Який у нас Всесвіт

Лікар фізико-математичних наук О. МАДЕРА.

У давнину люди вважали, що живуть на великій плоскій поверхні, хоч і вкритій подекуди горами та западинами. Це переконання зберігалося протягом багатьох тисяч років, поки Аристотель у IV столітті до зв. е. не помітив, що судно, що йде в море, пропадає з поля зору не тому, що в міру видалення зменшується до недоступних оку розмірів. Навпаки, спочатку зникає корпус корабля, потім вітрила і, нарешті, щогли. Це привело його до висновку, що Земля має бути круглою.

За минулі тисячоліття зроблено багато відкриттів, накопичено колосальний досвід. І тим не менше досі залишаються без відповіді фундаментальні питання: кінцевий чи нескінченний Всесвіт, всередині якого ми живемо, і яка його форма?

Останні спостереження астрономів та дослідження математиків показують, що форму нашого Всесвіту слід шукати серед вісімнадцяти так званих тривимірних орієнтованих евклідових різноманіттів, причому претендувати на неї можуть лише десять.

Будь-які висновки про можливу форму нашого Всесвіту повинні спиратися на реальні факти, отримані з астрономічних спостережень. Без цього навіть найкрасивіші та правдоподібні гіпотези приречені на невдачу. Тому подивимося, що говорять про Всесвіт результати спостережень.

Перш за все, зауважимо, що, в якому місці Всесвіту ми не знаходилися, навколо будь-якої її точки можна окреслити сферу довільного розміру, що містить всередині простір Всесвіту. Така дещо штучна побудова говорить космологам, що простір Всесвіту є тривимірним різноманіттям (3-різноманітністю).

Відразу виникає питання: а яке саме різноманіття представляє наш Всесвіт? Математики давно встановили, що їх так багато, що повного списку досі немає. Багаторічні спостереження показали, що Всесвіт має низку фізичних властивостей, які різко скорочують кількість можливих претендентів на її форму. І одна з головних таких властивостей топології Всесвіту – її кривизна.

Згідно з прийнятою на сьогоднішній день концепцією, приблизно через 300 тисяч років після Великого вибуху температура Всесвіту впала до рівня, достатнього для об'єднання електронів і протонів у перші атоми (див. "Наука і життя" № 11, 12, 1996). Коли це сталося, випромінювання, яке спочатку розсіювалося зарядженими частинками, раптово отримало можливість безперешкодно проходити через Всесвіт, що розширюється. Це відоме нині як космічне мікрохвильове фонове, або реліктове, випромінювання напрочуд однорідне і виявляє лише дуже слабкі відхилення (флуктуації) інтенсивності від середнього значення (див. "Наука і життя" № 12, 1993). Така однорідність може бути тільки у Всесвіті, кривизна якого скрізь постійна.

Постійність кривизни означає, що простір Всесвіту має одну з трьох можливих геометрій: плоску сферичну евклідову з позитивною кривизною або гіперболічну з негативною. Ці геометрії мають зовсім різні властивості. Так, наприклад, у евклідовій геометрії сума кутів трикутника дорівнює точно 180 градусів. У сферичній та гіперболічній геометріях це не так. Якщо на сфері взяти три точки та провести між ними прямі, то сума кутів між ними становитиме понад 180 градусів (аж до 360). У гіперболічній геометрії ця сума менше 180 градусів.Є й інші кардинальні відмінності.

Тож яку геометрію для нашого Всесвіту вибрати: евклідову, сферичну чи гіперболічну?

Німецький математик Карл Фрідріх Гаус ще в першій половині XIX століття розумів, що реальний простір навколишнього світу може бути і неевклідовим. Проводячи багаторічні геодезичні роботи у Ганноверском королівстві, Гаусс поставив за мету з допомогою прямих вимірів досліджувати геометричні властивості фізичного простору. Для цього він вибрав три віддалені одна від одної гірські вершини - Хохенгаген, Інзельберг та Броккен. Стоячи на одній із цих вершин, він спрямовував відбиті дзеркалами сонячні промені на дві інші і вимірював кути між сторонами величезного світлового трикутника. Тим самим він намагався відповісти на запитання: чи викривляються траєкторії світлових променів, що проходять над сферичним простором Землі? (До речі, приблизно в цей же час російський математик, ректор Казанського університету Микола Іванович Лобачевський запропонував експериментально дослідити питання про геометрію фізичного простору, використовуючи зірковий трикутник.) Якби Гаус виявив, що сума кутів світлового трикутника відрізняється від 180 градусів, то був би висновок , що сторони трикутника викривлені та реальний фізичний простір неевклідове. Однак у межах помилки вимірів сума кутів "перевірочного трикутника Броккен – Хохенгаген – Інзельберг" становила рівно 180 градусів.

Отже, у малих (за астрономічними мірками) масштабах Всесвіт постає як евклідова (хоча, звичайно, екстраполювати висновки Гауса на весь Всесвіт не можна).

Нещодавні дослідження, проведені за допомогою висотних аеростатів, піднятих над Антарктидою, також підтверджують висновок.При вимірі кутового спектру потужності реліктового випромінювання був зареєстрований пік, який, як вважають дослідники, може бути пояснений лише існуванням холодної чорної матерії - відносно великих об'єктів, що повільно рухаються, - саме в евклідовому Всесвіті. Інші дослідження також підтверджують цей висновок, що різко скорочує кількість ймовірних претендентів на можливу форму Всесвіту.

Ще в тридцятих роках XX століття математики довели, що існує лише 18 різних евклідових тривимірних різноманіттів і, отже, лише 18 можливих форм Всесвіту замість їхнього нескінченного числа. Розуміння властивостей цих різноманіттів допомагає експериментально визначити справжню форму Всесвіту, оскільки цілеспрямований пошук завжди ефективніший від пошуку наосліп.

