Academia Александр Иванчик. "Космология. Новые горизонты". 2-я лекция

Кандидат физико-математических наук Александр Владимирович Иванчик продолжает свою лекцию о космологии.

Стенограмма 2-й лекции Александра Владимировича Иванчика, вышедшей в эфир на телеканале "Культура" в рамках проекта "ACADEMIA":

Сегодняшняя лекция будет посвящена уникальному физическому космологическому явлению, которое родило новую эпоху в космологии, которую сейчас называют «эпохой прецизионной космологии», то есть очень, очень точных измерений физических, космологических параметров. Это явление носит название в русскоязычной литературе реликтовое излучение, а в англоязычной литературе –космическое микроволновое фоновое излучение.
Формировалось оно, основные его детали начали формироваться в эпоху первичной рекомбинации водорода, то есть, это эпоха, когда наша Вселенная была приблизительно в 1400 раз меньше, чем сейчас. Сформировавшись тогда, Вселенная, когда прошла первичная рекомбинация, Вселенная стала прозрачной, и излучение, которое во Вселенной было в тот момент, начало распространяться отовсюду во все направления, в том числе и в наше направление. И вот сейчас мы его наблюдаем со всех направлений это излучение. И поскольку оно распространялось по всей Вселенной, и распространялось практически все время жизни Вселенной, то ту информацию, которую оно нам несет, позволяет нам получить огромное количество космологических параметров с очень высокой точностью.
Ну, прежде чем говорить о космическое микроволновое излучение, я напомню из предыдущей лекции то, что мы сейчас знаем о Вселенной в настоящий момент времени. Это то, что стандартное вещество, из которого мы состоит, которое называется барионом, то есть это протоны, нейтроны, атомы, и молекулы, из которых состоим мы, планеты, звезды, газ, межгалактические, галактические – это всего 4 процента от энергии, материи, содержащейся во Вселенной. Все остальное – это темная материя и темная энергия.
В настоящий момент то, что называется реликтовым излучением, наблюдается и его вклад в энергетику Вселенной это меньше пяти тысячных процента. Но это было не всегда так. И, несмотря на такой маленький энергетический вклад сейчас во Вселенную, информационный вклад реликтового излучения очень и очень важный и большой.
Снова возвращаемся к этой картинке, которую я уже рассказывал. На ней изображен Гамов. Он не только выдвинул теорию «горячей Вселенной», не только предсказал основные элементы первичного нуклеосинтеза, то есть формирование первичных элементов, но он также осознал, что в ранние эпохи должно было существовать очень и очень горячее излучение на первых этапах эволюции Вселенной. После того, как это излучение отщепится от вещества, то есть, когда вещество станет для этого излучения прозрачным, это излучение будет распространяться по расширяющейся Вселенной, оно будет остывать. И в настоящий момент, то есть через 14 миллиардов лет оно дойдет до нас с температурой порядка 6 градусов Кельвина, это очень и очень низкая температура. Да. Вот сейчас в этой аудитории температура больше, чем 273 градуса Кельвина, то есть, больше даже, чем 300 градусов Кельвина. Соответственно, это температура, близкая к абсолютному нулю, то есть, попасть в такие условия не хотелось бы.
Вот это вот излучение температурой 6 градусов Кельвина, 5 градусов Кельвина - это то, что предсказал Гамов на основе тех, очень скудных данных, которые были у него под рукой в тот момент. На самом деле температура его сейчас известна с очень гораздо большей точностью. И я хочу рассказать, как его наблюдают и какую информацию из этого излучения можно получить?
Уникальность реликтового излучения, то есть излучения, которое осталось от Большого взрыва, от горячих эпох Вселенной, дошло до нас и сейчас заполняет всю Вселенную очень равномерно, на столько большая, что за это явление, за его изучение было получено целый две Нобелевских премий.
Одна Нобелевская премия была получена в 78-ом году только за то, что оно было открыто. То есть, это излучение было предсказано. Оно теоретически предсказанное являлось очень важным аспектом для космологии в тот момент, то есть, существует оно или нет было важно для того, чтобы понять вообще верны ли теоретические представления о космологии. Ну, и когда оно было открыто, стало понятно, что да, действительно, теория работает очень хорошо, космология уже превращается в реальную физико-математическую науку, поэтому первая Нобелевская премия была дана за то, что оно было просто открыто. А вторая Нобелевская премия совсем недавно была дана за то, что было изучение свойство этого излучения. То есть, определили форму этого излучения, спектральный состав этого излучения, и что очень ценно – его анизотропию. Ну, вот все по порядку.
Что такое реликтовое излучение с точки зрения математики? Это излучение, которое в настоящий момент, значит, вот там в самом верху изображена формула, которой подчиняется это излучение, то есть это зависимость энергии, по сути говоря, на частоте, на которой мы наблюдаем. То есть, если в эту формулу мы подставим частоту, то мы получим амплитуду излучения, так сказать, энергетическую характеристику, которая должна быть, наблюдаться на этой частоте.
И эта формула сама по себе уникальная. Эта формула была получена совершенно… в 1990-ом году совершенно не применительно к космологии. Они получалось одним из знаменитейших физиков Планком. Это было начало развитие квантовой механики, это развитие статистической физики, и эта формула была получена в рамках квантовых представлений о мире. Тогда еще о космологии вообще никто не говорил, еще не было Общей теории относительности. Эта формула уникальна, во-первых, тем, что в нее введена постоянная планка, и она говорит о том, как должно было бы выглядеть равновесное излучение.
Внизу на обоих рисунках представлено графическое изображение этой формулы. То есть, зависимость частоты, то есть, зависимость энергии от частоты, на которой мы наблюдали ли бы это излучение. Для температуры два… 72 градуса Кельвина максимум этого излучения должен приходиться на миллиметровый, сантиметровый диапазоны. То есть, максимум покрываем миллиметровый, сантиметровый диапазон. С точки зрения наблюдения – это наблюдение радиоантеннами, это радиолокационное наблюдение.
