Пытаясь объять необъятное: к чему ведут попытки понять устройство Вселенной?
Спикер: Сергей Пилипенко – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник отдела теоретической астрофизики и космологии Астрокосмического центра ФИАН.
Доклад прозвучал 31 апреля 2023 г. на форуме «Ученые против мифов. Ищи на третьей планете» (организатор АНТРОПОГЕНЕЗ.РУ).
Александр Соколов: Здравствуйте, Сергей!
Сергей Пилипенко: Здравствуйте, Александр!
Александр Соколов: Друзья, ну что, проголосуем?
В какой сфере находят применение результаты научных исследований космологов? Варианты: микробиология, физика элементарных частиц, философия, телекоммуникации, машинное обучение, телесериалы или ни в какой. Пожалуйста, воспользуйтесь QR-кодом или перейдите по ссылке в чате и проголосуйте.
Сергей, когда вы говорите знакомым и родственникам о своей работе, у них на лице часто появляется недоумение или испуг?
Сергей Пилипенко: У знакомых и родственников уже нет. Они привыкли и сейчас чаще шутят на тему «Почём килограмм тёмной материи?». А вот когда я общаюсь с незнакомыми людьми и приходится рассказывать про свою профессию, действительно, периодически вижу удивление и недоумение.
Перед началом форума, как обычно, проводился опрос – в результате стало понятно, с чем это недоумение может быть связано. Дело в том, что победил комментарий «Вселенная слишком сложна, чтобы человек мог разобраться в её устройстве и происхождении».
Давайте узнаем, что об этом думают учёные. Казалось бы, тысячи лет люди обитали на планете, идеально подходящей для их жизни (можно сказать, в своей зоне комфорта), а затем изобрели телескопы, стали более детально разглядывать небо и увидели звёзды, плотность которых сопоставима с плотностью атомного ядра, а также взрывы, при которых выделяется больше энергии, чем наше Солнце способно выделить за всю свою жизнь в 10 миллиардов лет. Там есть объекты, сила тяготения которых столь велика, что даже свет не может их покинуть.
Ещё они увидели, что наша Солнечная система находится в огромном звёздном острове нашей галактики Млечный Путь, в которой больше 100 миллиардов других звёзд.
И сама галактика не одинока. Галактики распределены в пространстве не абы как: они образуют ячеистую крупномасштабную структуру, напоминающую пену. Вся видимая часть Вселенной заполнена миллиардами галактик.
На картинке каждая отдельная точка – это галактика.
Кроме того, мы узнали, что Вселенная со временем меняется, эволюционирует. Сейчас она расширяется, но когда-то была совсем другой: в ранние моменты жизни её плотность была колоссальна и температура чрезвычайно высока. Кого-то это картина воодушевляет, кого-то пугает, у кого-то вызывает недоумение.
Что же по этому поводу думают учёные? Для них любой объект нашего мира, включая весь мир в целом, является предметом исследования с помощью построения моделей. Долгое время они пытались построить и модель нашей Вселенной.
Сначала нужно принять один факт: известные нам здесь, на Земле законы природы одинаково действуют в других местах Вселенной и так же одинаково действовали в далёком прошлом. Это не просто голословное утверждение, в которое надо поверить, а факт, который можно проверить экспериментально. И есть масса способов это сделать.
Один из них состоит в том, чтобы сравнивать между собой скорость хода часов, работающих на разных физических принципах. Представьте себе часы-ходики с качающимся маятником. Если кто-то помнит школьный курс физики, период колебаний такого маятника определяется силой тяготения Земли, то есть здесь участвует гравитационная сила.
Вообще учёные описывают все законы природы в терминах всего четырёх взаимодействий –гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного, или ядерного. Постоянство законов природы означает постоянство нескольких констант, описывающих силу этих фундаментальных взаимодействий.
Так вот, ходики описываются гравитационной константой. А если мы возьмём какие-нибудь наручные часы, то в них маятник уже колеблется за счёт обычной пружины – соответственно, участвуют только электромагнитные силы. Значит, скорость хода этих двух разных часов определяется разными фундаментальными законами и константами.
У учёных сейчас есть часы, которые, конечно, гораздо точнее, чем любые механические, но принцип тот же. Разные типы часов работают на разных законах природы, поэтому, сравнивая между собой их скорость хода, можно установить, меняются ли эти константы по отношению друг к другу. Выяснилось, что на промежутке порядка года константы остаются постоянными с очень хорошей точностью – до 16-го знака после запятой.
Мы можем посмотреть, что было с константами на большем интервале времени. Нам повезло, что на нашей планете в местечке Окло в Африке почти два миллиарда лет назад действовал природный ядерный реактор, в котором происходило деление урана. Когда геологи вместе с физиками исследовали его остатки, то по содержанию изотопов разных элементов смогли установить, что, для того чтобы реактор функционировал и произвёл нужное, зарегистрированное количество продуктов реакции, значения фундаментальных констант в прошлом должны были быть такими же, как сейчас.
Кроме того, у нас есть возможность заглянуть в очень далёкие объекты и померить, каковы значения физических констант там. Дело в том, что у каждого атома периодической системы Менделеева свой характерный спектр излучения или поглощения, который тоже определяется этими константами. Спектр состоит из отдельных линий, и положение каждой линии определяется разными комбинациями этих констант. Получается, если измерить спектр какого-то удалённого объекта, мы можем так померить значение констант в нём.
Астрономы любят использовать для этого дела квазары. Не важно, что это такое; просто одни из самых ярких объектов во Вселенной. Выясняется, что константы с хорошей точностью одинаковые на расстояниях порядка 10 миллиардов световых лет от нас. Поскольку эти объекты далеко и свет от них шёл долго, то 10 миллиардов лет назад константы были такими же, как здесь и сейчас.