Однак кількість можливих форм Всесвіту можна скоротити ще. Справді, серед 18 евклідових 3-багатообразій є 10 орієнтованих і 8 неорієнтованих. Пояснимо, що є поняття орієнтованості. Для цього розглянемо цікаву двомірну поверхню – аркуш Мёбіуса. Його можна отримати з прямокутної смужки паперу, перекрученого один раз і склеєного кінцями. Тепер візьмемо на аркуші Мебіуса точку а, проведемо до неї нормаль (перпендикуляр), а навколо нормалі накреслимо невелике коло з напрямком проти годинникової стрілки, якщо дивитися з кінця нормалі. Почнемо переміщати крапку разом із нормаллю та спрямованим колом по аркушу Мебіуса. Коли точка обійде весь лист і повернеться у вихідне положення (зорово вона буде на іншій стороні листа, але в геометрії поверхня товщини не має), напрямок нормалі зміниться на зворотне, а напрямок кола - на протилежне.Такі траєкторії називаються шляхами, що обертають орієнтацію. А поверхні, що їх мають, називають неорієнтованими або односторонніми. Поверхні ж, на яких немає замкнених колій, що обертають орієнтацію, наприклад сфера, тор і неперекручена стрічка, називають орієнтованими або двосторонніми. Зауважимо до речі, що лист Мёбиуса є евклідово неорієнтоване двомірне різноманіття.

Якщо припустити, що наш Всесвіт - неорієнтоване різноманіття, то фізично це означало б таке. Якщо ми полетимо із Землі вздовж замкнутої петлі, що звертає орієнтацію, то, звичайно, повернемося додому, але опинимося у дзеркальній копії Землі. Ми не помітимо в собі жодних змін, але по відношенню до нас у решти жителів Землі серце виявиться праворуч, весь годинник піде проти годинникової стрілки, а тексти постануть у дзеркальному відображенні.

Малоймовірно, що ми живемо у такому світі. Космологи вважають, що якби наш Всесвіт був неорієнтованим, то відбувалося б випромінювання енергії з прикордонних зон, у яких взаємодіють матерія та антиматерія. Однак нічого подібного ніколи не спостерігалося, хоча теоретично і можна припустити, що подібні зони існують за межами області Всесвіту, доступного нашому погляду. Тому резонно виключити з розгляду вісім неорієнтованих різноманіттів та обмежити можливі форми нашого Всесвіту десятьма орієнтованими евклідовими тривимірними різноманіттями.

МОЖЛИВІ ФОРМИ ВСЕСВІТУ

Тривимірні різноманіття у чотиривимірному просторі надзвичайно важкі для наочного уявлення.Однак можна спробувати уявити їх структуру, якщо застосувати підхід, що використовується в топології для візуалізації двовимірних різноманіттів (2-многообразий) в нашому тривимірному просторі. Всі об'єкти в ньому вважаються ніби зробленими з якогось міцного еластичного матеріалу на зразок гуми, що допускає будь-які розтягування та викривлення, але без розривів, складок та склеєк. У топології фігури, які можна за допомогою таких деформацій перетворювати одну на іншу, називають гомеоморфними; вони мають однакову внутрішню геометрію. Тому з точки зору топології бублик (тор) і звичайна чашка з ручкою - те саме. А ось футбольний м'яч перевести в бублик неможливо. Ці поверхні топологічно різні, тобто мають різні внутрішні геометричні властивості. Однак якщо на сфері вирізати круглу дірку і приробити до неї одну ручку, то фігура, що вийшла, вже буде гомеоморфна тору.

Існує безліч поверхонь, які топологічно відмінні від тора та сфери. Наприклад, додавши до тору ручку, подібну до тієї, що ми бачимо у чашки, ми отримаємо нову дірку, а значить, і нову фігуру. Тор з ручкою буде гомеоморфен фігурі, що нагадує крендель, яка в свою чергу гомеоморфна сфері з двома ручками. Додавання кожної нової ручки створює ще одну дірку, отже, і іншу поверхню. У такий спосіб можна отримувати нескінченну їх кількість.

Всі такі поверхні називаються двомірними різноманіттями або просто двома різноманіттями. Це означає, що навколо будь-якої їх точки можна окреслити коло довільного радіусу. На поверхні Землі можна намалювати коло, яке містить її точки.Якщо ми бачимо тільки таку картину, резонно вважати, що вона є нескінченною площиною, сферою, тором або взагалі будь-якою іншою поверхнею з нескінченного числа торів або сфер з різним числом ручок.

Ці топологічні форми може бути досить складні розуміння. І щоб легше і чіткіше уявити їх собі, склеїмо циліндр із квадратного аркуша паперу, з'єднавши його ліву та праву сторони. Квадрат у разі називається фундаментальної областю для тора. Якщо тепер подумки склеїти основи циліндра (матеріал циліндра еластичний), вийде тор.

Уявімо собі, що є якась двомірна істота, скажімо комаха, рух якої по поверхні тора необхідно досліджувати. Зробити це непросто, і набагато зручніше спостерігати його рух квадратом - простору з тією ж топологією. Цей прийом має дві переваги. По-перше, дозволяє наочно побачити шлях комахи у тривимірному просторі, стежачи за його переміщенням у двомірному просторі, а по-друге, дозволяє залишатися в рамках добре розвиненої геометрії евклідової на площині. У евклідовій геометрії міститься постулат про паралельні прямі: для будь-якої прямої лінії і точки поза нею існує єдина пряма, паралельна першій і проходить через цю точку. Крім того, сума кутів плоского трикутника точно дорівнює 180 градусам. Але оскільки квадрат описується евклідовою геометрією, ми можемо поширити її на тор і стверджувати, що тор - евклідова 2-ма різноманіття.

Нерозрізність внутрішніх геометрій для різних поверхонь пов'язана з важливою їх топологічною характеристикою, званої розгортання.Так, поверхні циліндра і конуса виглядають зовсім різними, але їх геометрії абсолютно однакові. Обидві вони можуть бути розгорнуті в площині без зміни довжин відрізків і кутів між ними, тому їм справедлива евклідова геометрія. Це саме стосується і тору, оскільки він є поверхнею, що розгортається в квадрат. Такі поверхні називають ізометричними.

Численна кількість торів можна сформувати і з інших плоских фігур, наприклад, з різних паралелограмів або шестикутників, склеюючи їх протилежні краї. Однак для цього годиться далеко не кожен чотирикутник: довжини його склеєних сторін повинні бути однаковими. Така вимога необхідна, щоб уникнути при склеюванні подовжень або стискань країв області, які порушують геометрію евклідів поверхні.