Первые люди Пензиас и Вильсон, которые получили Нобелевскую премию за открытие реликтового излучения, наблюдали на одной единственной частоте это излучение. И вот оно отмечено на правом рисунке точечкой, и подписано ,так сказать, то, что это наблюдение Пензиаса и Вильсона. Все остальные точки – это последующие наблюдения этого излучения. В основном, так сказать, они были сперва с Земли на тоже одной или двух частотах.
Дальше есть ряд точек в максимуме, огромное количество точек – это уже баллонные эксперименты. Значит, проблема с этим диапазоном заключается в том, что миллиметровый, сантиметровый диапазон не очень хорошо пропускается атмосферой, и поэтому наблюдать радиоизлучение на таких частотах можно в большом диапазоне можно только из космоса. Поэтому последующие эксперименты по изучению этого излучения они проводились на баллонах. То есть, надувались баллоны, на них ставилась аппаратура. Баллоны поднимались насколько это возможно высоко в стратосферу, чтобы атмосфера не мешала проникновению излучения, и на этой аппаратуре оно регистрировалось.
Ну, наконец, когда удалось выйти в космос, были запущены космические спутники, это излучение уже во многих диапазонах было промерено с очень хорошей точностью, с очень большой чувствительностью, потому что внеатмосферные эксперименты, когда атмосфера не экранирует радиоизлучения, позволили получить большие чувствительности и большие диапазоны длин волн.
Ключевые свойства этого излучения, ну, помимо того, что оно обладает вот такой вот низкой температурой, оно еще и очень изотропно. То есть, если мы возьмем радиоантенну, и будем наблюдать во все стороны на небесной сфере, то со всех сторон это излучение идет с одинаковыми характеристиками. Отличие температуры по разным направлениям – меньше чем 10 минус в третьей, то есть, тысячные доли процента отличает излучение с разных направлений. То есть, оно очень, очень однородно.
И это было, так сказать, в первые моменты, вот Пензиас и Вильсон, надо сказать, это некий исторический казус, они открыли его совершенно случайно. Когда они его открыли, они даже и не знали, что это такое, что они открыли? Это сорок… Они открыли его в конце 40-х годов.
У них была совершенно техническая задача. Конец войны. Развивается радиолокационная техника для наблюдения за движущими самолетами противника. Соответственно, нужно построить радиолокаторы на определенных частотах и подавить все возможное помехи, кроме необходимых. Вот они этой проблемой, чисто технической, прикладной занимались.
И вот на длине волны порядка 3 сантиметров они обнаружили, что со всех направлений идет фоновое излучение, которое ничем подавить невозможно. То есть. сперва они думали, что это просто шум.
Ну, поскольку им повезло, они работали недалеко от Принстона, в котором были тогда собраны все лучшие теоретические, ну, не все, вернее, а одни из лучших теоретических умов, так сказать, того времени, в частности, ну, там непосредственно сидел, работал Эйнштейн, там работала группа космологов, так вот они сразу же им и сказали, что вы открыли уникальное явление - реликтовое излучение. Так сказать, вы молодцы и через какое-то количество лет им была присвоена Нобелевская премия.
Вот свойство реликтового излучения ключевое то, что оно изотропно, со всех направлений идет одинаково. Это очень и очень сложно реализовать. Это означает, что наша Вселенная в очень ранней эпохе была чрезвычайно симметрична во всех направлениях. Вот сейчас мы смотрим по разным направлениям, мы видим звезды, скопление звезд, мы видим какие-то туманности, мы видим галактики, мы видим скопление галактик, то есть, сейчас наша Вселенная в ближайших масштабах и в далеких масштабах очень сильно неоднородна. И поэтому излучение на других длинах волн, которое идет к нам со всех сторон, оно, вообще говоря, очень сильно неоднородно, оно выглядит совершенно, так сказать, иным способом другим.
И то, что это излучение оказалось очень сильно однородным, во-первых, это подтвердило то, что оно является космологическим, то есть, оно характеризует всю нашу галактику в ранние эпохи развития ее эволюции и условия начальные в нашей галактике были таковы, что она была очень симметричная. Это хорошо, потому что, ну, с практической точки зрения очень легко рассчитывать такую Вселенную теоретически, а потом сравнивать с наблюдениями.
Ну, проблема изотропии заключается в том, что, так сказать, как показал один знаменитый наш советский физик, догадался Яков Борисович Зельдович, что изотропия – это хорошо, но это и проблема. Почему это проблема? Потому что сейчас мы видим нашу Вселенную сильно не изотропную, то есть, мы видим очень большие сгустки плотности, мы видим звезды, галактики и их скопления. Они из чего-то должны были образоваться?
Если в начальном этапе Вселенной весь газ был равномерно распределен по всему пространству, то для того, чтобы он образовался, должны были возникнуть гравитационные неустойчивости. Они должны были развиться, образовать звезды, галактики и так далее. И время этих гравитационных неустойчивостей в зависимости от этих первичных флуктуаций, то есть степени неоднородности Вселенной, очень разное. И, если Вселенная наша была бы заполнена только вот обычной материей, то анизотропия реликтового излучения на уровне десять минус в третьей было бы недостаточно для того, чтобы образовать то, что мы сейчас наблюдаем. Просто не успели бы сформироваться ни звезды, ни планеты, ни мы, ни галактика, не скопление галактик, если бы Вселенная заполнялась барионным веществом, и если бы изотропия его была такая, как в реликтовом излучении.
Значит, оно должно быть анизотропно и его анизотропия должна отражать первоначальные сгустки гравитации, в которую впоследствии начнут падать обычное вещество и темная материя, и образовывать структуры, которые мы видим.
Это было понято. И задачи были поставлены, наблюдая это излучение, найти его анизотропию, то есть, смотреть во все участки неба подряд, и сравнивать температуру этого излучения в одном и другом участке неба, и с необходимостью, это нужно было сделать, найти эту анизотропию, из которой впоследствии родятся галактики.