В общем так выяснили, что законы природы действительно с хорошей точностью сохраняются, поэтому мы можем строить модель Вселенной. Но модель должна воспроизводить какие-то наблюдаемые характеристики с нужной нам точностью. О каких характеристиках мы говорим?
Если мы посмотрим на всю Вселенную, какой мы её знаем, она довольно сложная: там галактики, звёзды, планеты, на некоторых планетах есть жизнь. Конечно, воспроизвести всё это многообразие пока не получается. Но, если мы посмотрим на неё на очень больших масштабах (опять же, картинка, где каждая точка – галактика), уже не важно знать, есть ли в каждой галактике планеты, сколько их и что на них происходит. Нам достаточно учитывать одну силу гравитации, поскольку только она является дальнодействующей. Таким образом мы можем построить, например, модели крупномасштабного распределения галактик.
Вселенная в ранние моменты жизни тоже должна была быть устроена довольно просто, потому что сейчас она расширяется – значит, раньше была плотнее и, соответственно, горячее. Когда-то её температура была столь высока, что там не могли существовать звёзды и планеты; был только газ, состоящий из отдельных атомов. А при более высоких температурах и ещё меньшем размере – только одни элементарные частицы.
Физикам понятно, как описывать моделями поведения газа из атомов или элементарных частиц, потому модели оказались довольно простыми и их быстро построили. Моделью Вселенной можно назвать эту модель Большого взрыва.
Эти модели не только позволили описать то, что должно было происходить, но и дали важные точные предсказания того, как должны выглядеть разные объекты в нашей Вселенной. В частности, хороший результат дало наблюдение реликтового излучения – самого далёкого излучения, которое мы видим. Оно идёт как раз от той эпохи, когда в ранней Вселенной ещё не было звёзд и галактик, был лишь горячий газ.
Мы видим карту неба, полученную космической обсерваторией «Планк». На ней показаны разные участки: чем ярче пятно, тем больше была плотность газа в том месте, где сейчас это видно на небе. Можно построить график зависимости яркости пятна от его размера. Точками изображены данные «Планка», а кривой – теоретическая модель. Видно, что модель прекрасно соответствует этим наблюдательным данным. Более того, она довольно сложная. Это не угадать случайно какое-то одно число! Вот такую сложную кривую она воспроизводит и предсказывает удивительно точно.
Также мы можем моделировать отдельные галактики. Здесь сверху примеры фотографий наблюдаемых галактик, а снизу – их численных моделей. Они тоже получаются с хорошей точностью.
Вот язвительные комментарии, что куда мы лезем в 14 миллиардов лет нашей истории, когда мы не умеем, допустим, предсказать погоду больше чем на несколько дней вперёд. Отчасти они правдивы, поскольку, чтобы пересказать погоду, нужно учитывать гораздо более сложные вещи и строить более сложные модели, чем модель ранней Вселенной.
Получается, что первый миф опровергнут: модели Вселенной довольно простые.
Какие же следствия могут быть у этих моделей? Самая простая модель (модель Большого взрыва) говорит о том, что, если сейчас наша Вселенная расширяется и мы продолжим расширение в прошлое, она в какой-то момент должна была иметь нулевой размер и бесконечно высокие плотность и температуру. Когда это стало понятно в начале ХХ века, многие тут же воскликнули: «Это не что иное, как момент творения!».
Как могла возникнуть точка с бесконечно высокими плотностью и температурой?
Так выглядит эта простейшая модель – изменение размера Вселенной в зависимости от времени. Если его продолжить до нулевого возраста, формально получается, что размер будет нулевой. На самом деле давно стало ясно, что это очень упрощённая модель и она не должна быть применима к реальности.
Причина в том, что наша Вселенная неоднородна. Мы сами пример такой неоднородности. Например, плотность воды отличается почти на 28 порядков от средней плотности Вселенной. Мы видим и крупномасштабные неоднородности – вот эта пена в распределении галактик. А если бы Вселенная началась из одной бесконечно малой точки, она бы имела одну плотность, неоднородностей не было бы. Она была бы одинаковой везде и ужасно скучной. Поэтому современная наука говорит, что до стадии горячей Вселенной была некая другая, которую мы пока точно не знаем. Но есть ряд гипотез о том, что это могло быть.
Разумеется, нельзя полностью отмести гипотезу творения. Творец в христианской религии всемогущ, поэтому он в принципе мог сотворить такую Вселенную, которая идеально описывается её физическими законами. Проверить факт творения, находясь в этой Вселенной, никак нельзя. Получается, что гипотеза ненаучная, потому что её нельзя проверить научными методами.
Чуть более научной является гипотеза симуляции: мы живём в компьютерной модели. Учёные умеют моделировать крупномасштабное распределение галактик; когда-нибудь, возможно, смогут моделировать планеты и более сложные системы (всё вместе) вот в такую Вселенную. Эту гипотезу, вроде бы, можно проверить, потому что любой компьютер имеет какие-то ограничения. Например, последовательность из цифр в нём конечной длинны, то есть ограничения на точность чисел. Стало быть, нужно искать эти численные эффекты в наблюдениях.
Наиболее популярна ныне гипотеза о том, что Вселенная родилась в результате перехода первичного вакуума в другое состояние. Этот процесс часто называют инфляцией. Теория предсказывает рождение неоднородностей во Вселенной за счёт хорошо известного физикам процесса; параметры неоднородности оказываются удивительно похожими на то, что мы наблюдаем. Она воспроизводит количество пены в распределении галактик, а также предугадывает существование первичных гравитационных волн – колебаний пространства, которые сейчас активно ищут и, возможно, в ближайшие лет 30 найдут. Кроме того, она предвосхищает рождение множественных вселенных. Наша Вселенная должна быть не единственной.
