Розділ 11
Об’єднання фізики
У Розділі 1 вже йшлося про те, що було б дуже важко побудувати повну та єдину теорію про все у Всесвіті одним цілим. Замість цього ми добилися прогресу, створюючи окремі теорії, що описують обмежене коло подій і, нехтуючи іншими властивостями чи, принаймні, наближено, заміняємо їх деякими числами. (У хімії, наприклад, можливо обчислити взаємодії атомів, не знаючи внутрішньої будови ядра атома.) Хоча, у кінцевому рахунку, можна було б сподіватися, що буде знайдена повна, послідовна та єдина теорія, яка включала б усі ці окремі теорії, в якості наближень, та яку не потрібно було б коригувати стосовно фактів, підбираючи значення деяких довільних чисел у теорії. Робота над створенням такої теорії називається "об’єднанням фізики". Більшу частину своїх останніх років життя Айнштайн витратив на безуспішні пошуки єдиної теорії. У той час існували часткові теорії гравітації та електромагнітних сил, але дуже мало було відомо про ядерні сили. Крім того, Айнштайн відмовлявся вірити у реальність квантової механіки, попри важливу роль, яку він зіграв в її розвитку. І все ж здається, що принцип невизначеності – це фундаментальна властивість Всесвіту, в якому ми живемо, а тому цей принцип обов’язково повинен бути складовою правильної єдиної теорії.
Читаючи далі, Ви зрозумієте, що перспективи побудови такої теорії тепер здаються набагато кращими, адже ми знаємо набагато більше про Всесвіт. Однак ми повинні остерігатися надмірної самовпевненості, адже і раніше нам на заваді траплялися омани! На початку століття, наприклад, вважалося, що все можливо пояснити за допомогою властивостей неперервної матерії, таких як еластичність і теплопровідність. Відкриття атомної структури та принципу невизначеності поклали цьому рішучий край. У 1928 році, фізик, лауреат Нобелівської премії Макс Борн сказав групі відвідувачів Геттінгенського університету: «Фізика, як ми її знаємо, зникне протягом шести місяців». Його впевненість була заснована на недавньому відкритті Дірака рівняння для електрона. Вважалося, що подібне рівняння повинне існувати і для протона, що був єдиною відомою в той час іншою частинкою, що б у свою чергу мало стати кінцем теоретичної фізики. Проте відкриття нейтрона і ядерних сил позбавили майбутнього й ці передбачення. Сказавши це, я, як і раніше, вважаю, що є підстави для обережного оптимізму, адже ми тепер, можливо, є ближчими до закінчення пошуків кінцевих законів природи.
У попередніх розділах я говорив про загальну теорію відносності, яка являє собою окрему теорію гравітації, і про окремі теорії, що описують слабкі, сильні й електромагнітні взаємодії. Останні три теорії можуть бути об’єднані в так звані Теорії великого об’єднання. Таке об’єднання не можна вважати задовільними, адже воно не включає гравітацію і містить величини, наприклад відносні маси різних частинок, що не обчислюються теоретично, а повинні підбиратися, щоб узгоджуватись з експериментом. Основні труднощі побудови теорії, яка об’єднувала б гравітацію з іншими силами, пов’язана з тим, що загальна теорія відносності являє собою класичну теорію, тобто не містить у собі принцип невизначеності, притаманний квантовій механіці. З іншого боку, інші ж окремі теорії тісно пов’язані з квантовою механікою. Тому перш за все загальну теорію відносності необхідно об’єднати з принципом невизначеності. Ми знаємо, що результатом такого об’єднання можуть стати дивовижні наслідки: чорні діри перестануть бути чорними, а з Всесвіту зникнуть сингулярності, він стане повністю самодостатнім і не матиме кордонів. Але, як уже пояснювалося в Розділі 7, труднощі виникають тому, що в силу принципу невизначеності, навіть порожній простір заповнено парами віртуальних частинок і античастинок. Ці пари мають нескінченну енергію, а тому, у відповідності зі знаменитим рівнянням Айнштайна Е = mc2, їх маса теж повинна бути нескінченна. Отже, під дією створюваного ними гравітаційного тяжіння Всесвіт повинен, викривляючись, згортатися до нескінченно малих розмірів.
Такі ж безглузді нескінченності виникають і в інших окремих теоріях, але їх завжди можна усунути за допомогою процедури, яка називається перенормовуванням. Метод перенормувань передбачає введення нових нескінченностей для компенсації попередніх. Попри свою неповну математичну обґрунтованість, цей метод успішно застосовується на практиці, і отримані з його допомогою передбачення окремих теорій надзвичайно точно узгоджуються з результатами спостережень. Проте в плані пошуку повної теорії, метод перенормувань має один серйозний недолік: він не дозволяє теоретично передбачити дійсні значення мас і сил; їх доводиться підбирати шляхом підгонки до експерименту.
При спробах включити принцип невизначеності в загальну теорію відносності є тільки дві величини, які можливо підганяти: величина гравітаційної сили і космологічна константа. Але їх зміною неможливо усунути всі нескінченності. Тому ми маємо теорію, згідно з якою деякі величини, наприклад, кривизна простір-час, нескінченні, а втім ці величини можна спостерігати, і з вимірів випливає, що вони скінченні! Ця проблема, що виникає при об’єднанні загальної теорії відносності з принципом невизначеності, деякий час піддавалась сумнівам, але, врешті-решт, у 1972 році її реальність була підтверджена детальними розрахунками. Через чотири роки з’явилося одне з можливих її рішень, назване теорією супергравітації. Суть цієї теорії в тому, щоб поєднати гравітон (частинка зі спіном 2, носій гравітаційної сили) з деякими новими частинками, що мають спіни 3/2, 1, 1/2 і 0. Тоді всі ці частинки в якомусь сенсі можна розглядати як різні види однієї і тієї ж «суперчастинки», об’єднавши таким чином матерії частинок, що мають спіни 1/2 і 3/2, з частинками – носіями сили, спіни яких рівні 0, 1 і 2. Віртуальні пари частинка/античастинка зі спіном 1/2 і 3/2 наділені при цьому негативною енергією, що компенсує позитивну енергію віртуальних пар зі спіном 2, 1, 0. У результаті багато нескінченностей буде усунуто, але є підозри, що певна їх частина все ж залишиться. Однак, з’ясування того, чи всі нескінченності усунені, вимагало настільки громіздких і складних розрахунків, що ними ніхто не був готовий займатися. За попередніми оцінками, навіть за допомогою комп’ютера робота зайняла б не менше чотирьох років, і при цьому дуже велика ймовірність хоч раз помилитися, можливо більше. Отже, у відповіді можна було б бути впевненим лише в тому випадку, якби хтось інший повторив би все обчислення й отримав той же результат, а на це важко розраховувати.
Попри всі ці проблеми й те, що частинки в теоріях супергравітації, судячи зі всього, відрізнялися від спостережуваних частинок, більшість науковців вважало, що супергравітація, можливо, приведе до правильного вирішення проблеми об’єднання фізики. Здавалося, це було найкращим варіантом поєднання гравітації з іншими силами. Та в 1984 році думки вчених кардинальним чином перемістилися у бік так званих теорій струн. Основними об’єктами теорій струн виступають не частинки, що займають лише точку в просторі, а певні структури на зразок нескінченно тонких шматочків струни, які не мають ніяких інших розмірностей, окрім довжини. Кінці цих струн можуть бути або вільні (так звані відкриті струни), або з’єднані одна з одною в закриті петлі (замкнені струни) (мал. 11.1 і 11.2).
Частинка у кожен момент часу займає одну точку в просторі. Отже, її історію можна зобразити лінією у просторі-часі (так звана «світова лінія»). Але струні в кожен момент часу відповідає лінія. Отже, її історія у просторі-часі зображується двовимірної поверхнею, яка називається «світовим листом». (Будь-яку точку на такому світовому листі можна задати двома величинами, одна з яких - час, а інша - положення точки на струні). Світовий лист відкритої струни являє собою смугу, краї якої відповідають траєкторії у просторі-часі кінців струни (мал. 11.1). Світовий лист замкнутої струни являє собою циліндр або трубку (мал. 11.2), перерізом якої є коло, яке відповідає положенню струни в певний момент часу.
Дві частини струни можуть з’єднатися в одну струну; у разі відкритих струн вони просто змикаються кінцями (мал. 11.3), а з’єднання замкнутих струн нагадує з’єднання двох штанин (мал. 11.4).
Аналогічним чином частина струни може розірватися на дві струни. Те, що раніше вважалося частинками, у теоріях струн, тепер зображується у вигляді хвиль, що біжать по струні так само, як біжать хвилі по натягнутому повітряному змії. Емісія чи поглинання однієї частинки іншою відповідає розділенню чи з’єднанню струн. Наприклад, гравітаційна сила, з якою Сонце діє на Землю, у теоріях частинок зображувалася як результат емісії гравітону частинкою на Сонці і його подальше поглинання частинкою на Землі (мал. 11.5).
У теорії струн цей процес зображується Н-подібним з’єднанням трубок (мал. 11.6). (Теорія струн в якомусь сенсі подібна до техніки водопровідника). Дві вертикальні частини «Н» відповідають частинкам, що знаходяться на Сонці та на Землі, а горизонтальна поперечина відповідає гравітону, що летить між ними.
Теорія струн має досить незвичну історію. Вона виникла наприкінці шістдесятих років при спробах побудувати теорію сильних взаємодій. Ідея була в тому, щоб частинки типу протона і нейтрона розглядати як хвилі, що поширюються по струні. Тоді сильні взаємодії, що діють між частинками, відповідають відрізкам струн, що з’єднують між собою, як у павутині, інші ділянки струн. Для того щоб обчислена в цій теорії сила взаємодії мала значення, що відповідає експерименту, струни повинні бути еквівалентні гумовим стрічкам, натягнутим із силою близько десяти тонн.
У 1974 році парижанин Джоель Шерк і Джон Шварц із Каліфорнійського технологічного інституту опублікували роботу, в якій було показано, що теорія струн може описувати гравітаційну взаємодію, але тільки при значно більшому натягу струни - порядку тисячі мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з тридцятьма дев’ятьма нулями) тонн. У звичайних масштабах передбачення такої струнної моделі і загальної теорії відносності збігалися б, але починали різнитися на дуже малих відстанях, менших однієї тисяча мільйон мільйон мільйон мільйон мільйонної частки сантиметра (один сантиметр, поділений на одиницю з тридцятьма трьома нулями). Однак ця робота не привернула особливої уваги, адже як раз в той час багато хто відмовився від первинної струнної теорії сильної взаємодії, звернувшись до теорії кварків і глюонів, результати якої значно краще узгоджувалися з експериментом. Шерк трагічно помер (у нього був діабет, і він впав у кому, коли поруч не виявилося нікого, хто б зробив йому укол інсуліну). Тому Шварц залишився майже єдиним прихильником струнної теорії, але зі значно сильнішим натягом струн.
У 1984 році інтерес до струн несподівано відродився через дві причини. По перше, ніхто нічого особливого не добився, намагаючись показати, що супергравітація скінченна або що з її допомогою можна пояснити існування всіх різноманітних частинок, які ми спостерігаємо. Другою причиною була публікація статті Джона Шварца і Майка Гріна з Лондонського коледжу Куїн Мері, в якій було показано, що за допомогою теорії струн можна пояснити існування частинок із лівою спіральністю, як у деяких з тих частинок, що ми спостерігаємо. Якими б не були спонукальні мотиви, незабаром дуже багато науковців почали працювати над теорією струн, у результаті чого з’явився її новий різновид - теорія так званої гетеротичної струни, яка, схоже, змогла б пояснити різноманітність видів частинок, що ми спостерігаємо.
У теоріях струн теж виникають нескінченності, але є надія, що ці нескінченності усунуться в таких версіях теорії як гетеротична струна (хоча достеменно це ще не відомо). Але струнні теорії містять значно більше серйозних труднощів: вони послідовні (несуперечливі) лише в десяти чи двадцатишестивимірному просторі-часі, а не в звичайному чотиривимірному! Зайві виміри - це звичайна справа в науковій фантастиці; вони є вирішенням проблеми для подолання звичних обмежень теорії відносності, - неможливо рухатися швидше світла, подорожувати у часі (детальніше див. Розділ 10). Ідея наукової фантастики полягає в тому, щоб скоротити шлях, пройшовши через зайвий вимір. Це можна пояснити на малюнку таким чином. Уявіть собі, що простір, в якому ми живемо, має тільки два виміри і викривлений, як поверхня якірного кільця, або тора (мал. 11.7).