Эта проблема была поставлена. И решалась она различными способами. Специально под эту проблему в Советском Союзе был построен новый уникальный радиотелескоп «Ратан-600». Был запущен спутник, который летал. Был в Советском Союзе это спутник «Реликт», и, наконец, так сказать, к сожалению, проблема реликтового излучения советскую науку преследует с не очень хорошей стороны - у нас очень много досадных, досадных фактов, связанных с изучением реликтового излучении.
Ну, первый досадный факт заключается в том, что наш пулковский астроном открыл температуру реликтового излучения 4 градуса задолго до Пензиаса и Вильсона гораздо раньше за несколько лет. Но, к сожалению, он не знал тоже. Он занимался подобной задачей, то есть, радиотелескопом, а он его открыл, но он тоже не знал, что это такое. То есть, он увидел это излучение на длине волны порядка 4 сантиметров, но что это такое он не знал. Никакого Принстона рядом с ним не было. Сказать ему, что ты сделал великого открытие никто не смог. Он узнал о том, что он открыл, только после того, как была вручена Нобелевская премия.
Со второй Нобелевской премией приблизительно такая же ситуация. Наш советский спутник «Реликт» тоже открыл реликтовое излучение раньше, чем американский спутник «КОБЕ», но… и результаты были на конференции доложены раньше. Но официальная публикация, которая была послана в международный очень хороший солидный журнал английский, была там задержана на несколько месяцев, и американские публикации вышли на три месяца раньше наших. Поэтому формальный приоритет остался за американским спутником, хотя по факту наши открыли это излучение гораздо раньше.
Ну, и вот этот вот телескоп «Ротан-600» - это телескоп диаметров 600 метров, то есть, это телескоп, который находится недалеко, там же, где находится 6-метровый телескоп, который я уже вам показывал в предыдущей лекции, а он находится тоже в Карачаево-Черкесии и представляет из себя, ну, видите, несколько футбольных полей занимает этот телескоп, единственное, что это не полный телескоп, это не полная парабола, а срезанная верхушка параболы, это алюминиевые пластины, высокой где-то около двух метров, шириной около 50 сантиметров. Вот из них вот выложена вот такая вот часть параболоида, которая собирает на себя радиоизлучение и фокусирует его на шесть излучателей, которые двигаются по этому полю, собирая информацию о радиоизлучении.
Проблема с этим телескопом как раз заключалась в том, что первоначальные расчеты без учета темной энергии, которая в те года еще не была не признана, ничего о ней было неизвестно, привели к тому, что предсказанный уровень анизотропии был на уровне 10 минус в четвертой, был на уровне десять минус в четвертой, поэтому чувствительность этого телескопа строилась приблизительна на этом уровне. На самом деле, наземный телескоп с такой чувствительностью построить было очень сложно, нужно было, так сказать, это огромные капиталовложения, на самом деле, эта конструкция очень дорогостоящая, так сказать, как можно понять. Поэтому чувствительность, которую он достиг, это была предельная на себя чувствительность, но, к сожалению, ее не хватило для того, чтобы увидеть анизотропию реликтового излучения. Она находится на уровне десять в минус пятой. То есть, единичка делить на сто тысяч, вот такая вот чувствительность должна была быть у приборов, чтобы увидеть анизотропию реликтового излучения. К сожалению, этому прибору, так сказать, это третье фиаско, которое вот преследовало советских физиков в попытке исследования этого явления. То есть, две случайности и одно фиаско.
Но, тем не менее, наука интернациональна. Поэтому результатов получаемых экспериментов сейчас пользуются все. И огромные международные колоборации занимаются исследованиями реликтового излучения и космологией. Вот так выглядит исторический ракурс изучения реликтового излучения.
Первая картинка – это вот радиометры, на которых мерили Вильсон и Пензиас. Они мерили только на одной частоте, и чувствительность их приборов была низкая, поэтому они видели фон равномерный, практически равномерный фон.
Небольшая полосочка, которая там проступает – это радиоизлучение нашей галактики, диска нашей галактики. То есть, это в данном случае паразитное излучение. А вот этот вот весь фон – это равномерное реликтовое излучение, которое идет со всех сторон нашей Вселенной в точку наблюдения.
Вот 92-ой год – это американский спутник КОБЕ, который первый зарегистрировал анизотропию реликтового излучения. На этой картинке вы видите, что оно уже окрашено различными цветами, и эти цвета характеризуют анизотропию реликтового излучения и его температуру. Там, где, так сказать, желтые и красные полоски – это горячий фон, то есть, повышенная температура, там, где синие и зеленые полоски – это пониженная температура.
Вот эта вот красная полоска – это опять наша галактика, которую мы должны рассмотреть из исключения, то есть, это светящиеся звезды, вклад от звезд, вклад от пыли, которые для, с точки зрения, космологии и самого реликтового излучения, являются посторонним фоном радиационным. Поэтому при анализе реликтового излучения, он должен исключаться.
А вот синие, зеленые, и так сказать, немножко желтые пятна – это вот как раз та уникальная информация, которую несет в себе реликтовое излучение. Это та информация, которая впечаталась в это реликтовое излучение, когда Вселенная была в 1400 раз меньше, чем она сейчас, и на 14 миллиардов лет моложе, чем она сейчас. То есть, это самые первые, так сказать, мгновения, ну, жизни Вселенной. Вот они отпечатались в реликтовом излучении, они несут информацию о том, какая она была, они несут информацию о том, какая плотность была, флуктуации плотности были вот в эти моменты, флуктуации плотности родят впоследствии из себя гравитационные неустойчивости, в которые будет сваливаться газ, который образует звезды, планеты, галактики и скопления галактик, и то, что мы видим сейчас.
Ну, и дальнейшие спутниковые эксперименты. Тут вот виден новый спутник W «Меп», так называемый, который был запущен и начал давать результаты в 2003-ем году. Здесь видно уже, как разрешают это реликтовое излучение. То есть, если первый спутник КОБЕ зафиксировал реликтовое излучение в очень грубом угловом разрешении, то есть, усреднено по большим углам, то спутники, которые запускаются сейчас, и спутник, который запущен в 2009-ом году «Планк», он будет регистрировать, вот W «Меп» вот регистрировал вот нижнюю картинку, очень мелкомасштабной флуктуации, то есть, и крупномасштабную тоже, но с хорошим разрешением мелкомасштабное.