Существуют гипотезы, в которых Вселенная рождается вследствие столкновения каких-то многомерных поверхностей, погружённых в пространство ещё большей размерности. Может, вы слышали про 11-мерное пространство и всё такое. В этих моделях тоже рождается много вселенных, а проверить их можно с помощью измерений гравитации на микроскопических масштабах, так как наличие дополнительных измерений немного портит гравитацию.
Есть красивая гипотеза, что вселенные могут рождаться внутри чёрных дыр – объектов, чья сила тяготения столь высока, что свет не может их покинуть. А сами они нормально рождаются в нашей Вселенной в результате звёздной эволюции: массивные звёзды взрываются, образуя чёрные дыры. Их в нашей галактике большое количество. В данном случае, если мы сами живем внутри чёрной дыры, то свойства нашей Вселенной должны немного меняться в зависимости от направления в пространстве. И это тоже ищется экспериментально. Пока таких отклонений не обнаружено, но всё дело в точности, с которой мы ищем.
Итак, наука в состоянии объяснить появление Вселенной, не прибегая к гипотезе творения.
Многие гипотезы, о которых я говорил, предсказывают существование множественных вселенных. Узнаем ли мы когда-нибудь, что они в самом деле есть?
Первый мощный аргумент в пользу множественности вселенных – так называемый антропный принцип. Довольно давно физики обнаружили, что небольшое изменение фундаментальных констант, про которые я рассказывал в начале, приводит к тому, что наша Вселенная становится необитаемой. Например, если величина ядерных сил будет чуть больше или чуть меньше, у нас либо весь водород превратится в гелий на ранних стадиях жизни Вселенной – тогда не будет воды; либо термоядерные реакции в звёздах будут происходить неэффективно – и они не смогут ничего согреть, то есть Вселенная будет холодной.
Решение этого парадокса в том, что вселенных рождается очень много и с разными значениями фундаментальных констант, но жизнь зарождается только в тех, в которых сложились удачные обстоятельства. Казалось бы, тривиальный факт! Однако он может свидетельствовать о том, что наша Вселенная не одна.
Реально ли увидеть другие вселенные? Они, несомненно, могут находиться бесконечно далеко от нас или в других измерениях, тогда мы их и не увидим. Но имеется один тип объектов, предсказываемый теорией гравитации, который может связывать между собой разные вселенные, – это кротовые норы. Проще всего представить их себе, если взять лист бумаги: от одной точки до любой другой на этом листе можно пройти разными способами; но, если сложить лист пополам и проткнуть, появляются новые траектории, ведущие через эту дырку. Она и есть кротовая нора.
Кротовые норы способны связывать между собой не только точки одной вселенную, но и разные вселенные. Как же их искать?
Теория говорит, что эти объекты должны быть очень похожи на чёрные дыры. Но те же ничего не излучают! Как мы поймём, что это такое? Слева – изображение чёрной дыры, созданное художником. Сама чёрная дыра, конечно, ничего не излучает, зато излучает окружающее вещество. Мы видим тень от чёрной дыры на фоне этого излучения.
По центру – реальное изображение чёрной дыры, полученное в 2018 году наземными радиотелескопами, где тоже видна эта самая тень. Оно довольно размытое из-за того, что наши телескопы пока ещё не идеальны для данной задачи.
Справа показано, как на самом деле должно выглядеть это изображение по мнению ученых, то есть компьютерная симуляция. Она немного более детальная.
Чёрные дыры от кротовых нор отличаются довольно тонкими деталями: внутри тени должны быть вот такие кольца за счёт того, что сильная гравитация заставляет свет описывать сложные траектории вокруг чёрной дыры, наматывая там круги; а у кротовой норы кольца будут других размеров и формы. Поэтому, наблюдая их, можно в общем-то понять, что мы видим.
Это должен смочь сделать и разрабатываемый сейчас в России космический телескоп «Миллиметрон».
Итак, если повезёт, мы узнаем, есть ли другие вселенные. Допустим, с помощью «Миллиметрона» обнаружили, что в далёкой галактике, находящейся от нас на расстоянии 60 миллионов световых лет, в центре вместо черной дыры расположена кротовая нора, которая, возможно, ведёт в другую Вселенную. Что нам с этого?
Ведь мы вряд ли когда-нибудь туда долетим. Мы даже толком не сможем рассмотреть эту другую Вселенную через кротовую нору. Не лучше ли, вместо того чтобы изучать все эти странные сущности, которые бесконечно далеко от нас, были в бесконечно далёком прошлом или будут в бесконечном будущем, чтобы учёные занялись чем-то полезным? К примеру, взяли и все сообща решили проблему рака.
На самом деле наука работает так, что все её области взаимосвязаны. Нельзя развивать какие-то отдельные из них, совсем не развивая другие. Иначе прогресса не будет нигде. И конкретно космология сильно завязана на физику элементарных частиц, которая нам нужна для того, чтобы разрабатывать, например, новые виды источников энергии.
Космология дала наиболее точные ограничения на массу частицы под названием нейтрино. Это очень лёгкая частица, чрезвычайно слабо взаимодействующая с веществом – настолько слабо, что может пролетать всю Землю насквозь, не провзаимодействовав ни разу ни с одним её атомом. Тем не менее некоторые частицы ловятся, а по их влиянию на крупномасштабную структуру (вот эту пену из галактик) можно определить, какова их масса.
Также космологами было предсказано наличие тёмной материи – гипотетических частиц, которые пока не обнаружены в наземных лабораториях. И вообще теоретики, занимающиеся физикой элементарных частиц, придумывают громадное количество разных частиц. Но первое, что они делают для их проверки, – обращаются к космологам или сами проводят вычисления, не повлияет ли наличие этих частиц на, скажем, образование гелия из водорода в ранней Вселенной или какие-то другие вещи типа крупномасштабного распределения галактик. Оказывается, что после таких сравнений большую часть объектов можно отбросить.