Якби ви були в точці на внутрішній стороні кільця (тора) і хотіли б потрапити в протилежну точку, то вам довелося б обійти тор по внутрішньому кільцю. А якби ви вміли переміщатися в третьому вимірі, ви могли б зрізати, пішовши навпростець.
Але чому ж ми не помічаємо всі ці додаткові виміри, якщо вони дійсно існують?
Чому ми бачимо тільки три просторових і один часовий вимір? Можливо, причина криється в тому, що інші виміри згорнуті в дуже малий простір розміром близько однієї мільйон мільйон мільйон мільйон мільйонної частки дюйма. Це так мало, що ми просто нічого не помічаємо: ми бачимо всього лише один часовий і три просторових виміри, в яких простір-час виглядає досить плоским. Те ж саме відбувається, коли ми дивимося на поверхню соломинки. Придивившись до неї можна побачити, що вона двовимірна (розташування точки на соломинці описується двома величинами: довжиною соломинки та відстанню навколо кругового відрізку). Та якщо подивитись на неї здалеку, то не буде видно її об’ємності, вона виглядатиме одновимірною (розташування точки на соломинці описуватиметься тільки однією величиною: довжиною соломинки). Так само і простір-час: у дуже малих масштабах він десятивимірний і дуже викривлений, а у великих масштабах не видно викривлення та додаткові виміри. Якщо це бачення вірне, то воно несе погані вісті майбутнім підкорювачам космосу: додаткові виміри будуть занадто малі для проходу космічного корабля. Але виникає й інша серйозна проблема. Чому лише деякі, а не всі виміри повинні згорнутися в маленьку кульку? Очевидно, що на дуже ранній стадії існування всі виміри у Всесвіті були сильно викривлені. Чому ж один часовий і три просторові виміри розгорнулися, а всі інші залишаються щільно згорнутими?
Одна з можливих відповідей – це антропний принцип. Двох просторових вимірів, вочевидь, недостатньо для того, щоб могли розвиватися такі складні істоти, як ми. Живучи, наприклад, на одновимірній Землі, двовимірні тварини, щоб розійтися при зустрічі, були б змушені перелазити одна через одну. Якби двовимірна істота з’їдала щось, то не змогла б перетравити їжу повністю. Її залишки виводилися б тим же шляхом, по якому їжа потрапляла до шлунку. Адже якби був наскрізний прохід через все тіло, то тварина виявилася б розділеною на дві окремі половини, - і наша двовимірна істота розвалилася б на дві частини (мал. 11.8). Точно так само важко уявити собі, як у двовимірної істоти відбувалася б циркуляція крові.
Труднощі виникали б і в тому випадку, якби число просторових вимірів було б понад три. Гравітаційна сила між двома тілами швидше зменшувалася б із відстанню, ніж у тривимірному просторі. (У трьох вимірах, коли відстань подвоюється, то гравітаційна сила зменшується в 1/4 рази, у чотирьох вимірах - у 1/5 рази, у п’яти - у 1/6 разів і т. д.). Це означає, що орбіти планет, що обертаються навколо Сонця, наприклад, Землі, були б нестабільні: найменше відхилення від кругової орбіти (що виникло, припустимо, через гравітаційне тяжіння до інших планет) призвело б до того, що Земля стала б рухатися по спіралі до або від Сонця. Ми б тоді або замерзли, або згоріли. Насправді, така сама залежність гравітаційної сили від відстані більше ніж у трьох просторових вимірах означає, що Сонце не могло б існувати в стабільному стані, в якому зберігається рівновага між тиском і гравітацією. Воно або розпалося б на частини, або, сколапсувало, перетворившись на чорну діру. В обох випадках від нього вже було б мало користі як від джерела тепла і світла для підтримки життя на Землі. У менших масштабах електричні сили, під дією яких електрони рухаються в атомі навколо ядра, вели б себе так само, як гравітаційні. Отже, електрони або всі разом вилетіли б з атома, або по спіралі рухались до ядра. У тому й іншому випадку не існувало б таких атомів, як тепер.
Тому, здається очевидним, що життя, принаймні так, як ми його собі уявляємо, може існувати лише в таких межах простору-часу, в яких один часовий і три просторові виміри не занадто згорнуті. Це означатиме, що ми маємо право посилатися на слабкий антропний принцип, якщо зможемо довести, що теорія струн принаймні допускає (а вона, по видимому, дійсно допускає) існування у Всесвіті областей зазначеного виду. Цілком можуть існувати й інші області Всесвіту або інші Всесвіти (що б під цим не малося на увазі), в яких або всі виміри сильно згорнуті, або розгорнені більше як чотири виміри. Хоча в подібних областях не буде розумних істот, які могли б побачити цю різноманітність наявних вимірів.
Ще однією проблемою є той факт, що існують принаймні чотири теорії струн (теорія відкритих струн та три різні теорії закритих струн) та мільйони шляхів, якими додаткові виміри, передбачені теорією струн, можуть бути викривлені. Чому потрібно обрати тільки одну теорію струн та один варіант викривлення? Протягом деякого часу відповіді на це питання не було і прогрес зупинився. Потім, приблизно 1994 року, науковці виявили феномен, що називається дуальністю: різні теорії струн і різні способи викривлення додаткових вимірів можуть призвести до однакових результатів у чотирьох вимірах. Крім того, через те, що і частинки, які займають одну точку простору, і струни, які є лініями, були виявлені й інші об’єкти, так звані р-брани, які знаходяться у двовимірному просторі або у просторі більшої розмірності. (Частинки можна розглядати як 0-брани, а струни – як 1-брани, але були й р-брани для р = 2 до р = 9.) Це, здавалося б, вказує на свого роду демократію в середовищі теорій супергравітації, струн та р-бран. Здавалося б вони підходять одна до одної, але жодна не є фундаментальнішою, ніж інша. Вони є різними наближеннями до фундаментальних теорій, що є дійсними у різних ситуаціях.
Людство знаходиться у пошуках основної теорії, хоча й досі без успіху. Тим не менш, я вважаю, що не може бути єдиного формулювання фундаментальної теорії, так само, як показав Гедель, не можна було б сформулювати арифметику за допомогою єдиного набору аксіом. Замість цього можна використати щось на зразок карт - не можливо використовувати одну карту для опису поверхні Землі або якірного кільця: потрібно як мінімум дві карти, у випадку Землі, і чотири для якірного кільця, щоб була покрита кожна точка. Кожна карта дійсна тільки в обмеженій області, але різні карти будуть мати область перекриття. Набір карт забезпечує повний опис поверхні. Аналогічним чином, у фізиці буде можливим використання різних формулювань в різних ситуаціях, але два різні формулювання узгодяться між собою в ситуаціях, коли вони обидва можуть застосовуватись. Сукупність різних формулювань можна розглядати як повну і єдину теорію, хоча й таку, що неможливо представити певним набором постулатів.
Але чи може єдина теорія насправді існувати? Або ми просто ганяємося за міражем? Можливими є три варіанти:
1. Повна та єдина теорія (або колекція перетинних формулювань) дійсно існує, і ми її коли-небудь відкриємо, якщо постараємося.
2. Остаточної теорії Всесвіту немає, а є просто нескінченна послідовність теорій, які дають дедалі точніший опис Всесвіту.
3. Теорії Всесвіту не існує: події неможливо передбачити після певної межі, вони відбуваються довільно й безладно.
На користь третього варіанту деякі висувають той аргумент, що існування повної системи законів обмежило свободу Бога, а це б завадило йому втручатися в наш світ. Ситуація схожа на добрий старий парадокс: чи зможе Бог створити такий важкий камінь, який Він сам не зможе підняти? Але думка про те, що Бог може передумати, - це приклад омани, на яку вказував ще Блаженний Августин; вона виникає, якщо вважати Бога істотою, що живе в часі; час же - властивість тільки Всесвіту, що створений Богом. Створюючи Всесвіт, Бог, імовірно, знав що робить!
З появою квантової механіки прийшло розуміння того, що події неможливо передбачити з абсолютною точністю і в будь-якому прогнозі завжди міститься деяка частка невизначеності. При бажанні цю невизначеність можна було б віднести на рахунок втручання Бога, але таке втручання носить дещо дивний характер: немає жодних доказів, що таке втручання має хоча б якусь ціль. Справді, якби втручання мало ціль, то воно по своєму визначенню не було б випадковим. У сучасному світі ми практично виключили третій можливий варіант, перевизначивши мету, що стоїть перед наукою: знайти систему законів, які давали б можливість передбачати події в межах, які встановлює принцип невизначеності.
Друга можливість, пов’язана з існуванням нескінченної послідовності все більш і більш точних теорій, поки цілком узгоджується з нашим досвідом. У багатьох випадках ми підвищували чутливість апаратури або створювали експерименти нового типу лише для того, щоб відкрити нові явища, які ще не були передбачені чинною теорією, і для їх передбачення доводилося створювати нову, більш складну теорію. Тому не буде нічого дивного, якщо виявиться невірним припущення, зроблене в рамках сучасних теорій великого об’єднання, про те, що не повинно існувати істотно нових явищ в проміжку від значення енергії електрослабкого об’єднання в 100 ГеВ до енергії великого об’єднання, рівної приблизно тисячі мільйонів мільйонів ГеВ. Насправді можна очікувати, що будуть відкриті нові шари структури, більш первісні, ніж кварки й електрони, які ми тепер вважаємо елементарними.
Але гравітація може накласти обмеження на цю послідовність вкладених одна в одну «коробок». Якби існувала частинка, енергія якої перевищувала б Планкове значення ‒ десять мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з дев’ятнадцятьма нулями) ГеВ, ‒ то її маса була б настільки стиснута, що частинка витіснила б сама себе із Всесвіту, утворивши чорну діру. Таким чином, послідовність все більш точних теорій повинна, очевидно, мати межу при переході до все більш і більш високих енергій, оскільки при певних енергіях повинна існувати остаточна теорія Всесвіту. Планкова енергія, звичайно, відокремлена прірвою від енергій близько сотні ГеВ ‒ це той максимум, якого можна наразі досягти в лабораторії. Та й за допомогою прискорювачів навряд чи вдасться звести міст через цю прірву в досяжному майбутньому! Хоча такі енергії могли виникнути на дуже ранніх стадіях розвитку Всесвіту. Мені здається, що вивчення первісного Всесвіту та вимоги математичної узгодженості приведуть нас до створення повної і єдиної теорії, і відбудеться це ще за життя когось із нас, нині живучих, якщо, звичайно, ми до цього часу самі себе не підірвемо.
Що значило б насправді, якби нам дійсно вдалося відкрити остаточну теорію Всесвіту? Як вже говорилося в Розділі 1, ми ніколи не могли б бути впевненими в тому, що знайдена теорія дійсно вірна, адже жодну теорію не можна довести. Але якби теорія була б математично несуперечливою і її припущення завжди збігалися з експериментом, то ми могли б не сумніватися в її правильності. Цим завершилася б довга і дивовижна глава в історії інтелектуальної боротьби людства за пізнання Всесвіту. Крім того, відкриття такої теорії зробило б революційний переворот в уявленні звичайних людей про закони, що керують Всесвітом. У часи Ньютона освічена людина могла, принаймні в загальних рисах, охопити весь обсяг знань, якими володіло людство. Але з тих пір розвиток науки відбувається в такому темпі, що подібне охоплення стало неможливим. Теорії безперервно видозмінюються для узгодження з результатами спостережень, і ніхто не займається переробкою та спрощенням теорій для того, щоб їх могли зрозуміти звичайні люди. Навіть будучи фахівцем, можна сподіватися осягнути лише певну частину наукових теорій. Крім того, розвиток йде так швидко, що все, чого навчають у школі чи університеті, завжди трохи застаріле. Лише одиниці можуть рухатися вперед нарівні зі швидко ростучим обсягом інформації. Їм доводиться присвячувати цьому весь свій час і спеціалізуватися у вузькій області. Решта мало що знає про прогрес, якого досягла наука та емоції, які він створює навколо себе. Якщо вірити Еддінгтону, сімдесят років тому лише дві людини розуміли загальну теорію відносності. Тепер її знають десятки тисяч випускників університетів, а багато мільйонів людей принаймні знайомі з її основною ідеєю. Якби була відкрита повна та єдина теорія, то її систематизація та спрощення, а потім і викладання в школі, принаймні в загальних рисах, виявилися б звичайною справою часу. Тоді всі змогли б отримати деяке уявлення про закони, що керують Всесвітом і відповідають за наше існування.