Тепер перейдемо до різноманіття більшої розмірності.

НАДАННЯ МОЖЛИВИХ ФОРМ ВСЕСВІТУ

Спробуємо уявити собі можливі форми нашого Всесвіту, які, як ми вже бачили, треба шукати серед десяти орієнтованих евклідових тривимірних різноманіттів.

Для подання евклідова 3-багатообразия застосуємо використаний вище метод для двомірних різноманіття. Там ми використовували як фундаментальну область тора квадрат, а для представлення тривимірного різноманіття братимемо тривимірні об'єкти.

Візьмемо замість квадрата куб і подібно до того, як ми склеювали протилежні краї квадрата, склеїмо разом протилежні грані куба у всіх їхніх точках.

Тривимірний тор, що вийшов, являє собою евклідово 3-різноманітність.Якби ми якимось чином опинилися в ньому і подивилися вперед, то побачили б свою потилицю, а також свої копії в кожній грані куба - попереду, ззаду, ліворуч, праворуч, вгорі та внизу. За ними ми б побачили безліч інших копій, подібно до того, якби опинилися в кімнаті, де стіни, підлога і стеля вкриті дзеркалами. Але зображення у тривимірному торі будуть прямими, а не дзеркальними.

Важливо відзначити кругову природу цього та багатьох інших різноманітностей. Якби Всесвіт справді мав таку форму, то, покинувши Землю і летячи без будь-яких змін курсу, ми зрештою повернулися б додому. Щось подібне спостерігається і на Землі: рухаючись на захід уздовж екватора, ми рано чи пізно повернемося у вихідну точку зі Сходу.

Розрізавши куб на тонкі вертикальні шари, ми отримаємо набір квадратів. Протилежні краї цих квадратів мають бути склеєні разом, тому що вони становлять протилежні грані куба. Так що тривимірний тор виявляється кільцем, що складається з двовимірних торів. Згадаймо, що передній та задній квадрати також склеєні та служать гранями куба. Топологи позначають таке різноманіття як T 2 xS 1 де T 2 означає двомірний тор, а S 1 - кільце. Це приклад зв'язки, або пучка, торів.

Тривимірні тори можуть бути отримані не лише за допомогою куба. Подібно до того, як паралелограм утворює 2-тор, склеюючи протилежні грані паралелепіпеда (тривимірного тіла, обмеженого паралелограмами), ми створимо 3-тор. З різних паралелепіпедів утворюються простори з різними замкнутими шляхами та кутами між ними.

Ці та всі інші кінцеві різноманіття дуже просто включаються в картину Всесвіту, що розширюється.Якщо фундаментальна область різноманіття постійно розширюється, утворений нею простір буде розширюватися теж. з точками на протилежній грані, оскільки, незалежно від розміру фундаментальної області, протилежні грані склеєні.

Наступне тривимірне різноманіття, схоже на тривимірний тор, називається 1/2 - повернутий кубічний простір. У цьому просторі фундаментальною областю знову служить куб або паралелепіпед. верхня частина передньої грані приклеєна до нижньої частини задньої. в такому різноманітті і подивилися на одну з цих граней, то побачили б власну копію, але перевернуту вгору ногами, за нею звичайну копію і так до безкінечності. шари, так що при склейці вийде знову пучок двомірних торів, з тією різницею, що цього разу передній та задній тори склеєні з поворотом на 180 градусів.

1/4-повернутий кубічний простір виходить так само, як попередній, але з поворотом на 90 градусів. перекошування фундаментальної галузі.У передній грані куба ми побачили б за своєю копією ще одну, повернуту щодо неї на 90 градусів.

1/3-повернутий шестикутний призматичний простір використовує як фундаментальну область не куб, а шестикутну призму. Для його отримання потрібно склеїти кожну грань, що є паралелограмом, з її протилежною гранню, а дві шестикутні грані - з поворотом на 120 градусів. Кожен шестикутний шар цього різноманіття - тор, і, таким чином, простір також є пучок торів. У всіх шестикутних гранях ми побачили б копії, повернуті на 120 градусів щодо попередньої, а копії у гранях – паралелограмах – прямі.

1/6-повернутий шестикутний призматичний простір сконструйований подібно до попереднього, але з тією різницею, що передня шестикутна грань приклеєна до задньої з поворотом на 60 градусів. Як і раніше, в пучці торів, що залишилися грані - паралелограми - приклеєні одна до іншої безпосередньо.

Подвійний кубічний простір радикально відрізняється від попередніх різноманітностей. Цей кінцевий простір вже не є пучком торів і має незвичайну структуру склеювання. Подвійний кубічний простір, однак, використовує просту фундаментальну область, яка є двома кубами, розташованих один на іншому. При склеюванні не всі грані з'єднуються безпосередньо: верхня передня та задня грані приклеюються до граней, розташованих безпосередньо під ними. У цьому просторі ми б бачили себе у своєрідній перспективі – ступні ніг виявилися б прямо перед очима.

На цьому закінчується список кінцевих евклідових тривимірних, що орієнтуються, так званих компактних різноманітностей.Цілком ймовірно, що серед них і потрібно шукати форму нашого Всесвіту.

Багато космологів вважають, що Всесвіт кінцевий: важко уявити собі фізичний механізм виникнення нескінченного Всесвіту. Проте розглянемо чотири некомпактних евклідових тривимірних різноманіття, що залишилися орієнтовані, поки не отримані реальні дані, що виключають їх існування.

Перше і найпростіше нескінченне тривимірне різноманіття - евклідове простір, яке вивчається в середній школі (воно позначається R 3 ). У цьому просторі три осі декартових координат сягають нескінченності. У ньому ми не бачимо жодних своїх копій, ні прямих, ні повернутих, ні перевернутих.

Наступне різноманіття - так зване пластинчасте простір, фундаментальною областю якого є нескінченна пластина. Верхня частина пластини, що є нескінченною площиною, приклеюється безпосередньо до її нижньої частини, а також нескінченної площини. Ці площини повинні бути паралельні одна одній, але можуть бути довільно зрушені при склейці, що несуттєво, враховуючи їхню нескінченність. У топології це різноманіття записується як R 2 xS 1 де R 2 позначає площину, а S 1 - кільце.