Космология, как и любая другая наука, имеет побочные и неожиданные результаты, никак не связанные с ней. Например, астрономы долго создавали сложный и дорогой спектрометр «MUSE». Он может одновременно получать спектр большого участка неба, на котором есть десятки галактик, с очень высокой чувствительностью. Затем к ним обратились медики и сказали, что им тоже нужен аппарат для получения высокочувствительного спектра большого участка человеческой кожи. Это нужно для диагностики некоторых видов рака. Учёные совместно провели эксперименты и показали, что спектрометр действительно может использоваться для таких целей. Теперь они работают над созданием более дешёвого и компактного прибора, который уже можно будет применять в клиниках.
Наконец, на мой взгляд, самое важное – космология даёт представление о нашем месте во Вселенной и о месте там нашей планеты. Мы знаем, что Земля возникла 4,5 миллиарда лет назад. Срок в общем-то довольно большой по меркам космологии (возраст Вселенной – около 14 миллиардов лет). За это время жизнь смогла сделать на Земле довольно много.
Следует отметить один курьёзный факт: если мы возьмём количество энергии, которое некий объект выделяет или поглощает в единицу времени, то есть мощность, и поделим на его массу, получается такая лестница. Например, у Солнца колоссальная светимость, но и масса не маленькая: если поделить одно на другое, выйдет довольно скромная величина. Энерговыделение нашего светила на единицу его массы примерно такое же, как у кучи едва тёплых преющих осенних листьев.
Если поделить количество энергии, запасаемое каким-нибудь растением в единицу времени в результате фотосинтеза в питательных веществах, на его массу, получится величина в 10 тысяч раз больше, чем у Солнца. Оказывается, самое высокое значение удельной мощности – у мозга животных, в том числе у человека, и у созданных человеком машин. Этот забавный факт говорит нам о том, что, по-видимому, живые организмы могут противостоять неживым силам природы довольно эффективно.
Это мы и так знаем без вычислений. Ведь всё вокруг, что мы видим; воздух; которым дышим; поверхность, по которой ходим; полезные ископаемые, из которых создаём все наши машины, – продукт деятельности живых организмов за 4 миллиарда лет на Земле. Жизнь может менять неживую природу, скажем так, подстраивая её под свои нужды.
Если мы хотим вести ответственный образ жизни, понимать последствия своих действий и бездействий, нам необходимо учитывать все законы в этой Вселенной. Надо их понимать и знать, какие у нас есть возможности: на что в принципе способна жизнь, на что в принципе можем быть способным мы.
Несмотря на то, что наша планета такая маленькая по космологическим масштабам, по-видимому, жизнь всё-таки способна на многое. Она способна менять Вселенную!
На этом я заканчиваю. Вот список полезной литературы.
Александр Соколов: Пожалуйста, покажите, как проголосовали наши зрители.
Смотрите, лидирует физика элементарных частиц. Что скажете?
Сергей Пилипенко: Я об этом говорил в своей лекции. Пожалуй, для науки это самая главная польза от космологии; в других сферах, конечно, она тоже бывает полезна.
Александр Соколов: Сейчас должно начаться самое трудное.
Спикер: Готовы ли вы ответить за свои слова? На сцене – вредный оппонент.
Александр Соколов: Борис Штерн – астрофизик, д.ф.-м.н, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и Астрокосмического центра ФИАН. Борис, у вас 10 минут.
Борис Штерн: Собственно, к докладу претензий нет. Поэтому, чтобы задавать каверзные вопросы, я должен кем-нибудь прикинуться. Давайте для начала прикинусь самоучкой. Допустим, я – какой-то инженер, который ненавидит официальную науку и хочет разработать свои альтернативные теории Вселенной: «Вот Вы говорите, что по спектрам квазаров видно, что физика не изменилась и константы постоянны. Но спектры-то изменились! Они стали более красными. И у меня такая идея, что, может, они съехали в красную область, потому что электромагнитная константа была слабее, что она растёт со временем. Электромагнитная константа слабее, уровни выше, соответственно, кванты меньшей энергии и краснее». Что вы мне возразите?
Сергей Пилипенко: Спасибо за вопрос. Да, я не сказал, что спектры от далёких объектов смещены в красную область. Но, может быть, многие и так знают. Что касается самого вопроса, на самом деле значения констант влияют на положение спектральных линий довольно сложным образом. Грубо говоря, одни линии пропорциональны значению самой константы электромагнитной силы, а положение других зависит от квадрата этой константы. Поэтому, если бы мы измеряли разные линии и менялась бы константа, они бы у нас не просто съехали все одинаково в одну сторону, а ещё бы разъехались сложным образом. Как раз отсутствие таких сложных сдвигов позволяет нам говорить о том, что всё-таки константы не менялись.
Борис Штерн: Принято. Уточнение: конкретно это – постоянная тонкой структуры, то есть линии расщеплены и то, как они расщеплены, действительно зависит уже от квадрата. Берём отношение энергии линии к величине расщепления и прямо получаем электромагнитную константу. Точность определения – примерно одна миллионная.
Так, я перестал прикидываться. Теперь снова прикидываюсь. Допустим, я уже научный работник, который обладает определённым количеством космологических знаний, но не любит стандартную космологию и тоже пытается изобрести что-то своё.
Я говорю: «Неужели вы не знаете, что результаты космического телескопа «Джеймс Уэбб» опровергают стандартную космологию? Почему? Потому что он видит хорошо сформированные уже дисковые галактики с красным смещением z = 16,7, что соответствует возрасту Вселенной 250 миллионов лет якобы от Большого взрыва. Никакая модель не позволяет сформировать галактики за 250 миллионов лет. Они бы просто не успели. Значит, не было никакого Большого взрыва! Было что-то другое, например, какой-нибудь плавный отскок».