Якщо нам дійсно вдасться відкрити повну та єдину теорію, то це не означатиме, що ми зможемо пророкувати події взагалі. На те є дві причини. По перше, наші можливості передбачення обмежені принципом невизначеності квантової механіки, - із цим нічого не поробиш. На практиці, перше обмеження не таке категоричне, як друге. Воно пов’язане з тим, що, крім дуже простих випадків, ми не вміємо знаходити точні рішення рівнянь, що описують теорію. (Ми не в змозі точно вирішити навіть рівняння руху трьох тіл у ньютонівській теорії гравітації, а з ростом числа тіл і ускладненням теорії труднощі збільшуються). Ми вже знаємо ті закони, яким підкоряється поведінка матерії у всіх умовах, крім екстремальних. Зокрема, ми знаємо найважливіші закони, що лежать в основі хімії та біології. Проте ми, звичайно ж, не зараховуємо ці науки до вирішених проблем: ми поки не досягли майже жодних успіхів у прогнозі поведінки людини на основі математичних рівнянь! Таким чином, якщо ми і знайдемо повну систему основних законів, перед нами на багато років вперед буде стояти викликом нашому інтелекту задача розробки нових наближених методів, за допомогою яких ми могли б успішно передбачати можливі результати в реальних складних ситуаціях. Повна, несуперечлива та єдина теорія - це лише перший крок: наша мета – повне розуміння всього, що відбувається навколо нас і нашого власного існування.
Конкурс-2
Re: Конкурс-2
Так. Час вийшов. Я починаю перевіряти тексти. Всі, хто не встиг, може надсилати (я трохи покараю в балах, але принаймні матимемо більший шмат тексту). Грубим шрифтом виділю тих, хто виконав [уже] свій обов’язок перед українським народом 
:
denys: 1. Our Picture of the Universe
Анатолій: 2. Space and Time
Сондра: 3. The Expanding Universe
Olesya_Gomin: 4. The Uncertainty Principle
veta_veja: 5. Elementary Particles and the Forces of Nature
hope_clearwater: 6. Black Holes.
hedgehog: 7. Black Holes Ain't So Black
dani_fausse: 8. The Origin and Fate of the Universe
Julia: 9 The Arrow of Time
Лена: 10. Wormholes and Time Travel
Людмила: 11. The Unification of Physics
Вуодімєж: 12 Conclusion (Glossary)
Усі, хто виклав тексти, будь ласка, вже їх не чіпайте
Денисе, будь ласка, ще раз запитайте у "двієчників"
, що вони собі думають. Щоб знати, на що ще сподіватися.
Відповіді: не зміг/не змогла; не мав/не мала часу тощо не прийнятні. Це ж усе було добровільно і нема ні до кого претензій . Відповідь має бути "надішлю" або "не надішлю", щоб орієнтуватися, які лакуни залишаться.
: denys: 1. Our Picture of the Universe
Анатолій: 2. Space and Time
Сондра: 3. The Expanding Universe
Olesya_Gomin: 4. The Uncertainty Principle
veta_veja: 5. Elementary Particles and the Forces of Nature
hope_clearwater: 6. Black Holes.
hedgehog: 7. Black Holes Ain't So Black
dani_fausse: 8. The Origin and Fate of the Universe
Julia: 9 The Arrow of Time
Лена: 10. Wormholes and Time Travel
Людмила: 11. The Unification of Physics
Вуодімєж: 12 Conclusion (Glossary)
Усі, хто виклав тексти, будь ласка, вже їх не чіпайте
Денисе, будь ласка, ще раз запитайте у "двієчників"
, що вони собі думають. Щоб знати, на що ще сподіватися. Відповіді: не зміг/не змогла; не мав/не мала часу тощо не прийнятні. Це ж усе було добровільно і нема ні до кого претензій
. Відповідь має бути "надішлю" або "не надішлю", щоб орієнтуватися, які лакуни залишаться.Re: Конкурс-2
Rozdil 3 Vsesvit,wo rozwurjyetsja
Якщо в ясну, безмісячну ніч поглянути на небо, найяскравішими об'єктами, які можна побачити імовірніше за все будуть планети Венера, Юпітер, Марс та Сатурн. Також буде видно велику кількість зірок, схожих на наше Сонце, але більш віддалених. Деякі з цих нерухомих зірок насправді, здається трохи змінюють свож положення по відношенню одна до одноїразом з рухом Землі навколо Сонця,тож в дійсності, ніякі вони не статичні! Так здається тому, що ці зірки знаходяться порівняно близько до нас. Коли Земля обертається навколо Сонця, ми можемо бачити ці зорі з різних ракурсів на тлі більш віддалених світил.Завдяки цьому, ми в змозі безпосередньо виміряти відстань від цих зірок до нас: чим ближче їх розташування, тим більше здається, що вони рухаються. Найближча зірка Проксима Центавра знаходиться на відстані близько чотирьох світлових років (її світлу знадобиться приблизно 4роки, щоб досягти Землі ) або 37 трильйонів кілометрів. Більшість зірок, які видно неозброєним оком ,віддалені від нас на кілька сотень світлових років. Наше Сонце, наприклад, рощташоване в якійсь світловій хвилині від Землі. Видимі зірки розкидані по всьому нічному небу,але в особливості зосереджені у смузі, яку ми називаємо Чумацький Шлях. В далекому 1750 році деякі астрономи припускали,що виникнення Чумацького Шляху можна пояснити тим,що більшість видимих зірок утворює одну дископодібну конфігурацію, як приклад можна навести спіоальну галактику. Лише декілька десятиліть потому астроном сер Вілліам Хершель підтвердив це припущення, затративши немало зусиль на каталогування позицій та відстаней до великої кількості зірок. І навіть попри це уявлення про спіральні галактики отримала повне визнання лише на початку 20 століття.
Сучасна картина Всесвіту, якою ми її знаємо, виникла лише у 1924 році, коли американський астроном Едвін Хаббл продемонстрував, що наша Галактика не єдина. В дійсноіт, існує велика кількість інших,розділених величезними ділянками вільного простору. Щоб довести це твердження, йому знадобилось визначити відстані до цих інших галактик, які розташовані так далеко від нас, що насправді, навідміну від близьких зірок, є нерухомими. Тож Хаббл був вимушений використовувати непрямі методи для вимірювання відстаней. Видима яскравість зірки залежить від двох факторів: кількості світла, яке вона випромінює (світність ) та від того, наскільки далеко вона від нас. Ми можемо виміряти яскравість та відстань до ближніх зірок, а отже і визначити їх світність. І навпаки, якщо нам відома світність зірки в інших галактиках, ми можемо визначити відстань до неї, вимірюючи їх видиму яскравість. Хаббл помітив, що певні типи зірок завжди мають однакову світність, коли вони знаходяться достатньо близько, щоб провести вимірювання; отже він подав ідею, що якщо знайти подібні зірки в інших галактиках, ми могли б припустити, що вони мають таку ж саму світність, і таким чином розрахувати відстань до цих галактик. Якщо провівши такі розрахунки для великої кількості зорь однієї галактики, вони завждивизначатимуть одну й ту ж саму відстань, ми могли б бути достатньо впевненими у своїй оцінці.
Таким чином, Хаббл розрахував відстані до дев'яти різних галактик. Тепео ми знаємо, що наша Галактика --лише одна з багатьох сотен мільйонів, які можна спостерігати у сучасні телескопи, а кожна галактика в свою чергу містить декілька сотен мільйонів зірок. Малюнок 3:1 зображує одну зі спіральних галактик , подібну до нашої, якою ми вважаємо її було видно з інших галактик.Ми живемо в галактиці, яка обертається, а щоб її перетнути знадобиться приблизно сто тисяч світлових років; зірки в її спіральних рукавах обертаються навколо центра приблизно раз в декілька мільйонів років. Наше Сонце—не більше ніж звичайна, середньорозмірна зірка жовтого кольору, розташована біля внутрішнього краю одного зі спіральних рукавів. Ми-таки далеко відійшли від часів Арістотеля та Птоломея, коли вважалося, що Земля—центр Всесвіту!
Зірки знаходяться так далеко,що здаються лише цятками світла. Ми не можемо розгледіти їх розмір чи форму, тож як нам розрізнити різні типи зірок? В більшості випадків, є тільки одна характерна ознака, яку можна спостерігати --колір світла зірки. Ньютон зробив відкриття, що коли сонячне світло проходить крізь скляну призму, воно розкладається на кольори -компоненти (спектр ),наче у веселці. Налаштувавши телескоп на певну зірку чи галактику,так само можливо спостерігати спектр світла,що випромінює ця зірка, чи галактика. Різні зірки мають різний спектр, але відносна яскравість різних кольорів завжди така, яку слід очікувати від світла, яке іипромінює який-небудь об'єкт, розпечений до червоного. (На справді, світло, яке віпромінює подібний об'єкт,має характерний спектр, який залежить тільки від.його температури --температурний спектр. Саме тому, ми взмозі визначити температуру зірки за спектром її світла ). Більше того, ми виявимо, що певні дуже специфічні кольори взагалі відсутні у спектрі зірок, притому кольори, яких не вистачає будут варіюватись для різних зірок. Оскільки нам відомо, що кожен хімічний елемент поглинає свій характерний набір певних кольорів,порівнюючи ці кольори з тими, яких не вистачає у спектрі зірки, можна достеменно визначити, які елементи присутні в її атмосфері.
У 1920 році, коли астрономи почали досліджувати спектри зірок в інших галактиках, вони виявили дещо дуже своєрідне: набори відсутніх кольорів був ідентичним, як і для зірок нашої Галактики, однак всі вони в однаковій мірі були зміщені до червоного краю спектру. Щоб зрозуміти, що це означає, спершу слід розібратися з ефектом Доплера. Як ми знаємо, видиме світло складається з коливань, хвиль у електромагнітному полі. Довжина хвилі світла (або відстань від одного гребіня хвилі до іншого ) надзвичайно мала --від 380 до 780 нанометрів . Хвилі світла різної довжини --це те, що людське око сприймає як різні кольори:найдовщі хвилі належать червоному краю спектру, а найкоротші--синьому. Тепер уявімо джерело світла,що знаходиться на незмінній відстані від нас,таке як зірка,яка випромінює хвилі світла незмінної довжини. Очевидно, що довжина хвиль, які ми отримуємо, буде такою ж, яку зірка випромінює (гравітаційне поле галактики не буде достатньо сильним аби мати значний ефект ). Уявімо тепер, що джерело почало до нас наближатись:коли воно буде випускати наступний гребінь хвилі, він буде до нас ближчим, і відстань між гребенями хвиль,які ми отртмуємо, буде коротшою,ніж у випадку, коли зірка нерухома. Відповідно, якщо джерело віддаляється від нас, довжина хвиль, які ми отримуємо подовжиться. Якщо говорити про світло, таким чином можна дійти висновку,що зірка, яка віддаляється від нас, матиме спектр, кольори якого преміщенні до червоного краю, а у спектрі тих, які наближуються переважатимуть сині кольори. Співвідношення між довжиною хвилі та шіидкістю, яке і називають ефектом Доплера можна спостерігати у повсякденному житті. Прислухайтесь до машини, яка проїзжає по дорозі: з її наближенням, мотор звучить у вищому регістрі (відповідно до коротшої довжини хвилі і вищої частотності звукових хвиль),а коли авто наближається і їде далі --мотор звучить нижче. Світлові та радіохвилі поводяться так само. Безперечно, поліція може також використовувати ефект Доплера для вимірювання швидкості авто, вимірюючи довжину хвилі радіохвиль, які від нього відображаються
Довівши,що інші галактики існують, всі наступні роки Хаббл присвятив каталогуванню відстаней до цих галактик та спостереженню їх спектрів. У ті часи вважалося,що галактики рухаються доволі хаотично, тому спектрів, зміщенних до синього краю мало б бути стільки ж,скільки і зміщенних до червоного. Яким же було здивування,коли виявилось,що спектри більшості галактик зміщенні до чеовоного краю, тобто практично всі віддалялись від нас.Ще більш дивуючим було відкриття Хаббла,опубліковане у 1929році: навіть ступінь зміщення невипадковий,але прямо пропорційний відстані галактики до нас. Іншими словами,чим далі галактика знаходиться від нас,тим швидше вона віддаляється! Це означало,що Всесвіт не може бути статичним,як раніше вважалося,вле насправді розширюється і відстані між різними галактиками постійно змінюються.