«Планк» будет регистрировать еще более качественную, еще более чувствительную картинку, а из которой можно вытаскивать космологическую информацию.
Какую космологическую информацию можно получать, изучая реликтовое излучение? Ну, во-первых, реликтовое излучение идет к нам практически через всю Вселенную. Соответственно, то, какая наша Вселенная геометрически, то есть, является ли она плоской геометрически, является ли она кривой геометрически, причем она может являться кривой с положительной и отрицательной кривизной. То есть, положительная кривизна – это подобна шарику, и тогда Вселенная будет замкнутой, и тогда она рано или поздно прекратить свое расширение и начнет сжиматься и коллапсировать, если это отрицательная кривизна, то она подобна седловидной поверхности в трехмерном измерении, такая Вселенная будет являться открытой и будет расширяться вечно. Если она критическая, то есть, плоская, то она будет расширяться вечно с выходящей на ноль скоростью расширения в зависимости от геометрии Вселенной, излучение, распространяясь по разной геометрии, будет приобретать различные свойства.
А именно какие? Первичные флуктуации обладают определенным масштабом угловым, то есть, мы его можем рассчитать. Если Вселенная идет по плоской геометрии, то этот масштаб сохраняется. Поэтому сейчас угловые масштабы тех флуктуаций, которые были в момент формирования первичного реликтового изучения и то, что мы наблюдаем сейчас, совпадает, если Вселенная плоская.
Если она замкнутая, то есть, имеет положительную кривизну, то тогда положительная кривизна будет нам говорить о том, что мы сейчас будем видеть угловые масштабы больше, чем они были тогда. То есть, они, грубо говоря, вот угловой масштаб такой, он идет вот так к нам, и приходит под другим угловым размером. Мы видим флуктуации реликтового излучения под другим масштабом.
И вот здесь показаны три картинки, которые позволяют отличить, какая Вселенная плоская, открытая или закрытая? Вот изучение реликтового излучения впервые дало прямые наблюдения геометрии нашей Вселенной. То есть, если раньше до исследования этого излучения с точностью до 50 процентов, то есть, 50 на 50 мы не знали, какая геометрия у Вселенной, то после исследования спектра флуктуации реликтового излучения мы сейчас знаем, что она практически критическая с точностью до 2 процентов. То есть, вот эта вот единичка означает, что она не отклоняется от критической на уровне точности 2 процента, ну, скорее всего, она, наверное, есть критическая. Для этого есть там, так сказать, другие объяснения, но это уже отдельная тема, почему это так?
Помимо того, что Вселенная у нас.. Помимо того, что Вселенная обладает геометрией, очень важно то, чем она заполнена, то есть, какими формами материи она заполнена, потому что динамика расширения Вселенной, как она расширяется, с какой скоростью она расширяется, как она расширяется ускоренно или замедленно, зависит оттого, какие формы материи мы, положим, так сказать, какие формы материи будут содержаться во Вселенной?
Если во Вселенной нету темной энергии, то есть, нету никаких форм материи с отрицательной гравитацией, то тогда Вселенная такая будет расширяться только с замедлением, никаких шансов расширяться с ускорением, что сейчас наблюдается, у нее нет. А это приведет к изменению относительно наклона и амплитуды различных этих флуктуаций, то есть, есть теоретические предсказания, есть экспериментальные предсказания, те, которые наблюдаются. Сравнивая теоретические предсказания, взяв теоретическую модель и руками положив теоретической модели определенное количество темной энергии, темной материи, спектр первичный флуктуаций, мы получим теоретическую кривую, которая будет зависеть по-разному от разных вот этих вот элементов. Что и выражается вот на этих динамических картинках. То есть, изменения члена кривизны, темной материи, темной энергии приводит к изменению вот этих вот теоретических кривых.
Сравнение этих теоретических кривых, сравнение этих теоретических кривых с экспериментальными точками – вот нижний рисунок, теоретическая кривая прописана плавно и экспериментальные точечки, которые на ней стоят, позволяют выбрать из того огромного количества теоретических кривых, которые меняются в зависимости от параметров, практически ту единственную, и посмотреть, какие параметры мы в нее заложили, чтобы она совпадала с тем, что мы наблюдаем.
И вот этот вот выбор такой вот теоретический привел к тому, что для того, чтобы то, что наблюдается сейчас из этого эксперимента, совпадало с предсказанными теоретическими моделями, обязательно необходимо, мы должны в эти теоретические модели вложить темной энергии 70 процентов, темной материи 27 процентов, ну, с точностью до 2 процентов, как я и говорил, все остальное – это уже обычная барионная материя. То есть, ну, в зависимости от небольших вариаций параметра – это 3-4 процента
Здесь, на этих двух картинках показаны, показаны два независимых эксперимента, которые независимо друг от друга дают различные параметры, поэтому не только спектры реликтового излучения дает параметры космологические параметры Вселенной, но и другие эксперименты тоже дают и их можно сравнивать. Ну, вот реликтовое излучение, его исследование позволило определить независимо очень большое число космологических параметров с очень большой точностью, что вот отображается на этой картинке. То есть, видно, как много параметров можно определить из реликтового излучения, и видно, с какой точностью это определяется. То есть, по некоторым параметрам точность достигает 5-ти, 2-х процентов. То есть, до этих наблюдений таких точностей в космологии не было. Там были точности порядка 50-20 процентов.
Поэтому было огромное количество различных вариантов, из которых можно было выбирать. Вот после этого эксперимента это количество вариантов, оно уменьшилось существенно, и сейчас соответственно количество этих вариантов сильно ограничено.
