончательно и бесповоротно.
Что я еще упустил. Андрей Линде, опять же, в восемьдесят шестом году понял важную вещь, вот разрабатывая эту теорию инфляции, пытаясь исправить сценарий Алана Гута, что инфляция, если стартовала, то она не может остановиться на рождении одной Вселенной. Она рождает бесконечное множество Вселенных, идет такой ветвящийся процесс. На что он похож? На пузырение. Вот я говорил: Вселенную можно представить как вот такой пузырь, если мы отбросим одну из координат. Но процесс идет как, что на этом пузыре начинают расти дочерние пузыри, на них начинают расти новые пузыри. И так образуется целая иерархия Вселенных, и она нигде не кончается. Вот это вот бесконечное ветвящееся дерево. Потом эти перемычки сжимаются, превращаются в кротовые норы, через которые там, согласно авторам «Интерстеллара» можно прыгать, а на самом деле, скорее всего нельзя, потому что там сингулярность, и скорее всего эти кротовые норы испаряются со временем. Но процесс бесконечный, бесконечно много Вселенных. Эти Вселенные могут быть разные.
Вот рисунок Андрея Линде (на экране). Когда работали с одной Вселенной, там возникали всякие проблемы. Допустили, что их бесконечное количество. Все проблемы решаются. Бог, значит, пытается «надуть» Вселенную, Дьявол ему мешает - сверлит. А как только Бог догадался, что Вселенных должно быть бесконечно много, Дьявол в бессилии машет руками.
Эта вещь - это бесконечное множество Вселенных - связана еще с одним очень важным мировоззренческим вопросом - это антропный принцип. Мы видим, что законы природы в нашей Вселенной идеально «подогнаны» для существования человека. Если что-то изменить немножко, пропадают, перестают светить звезды, пропадают тяжелые элементы, не могут образовываться химические структуры сложные, то есть только какой-то очень узенький островок параметров физических дает возможность возникновения развитой жизни. Ну, тут два варианта: либо Бог-создатель, который так все подогнал, либо - бесконечное множество разных Вселенных. И в каких-то из этих Вселенных подберутся подходящие условия. Случайным образом. Бросанием монеты, грубо говоря. Потому что есть много оснований полагать, я не буду об этом уже сейчас распространяться, что законы физики, все вот физические константы, кроме, может быть, некоторых, самых фундаментальных, при рождении Вселенной, где –то в самом начале, генерируются случайным образом. К этому есть мощные теоретические предпосылки. И это все объясняет антропный принцип - почему Вселенная так хорошо «подогнана» под нас, потому что Вселенных много, все они разные, и там, где нехорошо «подогнано», там некому задать этот вопрос.
Вот на этом я заканчиваю. Давайте вопросы.
Последняя фраза меня заинтересовала. Это вот означает ли, что в соседних Вселенных, других Вселенных, существуют иные физические принципы, отличные от наших?
Да, конечно, конечно. Не принципы, а константы другие. Например, когда-то в нашей Вселенной законы физики были гораздо проще. Не было вот этих разных электро-магнитных сильных, слабых взаимодействий, были одни взаимодействия, потом эти законы расщепились на разные. И возможно, возможно, что были такие вот изменения - это называется «спонтанное нарушение симметрии». Вначале все было очень симметрично, потом стал меняться вакуум Вселенной. Вот я говорил, был тяжелый вакуум, потом он рассыпался, при этом изменилась физика, возникла более сложная физика, и могло быть так, что эти изменения были случайными, то есть могло выпасть так, а могло выпасть иначе. То есть есть случайность. В «теории струн» есть случайность, как получаются разные законы физики. Поэтому это все да, физически обосновано, действительно, они разные, да.
Спасибо за выступление. Вопрос такой. Вот почему мы до сих пор видим реликтовое излучение? По идее оно, спустя столько лет, должно переместиться куда-то к границам Вселенной?
Нет, оно везде. Оно везде. Это опять вот это непонимание геометрии замкнутой Вселенной. Значит, смотрите. Убираем к черту одно из измерений - третье. Пускай Вселенная наша двумерная. Пускай она выглядит, как замкнутый шарик. Шарик расширяется. Вначале весь шарик был заполнен излучением, туда-сюда летящим, он расширяется, он так же и остается заполненным этим излучением. Отсюда фотон улетел, прилетел другой оттуда, отсюда прилетел третий (показывает руками разные направления). Эти фотоны так и летают по этой сфере, но они заполняют все равномерно все время.
Так получится вероятностная картина, то есть вообще структуры никакой. Они будут летать…
А так и есть. Они летают ото всюду, но они летают по прямой. И вот этот фотон прилетел - мы можем проследить откуда он прилетел, и посмотреть, какая там была плотность, сколько оттуда с ним прилетело еще других фотонов. Они летают по прямой. Эту прямую мы видим, мы ее восстанавливаем. Мы видим, что было там, именно по эти фотонам. Оттуда прилетело столько-то, отсюда прилетело, да, они так и летают, но они помнят эту картину, откуда они летели.
Спасибо!
Скажите, пожалуйста, вот на картинке «Реликтовые излучения» вы показывали справа внизу холодное пятно, сверху пустота Эридана. Что она из себя представляет, почему она аномальная? Это что какой-то топологический дефект или какие-то погрешности измерения?
Да нет, скорее всего, выброс просто. Он довольно сильный, говорят, что его вероятность там типа одной тысячной. Но, понимаете, там в этой картинке много чего есть разного. То есть это просто аномальная, потому что вероятность маленькая, и случайно это. Но картинка сама по себе богата. Там могло быть много чего аномального в разных вещах. И что где-то мы получили что-то с вероятностью одной тысячной, это, на самом деле, ничего удивительного.