Відкриття, яке означало,що Всесвіт розширюється, було однією з великих іетелектуальних революцій 20 століття. Оглядаючись назад можна лише дивуватись, чому ніхто з науковців не додумався до цього раніше. Ньютон та інші фізики мали б дійти висновку,що статична галактика раніше чи пізніше почне сжиматись під впливом гравітації. Натомість припустімо,що Всесвіт розширюється. Якщо б розширення відбувалось достатньо повільно, сила тяжіння зрештою припинила б це розширення,і галактика почала б звужуватись. Однак,якби Всесвіт розширювався зі швидкістю, яка перевищує певну критичну позначку, сила тяжіння ніколи не була б достатньо сильною,аби його зупинити,і Всесвіт би продовжував розширюватись вічно. Це трохи схоже на запуск ракети --якщо швидкість порівняно низька,зрештою сила тяжіння зупинить ракету і вона почне падати вниз. З іншої сторони,якщо ракета запущена зі швидкістю,більшою за певну критичну позначку(близько 11 кілометрів в секунду),гравітація не буде достатньо сильною,щоб її повернути,і ракета буде безперервно віддалятись від Землі . Розширнння Всесвіту могло бути передбаченим на основі гравітаційної теорії Ньютона в будь-який момент у 19, 18,чи навіть наприкінці 17століть. Однак віра у статичну галактику була настільки сильною,що протрималась до початку 20 го століття. Навіть Ейнштейн, формулюючи загальну теорію відносності у 1915 році,був настільки впевнений у незмінності Всесвіту,що підлаштував свою теорію, ввівши так звану "космологічну сталу" у своє рівняння аби унеможливити сталість галактики. Таким чином,Ейнштейн представив нову "антигравітаційну ".силу, яка на відміну від інших сил, не мала певного джерела, але була вбудована у саму структуру "простір -час ". Науковець стверджував,що структура "простір-час" має тенденцію до розширення Науковець стверджував,що структура "простір-час" має тенденцію до розширення, тим самим урівноважуючи притяжіння всієї іншої матерії галактики,і як результат --Всесвіт виявляється нерухомим. Здається, лише одна людина готова була серйозно сприйняти теорію загальної відносності: поки Ейнштейн та інші фізики шукали способи обійти передбачення Всесвіту, що розширюється, яке випливало з цієї теорії, російський фізик і математик Олександр Фрідман навпаки взявся її пояснити.
Фрідман зробив два дуже простих припущення: по-перше, що Всесвіт виглядає однаково в якому б напрямку ми його не спостерігали, по-друге, це твердження має залишатись вірним і в тому випадку, якщо б ми проводили спостереження з будь-якого іншого місця. Виходячи лише з цих двох припущень, Фрідман показав, що Всесвіт не має бути статичним. Отже, у 1922,за декілька років до відкриття Хаббла, Фрідман на справді з точністю його передбачив.
Припущення, що галактика виглядає однаково з усіх напрямків, в дійсності,звісно не вірне. Наприклад, як ми можемо побачити, інші зорі нашої галактики утворюють чітку смугу світла поперек нічного неба--Чумацький Шлях. Однак, якщо ми поглянемо на віддалені галактики, здається, що їх кількість у всіх напрямках приблизно однакова. Отже, Всесвіт таки здається більш -менш олнаковим в будь-якому напрямку, якщо спостереження проводиться в масштабі більшому порівняно з відстаннями між галактиками,ігноруючи дрібномасштабні відмінності. Тривалий час це було достатнім підтвердженням припущення Фрідмана як "грубого" наближення до реального Всесвіту. Нещодавно, завдяки щасливій випадковості, виявилось, що гіпотеза Фрідмена,в дійсності описує нашу галактику напрочуд вірно.
У 1965 році двоє американских фізиків з Bell Telephone Laborotories у штаті Нью-джерсі, Арно Пензіас та Роберт Вілсон проводили тестування надчутливого мікрохвильового детектора (мікрохвилі подібні до світлових, але з довжиною хвилі 1 сантиметр ). Пензіас та Вілсон були занепокоєні коли виявили, що детектор спримає більше шумів, ніж повинен був. Ці шуми не надходили з якогсь певного напрямку. Спершу науковці знайшли пташиний послід у детекторі і перевірили апарат на інші модюжливі несправності,але згодом виключили цю імовірність. Вони знали,що будь-який шум,що надходить з атмосфери був би сильніший,коли детектор не був направлений прямо вгору,адже промені світла,що йдуть з-за горизонту,проходять через значно товстіщі шари атмосфери,ніж ті,які потрапляють у детектор прямо згори. Зайвий же шум був однаковим, незалежно від того,в якому напрямку був направлений детектор, тож цей шум мав надходити з поза меж атмосфери. Також шум залишався незмінним протягом дня та ночі весь рік, незважаючи на те,що Земля оберталася навколо своєї осі та навколо Сонця. Це означало,що джерело випромінення знаходилось поза межами Сонячної системи, і навіть за межами галактики, бо інакше, інтенсивність випромінення змінювалась би,оскільки детектор був би направлений в різні сторони, залежно від положення Землі.
Насправді, як відомо, на шляху до нас, випромінення має проходити через увесь видимий Всесвіт, а оскільки воно однакове у всіх напрямках, і сам Всесвіт має бути однаковим у всіх напрямках, принаймні у крупному масштабі. Тепер нам відомо, що в якому нвпрямку б не проводилось спостереження, шум ніколи не варіюється більше,ніж на крихітну долю. Так Пензіас та Вілсон несвідомо дали доволі точне підтвердження першому припущенню,яке було висунуте Фрідманом. Тим не менше,оскільки Всесвіт не являється в точності однаковим у всіх напрямках,в лише всередньому,у великих масштабах,мікрохвилі також не можуть бути абсолютно однаковими у всіх напрямках. Мають бути невеликі варіації між різними напрямками. Це явище було вперше зафіксовано у 1992 році супутником Cosmic Background Explorer,на рівні приблизно однієї стотисячної. І хоча ці відмінності невеликі, вони дуже важливі, як буде пояснено у восьмому розділі.
Приблизно в один час із Пензіасом та Вілсоном, інші два американських фізика з сусіднього Прінстонського університету, Боб Дікке та Джим Піблс також займались дослідженнями мікрохвиль. Вони перевіряли припущення, висунуте колишнім учнем Фрідмана Джорджем Гамовим, що ранній Всесвіт мав би бути дуже гарячим, щільним та розпеченим до білого. Дікке та Піблс висловили припущення,що ми досі можемо бачити світіння раннього Всесвіту, оскільки світло з дуже віддвлених його частин тільки зараз мало б нас досягнути. Разом з тим, розширення Всесвіту означало, що це світло спектрально буде настільки зміщенми до червоного краю, що ми сприйматимемо його як микрохвильове випромінення. Дікке та Пібблс готувались до пошуків цього випромінення, коли Пензіас та Вілсон дізналися про їх дослідження і зрозуміли, що вже його знайшли. За це відкриття Пензіас та Вілсон у 1978році отримали Нобелівську премію, що здається не зовсім справедливим по відношенню до Дікке та Пібблса, не кажучи вже про Гамова.
Щоправда, на перший погляд, всі докази того, що Всесвіт однаковий, в якому б напрямку його не спостерігати, ніби означають щось особливе про наше положення у галактиці. Зокрема, може здатись, що якщо ми спостерігаємо, що всі інші галактики віддаляються від нас, то Земля має бути центром Всесвіту. Однак, існує інше пояснення: Всесвіт буде виглядати однаково і в тому випадку, якщо спостерігати його з будь-якої іншої галактики також. Це і було другим припущенням Фрідмана,але в нас немає науково обґрунтованих доказів ні за , ні проти цього припущення. Ми чемно віримо в нього, адже було б дивно,якби Всесвіт виглядав однаково з усіх напрямків тільки навколо нас, а в інших точках цього не було б. У моделі Фрідмана усі галактики віддаляються одна від одної. Це ніби шар, з нанесеними крапками, який постійно надувають. Разом з тим, як куля розширюється, відстань між будь-якими 2 точками збільшується, але не можна назвати точку, яка була б центром розширення. Крім того, чим далі точки знаходяться одна від одної, тим швидше відбуватиметься віддалення. У моделі Фрідмана існує прямо пропорційна залежність між швидкістю віддалення і відстанню між галактиками. Таким чином, модель науковця передбачила, що зміщення до червоного краю спектра галактики має бути прямопропорціне відстані від нас—в точності те, що відкрив Хаббл. Незважаючи на успіх моделі та її передбачення спостережень Хаббла, вона залишалась достатньо невідомою на Заході до тих пір, поки схожі моделі не були відкриті у 1935 році американським фізиком Хавардом Робертсом та британським математиком Артуром Волкером як відповідь на спостереження Хаббла про повсюдне розширення Всесвіту.
Хоча Фрідман відкрив лише одну модель, в дійсності їх існує три і всі вони підкорюються двом фундаментальним припущенням фізика. В першій моделі(яку Фрідман і запропонував), Всесвіт розширюється достатньо повільно так, що гравітаційне при тяжіння між різними галактиками спричинює уповільнення і зрештою припинення розширення. Потім галактики почнуть рухатись назустріч одна одній і Всесвіт звузиться.
Малюнок 3:2 демонструє як з часом змінюється відстань між сусідніми галактиками. Вона зростає від нуля до певного максимуму, а потім знову зменшується до нуля. В моделі другого типу Всесвіт розширюється настільки швидко, що гравітаційне при тяжіння не може його зупинити, але здатне трохи сповільнити. Малюнок 3:3 показує, як віддаляються галактики в такій моделі: крива починається з нуля і, врешті-решт галактики віддаляються одна від одної з постійною швидкістю. Існує,зрештою, і третій тип моделі, в якій Всесвіт розширюється достатньо швидко лише для того, аби уникнути повторного колапсу. В цьому випадку віддалення , продемонстроване малюнком 3:4, також починається з нуля,а продовжується вічно. Тим не менше, швидкість, з якою галактики рухаються одна від одної згодом знижується, але ніколи не сягає нуля.
Модель Фрідмана першого типу примітна тим, що в ній Всесвіт не безкрайня у просторі, хоча простір меж не має. Сила тяжіння настільки сильна, що простір,викривляючись ,замикається самим собою, стаючи схожим скоріше на земну поверхню. Якщо людина візьметься подорожувати у певному напрямку по земній поверхні, вона ніколи не наштовхнеться на непрохідну перепону і не вивалиться через край, але,зрештою, прийде туди, звідки вийшла.
В першій моделі простір такий же,однак замість двох, поверхня Землі має три виміри. Четвертий вимір—час, теж має обмежену протяжність, але подібне до лінії, що має початок і кінець. Пізніше ми побачимо, що якщо поєднати теорію загальної відносності з квантово-механічним принципом невизначеності , то існує можливість того, що і простір і час можуть бути кінцевими, при цьому не маючи ні країв, ні меж.
Ідея, що можна обійти Всесвіт і опинитись у вихідній точці згодиться для наукової фантастики, але не має практичного значення, оскільки, як може бути доведено, Всесвіт встигне зжатися до нуля до завершення обходу. Щоб опинитися у вихідній точці, довелося б подорожувати зі швидкістю, більшою за швидкість світла, а це неможливо.
В першій моделі Фрідмана, в якій Всесвіт розширюється і зжимається, простір викривляється, замикаючись на собі подібно до поверхні Землі. Таким чином, протяжність його має кордони. Навідміну від другої моделі,де Всесвіт розширюється вічно, простір викривлено інакше, подібно до сідла, в цьому випадку простір безмежний. Нарешті, у третій моделі Фрідмана, завдяки критичній швидкості розширення, простір плаский, тож теж не має меж.
Але яка з моделей Фрідмана описує наш Всесвіт? Чи він перестане розширюватись і зрештою почне зжиматися, чи буде розширюватись вічно? Щоб відповісти на це питання, необхідно знати поточні швидкість розширення та середню густину. Якщо густина менше певного критичного значення, яке залежить від швидкості розширення, то гравітаційне при тяжіння буде занадто слабким аби зупинити розширення. Якщо ж густина більша , ніж це критичне значення, гравітація в якийсь момент зупинить розширення і спричинить колапс.