При этом и из предыдущей лекции и из этой лекции, как я рассказывал, появляется некая новая уникальная, так сказать, возможность. Микромир и макромир начинают соединяться в своих физических проявлениях. Квантовая механика и Общая теория относительности – это две современные теории, которые, в основе которых лежат принципы, которые сейчас максимально точно описывают весь видимый мир. Это две, так сказать, с точки зрения теоретической физики, это две теории, которые, так сказать, являются сейчас венценосными.
Общая теория относительности описывает наш макромир в основном. Квантовая механика описывает микромир. Но вот, изучая космологию, оказалось, что они на самом деле соединяются. То есть, кванты и флуктуации поля рождают первичные флуктуации гравитационные, из которых потом образуются галактики и скопления галактик, то есть, та крупномасштабная структура, которую мы видим сейчас из галактики, из скопления галактик, образовалась благодаря квантовой механике, ну, это наиболее вероятная версия, так считается, то есть, первичные квантовые флуктуации на стадии сверхускоренного расширения Вселенной привели к тому, что мы видим сейчас в галактиках. Это вот уникальная связь микромира и макромира.
Суперсимметричные частицы, если они будут открыты, смогут объяснить темную энергию. То есть, супер-симметричные частицы, которые предсказаны, но до сих пор еще не удавалось на эксперименте их открыть, смогут объяснить гравитационные поля в галактиках и скоплениях галактик. И скалярные поля, элементарные скалярные поля, которые тоже предполагается открыть, смогут, может быть, объяснить темные энергию. То есть, микро - и макромир – две науки, так сказать, наука физики элементарных частиц и космология начинают соединяться, и появляется междисциплинарная наука, которую называют космомикрофизика.
Исследования реликтового излучения привели к эпохе…прецизионной космологии. И, казалось бы, что после того, как… казалось бы, после того, как мы знаем огромное количество параметров о Вселенной, что мы практически все о ней знаем, все-таки, несмотря на то, что по сравнению с тем, что было известно на начало века Эйнштейну, Фридману и Хабблу, на сегодняшний момент остаются тоже уникальными вопросы, на которые предстоит ответить.
Мы знаем, как проявляет себя гравитационно темная материя и темная энергия, но на сегодняшний момент физики не знают, что это такое? Это предмет будущих исследований. И вот еще раз хочу упомянуть вот эти вот эксперименты, которые вступили в техническую свою фазу, запущены были в прошлом году, это миссия «Планк», это космический аппарат нового поколения, который будет исследовать реликтовое излучение с еще большей точностью. И у него стоит еще задача – обнаружить его не только свойства амплитудные, но и поляризацию, что позволит говорить о гравитационном фоне во Вселенной и продвинуться гораздо дальше по времени в глубь Вселенной, но также еще Большой адронный коллайдер, который будет исследовать микрофизику, который сейчас работает в техническом режиме. Вот буквально недавние, так сказать, на прошлой недели были заявления, что они выходят уже на рабочий режим, то есть, они делают встречные пучки, на которых может быть будут рождаться бозоны Хиггса, то есть, скалярные частицы, и на которых можно будет исследовать свойства скалярных полей, а также, может быть, будут рождаться супер-симметричные частицы, которые прольют свет на темную материю.
Поэтому вот то, чем я хочу картинку, которую я хочу закончить лекцию, она выглядит вот у меня таким образом. Что, узнавая все больше и больше о физике, так сказать, в какой-то момент создается в любом разделе, в принципе, физики, но в данном случае я говорю про космологию, в какой-то момент создается иллюзия, что вот, наконец-то, мы узнали все. То есть, вот мы дошли до горизонта и увидели все, что есть, и все можем сказать о том мире, в котором мы существуем.
Но, на самом деле, вот возникает эффект множественности горизонта, что, подходя к одному горизонту, мы за ним видим новые, еще более интересные, неизведанные горизонты, еще более таинственные , которые говорят нам о том, что наш мир гораздо более глубокий и гораздо более интересный .и дальнейшие исследования, так сказать, будут открывать новые тайны для нас.
Спасибо большое. На этом эту лекцию я могу закончить чуть быстрее. Спасибо.
ВОПРОС: Скажите, пожалуйста, запуск адронного коллайдера никак не повлияет на нашу планету?
ОТВЕТ: Положительно он повлияет на знания, которые мы приобретем, несомненно. А отрицательно он, значит, ну, да вот в средствах массовой информации муссируются слухи по поводу того, что запуск Большого адронного коллайдера может привести к рождению первичных черных дыр, которые выйдут из-под контроля, и находясь на территории Швейцарии и Франции, сперва поглотят их, потом поглотят значит всю остальную планету, ну, в общем, произойдет глобальная катастрофа. На самом деле, и расчеты и знания того, чем мы обладаем сейчас, говорят о том, что нет, этого не случится. Никаких катастрофических сценариев там развиваться не может.
Более того, природа очень уникальна. В ней создана… уже сама природа создает такое количество уникальных явлений, которые, так сказать, человек еще не создал и создаст не скоро. Помимо реликтового излучения, которое идет на нас со всех сторон на Землю, и мы его регистрируем в радиодиапазоне и оно не представляет ни малейшей для нас опасности, еще Земля облучается, наша земная атмосфера облучается космическими частицами, которые генерируются, во-первых, от Солнца; во-вторых, от галактики, в-третьих, от внегалактических источников.
Эти космические частицы имеют энергию в десятки, сотни, тысячи, сотни тысяч, миллионы раз превосходящую энергию частиц, которые достигнуты на коллайдере. То есть, эти частицы уже существуют в природе, они уже врезаются в нашу атмосферу, они уже создают то, что мы хотим только увидеть еще на коллайдере. Только, поскольку потоки этих частиц не очень высоки и, так сказать, попадают он в разные точки атмосферы тогда, когда они хотят этого, а не когда хотим этого мы, наблюдать их очень тяжело.