Чудес нет.
Чудес нет. Да, чудес нет.
И специально его как-то пытаться объяснять вовсе не надо. Тут была другая, более серьезная проблема, что слишком низка была неоднородность крупномасштабная, квадруполь, октуполь. Там, действительно, тоже получалась маленькая вероятность, но потом поняли, что это просто дефекты обработки, то есть с вычитанием галактик связано и так далее, наводки отсюда.
Скажите, пожалуйста, возможно ли, что в других галактиках, при других физических законах существуют какие-то другие формы жизни?
В других Вселенных. Потому что в соседних галактиках те же законы. В других Вселенных другие законы. Конечно! Там может быть все, что угодно, там могут быть другие островки стабильности. Вот у нас такой набор параметров - он оказался благоприятен для человека. Никто не может исключить какого-то другого островка, других значений параметров, где все равно происходит что-то интересное, но другое. То есть какие-то другие островки, которые дают другие сложные структуры, но до которых мы догадаться не можем. Запросто! Ответ такой.
Добрый вечер, спасибо за интересную лекцию. Такой вопрос. У вас на одном из слайдов было отмечено, и вы также говорили об обнаружении гравитационных волн. А вот в сентябре 2005-ого «LIGO» не обнаружила?
Это не те гравитационные волны. «LIGO» обнаружила астрофизические гравитационные волны, которые испустили астрофизические объекты, именно две Черные дыры, которые слиплись. Происхождение этих гравитационных волн (на экране)- это совсем другое. Это период инфляции, они сгенерировались, и их таким образом, такими детекторами, их обнаружить никак не возможно. Только вот по реликтовому излучению. Только так. Это совершенно разные масштабы.
Спасибо за лекцию.
Вот у Капицы шарик лопнул…
Да.
Вот перспектива Вселенной в чем заключается?
Есть два варианта, разумных. Есть третий вариант - дикий- он называется «Большой разрыв», но это теоретические спекуляции, рассчитанные на то, что журналисты подхватят и напугают население. То есть, на самом деле, это совершенно не реалистичный вариант. Реалистичных два. Первое. Я вам задал вопрос: что такое «Темная энергия», на который пытались ответить, но который неизвестен: это вакуум или это физическое поле? Если это вакуум – он стабилен. Вакуум по определению стабилен. Вселенная будет все время расширяться с ускорением. Наша галактика никуда не денется, наше скопление галактик никуда не денется, оно останется связанным, но уже там через 30 миллиардов лет соседние скопления улетят за горизонт, они станут не видны. Останется во Вселенной под горизонтом только наше скопление галактик, то есть Вселенная будет расширяться и так до бесконечности.
А внутри Вселенной может зарождаться новая Вселенная?
Сейчас.
Не такой простой, на самом деле, ответ. Другой вариант. Если это поле физическое, которые скатывается, в режиме медленного скатывания, так называемого, которое уменьшается потихоньку. Оно может рассыпаться на частицы новой природы огромного объема, ничтожной массы, и создать структуры, которые создадут структуры тоже гигантского объема, ничтожной температуры, ничтожной плотности. Это будет как бы новый Большой взрыв, но в других масштабах. Режим расширения Вселенной изменится. От экспоненциального перейдет к степенному, то есть она будет с торможением, и опять она будет горячей, но уже на совершенно других ничтожных температурах. Будут одновременно существовать две иерархии материи: наша и «та», которой пока что нет. Появится новая физика, которой пока что нет. Это следующий Большой взрыв.
Что касается Вселенных в нашей, вот сейчас из нынешней Вселенной родить новую, самый простой путь - это Черные дыры. Вещество коллапсирует, что там внутри происходит, мы не знаем. Знаем, что оно упирается в «Планковский масштаб». А что такое «Плансковский масштаб»? Это уйма возможностей, в том числе и рождение новых Вселенных. То есть из каждой Черной дыры могут вести кусты новых Вселенных, которые от нас скрыты под горизонтом, мы их никогда не увидим. Ответ такой.
Спасибо!
Спасибо большое за лекцию. Очень интересно и познавательно. Я- физический факультет, Воронежский университет. Вопрос такой: слышал предположение, теория такая, что гравитационное поле, темная материя, темная энергия - это некое прогибание какой-то параллельной Вселенной под нашу, и вот масса, которая в параллельной Вселенной настолько велика, что она попадает в нашу Вселенную, но мы ее не видим, так как она находится в другой Вселенной, в параллельной. Согласуются ли эти теории вот с нынешней теорией инфляции? Спасибо.
Это скорее бизнес, чем теория. Речь идет о таких вещах, которые в каких-то предположениях могут работать. Эти предположения довольно искусственные. Да, это альтернатива теории инфляции - столкновение, скажем, разных бран. То есть это все связано с Вселенной на бране, то есть, что есть дополнительные большие измерения. Да, мы живем на пленке. С точки зрения Уильяма Оккама - «бритва Оккама»- все это очень некрасиво и неаккуратно. Оккам был бы против. То есть там множество дополнительных ненужных сущностей привлекается. Это бизнес. И, кстати, Андрей Линде очень резко настроен против этих людей. Это Пол Стейнхардт, там турок, который продвигает это все.
Ну, не знаю, я здесь на стороне Андрея Линде, хотя у меня гораздо ниже квалификация, я меньше понимаю, я как бы посторонний наблюдатель. С точки зрения постороннего наблюдателя - прав Линде, а все это чисто бизнес, а не наука.