Поточний ступінь розширення ми можемо визначити, і до того ж дуже точно, вимірявши швидкості, з якими інші галактики віддаляються від нас, використовуючи ефект Доплера. Тим не менше, відстані до галактик нам не дуже відомі, оскільки їх не можна виміряти напряму. Тож усе, що нам відомо — Всесвіт розширюється на 5-10% кожну тисячу мільйонів років. Наша невпевненість щодо точної теперішньої густини навіть більша. Якщо додати маси усіх зірок, які можна спостерігати в нашій та інших галактиках, сума буде меншою ніж одна сота тої густини, необхідної для припинення розширення , навіть для найнижчого показника швидкості. Однак, і в нашій, і в інших галактиках має міститись велика кількість «темної матерії», яку неможливо безпосередньо побачити, але завдяки спостереженню впливу її гравітаційного притяжіння на орбіти та зірки різних галактик, ми впевнені, що вона існує. Крім того, більшість галактик розташовані у вигляді скупчень, і аналогічно ми можемо припустити наявність ще більшої кількості міжгалактичної «темної матерії» у цих скупченнях, яка впливає на рух галактик. Якщо додати масу всієї присутньої темної матерії, навіть тоді ми отримаємо лише одну десяту кількості, необхідної для припинення розширення. Не зважаючи на це, ми не можемо виключити імовірність існування іншої форми ще не зареєстрованої матерії, що рівномірно поширена по всьому Всесвіту, і яка могла б підвищити середню густину Всесвіту до критичного значення, необхідного для припинення розширення. Виходячи з наявних доказів, можна припустити, що Всесвіт таки буде розширятись вічно, але в одному ми можемо бути цілком впевнені: навіть якщо Всесвіт зазнає повторного колапсу, цього не станеться щонайменше в найближчі десять тисяч мільйонів років, оскільки приблизно стільки часу він вже розширюється. Але це не повинно так вже сильно нас хвилювати: на той час, якщо, звісно, ми не переселимося за межі сонячної системи, людства вже давно не буде — воно згасне разом з нашим сонцем!
Всі моделі Фрідмана припускають, що в певний момент в минулому( десять-двадцять тисяч мільйонів років тому, відстань між сусідніми галактиками мала б дорівнювати нулю. В той момент, який ми називаємо великим вибухом, густина Всесвіту та кривизна пространства-часу мали б бути безкрайніми. Оскільки математики в реальності не вміють проводити розрахунки з безкінечними величинами, то загальна теорія відносності, на якій базуються моделі Фрідмана, передбачає існування точки у Всесвіті, в якій сама теорія не може використовуватись. Така точка—це приклад того, що математики називають одиничністю(сингулярністю). Насправді, всі наші наукові теорії сформовані на припущенні, що простір-час гладкі та майже пласкі, а тому всі ці теорії невірні у сингулярній точці великого вибуху, в якій кривизна простору-часу безмежна. Це означає, що навіть якщо перед великим вибухом і відбувались якісь події, їх не можна використати аби спрогнозувати, що відбудеться в майбутньому , бо в точці великого вибуху можливість передбачення звелася б до нуля. Так само, знаючи лише те, що відбулося після великого вибуху,( а нам лише це і відомо), ми не можемо достеменно визначити, що трапилось до нього. Згідно з нашими уявленнями, події , що відбувались до великого вибуху, не можуть мати будь-яких наслідків, тож не мають формувати частину наукової моделі Всесвіту. Тож нам слід виключити їх з цієї моделі, визнавши, що відлік часу починається з великого вибуху.
Багатьом не подобається ідея того, що у часу є початок, імовірно тому, що в ній міститься натяк на втручання вищих сил. ( Разом з тим Католицька Церква Ухватилась за модель великого вибуху і у 1951 офіційно проголосила узгодження цієї моделі з Біблією). З цим пов’язані численні спроби заперечити те, що великий вибух насправді був. Найбільшу підтримку отримала модель стаціонарного Всесвіту. Вона була запропонована у 1948 році Германом Бонді та Томасом Голдом, які були біженцями з окупованої нацистами Австрії, та англійцем Фредом Хойлом, який протягом війни разом з ними працював над розвитком радарів. Ідея полягала в тому, що коли галактики віддалялись одна від одної, нові галактики безперервно заповнювали порожні місця,народжуючись з нової матерії. Таким чином, Всесвіт виглядатиме приблизно однаково вусі часи і з усіх точок простору. Така модель потребувала модифікацій теорії загальної відносності для унеможливлення створення нової матерії, але необхідна швидкість утворення виявилась настільки малою( одна доля на кубічний сантиметр в рік), що ніяких протиріч з експериментом не виникало. З наукової точки зору, теорія була хорошим прикладом,як вже зазначалося в першому розділі --вона була простою та висувала передбачення, які можна довести через спостереження. Одним з цих передбачень було те ,що кількість галактик або полібних об'єктів в будь-якому об'ємі простору має бути однаковим, коли і звідки б зі Всесвіту ми не спостерігали. Наприкінці 1950-х-напочатку 1960 у Кембріджі, група астрономів під керівництвом Мартина Райла,який також працював із Бонді, Голдом та,Хойлом протягом війни, створили каталог джерел радіохвиль,що надходять з космосу. Ця кембріджська група показала,що більшість цих,радіохвиль має,надходити з-поза меж нашої,галактик, немало з джерел мають входити до інших галактик, що слабкиз джерел було набагато більше,ніж сильних.Вони пояснили це тим,що слабкі джерела більш віддалені,а сильні більш наближені до нас. Потім виявилося, що кількість звичайних джерел в одиниці об'єму більша у віддалених областях,ніж в наближених. Це могло означати,що ми знаходимося в центрі обширного регіону,де джерел менше,ніж будь-де. Але можливо також і те,що джерела були більш численними у минулому,коли радіохвилі почали свою подорож до нас,ніж зараз. Обидва пояснення протирічать передбаченням теорії стаціонарного Всесвіту. Більше того, відкриття мікрохвильового випромінення,зроблено Пензіасом та Вілсоном у 1965 році також зазначалося ,що Всесвіт дуже імовірно, мав більшу густину у минулому. Тож від теорії статичного Всесвіту довелося відмовитись.
Двоє російских науковців Євген Ліфшиц та Ісаак Халатніков у 1963 зробили іншу спробу уникнути висновку, що великий вибух таки відбувся, а разом з тим і початок часу..Вони зробили припущення, що великий вибух --не більше, ніж особ ливість моделей Фрідмана,які, зрештою були тільки наближеннями до реального Всесвіту. Можливо, з усіх моделей, які б приблизно нагадували реальний Всесвіт, сингулярність в. точці великого вибуху виникає лише у моделі Фрідмана. В його моделях галактики прямонаправлено віддаляються одна від одної--тож не дивно, що в певний момент часу вони всі були в одному місці. У реальному Всесвіті ж галактики не розходяться точно по прямій, вони також мають невеликі побічні швидкості,напрвалені під кутом . Тож в дійсності, галактики ніколи не були в одному місці, а лише дуже близько олна до одної. Можливо тоді,що нинішній Всесвіт,що розширюється виник не в сингулярній точці великого вибуху,але в більш ранній період звуження. Можливо при звуженні Всесвіту не всі часточки зіткнулися одна з одною,якась їх доля могла пролетіти повз одна одну і знову розійтися в різні сторони, в результаті чого і можна зараз спостерігати Всесвіт,що рощширюється,що в той чи іншій мірі нагадує моделі Фрідмана, лише з урахуванням неточностей та випадкових швидкостей галактик у реальному Всесвіті. Вони продемонстрували що подібні моделі можуть брати початок з великого вибуху, навіть якщо галактики і не рухались прямонаправлено одна від одної. Однак, науковці заявили, що це могло б бути можливим лишн для певних виключень, в моделях, де всі галактики рухаються у правильнозаданому напрямку. Вони заперечували з тим,що оскільки моделей Фрідмана,що не містять великий вибух набагато більше,ніж галактик,що його містять, тож слід зробити висновок,що в дійсності, великого вибуху не існувало. Пізніше вони усвідомили,що існував набагао ширший клас моделй,подібних до фрідменівської ,і вони мали сингулярності, а також те,що галактикам не має необхідності рухатись якось по-осоьливому. Таким чином,у 1960 році Ліфшиц та Халатников ввдмовились від своєї теорії.
Тим не менше їх робота мала цінне значеннч,показуючи,що Всесвіт міг містити сингулярність,великий вибух,якщо загальна теорія ввдносності була вірною. Однак, вони не вирішили головного питання:чи загальна відносність передбачає,що наш Всесвіт мав великий вибух та початок часів? Відповідь на це питання була отримана завдяки зовсім іншому підходу, який поедставив британський математик і фізик Роджер Пенроуз у 1965. Виходячи по-перше з поведінки сввтлових конусів у загальній теорії відносності і по-друге,що гравітаційні сили завжди являються силами притяжіння, Пенроуз показав,що коли зірка стискається під дією власних гравітаційних сил, вона обмежується областю,поверхня якої,зрештою стискається до нуля. І оскільки поверхня ділянки стискається до нуля, те ж саме має відбутися із об'ємом. Вся матерія зірки буде зтиснута до ділянки з нульовим об'ємом, так що густина та крива простір -час стануть безмежними. Іншими словами, виникає сингулярність у певній області простору-часу, відома як чорна діра.
На перший погляд, результат, який отримав Пенроуз був вірним лише для зірок, і ніякого відношення до відповіді на питання, чи цілий всесвіт мав великий вибух в точці сингуляргості у цілому Всесвіті в минулому, чи ні. Однак на той час, коли Пенроуз запропонував свою теоремц, я був аспірантом і відчайдушно шукав якесь питання, з яким можна захистити дисертацію. Два роки тому, мені поставили діагноз "боковий аміотрофічний склероз ",ширше відомий як "хвороба Лу Геріга " чи "моторна хвороба нейронів ",і дали зрозуміти, що жити мені лишилося 1-2роки. У зв'язку з цими обставинами, робота над моєю дисертацією не. мала багато сенсу --я не. очікував прожити так довго. Та 2 роки пооминули, а мій стан не настільки вже і погіршився. Насправді, справи йшли доволі добре: я заручився з дуже доброю дівчиною. Джейн Вайлд, але щоб одружитись, потрібна була робота, а щоб знайти роботу-- докторський ступінь.
У 1965 році я прочитав про теорему Пенроуза, що будь-яке тіло, в умовах гравітаційного колапсу, повинне в решті-решт сформувати сингулярність. Згодом я зрозумів, що якщо в його теоремі змінити напрямок часу на зворотній таким чином, щоб стискання перетворилось на розширення, то ця нова теорема також буде вірною, адже зараз можна принаймні наближено описати Всесвіт у великому масштабі за доромогою моделі Фрідмена. Згідно теореми Пенроуза, квнцевим станом будь-якої зірки, що колапсує, повинна бути сингулярність;при зміненні часу, ця теорема стверджує, що у будь-якій моделі фрідмановського типу початковим станом Всесвіту, що розширюється, теж має бути сингулярність. З технічних причин, теорема Пенроуза потребувала умови, що Всесвіт безмежний у просторі. Тож, насправді, я міг на основі цієї теореми довести лише, що сингулярність повинна існувати, якщо розширення Всесвіту відбувається достатньо швидко, щоб уникнути повторного колапсу (адже тільки такі моделі. Фрідмана були безмежними у просторі ).
Протягом декількох наступних років я розробив нову математичну техніку, щоб уникнути в теоремах цю та інші технічні умови,які доводили, що сингулярності мають виникати. Кінцевим результатом стала стаття, написана у співавторстві з Пенроузом у 1970 році, в якій нарешті доволилося, що сингулярність під час великого вибуху дійсно повиннна була існувати, спираючись на. те, що теорія загальної відносності вірна і що Всесвіт містить стільки матерії, скільки ми можемо бачити. Наша робота зустріла багато спротиву, частково зі сторони радянських вчених, які по-марксистськи вірили в науковий детермінізм,частково зі сторони нпуковців, яким здавалось, що ця теорія псує красу теореми Ейнштейна. Але заперечувати математичну теорію не дуже -то просто, тому зрештою нашу роботу прийняли, і зараз майже всі вважають, що Всесвіт виник в особливій точці великого вибуху .Може, в чомусь йе іронічно, бо мої уявлення змінились, і тепер я намагаюся переконати інших фізиків в тому, що в дійсності, не було ніякої сингулярності при
зародженні Всесвіту, як ми побачимо у насупних розділах, що враховуючи квантовий ефект ,вона може зникнути.