Останні два 3-ма різноманіття використовують як фундаментальні області нескінченно довгі трубки. Трубки мають чотири сторони, їх перерізи є паралелограми, вони не мають ні верху, ні низу - чотири їхні сторони простягаються нескінченно. Як і раніше, характер склеювання фундаментальної області визначає форму різноманіття.

Трубчастий простір формується за допомогою склеювання обох пар протилежних сторін. Після склеювання початковий переріз у вигляді паралелограма стає двомірним тором.У топології цей простір записується як добуток T 2 xR 1 .

Повернувши на 180 градусів одну зі склеюваних поверхонь трубчастого простору, отримаємо повернутий трубчастий простір. Цей поворот з урахуванням нескінченної довжини трубки надає йому незвичайних характеристик. Наприклад, дві точки, розташовані дуже далеко одна від одної, по різних кінцях фундаментальної області, після склейки будуть поруч.

Яка ж все-таки форма нашого Всесвіту?

Щоб з наведених вище десяти евклідових 3-багатоподібних вибрати одне як форму нашого Всесвіту, необхідні додаткові дані астрономічних спостережень.

Найпростіше було б знайти копії нашої Галактики у нічному небі. Виявивши їх, ми зможемо встановити характер склеювання фундаментальної області Всесвіту. Якщо виявиться, що Всесвіт являє собою 1/4-повернутий кубічний простір, то прямі копії нашої Галактики будуть видні з чотирьох сторін, а повернені на 90 градусів - з двох, що залишилися. Однак, незважаючи на простоту, цей спосіб мало придатний для встановлення форми Всесвіту.

Світло поширюється з кінцевою швидкістю, тому, спостерігаючи Всесвіт, ми по суті дивимося в минуле. Навіть якщо ми одного разу виявимо зображення нашої Галактики, то не зможемо дізнатися про неї, тому що у свої "молоді роки" вона виглядала зовсім інакше. Занадто складно з величезної кількості галактик дізнатися про копію нашої.

На початку статті говорилося, що Всесвіт має постійну кривизну. Однорідність мікрохвильового космічного фонового випромінювання прямо вказує на це. Однак воно має легкі просторові варіації, приблизно 10 -5 кельвінів, що показують, що в ранньому Всесвіті мали місце незначні флуктуації густини речовини.Коли Всесвіт, що розширюється, остигав, матерія в цих областях з часом створила галактики, зірки і планети. Карта мікрохвильового випромінювання дозволяє подивитися в минуле, за часів початкових неоднорідностей, побачити намітки Всесвіту, який був тоді в тисячу разів менший. Щоб оцінити значення цієї карти, розглянемо гіпотетичний приклад: Всесвіт як двомірного тора.

У тривимірному Всесвіті ми спостерігаємо небо в усіх напрямках, тобто у межах сфери. Двовимірні жителі двомірного Всесвіту змогли б спостерігати його лише в межах кола. Якби це коло було менше фундаментальної області їх Всесвіту, вони не могли б отримати жодних вказівок про її форму. Якщо, однак, коло бачення двовимірних створінь більше фундаментальної області, вони змогли б побачити перетину і навіть повторення образів Всесвіту і спробувати знайти точки з однаковими температурами, які відповідають одній і тій же області. Якщо в їхньому колі бачення виявилося б досить багато таких точок, вони змогли б укласти, що живуть у торовому Всесвіті.

Незважаючи на те, що ми живемо у тривимірному Всесвіті і бачимо сферичну область, перед нами постає та сама проблема, що й перед двомірними створіннями. Якщо наша сфера бачення менша за фундаментальну область Всесвіту 300 000-річної давності, ми нічого незвичайного не побачимо. В іншому випадку сфера перетинатиме її по колах. Виявивши два кола, що мають однакові варіації мікрохвильового випромінювання, космологи зможуть порівняти їхню орієнтацію. Якщо кола розташовані навхрест, це означатиме наявність склеювання, але без повороту. Деякі з них, однак, можуть поєднуватися відповідно до повороту на чверть або половину.Якщо цих кіл вдасться виявити досить багато, таємниця фундаментальної області Всесвіту та її склеювання буде розкрито.

Однак, доки не з'явиться точна карта мікрохвильового випромінювання, космологи жодних висновків зробити не зможуть. 1989 року дослідники з НАСА спробували створити карту реліктового випромінювання космічного простору. Однак кутовий дозвіл супутника становив близько 10 градусів, що не дозволило зробити точні виміри, що задовольняють космологів. Навесні 2002 року НАСА зробило другу спробу і запустило зонд, який завдав на карту температурних флуктуацій з кутовим дозволом вже близько 0,2 градуса. У 2007 році Європейське космічне агентство планує використовувати супутник "Планк", який має кутовий дозвіл 5 дугових секунд.

Якщо запуски пройдуть успішно, протягом чотирьох-десяти років будуть отримані точні карти флуктуацій реліктового випромінювання. І якщо розмір сфери нашого бачення виявиться досить великим, а виміри - досить точними та надійними, ми нарешті дізнаємося, яку форму має наш Всесвіт.

За матеріалами журналів "American Scientist" та "Popular Science".

Як Всесвіт з'явився з нічого

Певний час тому серед космологів та філософів науки почалося дуже активне обговорення причин існування Всесвіту. Так, ми тут нісенітницею не займаємося.

Спочатку Лоуренс Краусс випустив нову книгу "Всесвіт з нічого. Чому не потрібен Бог, щоб із порожнечі створити Всесвіт". , що висвітлює це питання з погляду сучасного космологаДалі Девід Альберт, сучасний філософ науки, склав розгромну рецензію книги для New York Times. Це обговорення з того часу триває: інтерв'ю Джеррі Койн (на боці Альберта), блог "Філософія космології" Рутгерса, велике інтерв'ю з Краусом у The Atlantic, коментарі Массімо Піглюччі, ще одна відповідь Крауса на сайті Scientific American.

З особистих та наукових причин я теж збирався вставити свою думку. Походження Всесвіту – одна з тем моєї роботи, а Лоуренс та Девід – мої друзі та партнери по блогу.