Сергей Пилипенко: Касательно наблюдений «Джеймса Уэбба»: они ещё только появляются, данные совсем свежие и не окончательно подтверждённые. Вот эти галактики за 250 миллионов лет после Большого взрыва могут оказаться галактиками спустя примерно 2 миллиарда лет, которые по своим спектральным характеристикам довольно похожи. И будущие исследования покажут, что же на самом деле нашёл «Джеймс Уэбб». Может быть, это дело ближайшего года. Скоро мы узнаем.
Предположим, что они всё-таки окажутся столь далеко. Во-первых, мы пока ещё не очень точно умеем моделировать образование первых галактик. Модели есть, но нет консенсуса по ним. Действительно, некоторые модели опровергаются такими наблюдениями, но не все.
Во-вторых, даже если эти модели настолько разовьются, что мы скажем, да, в рамках стандартной космологической модели мы не можем объяснить образование этих галактик столь рано и в таком количестве, как их видят, всё же это решается небольшой модификацией стандартной модели. Вот я рассказывал про гипотезу инфляции. Надо будет лишь немного поменять параметры данной инфляции, чтобы она проходила не равномерно, а с какими-то задержками или скачками. Тогда количество неоднородностей в распределении материи на довольно мелких масштабах соответствующих галактик будет выше. Следовательно, вещество будет распределено более неоднородно, чем пена на больших масштабах.
В частности, мы в Астрокосмическом центре сейчас работаем над численным моделированием Вселенной с такой постановкой, где так произошло, поэтому галактики там образуются раньше. Это можно сделать, в общем оставаясь в рамках модели Большого взрыва.
Что касается плавного отскока, согласно такой модели до нашей Вселенной существовала другая, которая также расширялась, а потом стала сжиматься, сжалась до какого-то плотного состояния и снова стала расширяться – произошёл отскок. Такая модель не намного лучше, чем модель Большого взрыва. Чтобы отскок произошел, тоже нужно придумывать всякие похожие на инфляцию штуки.
Борис Штерн: Хорошо. Остаётся добавить, что красное смещение z = 16,7 – полная фигня. Это так называемый фотометрический «шифт», где легко ошибиться в четыре раза.
Последний вопрос. Теперь я уже прикидываюсь более серьёзным человеком – гораздо более серьёзным, чем я сам, – Полом Стейнхардом. Есть такой космолог, внёсший большой вклад в становление космологии и не любящий теорию космологической инфляции, о которой говорил Сергей.
Большинство его аргументов демагогические, но один вполне реальный: «Из показанных спектров мы знаем, что Вселенная расширялась экспоненциально (была стадия инфляции) при плотности в примерно триллион раз ниже, чем планковская плотность. А планковская плотность – такая палочка-выручалочка, где возможны всякие чудеса: скажем, резкий туннельный переход из ничего во Вселенную, которая начала экспоненциально расширяться. Но этот триллион ужасно далёк от Планка! Не может квантовая механика дать такого гигантского скачка. Инфляция в самом своём начале не обоснована, поэтому нужно придумывать другие модели». Теория отскока – то, что Пол Стейнхард любит. Будете ли вы ему возражать?
Сергей Пилипенко: Пожалуй, буду. Надо немного пояснить, что планковская плотность – действительно некая конструкция, придуманная физиками. Можно сказать, что первичный вакуум, из которого согласно гипотезе родилась наша Вселенная, имел плотность примерно на 120 порядков выше, чем плотность нынешнего вакуума. А модели инфляции почему-то стартуют с плотности на 12 порядков ниже, чем плотность первичного вакуума, которую могут изобразить физики, занимающиеся элементарными частицами. Вот в этом некое несоответствие.
В сущности, оно связано с нашим незнанием. Для того чтобы работать с гигантской планковской плотностью, нам нужно иметь теорию квантовой гравитации, то есть увязать между собой квантовую физику и теорию гравитации. При таких больших плотностях нельзя моделировать квантовые явления, не учитывая гравитацию и наоборот. Пока не получается. Мы не знаем, как по-хорошему пройти эти 12 порядков.
Но всё-таки один способ есть. 12 порядков для этой науки не такая уж огромная величина. В принципе, если большое количество вселенных как-то рождается случайно, можно допустить, что, опять же, была некая случайная флуктуация на 12 порядков. И дальше всё пошло-поехало по известным законам. Не невозможно, но, конечно, маловероятно. Может быть, когда появится более хорошая теория, это сделают уже на достойном уровне, а не так, как сейчас.
Борис Штерн: Только я бы добавил, что на самом деле ответ − «Мы не знаем», ведь могло быть всё что угодно. Мог быть каскад инфляций, который привёл от планковской плотности к этой последней инфляции. Несомненно, вопрос «А что было до стадии инфляции?» – это вопрос закона. И мы не знаем на него ответ.
Александр Соколов: Большое спасибо! Друзья, я прошу вас оценить оппонента.
Пожалуйста, воспользуйтесь QR-кодом или перейдите по ссылке и проголосуйте, был ли Борис добрым другом, интересным собеседником, мастером каверзных вопросов или грозой лектора. Напомню, что в конце дня мы будем выбирать самого вредного оппонента.
А сейчас вопросы зрителей. Итак, присланные заранее вопрос от Виктора Загребнева: «Так есть Великий аттрактор или нет? И что это? В видимой части Вселенной ничего же подобного нет».
