(продолжение. Начало в № 4/2017)
Рыцарь Вечности
В науке достаточно яркий след оставили не только правильные теории и концепции, но и некоторые красивые заблуждения. Автор одного из таковых – английский астрофизик Фред Хойл.
Он вошел в историю в четырех ипостасях: как один из пионеров теории нуклеосинтеза в звездах, как автор научно-фантастических романов, как поборник теории панспермии и как упрямый безуспешный борец с концепцией Большого взрыва (между прочим, термин «Big Bang», вольно переведенный на русский как «Большой взрыв», придумал именно он).
В теории нуклеосинтеза Хойл пробил тупик, казавшийся глухим – как в звездах образуются элементы тяжелее гелия. Оказывается, мостиком от гелия к более тяжелым элементам служит тройная гелиевая реакция – сливаются три ядра гелия, образуя ядро углерода. Вероятность реакции получается достаточно высокой лишь потому, что у углерода существует ядерный резонанс с «правильной» энергией – именно Хойл в конце 40-х предсказал существование этого резонанса, потом этот факт был экспериментально подтвержден. Позже он с Маргарет Бербидж, Джефери Бербиджем и Уильямом Фаулером опубликовал фундаментальную статью по звездному нуклеосинтезу, ставшую знаменитой.
Фред Хойл. 1950-е.
Теория, вошедшая в историю, как «стационарная модель» была впервые предложена им в 1948 году совместно с Томасом Голдом и Германом Бонди.
Хойл признавал, что Вселенная расширяется, галактики разбегаются и красное смещение – реальный эффект Доплера, а не мифическое «старение фотонов». Но! Пусть в каждом кубическом километре пространства в среднем раз в год рождается один протон и один электрон. Этого достаточно, чтобы компенсировать разбегание галактик и поддерживать среднюю плотность Вселенной на одном уровне. И так могло быть всегда – никаких больших взрывов.
Откуда возьмутся этот протон с электроном? – Да хоть из ничего! Ведь в космологии Большого взрыва целая Вселенная возникла из ничего. По мнению Хойла Большой взрыв антинаучен и скорее относится к сфере теологии, чем физики.
Далее, новое вещество потихоньку сгущается в новые галактики (на самом деле с этим могут быть большие проблемы), старые освобождают место для новых, и Вселенная самовоспроизводится, оставаясь вечно молодой.
Это очень оптимистическая теория. С парадоксом Ольберса все в порядке – далекие звезды не светят из-за красного смещения. Тепловая смерть тоже отменяется: рождающаяся материя имеет низкую энтропию: она сгустится в звезды и станет новым топливом. Энтропия сопутствующего объема в расширяющейся Вселенной растет, но энтропия фиксированного объема остается постоянной.
В такой вечнозеленой Вселенной приобретает смысл старая идея панспермии:
Жизнь возникла не на Земле – она гораздо древнее, а может быть вечна. Она переносится в космосе в виде спор примитивной жизни, например, с пылью или вмороженная в глыбы льда, выброшенного с поверхности планет ударами метеоритов. Споры засевают новые планеты, жизнь на них размножается и эволюционирует к высшим формам, и так будет всегда! Не правда ли, замечательно?!
А если Вселенная родилась в результате Большого взрыва? Тогда в идее панспермии нет особого смысла. Действительно, жизнь на Земле появилась 4 миллиарда лет назад, а еще на 6 – 7 миллиардов лет раньше для нее во Вселенной не было никаких условий. Какая разница – зародилась жизнь на Земле или чуть раньше на другой планете и с огромными трудностями перепрыгнула на Землю. Статус панспермии уже не тот – вместо неограниченного времени на зарождение и распространение, жизни отводится всего лишь раза в два больший срок, чем она существует на Земле.
У теории Хойла есть еще один плюс – она отчасти имеет под собой физическую основу, которая окрепла со временем. Такой тип расширения Вселенной, как требуется в этой теории, происходит на самом деле прямо сейчас. Это ускоренное экспоненциальное расширение, когда расстояние между парой далеких галактик увеличивается в 2 раза примерно каждые 10 миллиардов лет. В 1963 — 1966 годах Хойл в соавторстве с Джаянтом Нарликаром развили идею, что Вселенная заполнена неким полем, которое он назвал «полем творения» (С-field), с отрицательными давлением и плотностью энергии, которое вызывает экспоненциальное расширение Вселенной и рождает новые частицы.