Стаття буде великою, тому наведу короткий зміст. Грубо кажучи, довкола проблеми «чому щось існує?» накопичується два види питань. Один із видів, що базується на платформі фізичних законів, досить гнучким для того, щоб дозволити існування «чогось» або «нічого» (причому до поняття «щось» можуть входити і час і простір), звучить як: чому в істинному Вияв реальності існує всяке? Інший вид питань пов'язаний з тим, чому ми маємо дану конкретну платформу фізичних законів, чи взагалі щось під назвою «фізичні закони»?

Лоуренс, спрощено кажучи, звертається до першого виду питань, а Девіда цікавить другий, і обидві сторони витрачають багато енергії, наполягаючи на тому, що їхнє питання більш правильне, замість того, щоб визнати, що ці питання відрізняються. Ніщо в сучасній фізиці не пояснює, чому в нас такі закони, а не інші, хоча фізики іноді говорять про це – і цю помилку вони могли б уникнути, якби серйозніше сприймали філософів.

Потім обговорення швидко скочується до звинувачень та міркувань не про те, а шкода, оскільки ці люди розумні та погоджуються з приводу 95% цікавих проблем, і шанси на продуктивний діалог постійно зменшуються.

Як працює Всесвіт

Поговоримо про те, як насправді влаштовано фізику, за нашими поняттями. З часів Ньютона парадигма фундаментальної фізики не змінювалася; до неї входить три частини. Перше – «простір станів»: насправді, перелік всіх можливих змін, у яких може бути Всесвіт. Друге - певний стан, що представляє Всесвіт в якийсь момент часу, зазвичай в поточний. Третє – якесь правило, яким Всесвіт розвивається у часі. Дайте мені Всесвіт на сьогодні, і закони фізики скажуть, що станеться з нею в майбутньому. Такий спосіб мислення є не менш вірним для квантової механіки або ОТО або квантової теорії поля, ніж для ньютонової механіки або максвеллівської електродинаміки.

Квантова механіка, зокрема, особлива, але дуже багатостороння реалізація цієї схеми. (Квантова теорія поля – просто певний приклад квантової механіки, а чи не новий спосіб мислення). Стану – це «хвильові функції», а набір всіх можливих хвильових функцій певної системи називається "гільбертовим простором". Його перевага в тому, що вона сильно обмежує набір можливостей (бо це векторний простір: зауваження для експертів). Як тільки ви повідомите мені його розмір (кількість вимірювань), ви повністю визначите ваш простір Гільберта. Це кардинально відрізняється від класичної механіки, де простір станів може стати надзвичайно складним.А ще є машинка - "гамільтоніан" - що вказує, як саме розвиватися з одного стану в інший з часом. Повторюся, що різновидів гамільтоніанів буває небагато; досить записати певний перелік величин (власних значень енергії – уточнення вам, набридливі фахівці).

Необхідно неупереджено підходити до того, яку форму набудуть підсумкових законів фізики, але майже всі сучасні спроби їх вивести приймають квантову механіку за істину. Це вірно і для теорії струн, і для інших підходів до квантової гравітації – вони можуть дуже відрізнятися у поглядах на те, з чого складається «простір-час» або «матерія», але дуже недбало поводяться з основами квантової механіки. Це однозначно стосується всіх варіантів, які розглядає Лоуренс у своїй книзі. На цій платформі визначення «законів фізики» – питання вибору гільбертового простору (для чого, у свою чергу, потрібно лише визначити його розмір) та гамільтоніана. Одна з чудових властивостей квантової механіки – наскільки вона обмежувальна; ми не маємо великої свободи вибору з видів законів фізики. Здається, що існує великий простір для творчості, оскільки гільбертовий простір може бути дуже великим, а проста сутність гамільтоніана може бути прихована нашою ускладненою взаємодією з навколишнім світом, але основний рецепт залишається незмінним.

Тому що означають розмови «всесвіт з нічого» в рамках цієї платформи? Нам, як і раніше, необхідно вибрати одну з двох можливостей, але принаймні цей список із двох пунктів є вичерпним.

Можливість перша: час фундаментальний

Перша можливість полягає в тому, що квантовий стан Всесвіту дійсно змінюється в часі - тобто, гамільтоніан не дорівнює нулю, і він справді штовхає стан вперед у часі. Цей випадок здається загальним (способів відрізнятися від нуля більше, ніж бути нульовим), і саме на його вивчення ми витрачаємо час на вступних курсах, вперше нав'язуючи квантову механіку безстрашним студентам. Чудове і недооцінене наслідок квантової механіки полягає в тому, що якщо ця можливість виявиться вірною (Всесвіт по-справжньому еволюціонує), час не може починатися або закінчуватися - воно продовжується вічно. Зовсім не схоже на класичну механіку, в якій траєкторія Всесвіту у просторі станів може зіштовхнути її з сингулярністю, в якій час, як передбачається, перестає текти. У квантовій механіці кожен стан нічим не гірший за будь-яке інше, і еволюція радісно продовжуватиме йти.

То як це стосується питання «щось проти ніщо»? У процесі еволюції квантового стану Всесвіту вона може проходити через фази, в яких вона дуже схожа на ніщо в загальноприйнятому сенсі – тобто як порожній простір, або як дивна негеометрична фаза, в якій ми взагалі не розпізнали б простір. Пізніше, за допомогою невпинного впливу гамільтоніана, вона може еволюціонувати в щось, що дуже схоже на щось, навіть дуже схоже на той всесвіт, що ми бачимо сьогодні. Тому якщо для вас "ніщо" - це "порожнеча" або "відсутність простору", то закони квантової механіки дають зручний спосіб зрозуміти, як ніщо може перетворитися на чудове щось, усередині якого ми виявляємо себе.Це цікаво, і важливо і гідно написання книги, і це одна з можливостей, яку обговорює Лоуренс.

Можливість друга: час вторинне / приблизно

Друга можливість полягає в тому, що Всесвіт взагалі не еволюціонує - гамільтоніан нульовий, простір можливих станів існує, але ми просто сидимо в ньому нерухомо, без фундаментальної течії часу. Ви можете вирішити, що ця можливість є логічною, але не правдоподібною; Хіба ж ми не бачимо, як все навколо нас постійно змінюється? Але саме в цю можливість ви негайно уткнетеся, якщо просто візьмете класичну ОТО і спробуєте її квантувати (тобто винайти квантову теорію, що сходить до ОТО в класичній межі). Ми не знаємо, чи правильно це – Том Бенкс, наприклад, вважає, що ні – але ця можливість існує, тому нам треба подумати про те, що це могло б означати, якби виявилося правдою.

