Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - читать онлайн книгу. Автор: Йен Стюарт cтр.№ 75

Среди предсказаний Эйнштейна, сделанных более столетия назад, было существование гравитационных волн, порождающих в пространстве-времени рябь, как на поверхности пруда. Если два массивных тела, таких как черные дыры, стремительно носятся друг вокруг друга, они производят возмущения в космическому пруду и порождают заметную рябь. В феврале 2016 года ученые из программы обсерватории гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) объявили об обнаружении гравитационных волн, вызванных слиянием двух черных дыр. Инструменты LIGO представляют собой пару четырехкилометровых труб, выставленных под прямым углом в форме буквы L. Лазерные лучи ходят вдоль труб, многократно отражаясь, и интерферируют друг с другом в месте перегиба L. Если проходит гравитационная волна, длины труб чуть меняются, и это влияет на интерференционную картину. Установка может зарегистрировать сдвиг на одну тысячную размера протона.

Сигнал, зарегистрированный LIGO, соответствует релятивистскому предсказанию для спирального сближения и столкновения между двумя черными дырами с массами 29 и 36 масс Солнца. Этот результат открывает новую эру в астрономии: LIGO — первый успешный гравископ, наблюдающий космос посредством гравитации, а не света.

Это замечательное гравитационное открытие не дает никакой информации о наиболее спорных квантовых свойствах, отличающих традиционные черные дыры от их гипотетических альтернатив, таких как «пушистый шар», файервол или гравастар. Зато его потомки, вынесенные в космос, смогут увидеть не только столкновения черных дыр, но и менее яростные слияния нейтронных звезд; по идее, они должны помочь нам разгадать эти загадки. Между тем LIGO выявил новую загадку: короткий всплеск гамма-излучения, связанный, судя по всему, с зарегистрированной им гравитационной волной. Существующие теории слияния черных дыр этого не предсказывают ^[75].

Мы уже привыкли к существованию черных дыр, но они обитают в царстве, где перекрываются и сталкиваются теория относительности и квантовая теория. Мы попросту не знаем, какой физикой там следует пользоваться, поэтому космологи, как могут, управляются с тем, что есть под рукой. Последнее слово в вопросе черных дыр еще не сказано, и нет причин полагать, что наши нынешние представления о них полны или верны.

КАК ВЫГЛЯДИТ ВСЕЛЕННАЯ? НАСКОЛЬКО ОНА ВЕЛИКА? КАКУЮ ФОРМУ ИМЕЕТ?

Об ответе на первый вопрос нам кое-что известно, и этот ответ совсем не похож на то, чего первоначально ожидали от Вселенной астрономы и физики. На самом крупном из доступных нашему наблюдению масштабов Вселенная похожа на пену в тазике, где развели воду с моющим средством. Пузыри в этой пене — это гигантские пустоты, войды, не содержащие почти никакого вещества. Мыльные пленки вокруг пузырьков — те места, где скапливаются звезды и галактики.

Как ни печально, но предпочитаемая нами математическая модель пространственной структуры Вселенной предполагает, что вещество в ней распределено равномерно. Космологи утешают себя тем, что на еще более крупных масштабах отдельные пузыри становятся неразличимыми и пена кажется довольно однородной, но мы не знаем, действительно ли вещество во Вселенной ведет себя именно так. До сих пор всякий раз, когда мы начинали рассматривать Вселенную в более крупном масштабе, чем прежде, мы обнаруживали в ней еще большие сгустки и пустоты. Возможно, Вселенная в принципе неоднородна. Возможно, она представляет собой фрактал — объект, имеющий детальную структуру во всех масштабах.

По второму вопросу — о размере Вселенной — у нас тоже есть кое-какие соображения. Звезды — это не точки на полусферической чаше, которая возвышается над Землей, как считали некоторые древние цивилизации и в чем уверяет, кажется, книга «Бытие». Это дверь во Вселенную настолько огромную, что она кажется бесконечной. Более того, она может оказаться бесконечной на самом деле. Многие космологи именно так и думают, но трудно представить себе, каким способом можно было бы научно проверить это утверждение. У нас есть достаточно полное представление о том, насколько велика наблюдаемая Вселенная, но дальше — как можно хотя бы подступиться к этому вопросу?

Третий вопрос — о форме — вызывает еще больше споров и сомнений. В настоящий момент согласия по этому вопросу нет, хотя чаще всего ученые склоняются к самому скучному варианту — сфере. Давно существует тенденция считать Вселенную сферической — внутренней частью громадного шара, состоящего из пространства и вещества. Но в разные моменты недавнего прошлого считалось также, что Вселенная по форме представляет собой спираль, бублик, продолговатый мяч для регби или неевклидову геометрическую фигуру, известную как рог Пикара. Эта фигура может быть как плоской, так и с кривизной. Если так, то ее кривизна может быть положительной или отрицательной, а может меняться от одного места к другому. Фигура вселенной может быть конечной или бесконечной, односвязной или полной отверстий — или вообще несвязной, когда она распадается на отдельные области, в принципе не взаимодействующие между собой.

* * *

Большую часть Вселенной занимает пустое пространство, но немало в ней также и вещества — это порядка 200 миллиардов галактик с 200–400 миллиардов звезд в каждой ^[76]. Важно, как распределено это вещество: сколько его содержится в каждой отдельно взятой области, поскольку Эйнштейновы уравнения поля связывают геометрию пространства-времени с распределением вещества.

Вещество во Вселенной совершенно точно не размазано равномерно на тех масштабах, которые мы наблюдаем, но это открытие совершено лишь несколько десятков лет назад. До этого все сходились во мнении, что выше масштаба галактик общее распределение вещества во Вселенной кажется равномерным — примерно как газон выглядит гладким и однородно зеленым, если вы не видите на нем отдельные травинки. Но на самом деле наша Вселенная больше похожа на газон с большими грязными прогалинами и отдельными участками клевера, что порождает новую неоднородную структуру на более крупном масштабе. А если вы пытаетесь сгладить эту неоднородность еще более широким взглядом, газон вообще исчезает и на его месте появляется автостоянка при супермаркете. Или, выражаясь более прозаически, в космическом распределении вещества прослеживается явная тенденция к комковатости на самых разных масштабах.

Если говорить о ближайшей к нам области пространства, то большая часть вещества в Солнечной системе слиплась воедино и образовала звезду — Солнце. Есть, конечно, и более мелкие комки вещества — планеты, и еще более мелкие — луны, астероиды, объекты пояса Койпера… плюс всевозможные камни, камешки, пылинки, молекулы, атомы, протоны. Двинувшись в другом направлении — в сторону более крупных масштабов, мы обнаруживаем другие типы комковатости. Несколько звезд могут быть гравитационно связаны между собой и образовывать двойную или кратную звездную систему. Рассеянные скопления — это группы из тысячи или около того звезд, сформировавшихся примерно в одно время из одного и того же коллапсирующего молекулярного облака. Рассеянные скопления встречаются в галактиках; в нашей Галактике их известно около 1100. Шаровые скопления состоят из сотен тысяч старых звезд, собранных в громадный шар с нечеткими границами; как правило, такие скопления выглядят как спутники, обращающиеся вокруг галактик и играют роль их спутников. У нашей Галактики известно 152 подобных спутника, а всего их у нее, возможно, около 180.