Сергей Пилипенко: Великий аттрактор – понятие, которое появилось на заре исследований крупномасштабной структуры Вселенной. Когда люди научились измерять с достаточно высокой точностью скорости галактик, они смогли разобраться, что галактики не только движутся по закону Хаббла, описывающему расширение Вселенной, но и их скорость складывается из суммы этого расширения и небольших движений, связанных с обычной силой тяготения, то есть где больше массы, они туда потихоньку стекаются. Выяснилось, что наша и ближайшие галактики, а также их скопления, почему-то все текут в одну сторону. Значит, там что-то очень массивное. И это массивное нечто назвали Великим аттрактором, поскольку оно притягивает к себе всё.
Однако потом, когда люди получили уже трёхмерные карты Вселенной с распределением галактик и их скоростей, стало понятно, что Великий аттрактор – одна из ячеек крупномасштабной структуры – гигантская стенка, имеющая протяжённость более 100 миллионов световых лет.
Действительно, она массивная, но таких объектов во Вселенной мы знаем много. Она не представляет из себя ничего особо выдающегося, хотя работы на эту тему иногда появляются. Всё-таки кто-то пытается придумать, что она какая-то необычная.
Александр Соколов: Ну что, попробуем блиц?
Сергей Пилипенко: Попробуем.
Александр Соколов: Прошу вас три минуты отвечать максимально лаконично. Вчерашний рекорд – 26 вопросов.
Сергей Пилипенко: По-моему, 24.
Александр Соколов: Тогда надо 26, но это будет непросто. Поехали! Вадим Шевель: «Какая у Вселенной форма? Имеет ли она начало и конец? Можно ли покинуть её пределы?».
Сергей Пилипенко: Форма неизвестна. Начало и конец неизвестны. Можно ли покинуть, неизвестно.
Александр Соколов: Аким Халиуллин: «Каким способом была получена модель наноструктуры Вселенной?».
Сергей Пилипенко: Ох, не знаю, что такое «наноструктура» Вселенной.
Александр Соколов: Дмитрий Дунин: «Обоснована ли теория Тёмного леса Лю Цысиня?».
Сергей Пилипенко: Моё мнение, что она не очень обоснована. Эта теория о том, почему мы не видим другие цивилизации.
Александр Соколов: Елена Иванова: «Есть ли во Вселенной места, где не проходит электромагнитное излучение?».
Сергей Пилипенко: Да, есть. Например, оно не проходит внутрь нейтронных звёзд.
Александр Соколов: B M: «Через какой примерно промежуток времени Вселенная расширится настолько, что из Млекомеды уже не будет видно ни одной другой галактики?».
Сергей Пилипенко: Согласно современной модели это не произойдёт никогда, потому что ближайшие галактики связаны с нами гравитационно: они летают по орбите вокруг нашей и будут всегда видны.
Александр Соколов: Александр P: «Будет ли после расширения Вселенной снова фаза её уменьшения?».
Сергей Пилипенко: По современным представлениям, нет.
Александр Соколов: Светлана Гусейнова: «Почему она всё-таки крутится? В смысле Вселенная».
Сергей Пилипенко: Она не крутится. На этот счёт есть теорема.
Александр Соколов: Karl Maks: «Как учёные объясняют видимое на графике расширение Вселенной?».
Сергей Пилипенко: С помощью тёмной материи и тёмной энергии.
Александр Соколов: Светлана Пласкеева: «Холодное реликтовое пятно – что там? Там есть звезды?».
Сергей Пилипенко: Там есть всё. Это небольшая флуктуация на карте реликтового излучения.
Александр Соколов: Людмила Морозова: «Какая гипотеза рождения Вселенной Вам больше всего нравится на данный момент?».
Сергей Пилипенко: Наверное, гипотеза инфляции.
Александр Соколов: Людмила Морозова: «Расскажите подробнее про биологический реактор».
Сергей Пилипенко: Вопрос не по космологии. То ли из биологии, то ли из философии.
Александр Соколов: Алексей Шотин: «Действительно ли, попав в чёрную дыру, Земля сожмётся до размера горошины или же лопнет?».
Сергей Пилипенко: Она вытянется приливными силами. Конечно, зависит от массы чёрной дыры.
Александр Соколов: Varox-Troodon: «К какой теории гибели Вселенной склоняется большинство космологов?».
Сергей Пилипенко: По современным данным она будет потихоньку остывать.
Александр Соколов: Алексей Шотин: «Не начнёт ли искажаться время на Земле при приближении к ней чёрной дыры?».
Сергей Пилипенко: Если близко приблизится, несомненно.
Александр Соколов: Ирина Тохадзе: «В каком диапазоне должен работать телескоп «Миллиметрон»?».
Сергей Пилипенко: От 50 мкм до 3 мм.
Александр Соколов: Елена Иванова: «Влияет ли изменение силы притяжения на магнитные полюса Земли? Может ли она их сдвинуть или ослабить?».
Сергей Пилипенко: Магнитные полюса Земли сами по себе сдвигаются, а вот гравитация вряд ли.
Александр Соколов: Светлана Пласкеева: «Белые дыры могут быть реальными?».
Сергей Пилипенко: Есть такие гипотезы. В принципе могут.
Александр Соколов: Eugene Milov: «Могут ли астрофизики опровергнуть гипотезу Вселенной как компьютерной анимации?».
Сергей Пилипенко: Симуляции, наверное, могут. Анимации – не знаю.
Александр Соколов: Екатерина Соколкова: «Что вы думаете о теории мультивселенной, про которую говорят веды?».
Сергей Пилипенко: Не знаю, что там говорят веды. Но мультивселенная может быть.
Александр Соколов: Светлана Гусейнова: «Какие теории казались фриковыми, а в итоге оказались реальными?».
Сергей Пилипенко: Очень много. Не отвечу.
Александр Соколов: 20 вопросов! Неплохо. Посмотрим, кто Вас сегодня сможет превзойти. Давайте дальше. Начнём с вопросов из зала.