Ми, звичайно, вважаємо, що відчуваємо плин часу, але, можливо, час – річ вторинна, а не фундаментальна (мені не здається правильним використання слова «ілюзорний» у цьому контексті, але інші не такі обережні). Тобто, можливо, існує альтернативний опис цієї однієї нерухомої точки гільбертового простору – опис, приблизно схожий на «Всесвіт еволюціонує в часі», принаймні на якийсь час. Уявіть собі брусок металу, що знаходиться на гарячій поверхні, що не еволюціонує у часі, але з температурним градієнтом, розподіленим зверху донизу.Концептуально можливо поділити цей брусок на шари рівної температури, а потім написати рівняння, що показує, як стан бруска змінюється від шару до шару, і виявити, що математичний формалізм, що вийшов, схожий на «еволюцію в часі». У цьому випадку, на відміну від попереднього, час може закінчитися (або початися), оскільки він спочатку був корисним наближенням, допустимим за певних умов.

Саме такий варіант мають на увазі такі квантові космологи, як Джеймс Хартл, Стівен Хокінг, Алекс Віленкін, Андрій Лінде та інші, говорячи про «створення Всесвіту з нічого». У цьому вся уявленні історія Всесвіту буквально існує момент, до якого інших моментів немає. Є межа часу (імовірно перед Великим вибухом), до якої не було нічого. Ні речовини, ні квантової хвильової функції; не було нічого попереднього, оскільки поняття «перед-» не має сенсу. Це теж цікаво, важливо і про це варто написати книгу, і це ще одна з можливостей, про які розмірковує Лоуренс.

Чому взагалі існує Всесвіт?

Отже, сучасна фізика видала нам ці дві ідеї, досить цікаві, і що відгукуються на наше неформальне уявлення у тому, як «щось з'являється з нічого». Одна з них говорить про еволюцію від порожнього простору (або не-простору) у Всесвіт, повний всякого, а інша говорить про час, як про зразкове поняття, яке закінчується на якомусь кордоні в абстрактному просторі можливостей.

То на що нам скаржитися? Якщо подумати, то такі міркування, якщо прийняти певне конкретне визначення поняття «нічого», можуть пояснити, як Всесвіт може виникнути з нічого.Але вони не пояснюють, і навіть не намагаються пояснити, чому щось існує – чому ця еволюція хвильової функції, або чому навіть вся ця система «хвильових функцій» та «гамільтоніанів» буде вірним способом міркувати про Всесвіт. І, може, вам не цікаві ці питання, і ніхто не має права забирати у вас права ними не цікавитися; але якщо підзаголовок вашої книги говорить «чому існує щось, а не просто немає нічого», ви, по суті, відмовляєтесь від права не цікавитись цим.

Чи допомагає нам розвиток сучасної фізики та космології підійти до цих питань про те, чому взагалі існує щось під назвою «всесвіт», чому існують такі речі, як «закони фізики», чому ці закони набувають вигляду квантової механіки, чому саме така хвильова функція і гамільтоніан? Коротко кажучи, ні. Мені неясно, як вони могли б це зробити.

Іноді фізики вдають, що відповідають на ці питання, що дуже погано, оскільки вони просто лінуються і не намагаються ретельно подумати про цю проблему. Ви, наприклад, можете почути заяви про те, що наші закони фізики можуть виявитися єдиним видом можливих законів або найпростішим із можливих. Але це не так. У рамках платформи квантової механіки існує нескінченна кількість можливих гільбертових просторів та нескінченна кількість можливих гамільтоніанів, кожен з яких визначає цілком допустимий набір законів фізики. А правильним може бути лише один із них, тому абсурдно стверджувати, що наші закони можуть бути єдиними можливими.

Заклики до простоти тут також не допомагають. Всесвіт міг би бути єдиною точкою, яка не змінюється в часі. Або єдиним осцилятором, що нескінченно вагається туди і сюди. Це було б дуже просто.Якось може з'явитися певне визначення простоти, за яким наші закони виявляться найпростішими, але завжди будуть інші, за якими вони не такі. У будь-якому разі, ми тоді могли б поставити запитання, чому закони мають бути простими? Так само заява «можливо, десь реальні всі фізичні закони» не відповідає на наше запитання. Чому реальні усі фізичні закони?

А іноді, з іншого боку, сучасні космологи говорять про інші закони фізики в контексті мультивсесвіту, і припускають, що нам видно один набір законів, а не інший, з фундаментально-антропних причин. Але це, знов-таки, проста неакуратність. Ми говоримо про низькоенергетичний прояв базових законів, але ці базові закони однакові по всьому мультивсесвіту. У нас все одно залишається питання існування цих глибинних законів, що створюють мультивсесвіт.

Кінець пояснень

Всі ці питання цікаво ставити, і не на одне з них не відповідає сучасна фізика чи космологія. Або, принаймні, їх цікаво піднімати, але на мій погляд, найкращою відповіддю буде швидко опустити їх назад. До цього моменту, зауважте, ми вже дійшли суто філософської, а не наукової проблеми.

Питання «чому» немає в порожнечі; вони мають сенс у певному пояснювальному контексті. Якщо ми питаємо «чому курка перейшла дорогу?» [популярна тема коротких анекдотів / прим. перев.], ми розуміємо, що існують такі речі, як дороги, у них є особливі властивості, і у речей на ім'я «курки» є різні цілі та мотивації, і є речі, що існують з іншого боку дороги чи інші переваги її переходу. Тільки в цьому контексті можна запропонувати осмислену відповідь на запитання «чому».Але Всесвіт і закони фізики не вбудовані в якийсь більший контекст. Це вже найбільший із існуючих контекстів, наскільки ми знаємо. Немає нічого поганого в тому, щоб визнати, що послідовність пояснень десь обривається, і єдиним поясненням, що залишилося, може бути «просто так все влаштовано».

