Гипотезы теории факты 141

Гипотезы теории факты 141

Что было до взрыва?
В 1960 году любопытную гипотезу выдвинул американский физик-теоретик Джон Уилер. Согласно его предположению, когда-нибудь нынешнее расширение Вселенной сменится сжатием в сингулярность. После этого произойдет взрыв, и Вселенная вновь станет расширяться… И такие процессы будут продолжаться до бесконечности. Такой взгляд на эволюцию мироздания получил название теории «пульсирующей Вселенной».
Другая гипотеза предполагает существование так называемой протовселенной. То есть в соответствии с ней еще до Большого взрыва из ничего должна была появиться материя. В основе этой точки зрения лежат белые дыры — теоретические антиподы черных дыр. Именно из белых дыр в противоположность черным, материя должна истекать в неограниченном количестве со скоростью света. То есть, иначе говоря, она должна появляться из ниоткуда. И хотя эта теория объясняет некоторые загадки Вселенной, в частности ее неоднородность, она пока не может быть принята на том основании, что до сих пор не обнаружено ни одной белой дыры.
Физик Нейл Турок — один из создателей модели открытой инфляционной Вселенной
В 1981 году американским астрофизиком Аланом Гусом была предложена еще одна гипотеза — инфляционная, тоже пытающаяся ответить на вопрос: что было до Большого взрыва?
Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся и значительно перегретой Вселенной какой-то небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться быстрее остальных. Этот процесс можно в некотором приближении сравнить с тем, как переохлажденная вода стремительно замерзает, при этом расширяясь.
То есть в первые доли секунды после Большого взрыва расширение происходит в форме не арифметической, а геометрической прогрессии, то есть степенной закон расширения меняется на экспоненциальный. При этом расширение происходит с огромной скоростью: за малую долю секунды крошечная область поперечником меньше атома раздувается до размеров, превышающих наблюдаемую сегодня часть Вселенной.
Однако в статье, появившейся в журнале «Сайентифик Америкэн» в 1984 году, Гус и Штайнгарт в отношении своей гипотезы сделали следующее замечание: «Инфляционная модель Вселенной дает нам представление о возможном механизме, при помощи которого наблюдаемая Вселенная могла появиться из бесконечно малого участка пространства. Зная это, трудно удержаться от соблазна сделать еще один шаг и прийти к выводу, что Вселенная возникла буквально из ничего». Это значит, что и инфляционная гипотеза имеет ряд недостатков. Например, в ней ничего не говорится о происхождении перегретой и расширяющейся материи.
В 1995 году физик Нейл Турок в сотрудничестве с Мартином Бучером и Альфредом Голдхабером создал модель открытой инфляционной Вселенной. Турок так объясняет свою теорию: «Процесс формирования Вселенной напоминает образование пузырька в кипящей воде. Внутренняя часть этого пузырька представляет собой бесконечную открытую Вселенную. Представьте себе, что этот пузырек расширяется со скоростью света, увеличиваясь за очень короткий промежуток времени до огромных размеров. А теперь заглянем внутрь него. Особенностью пузырька является то, что в нем пространство и время «спутаны». В некотором смысле он в каждый момент времени содержит не только настоящее Вселенной, но и ее будущее. И поскольку в бесконечно далеком будущем сам пузырек, а значит, и Вселенная будут бесконечно большими, то и сегодняшняя Вселенная представляется безграничной. Таким образом, бесконечная Вселенная умещается в крошечном объеме».
Можно было бы привести немало и других гипотез, выдвинутых в последнее время. Но большого смысла в этом нет, поскольку ни одна из них не дает окончательного ответа на вопрос: что было до Большого взрыва?
Что было до Большого взрыва?
Вначале был «ложный вакуум», как гласит стандартная история. Это было необычное свойство — отталкивающая гравитация — так это «раздувалось».
Чем больше вакуума, который был создан, тем сильнее отталкивающая гравитация, и тем быстрее вакуум расширялся. Все быстрее и быстрее.
Чем больше вакуума создано, тем больше энергии накапливается. Энергия из ничего — еще одно удивительное свойство. «Основной бесплатный завтрак».