Здесь осведомленный читатель может воскликнуть: «Да это же один в один инфляция, придуманная на 15 лет позже!». Почти что так, за исключением знака плотности энергии поля. Идея, в общем, оказалась близкой к истине. Фактически Хойл первым предложил прототип механизма под названием «космологическая инфляция», занимающий центральное место в этой книге. Увы, идея была приложена к неправильному сценарию и имела неверные положения – например, сейчас ясно, что поле с отрицательной энергией будет нестабильно. Сейчас мы много чего еще знаем — подобное поле существует (только его плотность энергии положительна, а не отрицательна), и оно действительно вызывает ускоренное расширение Вселенной. Однако, рождать протоны с электронами это поле по современным представлениям не может. В широких массах оно известно под именем «темная энергия». Фред Хойл дожил до открытия ускоренного расширения Вселенной (это произошло в конце 90-х) и наверняка порадовался.
Как жаль, что эта жизнеутверждающая теория оказалось неверной!
Сильнейший удар по ней был нанесен открытием микроволнового реликтового излучения, оставшегося со времени, когда Вселенная вся была заполнена горячей плазмой. Хойл не сдался, он предположил, что это излучение — свет далеких звезд, переработанный галактической пылью. Хойлу указали на то, что Вселенная явно меняется со временем: квазары почти исчезли за последние несколько миллиардов лет, изменились типы галактик. Но он продолжал выкручиваться, искал лазейки. В частности, предположил, что творение вещества идет не равномерно, а модулировано синусоидой. Так и не сдался! Испортил себе репутацию, возможно именно по этой причине не получил Нобелевскую премию, которая была присуждена его соавтору Уильяму Фаулеру за теорию нуклеосинтеза в звездах, но не сдался. Умер в возрасте 86 лет, в звании рыцаря (посвящен в 1972 г.), в новом тысячелетии (2001г.), когда основные события, описываемые в этой книге, уже произошли.
Вероятно, драма Хойла заключается в том, что философ и поэт в его душе оказались сильней профессионала-физика. Все-таки стоит отдать ему должное не только за правильные работы, но и за красивые в каком-то смысле пророческие заблуждения. Без подобных заблуждений история науки была бы скучнее.
-
Свет Большого взрыва
Америку открыл Колумб, хотя викинги еще за сотни лет до открытия торговали с индейцами. Аналог эпохи великих географических открытий в астрофизике — 60-е годы ХХ века. Открытия шли одно за другим с интервалом в год: квазары, пульсары, реликтовое микроволновое излучение, гамма-всплески и ряд других, относительная важность которых уже зависит от точки зрения. Наиболее прямое отношение к нашей истории имеет реликтовое излучение. Лавры открытия принадлежат Арно Пензиасу и Роберту Вильсону, хотя раскопки показывают, что микроволновое излучение уже видели раньше — прямо или косвенно. Так, в 1941 году канадский астроном Мак-Келлар увидел в спектре поглощения звездного света межзвездным газом молекулярные линии, которые требуют постоянной накачки тепловым излучением с температурой 2.5 градуса Кельвина. Отметили, как загадочный факт, и прошли мимо.
Википедия сообщает, что в 1955 году аспирант Тигран Шмаонов, работая в Пулковской обсерватории, обнаружил изотропный фон с температурой 4 – 5 К. Опубликовано в «Приборы и Техника эксперимента» и забыто. Наверняка кто-нибудь еще наблюдал реликтовое излучение, принял его за артефакт и пошел дальше.
Арно Пензиас (справа) и Роберт Вильсон
И все-таки Америку открыл Колумб, а реликтовое излучение открыли Пензиас с Вильсоном. Все-таки слово «открытие» подразумевает «открытие миру» а не только себе. Здесь многое зависит и от исторического контекста. Для Пензиаса и Вильсона он был самым благоприятным.
Выше, перечисляя физические характеристики Вселенной, мы упоминали ее температуру, уменьшающуюся в ходе расширения. Соответствующая теория изначально горячей Вселенной была предложена Георгием Гамовым в конце 40-х. Кстати, насколько Вселенная горяча? Этот вопрос Гамов пытался решить решить вместе с Альфером и Германом: настолько горяча, чтобы в первые минуты ее существования «правильно» прошли ядерные реакции протонов и нейтронов, синтезировав наблюдаемое количество гелия. Более научная формулировка вопроса «насколько горяча» звучит следующим образом: «какова удельная энтропия Вселенной», иными словами, сколько фотонов приходится на один протон. Ядерные реакции в ранней Вселенной шли при температуре десятки — сотни килоэлектронвольт. Из наблюдаемого количества гелия можно определить концентрацию протонов с нейтронами (барионов) в тот момент – от плотности будет зависеть сколько из них успеют слиться в ядра гелия. А поскольку плотность фотонов однозначно определяется температурой, то из требуемой плотности барионов получается соотношение примерно 109 фотонов на один барион. Это отношение в ходе расширения Вселенной не меняется. Значит и сейчас на каждый барион приходится около 109 фотонов. И тогда современная температура Вселенной, точнее, температура излучения, оставшегося от былого теплового равновесия, должна быть 3 – 5 градусов Кельвина, что соответствует микроволновому диапазону. Впоследствии стало ясно, что эта оценка содержит ошибку и совпала с правильным значением случайно: только из концентрации гелия точно определить температуру сложно (зависимость довольно слабая), для этого нужна концентрация дейтерия – тогда она не была известна.