Ну чи ні. Ми повинні бути добрими емпіриками і бути відкритими до можливості того, що те, що ми вважаємо Всесвітом, існує в якомусь більшому контексті. Але тоді ми, мабуть, перевизначимо це як всесвіт і залишимося з тими самими питаннями. Поки ви визнаєте, що Всесвіт має більше одного мислимого способу існувати, у ланцюжка пояснень завжди буде кінець. Я можу і помилятися, але наполягати на тому, що «всесвіт має пояснити себе», досить безпідставно.

Звуки та фурії

Ось що я можу сказати з приводу цих цікавих питань, але у мене не вистачає сил утриматися від парочки зауважень щодо процедурних моментів.

По-перше, я думаю, що книга Лоуренса має набагато більше сенсу як частину популярних суперечок «атеїзм проти теїзму», а не просто ретельне філософське дослідження старої проблеми. Післямову до книги написав Річард Докінз, а спочатку Лоуренс просив про цю послугу Крістофера Хітченса, поки той ще не був дуже хворий – і обидві ці люди, хоч і дуже розумні, не є ні космологами, ні філософами. Якщо ви поставили собі за мету відкинути заяви про необхідність існування (або корисності) Творця в рамках космологічної схеми, тоді наведені міркування щодо «створення з нічого» дійсно приходять до місця.Фізичний всесвіт чудово може бути самодостатнім; їй не потрібно нічого і нікого зовні для її запуску, навіть якщо у неї і було "початок". Це не відповідає на класичне питання Лейбніца, але практично немає сумнівів у тому, що цей факт є чудовою властивістю сучасної фізики та має цікаві наслідки для фундаментальної космології.

По-друге, після виходу огляду від Девіда, Лоуренс невдало обрушився з критикою на «ідіотських філософів» і на всю філософію в цілому, замість того, щоб продовжувати вести осмислену дискусію з питань, що цікавлять. Як більшість вчених Лоуренс мало що отримує від філософії науки. Але мета філософії не в тому, щоб бути корисною науці, не більше ніж у мікології – бути корисною грибам. Філософи науки не намагаються займатися наукою, вони намагаються зрозуміти, як працює наука, і як вона повинна працювати, вибрати логіку та стандарти, що лежать в основі наукової аргументації, розмістити наукове знання в рамках ширшого епістемологічного контексту, і зробити багато чого цікавого, не прикидається наукою. А якщо вам це не цікаво, та й гаразд. Але не варто намагатися підірвати законність існування області випадами в її бік - це безглуздо і не інтелектуально, і представляє якраз те саме небажання шанобливо сперечатися з дослідниками з іншої галузі, про яке ми шкодуємо, коли йдеться про науку. Шкода, що розумні люди, які погоджуються з приводу більшої частини важливих речей, не можуть не погодитися з рештою, не розмінюючись на образи. Ми повинні намагатися бути вищими за це.

Що ми знаємо про космос?

Як багато ми знаємо про космос? Насправді не так багато, як хотілося б.Відкриваючи астрономічну програму, ви напевно щоразу дивуєтесь, скільки ж різних об'єктів можна там знайти. А тепер уявіть: усі ці планети, зірки та інші видимі об'єкти – це лише 5% всього, що є у космосі.

Космос неосяжний і сповнений загадок. Багато хто з них ще вирішить, хоча наука вже просунулась досить далеко. Давайте подивимося, що нам відомо про космос зараз.

Що таке космос?

Космос – це майже ідеальний вакуум, безповітряний простір. Космос - це не порожнеча: він пронизаний різними випромінюваннями, а також містить частинки газу, пилу та іншої матерії.

З Землі ми можемо спостерігати планети, зірки та галактики, які знаходяться в межах 46,5 мільярда світлових років у будь-якому напрямку від нашої планети. Ця частина космосу називається доступною для огляду Всесвіту. Передбачуваний вік Всесвіту становить від 11,4 до 13,8 мільярда років.

Де починається космос?

Космос це все, що знаходиться за межами умовної лінії, що відокремлює Землю від космічного простору. Існують різні способи визначити, де саме починається космос. Найбільш універсальною точкою відліку є лінія Кармана, яка проходить на висоті 100 км. над середнім рівнем моря. Починаючи з цієї позначки повітря стає занадто розрідженим для польоту звичайних літаків.

Кордони космічних просторів

Космос можна поділити на кілька областей. Вони визначаються магнітними полями і “вітерами”, які панують у межах.

• Навколоземний простір - Область космосу, що оточує Землю. Вона розташована між верхніми шарами атмосфери та найдальшими ділянками магнітного поля Землі.
• Міжпланетний простір - Область космосу, що знаходиться в межах Сонячної системи.Вона визначається сонячним вітром, який утворює геліосферу - величезний "міхур", усередині якого знаходяться Сонце і планети. Після геліопаузи (зовнішнього кордону геліосфери) міжпланетний простір перетворюється на міжзоряне.
• Міжзоряний простір – це фізичний простір між зірковими системами у межах галактики. Воно заповнене міжзоряним середовищем (МЗС), що складається з газу та пилу.
• Міжгалактичний простір – це фізичний простір між галактиками. Воно дуже близьке до абсолютного вакууму, оскільки в ньому немає пилу та космічного сміття.

Як влаштований космос?

На думку вчених, Всесвіт складається з трьох субстанцій: нормальної матерії, темної матерії та темної енергії.

Нормальна матерія

Нормальна, або баріонічна, матерія є протонами, нейтронами і електронами. З неї складається все, що ми можемо побачити: зірки, планети, дерева, тварин і людей. Як не дивно, її частка у Всесвіті вкрай мала – менше 5%.

Темна матерія

Темна матерія не випромінює і не поглинає світло чи енергію, а тому абсолютно невидима. Вчені припускають, що вона складається з небаріонічної матерії – вімпів (слабовзаємодіючих масивних частинок), нейтраліно та нейтрино. Незважаючи на те, що темну матерію не можна побачити, результати спостережень дозволяють астрономам допускати її існування. Наприклад, дослідження спіральних галактик показали, що вони містять набагато більше маси, ніж можна спостерігати візуально. Якби темної матерії не існувало, ці галактики просто розпалися, тому що гравітації однієї лише нормальної матерії було б недостатньо для того, щоб утримати всі частинки разом. Темна матерія приблизно становить близько 27% Всесвіту.