Для этого и строится коллайдер, когда столкновение частиц будут управляемы в том месте, где нужно, и там стоят огромное количество детекторов, которые будут наблюдать результаты этих столкновений. Поэтому в природе уже все есть, так сказать. И вроде с Землей ничего не происходит, ну, по крайней мере, так сказать, сколько помнит себя человечество, сколько могут увидеть хронографы по там, так сказать, по гелио…значит, по залежам и так далее, и так далее. То есть... Катастроф не должно быть. Гораздо большая катастрофа произойдет, если бозон Хиггса не обнаружат. Вот для физиков это будет катастрофа гораздо сильнее, чем черная дыра, которая поглощает Францию и Швейцарию. Потому что современная теория строения вещества, в ней бозон Хиггса есть, он необходим. Взаимодействуя с ним, наши частицы обладают, получают массу, поэтому он в ней присутствует. Без него этой теории не существует. Нет другой теории без него. Поэтому, если он там будет не обнаружен, вот для физиков это будет катастрофа. А для обычного человечества, я думаю, что так сказать, для знаний будут положительные аспекты, какие бы эффекты ни были открыты на Большом адронном коллайдере, все равно это будет новое знание, очень важное, ну и на самом деле есть и прикладные аспекты этих ускорителей. Но это уже выходит за рамки моей лекции.
ВОПРОС: Вопрос первый, влияют ли темная энергии и темная материя на состояние нашей планеты, если да, то каким образом?
ОТВЕТ: Нет, не влияет на состояние нашей планеты, потому что на самом деле темная энергия и темная материя, когда я говорил про распределение вещества по Вселенной, я имел в виду средние характеристики, как они распределены в среднем.
Темная материя – это частицы, которые взаимодействуют с нашей обычной материей слабее, чем любые силы, до сих пор известные. Поэтому самая слабая частица, которая известна, и которая сейчас взаимодействует с нами, это нейтрино. Рождаясь в Солнце в огромном количестве штук, эта нейтрино проходит сквозь нас сейчас, и с нами не взаимодействует. Причем, проходит в огромном количестве. Через каждый сантиметр квадратный нас в каждую секунду даже сейчас идут миллиарды нейтрино, проходят, и ничего мы не чувствуем, очень слабо они с нами взаимодействуют, практически никак.
Темная материя состоит из частиц, которые взаимодействуют с нами еще менее слабже, то есть, они вообще, еще, так сказать, спокойнее через нас проходят и никак с нами не реагируют.
Возможны ли гравитационные захваты темной материи нашей Землей, возможно. Но, по оценкам, которые сейчас есть, это совершено ничтожное количество, ничтожная доля процента, которое могло бы быть. Поэтому темная энергия в виду вот частиц, она не влияет на нас никак. Темная материя влияет на нас еще меньше. То есть, гравитационное отталкивание, которое создается темной материей, которая даже не кванпируется, то есть, не может свалиться в гравитационные ямы, проявляется на масштабах больше, чем размеры всей галактики. То есть, она не то, что не на нашу планету, не на нашу солнечную систему, она темная энергия не влияет даже на галактику.
ВОПРОС: А зачем тогда строят…
ОТВЕТ: А, так сказать, это вопрос к тому, кто ее создал, если ее вообще кто-то создавал. Зачем она существует? Она существует по факту. Это наблюдательный факт. Мы увидели, что наша Вселенная расширяется ускоренно последние пять миллиардов лет. Чтобы объяснить это расширение, одним из способов наиболее вероятного этого расширения это является, при этом я должен отметить все-таки, что это не единственный способ объяснения, но наиболее вероятный, это темная энергия, свойства которой таковы, как вот слагаемое в уравнениях Эйнштейна. Вот он его ввел, ни о чем не подозревая, но вот сейчас оказывается, что его свойства подобны свойствам темной материи.
То есть, во-первых, они могут присутствовать в уравнениях эта самая темная энергия, могла появиться, как решение просто уравнение Общей теории относительности как оно из решений могло быть, то есть, она есть и все тут в этих уравнениях. Вот. Это наблюдательный факт ускорения Вселенной, но вопрос этот еще до конца не ясен. Потому что может оказаться так, что темной энергии и нет, что ускоренное расширение Вселенной имитируется гораздо более другим эффектом, а именно эффектом другой размерности нашей Вселенной.
Наша Вселенная и наши, значит, окрестности нашей Вселенной могут иметь не трехразмерный вид. Они могут иметь большее количество измерений. И вот тогда уже в этих больших количествах измерений гравитация ведет себя таким образом, что эффективно в трехмерии нам кажется, что мы ускоряемся. Поэтому без всякой темной энергии в принципе можно объяснить ускорении Вселенной дополнительными размерностями. Такие теории существуют сейчас.
На сегодняшний момент предпочтение отдать той или иной теории пока невозможно. Это предмет будущих исследований.
ВОПРОС: Спасибо. И еще такой вопрос. Есть такое мнение среди научных кругов, что нашу Вселенную никогда никто не создавал, то есть, для нас, например, время…виртуальная характеристика, … а Вселенная всегда существовала и всегда будет существовать. То есть, никогда никто не создавал ее, это всегда было и всегда будет, как вы к этом относитесь?
ОТВЕТ: Такое мнение существует не только в ненаучных кругах, но и в научных тоже существует. Существуют модели Вселенной, в которых Вселенная существовала на минус бесконечности по времени, и будет существовать на плюс бесконечности по времени, а то, что мы называем Большим взрывом, то есть, то, что стандартная картина в космологии называется Большим взрывом, то есть горячая стадия Вселенной, это всего лишь одно из проявлений квантовомеханических свойств Вселенной, ее история развития. Есть такие версии, и они реально сейчас обсуждаются.
Причем, на равнее с инфляционными моделями, эти значит, такие модели появляются, идут из физики фундаментального взаимодействия с физикой суперструн , то есть, такие модели обсуждаются на самом деле. Но, так сказать, я бы сказал, что в принципе начало Вселенной, то есть, Большой взрыв, и было ли оно вообще, это отдельная тема, которой занимаются люди, которые занимаются инфляцией и начальными стадиями развития Вселенной.
