live124578 (live124578) wrote,
live124578
live124578

Облик Вселенной оформился в первые три минуты

О галактических эмбрионах, темной энергии, советской атомной бомбе и теории мультивселенной отделу науки «Газеты.Ru» рассказал Вячеслав Муханов — физик, космолог, один из авторов доказательства инфляционной теории развития Вселенной, профессор Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене.

— Вам присуждена премия за открытие, согласно которому галактики сформировались благодаря квантовым флуктуациям в самом начале существования Вселенной. Можете описать суть вашего открытия простыми словами?
— Начнем издалека: почему электрон не падает на ядро? Когда электрон движется с ускорением, он должен излучать электромагнитные волны, без которых ничего бы не функционировало — в частности, айфоны и другие устройства. С другой стороны, излучая электромагнитные волны, электрон теряет энергию в атоме и должен был бы окончить свое существование в ядре. В результате материя была бы нестабильна и мы не могли бы существовать. Как сделать так, чтобы и приборы работали, и материя была бы стабильной? И здесь нас спасает квантовая механика, которая была открыта Вернером Гейзенбергом в 20-х годах прошлого столетия. Гейзенберг, кстати, учился в том самом университете, где я сейчас работаю.
Так вот, в основе квантовой теории лежит так называемый принцип неопределенности Гейзенберга.
Согласно этому принципу, нельзя заставить частицу оставаться в покое в каком-то конкретном месте.
Например, если вы будете пытаться локализовать электрон в ядре, то он приложит все усилия для того, чтобы сбежать оттуда. Именно поэтому материя и стабильна. И когда, например, электрон в водороде приближается к ядру на некое минимальное расстояние, диктуемое принципом неопределенности, то он перестает излучать электромагнитные волны и терять энергию. Опять же поскольку принцип неопределенности запрещает состояние абсолютного покоя, то и материю нельзя распределить в пространстве совершенно однородно. Составляющие ее частицы никогда не могут быть в абсолютном покое. В результате всегда есть минимальные неоднородности, которые называются квантовыми флуктуациями. И вот мы решили использовать эти квантовые флуктуации для того, чтобы объяснить происхождение галактик во Вселенной.
— Насколько я знаю, все эти квантовые эффекты обычно важны в масштабах атомов и даже меньше?
— Правильно, но не надо забывать, что наша Вселенная расширяется и в прошлом, сразу после ее рождения, все вещество, из которого состоят планеты, звезды и галактики, умещалось в спичечный коробок, каким бы невероятным это ни казалось. А поскольку в то время эмбрионы, из которых впоследствии образовались галактики, были чрезвычайно малы, то квантовая механика вполне могла играть решающую роль в их возникновении. И мы решили выяснить, не могли ли эти эмбрионы быть просто-напросто квантовыми флуктуациями, которые впоследствии выросли и стали взрослыми и старыми галактиками.
— Насколько старыми?
— Сегодня им по 13,7 млрд лет. А мы решили угадать, как же они должны были бы выглядеть в первые доли секунды сразу после рождения Вселенной. Мы предположили, что это были квантовые неоднородности. С другой стороны, эти квантовые флуктуации чрезвычайно малы — и нужно было найти способ их усилить.
Оказалось, здесь нам может помочь антигравитация.
А именно, если предположить, что антигравитирующая темная энергия была ответственна за рождение Вселенной, то квантовые флуктуации как раз и усиливаются ровно настолько, насколько требуется для того, чтобы впоследствии они стали галактиками.
— А как родилась сама Вселенная?
— Как родилась Вселенная — это уже другой вопрос. Скорее всего, она родилась точно так же, как и галактики, то есть с помощью квантовой физики и темной энергии. Но это все равно экспериментально мы вряд ли сможем проверить. А вот с галактиками другое дело. Оказалось возможным предсказать свойства галактических эмбрионов, а впоследствии и проверить с помощью наблюдений, насколько предсказанные свойства этих эмбрионов совпадают с тем, что мы видим в реальности.
— Откуда мы знаем, что такая темная энергия вообще могла существовать?
— Ну, из наблюдений следует, что она и сейчас составляет 70% всего вещества в нашей Вселенной. Непонятно, зачем она нужна сегодня, а вот в далеком прошлом такого же типа субстанция была чрезвычайно полезна. Она определенно была ответственна за возникновение галактических зародышей из квантовых флуктуаций и, скорее всего, за рождение вообще всей Вселенной.
— А как оказалось возможным проверить такую теорию?
— Дело в том, что после стадии доминантности ранней темной энергии, которая закончилась в момент одна миллиардная-миллиардная-миллиардная-миллиардная доля секунды после рождения Вселенной, галактические эмбрионы оказались замороженными в течение последующих 300 тыс. лет вследствие принципа причинности. Поскольку ничего не может распространяться со скоростью большей, чем скорость света, одна часть эмбриона не могла сообщить другой части, что делать, и в результате с ними ничего не происходило.