В цьому розділі ми побачили, як всього лише за півстоліття змінилося людське уявлення про Всесвіт, сформоване протягом тисячоліть. Відкриття Хаббла, що Всесвіт розширюється, і усвідомлення незначущого положення нашої власної планети у безмежності простору, були лише початком. З новимт та новими експериментальними та теоретичними доказами, ставало дедалі зрозуміліше, що Всесвіт обов'язково мав початок у часі, поки, нарешті, у 1970 я. та. Пенроуз цього не довели,базуючись на теорії загальної віднсності Ейнштена. Завдяки нашим доказам можнв зробити висновок,що загальна теорія відносності не є повною: вона не може довести, як виник Всесвіт, адже вона передбачає, що всі теорії фізики, зокрема і вона сама, не використовуються в точці зародження Всесвіту. Однак теорема загальної відносності не претендує бути більше, ніж неповною теорією:теореми про сингулярність, в дійсності стверджують, що на певні дуже ранній стадії рлзвитку розміри Всесвіту були настільки малими, що тоді могли мати значення дрібномасштабні ефекти, якими. займається вже інша важлива теорія 20 століття --квантова механіка. Отже, на початку 70-х нам довелося в своїх дослідженнях Всесвіту перейти від дуже великого на теорію надзвичайно малого. Теорія квантової механіки буде описана далі, а потім ми кинемо нашi зусилля на поєднання двох часткових теорій в єдину квантову теорію гравітації.
Якщо в ясну, безмісячну ніч поглянути на небо, найяскравішими об'єктами, які можна побачити імовірніше за все будуть планети Венера, Юпітер, Марс та Сатурн. Також буде видно велику кількість зірок, схожих на наше Сонце, але більш віддалених. Деякі з цих нерухомих зірок насправді, здається трохи змінюють свож положення по відношенню одна до одноїразом з рухом Землі навколо Сонця,тож в дійсності, ніякі вони не статичні! Так здається тому, що ці зірки знаходяться порівняно близько до нас. Коли Земля обертається навколо Сонця, ми можемо бачити ці зорі з різних ракурсів на тлі більш віддалених світил.Завдяки цьому, ми в змозі безпосередньо виміряти відстань від цих зірок до нас: чим ближче їх розташування, тим більше здається, що вони рухаються. Найближча зірка Проксима Центавра знаходиться на відстані близько чотирьох світлових років (її світлу знадобиться приблизно 4роки, щоб досягти Землі ) або 37 трильйонів кілометрів. Більшість зірок, які видно неозброєним оком ,віддалені від нас на кілька сотень світлових років. Наше Сонце, наприклад, рощташоване в якійсь світловій хвилині від Землі. Видимі зірки розкидані по всьому нічному небу,але в особливості зосереджені у смузі, яку ми називаємо Чумацький Шлях. В далекому 1750 році деякі астрономи припускали,що виникнення Чумацького Шляху можна пояснити тим,що більшість видимих зірок утворює одну дископодібну конфігурацію, як приклад можна навести спіоальну галактику. Лише декілька десятиліть потому астроном сер Вілліам Хершель підтвердив це припущення, затративши немало зусиль на каталогування позицій та відстаней до великої кількості зірок. І навіть попри це уявлення про спіральні галактики отримала повне визнання лише на початку 20 століття.
Сучасна картина Всесвіту, якою ми її знаємо, виникла лише у 1924 році, коли американський астроном Едвін Хаббл продемонстрував, що наша Галактика не єдина. В дійсноіт, існує велика кількість інших,розділених величезними ділянками вільного простору. Щоб довести це твердження, йому знадобилось визначити відстані до цих інших галактик, які розташовані так далеко від нас, що насправді, навідміну від близьких зірок, є нерухомими. Тож Хаббл був вимушений використовувати непрямі методи для вимірювання відстаней. Видима яскравість зірки залежить від двох факторів: кількості світла, яке вона випромінює (світність ) та від того, наскільки далеко вона від нас. Ми можемо виміряти яскравість та відстань до ближніх зірок, а отже і визначити їх світність. І навпаки, якщо нам відома світність зірки в інших галактиках, ми можемо визначити відстань до неї, вимірюючи їх видиму яскравість. Хаббл помітив, що певні типи зірок завжди мають однакову світність, коли вони знаходяться достатньо близько, щоб провести вимірювання; отже він подав ідею, що якщо знайти подібні зірки в інших галактиках, ми могли б припустити, що вони мають таку ж саму світність, і таким чином розрахувати відстань до цих галактик. Якщо провівши такі розрахунки для великої кількості зорь однієї галактики, вони завждивизначатимуть одну й ту ж саму відстань, ми могли б бути достатньо впевненими у своїй оцінці.
Таким чином, Хаббл розрахував відстані до дев'яти різних галактик. Тепео ми знаємо, що наша Галактика --лише одна з багатьох сотен мільйонів, які можна спостерігати у сучасні телескопи, а кожна галактика в свою чергу містить декілька сотен мільйонів зірок. Малюнок 3:1 зображує одну зі спіральних галактик , подібну до нашої, якою ми вважаємо її було видно з інших галактик.Ми живемо в галактиці, яка обертається, а щоб її перетнути знадобиться приблизно сто тисяч світлових років; зірки в її спіральних рукавах обертаються навколо центра приблизно раз в декілька мільйонів років. Наше Сонце—не більше ніж звичайна, середньорозмірна зірка жовтого кольору, розташована біля внутрішнього краю одного зі спіральних рукавів. Ми-таки далеко відійшли від часів Арістотеля та Птоломея, коли вважалося, що Земля—центр Всесвіту!
Зірки знаходяться так далеко,що здаються лише цятками світла. Ми не можемо розгледіти їх розмір чи форму, тож як нам розрізнити різні типи зірок? В більшості випадків, є тільки одна характерна ознака, яку можна спостерігати --колір світла зірки. Ньютон зробив відкриття, що коли сонячне світло проходить крізь скляну призму, воно розкладається на кольори -компоненти (спектр ),наче у веселці. Налаштувавши телескоп на певну зірку чи галактику,так само можливо спостерігати спектр світла,що випромінює ця зірка, чи галактика. Різні зірки мають різний спектр, але відносна яскравість різних кольорів завжди така, яку слід очікувати від світла, яке іипромінює який-небудь об'єкт, розпечений до червоного. (На справді, світло, яке віпромінює подібний об'єкт,має характерний спектр, який залежить тільки від.його температури --температурний спектр. Саме тому, ми взмозі визначити температуру зірки за спектром її світла ). Більше того, ми виявимо, що певні дуже специфічні кольори взагалі відсутні у спектрі зірок, притому кольори, яких не вистачає будут варіюватись для різних зірок. Оскільки нам відомо, що кожен хімічний елемент поглинає свій характерний набір певних кольорів,порівнюючи ці кольори з тими, яких не вистачає у спектрі зірки, можна достеменно визначити, які елементи присутні в її атмосфері.
У 1920 році, коли астрономи почали досліджувати спектри зірок в інших галактиках, вони виявили дещо дуже своєрідне: набори відсутніх кольорів був ідентичним, як і для зірок нашої Галактики, однак всі вони в однаковій мірі були зміщені до червоного краю спектру. Щоб зрозуміти, що це означає, спершу слід розібратися з ефектом Доплера. Як ми знаємо, видиме світло складається з коливань, хвиль у електромагнітному полі. Довжина хвилі світла (або відстань від одного гребіня хвилі до іншого ) надзвичайно мала --від 380 до 780 нанометрів . Хвилі світла різної довжини --це те, що людське око сприймає як різні кольори:найдовщі хвилі належать червоному краю спектру, а найкоротші--синьому. Тепер уявімо джерело світла,що знаходиться на незмінній відстані від нас,таке як зірка,яка випромінює хвилі світла незмінної довжини. Очевидно, що довжина хвиль, які ми отримуємо, буде такою ж, яку зірка випромінює (гравітаційне поле галактики не буде достатньо сильним аби мати значний ефект ). Уявімо тепер, що джерело почало до нас наближатись:коли воно буде випускати наступний гребінь хвилі, він буде до нас ближчим, і відстань між гребенями хвиль,які ми отртмуємо, буде коротшою,ніж у випадку, коли зірка нерухома. Відповідно, якщо джерело віддаляється від нас, довжина хвиль, які ми отримуємо подовжиться. Якщо говорити про світло, таким чином можна дійти висновку,що зірка, яка віддаляється від нас, матиме спектр, кольори якого преміщенні до червоного краю, а у спектрі тих, які наближуються переважатимуть сині кольори. Співвідношення між довжиною хвилі та шіидкістю, яке і називають ефектом Доплера можна спостерігати у повсякденному житті. Прислухайтесь до машини, яка проїзжає по дорозі: з її наближенням, мотор звучить у вищому регістрі (відповідно до коротшої довжини хвилі і вищої частотності звукових хвиль),а коли авто наближається і їде далі --мотор звучить нижче. Світлові та радіохвилі поводяться так само. Безперечно, поліція може також використовувати ефект Доплера для вимірювання швидкості авто, вимірюючи довжину хвилі радіохвиль, які від нього відображаються
Довівши,що інші галактики існують, всі наступні роки Хаббл присвятив каталогуванню відстаней до цих галактик та спостереженню їх спектрів. У ті часи вважалося,що галактики рухаються доволі хаотично, тому спектрів, зміщенних до синього краю мало б бути стільки ж,скільки і зміщенних до червоного. Яким же було здивування,коли виявилось,що спектри більшості галактик зміщенні до чеовоного краю, тобто практично всі віддалялись від нас.Ще більш дивуючим було відкриття Хаббла,опубліковане у 1929році: навіть ступінь зміщення невипадковий,але прямо пропорційний відстані галактики до нас. Іншими словами,чим далі галактика знаходиться від нас,тим швидше вона віддаляється! Це означало,що Всесвіт не може бути статичним,як раніше вважалося,вле насправді розширюється і відстані між різними галактиками постійно змінюються.
Відкриття, яке означало,що Всесвіт розширюється, було однією з великих іетелектуальних революцій 20 століття. Оглядаючись назад можна лише дивуватись, чому ніхто з науковців не додумався до цього раніше. Ньютон та інші фізики мали б дійти висновку,що статична галактика раніше чи пізніше почне сжиматись під впливом гравітації. Натомість припустімо,що Всесвіт розширюється. Якщо б розширення відбувалось достатньо повільно, сила тяжіння зрештою припинила б це розширення,і галактика почала б звужуватись. Однак,якби Всесвіт розширювався зі швидкістю, яка перевищує певну критичну позначку, сила тяжіння ніколи не була б достатньо сильною,аби його зупинити,і Всесвіт би продовжував розширюватись вічно. Це трохи схоже на запуск ракети --якщо швидкість порівняно низька,зрештою сила тяжіння зупинить ракету і вона почне падати вниз. З іншої сторони,якщо ракета запущена зі швидкістю,більшою за певну критичну позначку(близько 11 кілометрів в секунду),гравітація не буде достатньо сильною,щоб її повернути,і ракета буде безперервно віддалятись від Землі . Розширнння Всесвіту могло бути передбаченим на основі гравітаційної теорії Ньютона в будь-який момент у 19, 18,чи навіть наприкінці 17століть. Однак віра у статичну галактику була настільки сильною,що протрималась до початку 20 го століття. Навіть Ейнштейн, формулюючи загальну теорію відносності у 1915 році,був настільки впевнений у незмінності Всесвіту,що підлаштував свою теорію, ввівши так звану "космологічну сталу" у своє рівняння аби унеможливити сталість галактики. Таким чином,Ейнштейн представив нову "антигравітаційну ".силу, яка на відміну від інших сил, не мала певного джерела, але була вбудована у саму структуру "простір -час ". Науковець стверджував,що структура "простір-час" має тенденцію до розширення Науковець стверджував,що структура "простір-час" має тенденцію до розширення, тим самим урівноважуючи притяжіння всієї іншої матерії галактики,і як результат --Всесвіт виявляється нерухомим. Здається, лише одна людина готова була серйозно сприйняти теорію загальної відносності: поки Ейнштейн та інші фізики шукали способи обійти передбачення Всесвіту, що розширюється, яке випливало з цієї теорії, російський фізик і математик Олександр Фрідман навпаки взявся її пояснити.