Здесь есть плюс то, что современные теории Великого объединения, теория суперструн, они как бы позволяют строить такие модели. А минус заключается в том, что экспериментально предсказания, которые они делают, пока что не проверяемы. То есть, сейчас стандартная космологическая модель опирается на хорошо отнаблюденные экспериментальные данные. И она покрывает огромный временной участок, от десять минус в 43-й, планковское, так называемое, время, до настоящего времени 14 миллиардов лет. Настолько хорошо изучили это все, что даже Ватикан согласился с этой картиной строения мира.
Но, так сказать, вот десять минус в 43-й, это тот предел, на котором современной физики просто не существует. То есть, планковское время, планковские энергии, планковские плотности, - это та область параметров физических, в которых не работает ни квантовая механика, ни общая теория относительности вместе. Поэтому на сегодняшний момент теории, которые бы описывали это, нет, они только строятся. Поэтому их предсказательная сила, она, так сказать, на уровне, ну, философских рассуждений, философских разговоров ,таких философских мировоззрений. Что, да у Вселенной не было, так сказать, ни начала, ни конца. Она существует вечно.
Вот это пока возможно. Пока не будет каких-то экспериментальных фактов, которые из множества теорий выберут ту, которая будет эти факты объяснять.
Значит, вот я разделяю две области. Я разделяю область, когда есть эксперименты, которые подтверждаются стандартной теорией. И я понимаю, что стандартная теория ограничена, что она сегодня не может объяснить все. Значит, нужно построить новую теорию. Новая теория строиться. И существуют несколько вариантов новой теории. И они дают разные результаты. Какие из этих результатов более верные, я не знаю. Верить я не хочу, я хочу либо знать, либо не знать. Значит, вот я не знаю.
Это означает, что возможны и те и те варианты. В этом смысле я согласен, что они возможны. Это покажет будущее развитие теории и будущие эксперименты.
ВОПРОС: Спасибо. И последний вопрос… Есть еще одна такая теория, которая подтверждает, что помимо нашего видимого нами материального мира, существует еще некий мир, который является отражением нашего мира на энергетическом уровне, и .. мысленно свои… на этот мир, мы, соответственно, можем управлять… изменять наш материальный мир, в том числе и наше положение в нем, наше событие, какие-то действия. Что вы по этому поводу думаете?
ОТВЕТ: Вот, если бы вы этот вопрос сформулировали как и предыдущий – согласен или не согласен – вот здесь мне уже легче ответить. Я бы сказал, не согласен. Но этот ответ не до конца корректный на самом деле, потому что физика и наука отвечает на определенного рода вопросы. Вот она на них отвечает, она на них может ответить, она пытается на них отвечать, она видит способы и пути как ответить на вопросы, на которые еще сегодня ответов нет. Нет ответов, ну, потому что не техника еще не развита, еще нет соответствующих теорий.
Но, с точки зрения науки, я знаю, куда мне нужно двигаться и как мне нужно двигаться, чтобы ответить на эти вопросы. Поэтому рано или поздно на тот или иной вопрос я отвечу. Но, если физике или науке задавать вопрос, на который она в принципе не должна отвечать, то, так сказать, вот тут уже, что называется, ну, немножко параллельно в том смысле, что ну не предназначена наука отвечать на вопросы там этического, религиозного, эстетического плана, она к этому просто не предназначена.
То есть, я могу иметь свое мнение как гражданский человек по поводу этих вопросов. Если же меня спрашиваете как ученого, то я говорю очень просто. Когда вы говорите про энергетический масштаб там какой-то, для меня слово «энергия», очень имеете четкие определенные выражения. Оно измерима. Я ее могу чем-то измерить. Она проявляет себя различными способами. Я ее могу померить.
Когда вы говорите про энергетический масштаб, что вы имеете в виду, чем вы это будете мерить? Этого я не знаю. поэтому ответить вот на этот ваш вопрос, существует такой мир, который, так сказать, я не знаю, чем я его буду мерить, я не могу.
ВОПРОС: Мы сегодня говорили про Вселенную, как вы думаете, где у нее начало, где у нее конец?
ОТВЕТ: Имеется в виду с точки зрения геометрии, да, то есть, размеров? Вот это вопрос такой хороший в том смысле, что Фридмановские модели, предполагающие несколько вариантов расширения Вселенной, дают и несколько топологий, это на научном языке называется топология Вселенной, то есть, является ли она замкнутой, является ли она открытой или критической? И этот вопрос задается так.
Ну, представляете себе резиновый шарик симметричный. Где у него начало, где конец? Это замкнутая, вот аналог замкнутой Вселенной. Она ограничена, у нее ограничен объем, но как такового начала и конца вот у этой поверхности нету. И в этой Вселенной, более того, возможны такие же эффекты, которые возможны на шарике. Вы можете увидеть свою спину в этой Вселенной рано или поздно. То есть, излучая, так сказать, электроэнергию, свет обогнет вот эту всю поверхность, и придет к вам со стороны лица. То есть, в таких Вселенных вы можете увидеть спину.
А в бесконечных Вселенных ответ тоже такой же. У нее нет, если Вселенная бесконечна, то есть, открытая критическая, у нее нету начала, у нее нету конца с точки зрения геометрии. В космологии есть понятие «причинной связанной области», а именно, когда мы смотрим на далекие объекты, чем… например, на квазары, про которые я рассказывал, они находятся, образно говоря, на краю Вселенной, на самом деле в бесконечности края никакого нету.
А, так сказать, вот это вот высказывание имеется в виду в нем вот что, свет у нас имеет конечную скорость распространения, это означает, что, если по времени, если по времени у Вселенной было начало, то вот и это начало, как вот сейчас думают, что оно было, и это начало приблизительно 14 миллиардов лет, то вот размер Вселенной сейчас у нас это порядка скорость света умножить на 14 миллиардов лет. То есть, тот объем, который свет пройдет за 14 миллиардов лет. Это размер нашей видимой Вселенной. Он очень огромный. Но при этом конца все-таки нету. Этот край, край до которого просто вот откуда идет свет и до куда он не может дойти от нас.