Но ложный вакуум был нестабилен. Его части распались случайным образом до «истинного» вакуума — нашего вакуума. Представьте себе пузыри, образующиеся в безбрежном океане.
Энергии ложного вакуума надо было куда-то идти. Это привело к возникновению материи в пузырях-вселенных и нагреванию ее до огромных температур. Произошел горячий Большой взрыв!
В этой «инфляционной» картине наша Вселенная является лишь одной из огромного числа, навсегда разделенных постоянно растущими пространствами ложного вакуума.
Когда инфляция практически исчерпала себя, началось нормальное расширение. Сравните взрыв динамитной шашки с расширением при взрыве водородной бомбы.
Откуда появился высокоэнергетический ложный вакуум? Квантовая теория допускает появление энергии из ничего (неопределенность Гейзенберга)[29].
Возможно, когда появилась малая часть ложного вакуума, то началось расширение. Инфляция непобедима, поскольку вакуум расширяется быстрее, чем съедается.
Очевиден следующий вопрос: каковы же законы физики (квантовая теория), которые позволяют энергии спонтанно рождаться из ничего?
Бесконечный регресс. Может быть, это не лучше, чем заявлять, что Вселенная покоится на спине черепахи. Тогда возникает вопрос: а на чем стоит черепаха?
Как сказала дама на лекции Бертрана Рассела по космологии: «Вы очень умны, молодой человек. Но эта черепаха все время падает!»
Что такое черные дыры?
Черная дыра представляет собой область пространства, где градация настолько сильна, что даже свет — самая быстрая вещь во Вселенной — не может покинуть ее. Поэтому она такая.
Черная дыра, как полагают, образовалась в результате гибели очень массивной звезды при катастрофическом коллапсе, известном как рождение сверхновой.
Парадоксально, но, когда звезда при взрыве выбрасывает свои внешние слои в космос, ее ядро коллапсирует; при этом его плотность и температура быстро растут.
Если ядро достаточно массивное, неизвестная сила может довести сокращение ядра до «сингулярности» — кошмарной точки бесконечной плотности.
Черная дыра состоит из сингулярности, скрытой «горизонтом событий», который отмечает точку невозврата для материи, падающей в черную дыру.
Если бы Солнце превратилось в черную дыру — не волнуйтесь: оно не достаточно массивно для этого — его горизонт событий составил бы всего 3 километра в поперечнике.
Гравитация черной дыры настолько велика, что вблизи нее свет отклоняется, а время замедляется согласно теории гравитации Эйнштейна.
Таким образом, если бы вы могли оказаться близко, то увидели бы свой затылок: свет от затылка изогнулся бы вокруг черной дыры и попал бы в ваш глаз.
А благодаря замедлению времени вблизи горизонта событий могли бы наблюдать будущую историю Вселенной, мелькающую перед вами как фильм при быстрой перемотке вперед.
Черные дыры невозможно увидеть напрямую (пока), потому что они: 1) малые и 2) черные. Мы убеждаемся в их существовании косвенным путем из их гравитации.
Например, Лебедь Х-1 (Cygnus Х-1) представляет собой очень массивную звезду, вращающуюся вокруг невидимого компаньона — черной дыры (ЧД). Мы видим рентгеновские лучи от материи, всасываемой в ЧД.
Рождение черной дыры должно сопровождаться взрывом гравитационных волн, колеблющим пространство. Их обнаружение будет доказывать существование черных дыр.
В дополнение к «звездным» черным дырам, Вселенная содержит «супермассивные» черные дыры (в ядрах галактик) с миллионами и миллиардами масс Солнца.
Существует также вероятность, что Вселенная содержит мини-черные дыры, реликты от собственного влияния огненного шара Большого взрыва.
На самом деле черные дыры не совсем черные! Как обнаружил Стивен Хокинг, благодаря квантовым эффектам, они испускают «излучение Хокинга».
Что такое звезды?
Звезды — это другие солнца, уменьшенные до размеров светящегося укола от булавки из-за их немыслимо огромного расстояния до Земли.
В 1600 итальянский философ Джордано Бруно был сожжен на костре католической церковью из-за того, что заявлял, что звезды это другие солнца.
Звезда — гигантский газовый шар, почти полностью состоящий из водорода и гелия, двух самых легких элементов, удерживаемых вместе собственной гравитацией.