Фрідман зробив два дуже простих припущення: по-перше, що Всесвіт виглядає однаково в якому б напрямку ми його не спостерігали, по-друге, це твердження має залишатись вірним і в тому випадку, якщо б ми проводили спостереження з будь-якого іншого місця. Виходячи лише з цих двох припущень, Фрідман показав, що Всесвіт не має бути статичним. Отже, у 1922,за декілька років до відкриття Хаббла, Фрідман на справді з точністю його передбачив.
Припущення, що галактика виглядає однаково з усіх напрямків, в дійсності,звісно не вірне. Наприклад, як ми можемо побачити, інші зорі нашої галактики утворюють чітку смугу світла поперек нічного неба--Чумацький Шлях. Однак, якщо ми поглянемо на віддалені галактики, здається, що їх кількість у всіх напрямках приблизно однакова. Отже, Всесвіт таки здається більш -менш олнаковим в будь-якому напрямку, якщо спостереження проводиться в масштабі більшому порівняно з відстаннями між галактиками,ігноруючи дрібномасштабні відмінності. Тривалий час це було достатнім підтвердженням припущення Фрідмана як "грубого" наближення до реального Всесвіту. Нещодавно, завдяки щасливій випадковості, виявилось, що гіпотеза Фрідмена,в дійсності описує нашу галактику напрочуд вірно.
У 1965 році двоє американских фізиків з Bell Telephone Laborotories у штаті Нью-джерсі, Арно Пензіас та Роберт Вілсон проводили тестування надчутливого мікрохвильового детектора (мікрохвилі подібні до світлових, але з довжиною хвилі 1 сантиметр ). Пензіас та Вілсон були занепокоєні коли виявили, що детектор спримає більше шумів, ніж повинен був. Ці шуми не надходили з якогсь певного напрямку. Спершу науковці знайшли пташиний послід у детекторі і перевірили апарат на інші модюжливі несправності,але згодом виключили цю імовірність. Вони знали,що будь-який шум,що надходить з атмосфери був би сильніший,коли детектор не був направлений прямо вгору,адже промені світла,що йдуть з-за горизонту,проходять через значно товстіщі шари атмосфери,ніж ті,які потрапляють у детектор прямо згори. Зайвий же шум був однаковим, незалежно від того,в якому напрямку був направлений детектор, тож цей шум мав надходити з поза меж атмосфери. Також шум залишався незмінним протягом дня та ночі весь рік, незважаючи на те,що Земля оберталася навколо своєї осі та навколо Сонця. Це означало,що джерело випромінення знаходилось поза межами Сонячної системи, і навіть за межами галактики, бо інакше, інтенсивність випромінення змінювалась би,оскільки детектор був би направлений в різні сторони, залежно від положення Землі.
Насправді, як відомо, на шляху до нас, випромінення має проходити через увесь видимий Всесвіт, а оскільки воно однакове у всіх напрямках, і сам Всесвіт має бути однаковим у всіх напрямках, принаймні у крупному масштабі. Тепер нам відомо, що в якому нвпрямку б не проводилось спостереження, шум ніколи не варіюється більше,ніж на крихітну долю. Так Пензіас та Вілсон несвідомо дали доволі точне підтвердження першому припущенню,яке було висунуте Фрідманом. Тим не менше,оскільки Всесвіт не являється в точності однаковим у всіх напрямках,в лише всередньому,у великих масштабах,мікрохвилі також не можуть бути абсолютно однаковими у всіх напрямках. Мають бути невеликі варіації між різними напрямками. Це явище було вперше зафіксовано у 1992 році супутником Cosmic Background Explorer,на рівні приблизно однієї стотисячної. І хоча ці відмінності невеликі, вони дуже важливі, як буде пояснено у восьмому розділі.
Приблизно в один час із Пензіасом та Вілсоном, інші два американських фізика з сусіднього Прінстонського університету, Боб Дікке та Джим Піблс також займались дослідженнями мікрохвиль. Вони перевіряли припущення, висунуте колишнім учнем Фрідмана Джорджем Гамовим, що ранній Всесвіт мав би бути дуже гарячим, щільним та розпеченим до білого. Дікке та Піблс висловили припущення,що ми досі можемо бачити світіння раннього Всесвіту, оскільки світло з дуже віддвлених його частин тільки зараз мало б нас досягнути. Разом з тим, розширення Всесвіту означало, що це світло спектрально буде настільки зміщенми до червоного краю, що ми сприйматимемо його як микрохвильове випромінення. Дікке та Пібблс готувались до пошуків цього випромінення, коли Пензіас та Вілсон дізналися про їх дослідження і зрозуміли, що вже його знайшли. За це відкриття Пензіас та Вілсон у 1978році отримали Нобелівську премію, що здається не зовсім справедливим по відношенню до Дікке та Пібблса, не кажучи вже про Гамова.
Щоправда, на перший погляд, всі докази того, що Всесвіт однаковий, в якому б напрямку його не спостерігати, ніби означають щось особливе про наше положення у галактиці. Зокрема, може здатись, що якщо ми спостерігаємо, що всі інші галактики віддаляються від нас, то Земля має бути центром Всесвіту. Однак, існує інше пояснення: Всесвіт буде виглядати однаково і в тому випадку, якщо спостерігати його з будь-якої іншої галактики також. Це і було другим припущенням Фрідмана,але в нас немає науково обґрунтованих доказів ні за , ні проти цього припущення. Ми чемно віримо в нього, адже було б дивно,якби Всесвіт виглядав однаково з усіх напрямків тільки навколо нас, а в інших точках цього не було б. У моделі Фрідмана усі галактики віддаляються одна від одної. Це ніби шар, з нанесеними крапками, який постійно надувають. Разом з тим, як куля розширюється, відстань між будь-якими 2 точками збільшується, але не можна назвати точку, яка була б центром розширення. Крім того, чим далі точки знаходяться одна від одної, тим швидше відбуватиметься віддалення. У моделі Фрідмана існує прямо пропорційна залежність між швидкістю віддалення і відстанню між галактиками. Таким чином, модель науковця передбачила, що зміщення до червоного краю спектра галактики має бути прямопропорціне відстані від нас—в точності те, що відкрив Хаббл. Незважаючи на успіх моделі та її передбачення спостережень Хаббла, вона залишалась достатньо невідомою на Заході до тих пір, поки схожі моделі не були відкриті у 1935 році американським фізиком Хавардом Робертсом та британським математиком Артуром Волкером як відповідь на спостереження Хаббла про повсюдне розширення Всесвіту.
Хоча Фрідман відкрив лише одну модель, в дійсності їх існує три і всі вони підкорюються двом фундаментальним припущенням фізика. В першій моделі(яку Фрідман і запропонував), Всесвіт розширюється достатньо повільно так, що гравітаційне при тяжіння між різними галактиками спричинює уповільнення і зрештою припинення розширення. Потім галактики почнуть рухатись назустріч одна одній і Всесвіт звузиться.
Малюнок 3:2 демонструє як з часом змінюється відстань між сусідніми галактиками. Вона зростає від нуля до певного максимуму, а потім знову зменшується до нуля. В моделі другого типу Всесвіт розширюється настільки швидко, що гравітаційне при тяжіння не може його зупинити, але здатне трохи сповільнити. Малюнок 3:3 показує, як віддаляються галактики в такій моделі: крива починається з нуля і, врешті-решт галактики віддаляються одна від одної з постійною швидкістю. Існує,зрештою, і третій тип моделі, в якій Всесвіт розширюється достатньо швидко лише для того, аби уникнути повторного колапсу. В цьому випадку віддалення , продемонстроване малюнком 3:4, також починається з нуля,а продовжується вічно. Тим не менше, швидкість, з якою галактики рухаються одна від одної згодом знижується, але ніколи не сягає нуля.
Модель Фрідмана першого типу примітна тим, що в ній Всесвіт не безкрайня у просторі, хоча простір меж не має. Сила тяжіння настільки сильна, що простір,викривляючись ,замикається самим собою, стаючи схожим скоріше на земну поверхню. Якщо людина візьметься подорожувати у певному напрямку по земній поверхні, вона ніколи не наштовхнеться на непрохідну перепону і не вивалиться через край, але,зрештою, прийде туди, звідки вийшла.
В першій моделі простір такий же,однак замість двох, поверхня Землі має три виміри. Четвертий вимір—час, теж має обмежену протяжність, але подібне до лінії, що має початок і кінець. Пізніше ми побачимо, що якщо поєднати теорію загальної відносності з квантово-механічним принципом невизначеності , то існує можливість того, що і простір і час можуть бути кінцевими, при цьому не маючи ні країв, ні меж.
Ідея, що можна обійти Всесвіт і опинитись у вихідній точці згодиться для наукової фантастики, але не має практичного значення, оскільки, як може бути доведено, Всесвіт встигне зжатися до нуля до завершення обходу. Щоб опинитися у вихідній точці, довелося б подорожувати зі швидкістю, більшою за швидкість світла, а це неможливо.
В першій моделі Фрідмана, в якій Всесвіт розширюється і зжимається, простір викривляється, замикаючись на собі подібно до поверхні Землі. Таким чином, протяжність його має кордони. Навідміну від другої моделі,де Всесвіт розширюється вічно, простір викривлено інакше, подібно до сідла, в цьому випадку простір безмежний. Нарешті, у третій моделі Фрідмана, завдяки критичній швидкості розширення, простір плаский, тож теж не має меж.
Але яка з моделей Фрідмана описує наш Всесвіт? Чи він перестане розширюватись і зрештою почне зжиматися, чи буде розширюватись вічно? Щоб відповісти на це питання, необхідно знати поточні швидкість розширення та середню густину. Якщо густина менше певного критичного значення, яке залежить від швидкості розширення, то гравітаційне при тяжіння буде занадто слабким аби зупинити розширення. Якщо ж густина більша , ніж це критичне значення, гравітація в якийсь момент зупинить розширення і спричинить колапс.
Поточний ступінь розширення ми можемо визначити, і до того ж дуже точно, вимірявши швидкості, з якими інші галактики віддаляються від нас, використовуючи ефект Доплера. Тим не менше, відстані до галактик нам не дуже відомі, оскільки їх не можна виміряти напряму. Тож усе, що нам відомо — Всесвіт розширюється на 5-10% кожну тисячу мільйонів років. Наша невпевненість щодо точної теперішньої густини навіть більша. Якщо додати маси усіх зірок, які можна спостерігати в нашій та інших галактиках, сума буде меншою ніж одна сота тої густини, необхідної для припинення розширення , навіть для найнижчого показника швидкості. Однак, і в нашій, і в інших галактиках має міститись велика кількість «темної матерії», яку неможливо безпосередньо побачити, але завдяки спостереженню впливу її гравітаційного притяжіння на орбіти та зірки різних галактик, ми впевнені, що вона існує. Крім того, більшість галактик розташовані у вигляді скупчень, і аналогічно ми можемо припустити наявність ще більшої кількості міжгалактичної «темної матерії» у цих скупченнях, яка впливає на рух галактик. Якщо додати масу всієї присутньої темної матерії, навіть тоді ми отримаємо лише одну десяту кількості, необхідної для припинення розширення. Не зважаючи на це, ми не можемо виключити імовірність існування іншої форми ще не зареєстрованої матерії, що рівномірно поширена по всьому Всесвіту, і яка могла б підвищити середню густину Всесвіту до критичного значення, необхідного для припинення розширення. Виходячи з наявних доказів, можна припустити, що Всесвіт таки буде розширятись вічно, але в одному ми можемо бути цілком впевнені: навіть якщо Всесвіт зазнає повторного колапсу, цього не станеться щонайменше в найближчі десять тисяч мільйонів років, оскільки приблизно стільки часу він вже розширюється. Але це не повинно так вже сильно нас хвилювати: на той час, якщо, звісно, ми не переселимося за межі сонячної системи, людства вже давно не буде — воно згасне разом з нашим сонцем!