И только когда Вселенная постарела на 300 тыс. лет, эмбрионы пробудились и начали развиваться.
И как раз в этот момент времени мы и можем их наблюдать и анализировать их свойства, измеряя флуктуации температуры реликтового излучения на небе. Такие измерения оказались возможны сравнительно недавно, а именно в течение последних 25 лет благодаря просто фантастическому технологическому прогрессу. С помощью реликтового излучения мы смогли получить прямую фотографию ранней Вселенной, когда ей было всего 300 тыс. лет, и проверить предсказания теории, которые оказались в замечательном согласии с измерениями. То есть все предсказанные свойства галактических зародышей подтвердились.
— Вы говорили, что больше всего вас интересуют первые три минуты жизни Вселенной. Почему?
— Потому что именно в эти первые минуты в основном и оформился облик Вселенной. В частности, как я уже сказал, образовались галактические зародыши, возникла барионная асимметрия и, наконец, произошли ядерные реакции, в результате которых образовался почти весь гелий.
— А сейчас наша Вселенная считается старой?
— Все относительно. По сравнению с тем, когда Вселенная была образована, она сильно старая. Сейчас Вселенной 13 млрд 700 тыс. лет. Со временем, через миллиарды лет, все звезды угаснут. Потом, если темная энергия не распадется, Вселенная превратится в абсолютную пустыню. Но в этом ничего трагичного нет, потому что другую Вселенную создать гораздо проще, чем предохранить нашу от вымирания.
— А как можно создать другую Вселенную?
— А для этого энергии не требуется. Вселенную можно создать из ничего.
— Но это звучит совершенно фантастически…
— При этом все научно обосновано. Потому что энергия гравитационного поля отрицательная. А энергия вещества положительная. А в сумме, если взять энергию материи и добавить энергию гравитационного взаимодействия, полная энергия Вселенной может быть нулевой. Поэтому Вселенная может быть создана из ничего, а именно можно позаимствовать энергию из гравитационного резервуара (который бесконечен) — и произвести 10^55 граммов вещества.
— Почему именно 10^55?
— Солнце весит 10^33 граммов. В каждой галактике где-то порядка 100 млрд звезд, ну а в наблюдаемой части Вселенной около 100 млрд галактик. Отсюда получаем массу вещества в нашей Вселенной — 10^55 граммов. И все это можно получить из ничего. Просто-напросто нужно, чтобы возникла квантовая флуктуация, в которой доминирует темная энергия. Эта темная энергия будет антигравитировать и мгновенно растащит маленький пузырек до огромных размеров, заполняя его материей, которая затем преобразуется в нормальное вещество. А из этого вещества впоследствии образуются галактики, звезды, планеты. В основе всего было ничего!
— А как вы относитесь к теории мультивселенной, которая сейчас крайне популярна?
— Эту теорию, которую активно пропагандируют в разной популярной литературе, я не очень люблю. Идея, что была мультивселенная, в которой все на свете реализовалось, и нам объяснять ничего не надо, выглядит как бессмыслица. Это трудно назвать физикой, скорее уж это нечто вроде религии. Да и к тому же эта идея даже не оригинальна, а восходит к древним грекам. В частности, еще Демокрит утверждал, что есть бесконечное количество Вселенных и бесконечное количество Демокритов в них. Слова, слова, слова… Физика — это прежде всего наука экспериментальная, и эксперимент в ней нельзя подменить логическими заключениями и сделать вывод, что что-то однозначно неизбежно. В этом отношении физика сильно отличается от математики. Критерии строгости совершенно иные. Да и к тому же какая разница, есть другая Вселенная или нет, если она в принципе ненаблюдаема.
— Каковы, на ваш взгляд, главные загадки современной космологии?
— Водород, гелий и остальное барионное вещество составляют лишь 4% от общего количества вещества во Вселенной. Остальные 96% — это темное вещество. Оно, в свою очередь, состоит из двух компонентов: темной материи и темной энергии.
Темная энергия распределена во Вселенной однородно, и она антигравитирует — то есть вместо того, чтобы замедлять расширение, она это расширение ускоряет. А темная материя — это с точки зрения гравитации совершенно нормальное вещество, и оно скапливается, например, в галактиках. Мы до сих пор не знаем фундаментальной природы этих компонентов темного вещества, хотя и на сто процентов уверены в их существовании — поскольку видим их посредством гравитации. Все остальное — загадка.
— А еще какие загадки существуют в космологии?
— Например, почему темная энергия стала важна именно сейчас, когда она нам совершенно не нужна.


http://www.gazeta.ru/science/2016/02/22_a_8075447.shtml
Tags: наука
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 3 comments