Трифон, Липецк: Доброе утро! У меня немного странный вопрос. Я сталкивался с теорией о том, что вся Вселенная состоит из очень маленьких частиц (меньших, чем сейчас известны науке; меньших, чем бозоны и кварки) и они имеют живую структуру. Это имеет отношение как бы к общему сознанию. Что можно сказать по этому поводу? Может быть такое, что в будущем, в ближайшие лет 300−400, откроют какую-нибудь ещё более мелкую частицу, которая может объяснить поведение кварков и построение Вселенной.
Сергей Пилипенко: Спасибо за вопрос. Касательно мелких частиц мне почему-то приходят в голову маломассивные частицы типа аксионов. Их масса где-то на 20 порядков меньше, чем электронов, но из-за этого они отнюдь не становится мелкими. Наоборот, частицы имеют размер больше Солнечной системы за счёт квантовых эффектов. Возможно, это не то, что Вы имеете в виду. То, что наши частицы могут состоять из того, внутри чего есть жизнь, уже противоречит современной квантовой физике: внутри них жизни быть не может, так как они слишком случайные.
Фанат форума: В докладе звучит вопрос «К чему приводят попытки понять устройство Вселенной?». Не приводят ли они к тому, что на деньги честных налогоплательщиков плодятся разные любители альтернативной гравитации, мультивселенной, суперструн, многообразия Калаби − Яу и прочих вед. Не становимся ли мы похожи на Кису Воробьянинова, который просит денег депутату устройства Вселенной, а занимается непонятно чем? Собираетесь ли Вы что-то с этим делать?
Сергей Пилипенко: Наука устроена так, что учёные стараются исследовать те гипотезы, которые доступны проверке экспериментом. Конечно, есть куча теоретических возможностей понапридумать чего-нибудь про Вселенную, но в общем-то теперь деньги дают довольно осторожно и только на то, что имеет какие-то перспективы.
Когда возникали современные теории (теория гравитации Эйнштейна, специальная теория относительности и квантовая физика), поначалу их тоже считали фейковыми, не имеющими отношения к реальности. А сейчас мобильные телефоны работают на квантовой теории. Без неё никуда.
Александр Соколов: Вчера один доктор биологических наук сказал, что, по его мнению, популяризация астрономии приводит к увеличению числа астрономических фриков. Вопрос от Юры Нии, Германия: «Как учёные избегают подгонки моделей зарождения Вселенной под желаемое?».
Сергей Пилипенко: Это уже на совести учёного и тех, кто рецензирует его работы. Конечно, иногда встречаются дилетанты, у каких есть какая-то любимая модель, под которую они всё стараются подогнать. Такое бывает, но их не всегда пропускают в хорошие журналы.
Аким, Москва: Можете ли Вы прокомментировать теорию струн и сказать, какие у неё перспективы в науке?
Сергей Пилипенко: Честно говоря, я не специалист по теории струн и М-теории, но я слышал от моих коллег, что в данный момент перспективы у них не очень. Потому что трудности как раз с наблюдательными предсказаниями, которые можно проверить в обозримом будущем.
Александр Соколов: Вопрос от зрителя Карл-Август Аванти: «Работа с эмбрионом человека требует соблюдения ряда этических норм. Как регламентировано изучение зародыша Вселенной, если подобный будет создан в ходе научного опыта?».
Сергей Пилипенко: Забавно. В настоящее время мы сильно далеки от создания зародыша как реальной Вселенной, так и её численной модели. А ко всем нынешним моделям следует относиться, как к любым произведениям искусства, с теми же подходами.
Александр Соколов: Давайте дадим микрофон на балкон таинственному незнакомцу или незнакомке.
Полина, Москва: В любом устройстве чего-либо есть начало, продолжительность жизни и, естественно, смерть. Каким вы видите конец Вселенной? Возможен ли он или та продолжит улетать в бесконечность, расширяясь? И что вы думаете о разрыве Вселенной?
Сергей Пилипенко: Мне кажется, что Вселенная вполне может расширяться вечно. В данном случае она будет постепенно остывать. Даже при наличии тёмной энергии, которая ведёт к ускоренному расширению Вселенной, никаких катастрофических явлений не произойдёт, но галактики будут удаляться друг от друга настолько быстро, что действительно потихоньку станут пропадать из поля зрения. Более того, уже сейчас мы теряем возможность коммуникации с далёкими галактиками. Например, мы не можем послать сообщение на видимые галактики (те же z = 16,7), оно просто не дойдёт до их потомков из-за тёмной энергии. Но сами галактики при этом не пострадают, в них будет какая-то вялотекущая жизнь, пока всё в конце концов не превратится в чёрные дыры.
Также существуют модели с так называемым Большим разрывом, основанные на том, что мы не знаем, что такое тёмная энергия. Раз не знаем, можно спекулировать, что это нечто, что может изменить своё состояние от нынешнего – и от просто ускоренного расширения приведёт к очень ускоренному типа новой инфляции, которая разорвёт даже элементарные частицы на их составляющие и на этом всё кончится. Гипотеза есть, но проверить её пока не получается.
Александр Соколов: Вопрос от Пирожка с Covidлом: «Есть ли возможность, наблюдая максимально удалённые объекты, заглянуть в прошлое Вселенной до эпохи галактик? Или те области, где первые галактики только формируются, за горизонтом событий Вселенной?».
Сергей Пилипенко: Такая возможность есть. Галактики формируются не одновременно, даже те, которые видит «Джеймс Уэбб» на красном смещении z = 16,7 (250 миллионов лет от Большого взрыва). В этот момент ещё не все галактики сформировались, и, если знать куда смотреть с нужной чувствительностью, можно увидеть зародыши галактик.