Всі моделі Фрідмана припускають, що в певний момент в минулому( десять-двадцять тисяч мільйонів років тому, відстань між сусідніми галактиками мала б дорівнювати нулю. В той момент, який ми називаємо великим вибухом, густина Всесвіту та кривизна пространства-часу мали б бути безкрайніми. Оскільки математики в реальності не вміють проводити розрахунки з безкінечними величинами, то загальна теорія відносності, на якій базуються моделі Фрідмана, передбачає існування точки у Всесвіті, в якій сама теорія не може використовуватись. Така точка—це приклад того, що математики називають одиничністю(сингулярністю). Насправді, всі наші наукові теорії сформовані на припущенні, що простір-час гладкі та майже пласкі, а тому всі ці теорії невірні у сингулярній точці великого вибуху, в якій кривизна простору-часу безмежна. Це означає, що навіть якщо перед великим вибухом і відбувались якісь події, їх не можна використати аби спрогнозувати, що відбудеться в майбутньому , бо в точці великого вибуху можливість передбачення звелася б до нуля. Так само, знаючи лише те, що відбулося після великого вибуху,( а нам лише це і відомо), ми не можемо достеменно визначити, що трапилось до нього. Згідно з нашими уявленнями, події , що відбувались до великого вибуху, не можуть мати будь-яких наслідків, тож не мають формувати частину наукової моделі Всесвіту. Тож нам слід виключити їх з цієї моделі, визнавши, що відлік часу починається з великого вибуху.
Багатьом не подобається ідея того, що у часу є початок, імовірно тому, що в ній міститься натяк на втручання вищих сил. ( Разом з тим Католицька Церква Ухватилась за модель великого вибуху і у 1951 офіційно проголосила узгодження цієї моделі з Біблією). З цим пов’язані численні спроби заперечити те, що великий вибух насправді був. Найбільшу підтримку отримала модель стаціонарного Всесвіту. Вона була запропонована у 1948 році Германом Бонді та Томасом Голдом, які були біженцями з окупованої нацистами Австрії, та англійцем Фредом Хойлом, який протягом війни разом з ними працював над розвитком радарів. Ідея полягала в тому, що коли галактики віддалялись одна від одної, нові галактики безперервно заповнювали порожні місця,народжуючись з нової матерії. Таким чином, Всесвіт виглядатиме приблизно однаково вусі часи і з усіх точок простору. Така модель потребувала модифікацій теорії загальної відносності для унеможливлення створення нової матерії, але необхідна швидкість утворення виявилась настільки малою( одна доля на кубічний сантиметр в рік), що ніяких протиріч з експериментом не виникало. З наукової точки зору, теорія була хорошим прикладом,як вже зазначалося в першому розділі --вона була простою та висувала передбачення, які можна довести через спостереження. Одним з цих передбачень було те ,що кількість галактик або полібних об'єктів в будь-якому об'ємі простору має бути однаковим, коли і звідки б зі Всесвіту ми не спостерігали. Наприкінці 1950-х-напочатку 1960 у Кембріджі, група астрономів під керівництвом Мартина Райла,який також працював із Бонді, Голдом та,Хойлом протягом війни, створили каталог джерел радіохвиль,що надходять з космосу. Ця кембріджська група показала,що більшість цих,радіохвиль має,надходити з-поза меж нашої,галактик, немало з джерел мають входити до інших галактик, що слабкиз джерел було набагато більше,ніж сильних.Вони пояснили це тим,що слабкі джерела більш віддалені,а сильні більш наближені до нас. Потім виявилося, що кількість звичайних джерел в одиниці об'єму більша у віддалених областях,ніж в наближених. Це могло означати,що ми знаходимося в центрі обширного регіону,де джерел менше,ніж будь-де. Але можливо також і те,що джерела були більш численними у минулому,коли радіохвилі почали свою подорож до нас,ніж зараз. Обидва пояснення протирічать передбаченням теорії стаціонарного Всесвіту. Більше того, відкриття мікрохвильового випромінення,зроблено Пензіасом та Вілсоном у 1965 році також зазначалося ,що Всесвіт дуже імовірно, мав більшу густину у минулому. Тож від теорії статичного Всесвіту довелося відмовитись.
Двоє російских науковців Євген Ліфшиц та Ісаак Халатніков у 1963 зробили іншу спробу уникнути висновку, що великий вибух таки відбувся, а разом з тим і початок часу..Вони зробили припущення, що великий вибух --не більше, ніж особ ливість моделей Фрідмана,які, зрештою були тільки наближеннями до реального Всесвіту. Можливо, з усіх моделей, які б приблизно нагадували реальний Всесвіт, сингулярність в. точці великого вибуху виникає лише у моделі Фрідмана. В його моделях галактики прямонаправлено віддаляються одна від одної--тож не дивно, що в певний момент часу вони всі були в одному місці. У реальному Всесвіті ж галактики не розходяться точно по прямій, вони також мають невеликі побічні швидкості,напрвалені під кутом . Тож в дійсності, галактики ніколи не були в одному місці, а лише дуже близько олна до одної. Можливо тоді,що нинішній Всесвіт,що розширюється виник не в сингулярній точці великого вибуху,але в більш ранній період звуження. Можливо при звуженні Всесвіту не всі часточки зіткнулися одна з одною,якась їх доля могла пролетіти повз одна одну і знову розійтися в різні сторони, в результаті чого і можна зараз спостерігати Всесвіт,що рощширюється,що в той чи іншій мірі нагадує моделі Фрідмана, лише з урахуванням неточностей та випадкових швидкостей галактик у реальному Всесвіті. Вони продемонстрували що подібні моделі можуть брати початок з великого вибуху, навіть якщо галактики і не рухались прямонаправлено одна від одної. Однак, науковці заявили, що це могло б бути можливим лишн для певних виключень, в моделях, де всі галактики рухаються у правильнозаданому напрямку. Вони заперечували з тим,що оскільки моделей Фрідмана,що не містять великий вибух набагато більше,ніж галактик,що його містять, тож слід зробити висновок,що в дійсності, великого вибуху не існувало. Пізніше вони усвідомили,що існував набагао ширший клас моделй,подібних до фрідменівської ,і вони мали сингулярності, а також те,що галактикам не має необхідності рухатись якось по-осоьливому. Таким чином,у 1960 році Ліфшиц та Халатников ввдмовились від своєї теорії.
Тим не менше їх робота мала цінне значеннч,показуючи,що Всесвіт міг містити сингулярність,великий вибух,якщо загальна теорія ввдносності була вірною. Однак, вони не вирішили головного питання:чи загальна відносність передбачає,що наш Всесвіт мав великий вибух та початок часів? Відповідь на це питання була отримана завдяки зовсім іншому підходу, який поедставив британський математик і фізик Роджер Пенроуз у 1965. Виходячи по-перше з поведінки сввтлових конусів у загальній теорії відносності і по-друге,що гравітаційні сили завжди являються силами притяжіння, Пенроуз показав,що коли зірка стискається під дією власних гравітаційних сил, вона обмежується областю,поверхня якої,зрештою стискається до нуля. І оскільки поверхня ділянки стискається до нуля, те ж саме має відбутися із об'ємом. Вся матерія зірки буде зтиснута до ділянки з нульовим об'ємом, так що густина та крива простір -час стануть безмежними. Іншими словами, виникає сингулярність у певній області простору-часу, відома як чорна діра.
На перший погляд, результат, який отримав Пенроуз був вірним лише для зірок, і ніякого відношення до відповіді на питання, чи цілий всесвіт мав великий вибух в точці сингуляргості у цілому Всесвіті в минулому, чи ні. Однак на той час, коли Пенроуз запропонував свою теоремц, я був аспірантом і відчайдушно шукав якесь питання, з яким можна захистити дисертацію. Два роки тому, мені поставили діагноз "боковий аміотрофічний склероз ",ширше відомий як "хвороба Лу Геріга " чи "моторна хвороба нейронів ",і дали зрозуміти, що жити мені лишилося 1-2роки. У зв'язку з цими обставинами, робота над моєю дисертацією не. мала багато сенсу --я не. очікував прожити так довго. Та 2 роки пооминули, а мій стан не настільки вже і погіршився. Насправді, справи йшли доволі добре: я заручився з дуже доброю дівчиною. Джейн Вайлд, але щоб одружитись, потрібна була робота, а щоб знайти роботу-- докторський ступінь.
У 1965 році я прочитав про теорему Пенроуза, що будь-яке тіло, в умовах гравітаційного колапсу, повинне в решті-решт сформувати сингулярність. Згодом я зрозумів, що якщо в його теоремі змінити напрямок часу на зворотній таким чином, щоб стискання перетворилось на розширення, то ця нова теорема також буде вірною, адже зараз можна принаймні наближено описати Всесвіт у великому масштабі за доромогою моделі Фрідмена. Згідно теореми Пенроуза, квнцевим станом будь-якої зірки, що колапсує, повинна бути сингулярність;при зміненні часу, ця теорема стверджує, що у будь-якій моделі фрідмановського типу початковим станом Всесвіту, що розширюється, теж має бути сингулярність. З технічних причин, теорема Пенроуза потребувала умови, що Всесвіт безмежний у просторі. Тож, насправді, я міг на основі цієї теореми довести лише, що сингулярність повинна існувати, якщо розширення Всесвіту відбувається достатньо швидко, щоб уникнути повторного колапсу (адже тільки такі моделі. Фрідмана були безмежними у просторі ).
Протягом декількох наступних років я розробив нову математичну техніку, щоб уникнути в теоремах цю та інші технічні умови,які доводили, що сингулярності мають виникати. Кінцевим результатом стала стаття, написана у співавторстві з Пенроузом у 1970 році, в якій нарешті доволилося, що сингулярність під час великого вибуху дійсно повиннна була існувати, спираючись на. те, що теорія загальної відносності вірна і що Всесвіт містить стільки матерії, скільки ми можемо бачити. Наша робота зустріла багато спротиву, частково зі сторони радянських вчених, які по-марксистськи вірили в науковий детермінізм,частково зі сторони нпуковців, яким здавалось, що ця теорія псує красу теореми Ейнштейна. Але заперечувати математичну теорію не дуже -то просто, тому зрештою нашу роботу прийняли, і зараз майже всі вважають, що Всесвіт виник в особливій точці великого вибуху .Може, в чомусь йе іронічно, бо мої уявлення змінились, і тепер я намагаюся переконати інших фізиків в тому, що в дійсності, не було ніякої сингулярності при
зародженні Всесвіту, як ми побачимо у насупних розділах, що враховуючи квантовий ефект ,вона може зникнути.
В цьому розділі ми побачили, як всього лише за півстоліття змінилося людське уявлення про Всесвіт, сформоване протягом тисячоліть. Відкриття Хаббла, що Всесвіт розширюється, і усвідомлення незначущого положення нашої власної планети у безмежності простору, були лише початком. З новимт та новими експериментальними та теоретичними доказами, ставало дедалі зрозуміліше, що Всесвіт обов'язково мав початок у часі, поки, нарешті, у 1970 я. та. Пенроуз цього не довели,базуючись на теорії загальної віднсності Ейнштена. Завдяки нашим доказам можнв зробити висновок,що загальна теорія відносності не є повною: вона не може довести, як виник Всесвіт, адже вона передбачає, що всі теорії фізики, зокрема і вона сама, не використовуються в точці зародження Всесвіту. Однак теорема загальної відносності не претендує бути більше, ніж неповною теорією:теореми про сингулярність, в дійсності стверджують, що на певні дуже ранній стадії рлзвитку розміри Всесвіту були настільки малими, що тоді могли мати значення дрібномасштабні ефекти, якими. займається вже інша важлива теорія 20 століття --квантова механіка. Отже, на початку 70-х нам довелося в своїх дослідженнях Всесвіту перейти від дуже великого на теорію надзвичайно малого. Теорія квантової механіки буде описана далі, а потім ми кинемо нашi зусилля на поєднання двох часткових теорій в єдину квантову теорію гравітації.
Re: Конкурс-2
чудово . Отже, маємо вже 2/3
. Отже, маємо вже 2/3Re: Конкурс-2
Звітуюсь, Ваше прохання виконане, Кувалдо. Будь ласка!
Re: Конкурс-2
Ну що ж, Анатолій надішле свій шматок за два тижні, коли повернеться додому. Щодо решти трьох - глухо. Попередні повідомлення таки не переглянуті, тож сумніваюся, що найближчим часом щось зміниться. Що робитимемо? Я, наприклад, думаю поки що взятися за глосарій, що скажете?
Re: Конкурс-2
добре. тільки глосарій
Re: Конкурс-2
Вибачте, що пізно долучився до дискусії. Зауваження до Людмили: проблеми, задачі не "вирішуються", як стверджує авторка, а розв'язуються. Там, де написано " у випадку", краще застосувати " в разі".Людмила писав:Розділ 11
Об’єднання фізики
Re: Конкурс-2
Дякуємо, Вадиме, за Ваші зауваження, але наш редактор нас усіх виправить