Ядро звезды так сильно сжато весом внешних слоев, что оно нагревается более чем до 10 млн градусов.
Сверхвысокие температуры запускают ядерные реакции, которые первоначально «переплавляют» водород в гелий. Их побочные продукты — тепло/свет.
Различие между звездой и планетой заключается в том, что звезда вырабатывает свое собственное тепло и свет, в то время как планета видна только в отраженном свете.
Яркость звезды (то, как быстро она тратит свое атомное топливо) определяется ее массой. Массивные звезды горят ярко и имеют короткую жизнь.
Наша галактика содержит более 100 000 000 000 звезд. Во Вселенной 10 000 000 000 000 000 000 звезд (плюс-минус несколько).
Приблизительно 6000 звезд видны невооруженным глазом. Почти все они более яркие, чем Солнце, которое само по себе ярче средней звезды.
Как это ни парадоксально, самые близкие звезды не видны невооруженным глазом. Это холодные, тусклые «красные карлики», которые составляют ~70 % всех звезд.
Красные карлики так скупо сжигают свое ядерное топливо, что многие будут жить в течение 10 трлн лет, что в 1000 раз дольше, чем период жизни Солнца.
Самая близкая звезда, конечно, Солнце. Его свету требуется 8,3 минуты, чтобы добраться до нас. Вторая по близости к нам звезда — Альфа Центавра, находящаяся на расстоянии 4,2 световых года.
Альфа Центавра фактически тройная звездная система. Вообще говоря, большинство звезд двойные или тройные. Солнце, будучи одиночной звездой, является редким исключением.
Одна из главных целей астрономии состоит в том, чтобы оглянуться на события далекого прошлого и увидеть первые звезды Вселенной в момент их возникновения.
Что такое нейтронные звезды и пульсары?
Удивительный факт: вы можете поместить все человечество в объем, соответствующий кусочку сахара. Почему? Потому что вещество может быть умопомрачительно пустым.
Если говорить примитивно, вы можете представить атом как мини-Солнечную систему с электронами, движущимися по орбитам. Они подобно планетам вращаются вокруг крошечного центрального ядра, подобного Солнцу.
Но картина атома как мини-Солнечной системы не в состоянии передать, как удивительно пуст атом. Это на 99,9999999999999 % пустое пространство.
Если бы вы могли выжать все пустое пространство из всех атомов, то все люди в мире, все человечество, действительно поместилось бы в объеме размером с кусочек сахара.
Это не просто безумная теория. В космосе есть объекты, где все пустое пространство было выжато из их атомов. Это нейтронные звезды.
Нейтронная звезда является реликтом (сколлапсировавшим ядром), оставшимся при превращении массивной звезды в сверхновую. Представьте себе Солнце, сжатое до объема горы.
Если бы вы могли подойти к нейтронной звезде и вычерпнуть из нее объем размером с кусочек сахара, он бы действительно весил столько же, сколько весь род человеческий.
Когда звезда сжимается в нейтронную звезду, она вращается все быстрее. Это подобно фигуристу на льду, складывающему руки. Вращаясь, нейтронная звезда как будто кричит: «Я здесь!»
В 1967 24-летняя студентка Джоселин Белл работала на радиотелескопе в Кембридже. Она обнаружила регулярные импульсы радиоволн от объекта СР1919.
Белл вскоре нашла несколько других пульсирующих источников. Сначала люди подумали, что это сигналы от инопланетян, и назвали их LGMs — аббревиатура от Little Green Men (Маленьких Зеленых Человечков).
В 1968 Томми Голд и Франко Пачини поняли, что Белл нашла вращающиеся нейтронные звезды. При вращении они испускают радиоволны подобно тому, как маяк, вращаясь, посылает узкий луч света.
Они назвали их «пульсирующими нейтронными звездами», или пульсарами. Гравитация на поверхности нейтронной звезды в 100 млрд раз больше, чем на Земле.
К настоящему времени за открытие и изучение пульсаров были присуждены три Нобелевских премии. И ни одна из них не досталась первооткрывательнице Джоселин Белл Бюрнелл. Широко признано как величайшая несправедливость.