В одном интересном эксперименте наблюдали поглощение реликтового излучения нейтральным водородом, что был в эпоху образования галактик. При рождении они ионизовали нейтральный водород – и он развалился на протоны и электроны. По идее, таким косвенным способом можно увидеть этот процесс и отдельные облака, в которых образовывались эти галактики.
Виталия, Москва: В 12 сезоне «Теории Большого взрыва» Эми и Шелдон доказали теорию суперсимметрии. Можете ли Вы объяснить простым языком, что это такое? А то я так и не поняла.
Сергей Пилипенко: К сожалению, я вас разочарую. Я не специалист по физике элементарных частиц и про суперсимметрию не расскажу. Извините!
Александр Соколов: Alexander Voronkoff спрашивает: «Не является ли принцип неопределённости Гейзенберга аргументом в пользу гипотезы симуляции?».
Сергей Пилипенко: Принцип гласит, что частица не может иметь одновременно точно измеримые координату и скорость. Их можно определять только в комбинации, а по отдельности, если точно измеряешь одно, то очень неточно другое. Существует гипотеза, что это – действительно численный эффект компьютера, на котором симулируется наша Вселенная. В общем-то голословное утверждение, более веских оснований нет.
Дмитрий, Стаханов: Существует ли альтернативная гипотеза тепловой смерти Вселенной?
Сергей Пилипенко: Я не совсем понял вопрос. Что значит «альтернативная»? Честно говоря, я про них не знаю. Мне нечего добавить к тому, что я уже рассказал про варианты смерти Вселенной: она будет медленно остывать, и что-нибудь будет падать в чёрные дыры. Конечно, есть какие-то отдельные эффекты: чёрные дыры постепенно испаряются и с них будет что-то лететь. Но всё равно энтропия нарастает, и тепловая смерть как-то должна происходить.
Александр Соколов: Вопрос задаёт Teftel Pastalog: «Если заглянуть в кротовую нору, можно ли увидеть свет в конце тоннеля?».
Сергей Пилипенко: Наверное, можно, если с другой стороны есть чему светиться.
Александр Соколов: Дайте, пожалуйста, микрофон на самый последний ряд. Вот там далёкая галактика.
Артём, Владимир: О принципе неопределенности Гейзенберга Вам уже задавали вопрос. А в современной космологии признаются вообще какие-либо индетерминированные феномены? Или всё объясняется в квантовой механике и так далее через скрытые возможности, как в детерминистской теории?
Сергей Пилипенко: Не уверен, что я правильно понял вопрос. Квантовая теория в космологии применяется. Как раз на стадии инфляции возникают неоднородности во Вселенной за счёт квантовых флуктуаций. А какая именно интерпретация квантовой теории используется – вероятностная или многомировая – на самом деле без разницы. Может быть, какие-то особенности должны на что-то влиять. Например, если она многомировая, то вселенных бесконечно много. Только они появляются другим способом: в каждый момент времени в любом событии рождаются две вселенные, в одной из которых событие произошло так, а в другой иначе. Проверить это тоже не представляете возможным.
Александр Соколов: Вопрос от Светланы Гусейновой: «Образование червоточины разрушительнее образование чёрной дыры? Она тоже вращается?».
Сергей Пилипенко: С кротовыми норами, или червоточинами, вопрос интересный. Мы не знаем астрофизических способов возникновения таких объектов. Если чёрные дыры рождаются в результате звёздной эволюции и это нормально предсказывается и наблюдается, то с кротовыми норами такого предсказания нет. Они должны рождаться только в самой ранней Вселенной как раз при энергиях порядка планковской, про которую говорил Борис Штерн, на таких масштабах, когда действует квантовая гравитация, и пространство рвётся какими-то флуктуациями квантовых полей. Вот тогда это может происходить. А в современной Вселенной не должно.
Даниил, Санкт-Петербург: Сегодня уже вспоминали Лю Цысиня. Допустим, с завтрашнего дня по каким-то причинам отменяются все исследования элементарных частиц (ну, не получается). Каковой тогда будет стратегия развития космологии?
Сергей Пилипенко: У нас пока есть запас того, чем заняться, даже если физика элементарных частиц не будет приносить никаких новых результатов. Мы продолжим уточнять измерения неоднородности Вселенной, искать первичные гравитационные волны и другие вещи. В конечном итоге это может нам дать новые знания, в том числе по физике элементарных частиц.
Александр Соколов: Вопрос от Владиславы, Москва: «Теория струн – мейнстрим? Или тёмная материя?».
Сергей Пилипенко: Теория струн, наверное, не мейнстрим. Тут я не очень уверен. А вот тёмная материя – да.
Александр Соколов: Теперь Вам предстоит выбрать лучший вопрос. Кому достанется книга «Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной» Алексея Семихатова от издательства «Альпина нон-фикшн».
Сергей Пилипенко: Я уже сделал выбор. Пусть это будет человек с балкона, который спрашивал про смерть Вселенной, про её будущее.
Александр Соколов: Итак, на балкон отправляется книга «Всё, что движется». Посмотрим на результаты онлайн-голосования. Как оценили Бориса Штерна?
Большинство зрителей считают, что он – мастер каверзных вопросов. Неплохо.
Сергей, вам – наши подарки. Я их перечислю: металлический диплом и деревянный блокнот от волонтёров приюта «Печатники» в лице компании «GEDA color»; набор сувениров от поставщика принтов и гаджетов «GEN.ru»; медаль-тихоходка от Андрея Гребенюка из Регионального научно-спортивного центра СКФО г. Ессентуки; Пингвинопитек-космонавт от Павла Краснова и студии «Артефакт» и набор книг от издательства «Альпина нон-фикшн». Кроме того, наша благодарность!
Сергей Пилипенко: Спасибо!
Александр Соколов: Сейчас на экране появится рисунок художницы Юлии Родиной на тему вашего выступления.
===================================================================