Можно задать вопрос, что за этим краем? Для бесконечной Вселенной точно такая же Вселенная, как и наша. Просто она с нами причинно не связана. Наши сигналы световые и с той Вселенной, так сказать, в нашу, из нашей в ту, они просто не доходят за время, которое сейчас прошло. Если Вселенная расширяется со скоростью с замедлением, то тогда вот эти вот Вселенные, которые на сегодняшнем этапе разомкнуты, то есть, свет не доходит, завтра уже будут сомкнуты, то есть, завтра у света будет больше возможностей пройти расстояние и большей путь. И мы увидим все больше и больше расстояний.
Если Вселенная расширяется с ускорений, тут ситуация немножко сложнее. Это будет означать, что, так сказать, различные части Вселенных, которые видит себя, но не видят друг друга, могут друг друга не увидеть и в будущем. Вот поэтому на самом деле Вселенная может быть ограниченной и неограниченной, но у Вселенной в геометрическом смысле нет ни начала, ни конца.
ВОПРОС: У меня такой вопрос. По поводу времени, с точки зрения… Вселенная сама по себе, что она представляет? Люди рассматривают Вселенную по поводу удалении планет друг от друга, она может быть бесконечная… На самом деле, есть какая-то линия и с помощью… на нашей планете в фантастических фильмах. И еще один момент по поводу того, что существует какая-то энергия 70 процентов и …25 процентов, может быть, это и есть та энергия, которая может объяснить это время? И открывая черную энергию… антигравитационные силы какие-то появляются, которые позволят изменить… за столько лет посылая сигналы, и зная, что существует в нашей.. какие-то подобные планеты, я думаю, что все-таки есть какая-то жизнь…
ОТВЕТ: Понял вопрос. Вопрос очень объемный, тоже на целую лекцию. Значит, что касается физики. Теоретическая физика сейчас ушла настолько далеко, что то, что писали фантасты, так сказать, там десять лет назад, там двадцать лет назад, все невозможные картины в принципе в теоретической физике они реализуются. То есть, возможна реализация просто невероятнейших как бы чудес, которые казались раньше, ну, откровенно говоря, патологией. То есть, в теоретической физике возможно очень много.
Что касается времени, вот так сказать. Это, действительно, самая загадочная субстанция. С точки зрения теоретической физики, существует принцип причинности, который нарушать никак нельзя. То есть, то, что описывалось Уэллсом «Машина времени», это очень здорово, но реализовать такую конструкцию в рамках современной физики практически невозможно.
Квантовая механика позволяет создавать временные флуктуации, пространственно-временные флуктуации, но они обладают как бы масштабами микромира. То ест, построить как бы... вот сейчас практических способов что-то близкое построить, чтобы там вот реализовать и фантастов, ну, пока невозможно. Может, это возможно будет завтра. Может, родится какой-то гений, который завтра выдвинет какую-то принципиальную гипотезу, на основе которой будут построены устройства, которые смогут это сделать. Это что касается времени.
То есть, на мой взгляд, время – это то же самое из загадочных субстанций, и самое неуправляемое.
Что касается параллельных миров. Параллельные миры и зеркальные миры в принципе есть теории просто теории зеркальных миров. Теории миров, которые с нами могут взаимодействовать только гравитационным способом. То есть, частицы и вот у нас есть пример некоторых частиц, которые имеют ну такое понятие как спин, то есть, закрученность. Вот электрон может закручиваться в одну сторону и может закручиваться в другую сторону. А вот нейтрино не может, например. Нейтрино только правая, а… только левая. Вопрос, существует ли правая нейтрино никто не знает. А, если оно существует, оно может с нами не взаимодействовать.
Значит, оно может находиться рядышком с нами, летать там, и, если существуют какие-то зеркальные частицы наподобие наших частиц, может существовать просто вот рядом геометрически параллельный мир просто точно такой же, как мы. Вероятность того, что, так сказать, на солнечной орбите летают две Земли, одна обычная, другая зеркальная, ну, она нулевая такая вероятность, то есть совсем ноль и очень, очень много, огромное количество нулей, то есть, думать, что рядышком с нами кто-то летает, ну, вот я говорю, это очень маловероятное событие. Но в принципе, так сказать, другие планеты, другие звезды, другие галактики, такое возможно.
Но на сегодняшний день поставлены жесткие ограничения, потому что мы не видим этого объекта совсем, мы чувствуем его гравитационно. Это означает, что вот обычная наша звезда движется по пространству, и вдруг ни с того, ни с сего, хлобысть, взорвалась. Это произошло потому, что она столкнулась лоб в лоб с зеркальной звездой, вероятность этого тоже ничтожна мала. Но тем не менее, если рассмотреть такое событие, вот она столкнулась лоб в лоб, так сказать, сами частицы никак себя не чувствуют, а гравитационное возмущение, равное такому же по порядку величине, как сама звезда, просто ее разрушит. Вот это было бы в зеркальном мире.
То, что мы пока не видим таких явлений, ну, пока еще ни о чем не говорит, потому что вероятность их мала, это вот, ну, жесткие ограничения поставлены на такие вот зеркальные миры.
С точки зрения науки как увидеть мир, который с тобой не взаимодействует, непонятно. То есть, вы говорите, что там кто-то смотрит далеко, ну, вот и Бог с ним, пусть он себе смотрит, давайте мы где-то рядышком посмотрим. Вопрос всегда опять-таки возникнет как посмотреть рядышком? Вот то, что сейчас делают физики, они пытаются понять, как посмотреть рядышком, чем мы можем посмотреть рядышком, чем мы дотронемся друг до друга, то есть, как вот зеркальный человек подойдет, как он вам пожмет руку и какие последствия этого могут быть. Чем его увидеть? Вот это вот проблема, проблема взаимодействия на уровне физики элементарных частиц , взаимодействия этих частиц, это проблема, которую от части будет решать коллайдер. Но это очень сложная техническая проблема.
Но, ее эту проблему может быть не в таком прикладном значении, но ее решают для других физических задач.