Темна енергія

Темна енергія – це гіпотетична форма енергії, що протидіє гравітації: вона віддаляє космічні об'єкти один від одного, тоді як гравітація, навпаки, їх притягує Вчені запропонували концепцію темної енергії, щоб пояснити, чому всесвіт розширюється із прискоренням. Поки що не вдається визначити природу і походження темної енергії: у цьому випадку, “темна” означає скоріше “незвідана”, ніж справді невидима, як у випадку з темною матерією. За різними оцінками, темна енергія становить приблизно 68% Всесвіту.

5 найнезвичайніших об'єктів у космосі

Чим глибше вчені поринають у незвіданий космос, тим більше унікальних об'єктів та куточків Всесвіту вони відкривають. Ось деякі з найвидатніших "рекордсменів" космосу.

Найхолодніше місце у космосі

Поки що найхолоднішим місцем у Всесвіті вважається туманність Бумеранг. Вона розташована в сузір'ї Центавра, приблизно 5000 світлових років від Землі. Температура всередині туманності становить -272 ° C: не вистачає всього градуса до абсолютного нуля.

Найспекотніше місце у космосі

Квазар 3C 273 у сузір'ї Діви – одне з найспекотніших місць у космосі. Температура тут сягає від 20 до 40 трильйонів градусів за Цельсієм. До речі, 3C 273 – не лише найперший, а й найяскравіший серед квазарів (його видимий блиск становить 12,9).

Найдавніша зірка у космосі

Вік зірки Мафусаїл (HD 140283, HIP 76976) становить 16 мільярдів років, що робить її найстарішою зіркою в космосі - як не дивно, вона навіть старша за сам Всесвіт (вчені поки з'ясовують, як таке можливо). Зірка розташована в сузір'ї Терезів, і її можна побачити в бінокль (її видимий блиск становить 7,2).

Найбільший об'єкт у космосі

Велика стіна Геркулес - Північна Корона - один з найбільших об'єктів у космосі. Вона простягається на 10 мільярдів світлових років і містить у собі мільярди галактик.

Найбільше джерело води в космосі

Найбільший резервуар води в космосі містить у 140 трильйонів разів більше води, ніж усі океани на нашій планеті.

Список найнезвичайніших об'єктів у Всесвіті може бути нескінченним: до нього можна включити і планету з алмазів, і єдину "хвостату" планету Сонячної системи, і небесне тіло, на якому похована людина.

F.A.Q.

Скільки років Всесвіту?

Існують два різні способи виміру віку Всесвіту, згідно з якими він може становити від 11,4 млрд до 13,8 млрд років. інфографіки.

Яким є вік Всесвіту? Подивіться наш космічний календар і переконайтеся, наскільки коротка історія людства в масштабах історії Всесвіту.

Де починається космос?

Точної позначки, з якої починається космос, не існує.

Які розміри космосу?

Спостережуваний Всесвіт – та частина, яку ми можемо побачити та виміряти – становить близько 46,5 мільярдів світлових років у будь-якому напрямку від Землі.Якщо уявити її у вигляді сфери, що оточує нашу планету, її діаметр складе близько 93 мільярдів світлових років. Знайдіть місцезнаходження Землі у спостережуваному Всесвіті за допомогою нашої інфографіки.

Де ми знаходимося в галактиці Чумацький Шлях? А де Чумацький Шлях знаходиться у Всесвіті? Скільки галактик існує в найближчому Всесвіті?

Яка температура у космосі?

Базова температура космічного простору -270 °C. Однак є й точки, що відхиляються від цього значення: температура у найхолоднішому місці космосу становить -272 °C; у найспекотнішому місці вона коливається від 20 до 40 трлн °C.

Чому космос чорний?

На досвід ми знаємо, що космос чорний. Однак, враховуючи, що Всесвіт нескінченний і містить мільярди зірок, хіба він не повинен бути яскраво-білим? Ця дивина відома як парадокс Ольберса; про його можливі рішення читайте у нашій статті.

Чому в космосі нічого не чути?

Звук – це механічна хвиля, поширення якої потрібне середовище, наприклад, повітря чи вода. Космос – це вакуум: там немає повітря і звук не може поширюватися. Ось чому зазвичай вважається, що у космосі нічого не чути.

Чи правда, що у космосі повна тиша?

Хоча космос є вакуумом, це не означає, що в ньому порожньо: він заповнений плазмою, або зарядженими частинками. Ці частинки можуть генерувати електричні та магнітні поля (або зазнавати їх впливу) і, таким чином, можуть переносити магнітозвукові хвилі - Плазмовий еквівалент звукових хвиль. Рівень звукового тиску становить близько -100дБ.Поріг людського слуху становить близько +60 дБ, тому ми не чуємо ці хвилі, але можемо виявити їх за допомогою спеціальних інструментів – наприклад, геостаціонарних супутників. Щоб почути ці хвилі, нам потрібно записати їх і перетворити на чутні треки, щоб вийшло щось на кшталт “космічної музики”.

Що таке космос: підіб'ємо підсумки

Космос – це вакуум. Він пронизаний різними випромінюваннями, а також містить частинки газу, пилу та іншої матерії. Очікуваний вік Всесвіту становить від 11,4 млрд до 13,8 млрд років. Розмір спостережуваного Всесвіту становить близько 46,5 млрд світлових років у будь-якому напрямку від Землі (або 93 млрд світлових років у діаметрі). Все, що існує у Всесвіті, складається з нормальної матерії, а також темної матерії та темної енергії, природу та походження яких вчені досі досліджують.

Все про космос: ще більше фактів про космос і всесвіт

Якщо вам сподобалася ця стаття і ви хочете дізнатися більше про космос та всесвіт, ознайомтеся з цими матеріалами:

• Дізнайтеся більше про космічне сміття і про те, як воно впливає на людство;
• Дізнайтеся різницю між світловим роком, астрономічною одиницею та місячною відстанню за допомогою нашої інфографіки;
• Згадайте все, що ви знаєте про космос і пройдіть тест: спробуйте відрізнити реальні космічні факти від вигаданих!