Георгий Гамов
Долгое время результат Гамова с Альфером и Германом оставался в статусе сугубо теоретической модели. Кажется, никому не приходило в голову, что это проверяемо, и, тем более, уже косвенно подтверждено. Ситуация изменилась только в 60-х. Так, в 1964 году Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков публикуют оценки, показывающие, что реликтовое излучение вполне может быть зарегистрировано с помощью уже существующей техники. В том же 1964 году Роберт Дикке с сотрудниками приступает к созданию изобретенного им радиометра специально для обнаружения реликтового излучения. В то же время, Пензиас и Вильсон с таким же радиометром начинают астрофизические наблюдения. Обнаруживают тепловой шум, одинаковый по всем направлениям. Долго пытаются устранить этот шум, принимая его за технический артефакт. Наконец, Дикке с коллегами объясняют Пензиасу и Вильсону, что они обнаружили. Таким образом, открытие сделано случайно, но уже в то время, когда его ждали.
До сих пор реликтовое излучение остается главным источником информации в космологии. Карта реликтового излучения, отражает карту неоднородностей плотности нашей Вселенной возраста 380 тысяч лет – фактически это ее детская фотография. Именно тогда плазма превратилась в нейтральный газ (момент рекомбинации), и фотоны пустились в свободное путешествие, постепенно смещаясь в красную, потом инфракрасную, потом в микроволновую область из-за расширения Вселенной. После рекомбинации наступили темные века (dark ages), когда не существовало никаких ярких объектов, которые можно было бы обнаружить современной техникой. И только где-то через 700 миллионов лет из тьмы выплывают первые галактики и квазары, обнаруженные недавно в инфракрасном диапазоне. Еще до них зажглись первые звезды, не связанные с галактиками. Но этого мы пока не видим. Самый первый известный на сегодняшний день сигнал, возвестивший окончание темных веков – гамма-всплеск с красным смещением z = 8.2, испущенный сколлапсировавшей звездой через 630 миллионов после рождения Вселенной.
-
Почему Большой взрыв – не гипотеза
До сих пор на каких-нибудь форумах в Интернете можно прочесть: «Большой взрыв – спорная гипотеза». Слава богу, сомнения в шарообразности Земли (пока еще?) не высказываются. Между тем у Большого взрыва и шарообразности Земли одинаковый статус: и то и другое – твердо установленный факт. В данном случае под Большим взрывом имеется в виду расширение Вселенной из состояния с огромной плотностью и температурой (каких именно – отдельный вопрос) в соответствии с решением Фридмана (с возможными модификациями).
Красное смещение, свидетельствующее о разбегании галактик – лишь первый аргумент. По мере совершенствования техники наблюдений, всплывали все новые свидетельства. Телескоп часто сравнивают с машиной времени – мы наблюдаем в хороший телескоп молодую Вселенную и видим, что она существенно отличается. Галактики выглядят по-другому. Они с виду имели неправильную форму, были меньше, но ярче — рождение звезд в них шло раз в двадцать интенсивнее, чем сейчас. Квазаров в ранней Вселенной было тоже во много раз больше, и они были ярче нынешних. То есть мы воочию видим, как Вселенная менялась.
На самом краю досягаемости мы видим, как изменилось состояние межгалактического водорода. Сейчас он ионизован, но есть нейтральные облака. Далекие квазары играют роль маяков, просвечивая пространство. В их спектре нейтральные облака видны, как линии поглощения, соответствующие самой сильной линии водорода Лайман-альфа. Причем облака находятся на разном красном смещении, и каждое вырезает свою щель в спектре. Чем дальше в красную область спектра, тем гуще идут линии (явление получило название Лайман-альфа лес). Наконец, они сливаются в одно «корыто», — никакие кванты в этом диапазоне не доходят до нас, поскольку поглощающие облака сливаются в сплошную среду, в которой нейтральных атомов хватает, чтоб поглотить всё излучение маяка выше линии Лайман-альфа. Квазар-маяк, с помощью которого увидели это явление, называемое эффектом Гана-Петерсона, находится на красном смещении 6.28.
Почему где-то за красным смещением 6, что соответствует возрасту Вселенной 900 миллионов лет, заполняющий ее газ частично нейтрален (целиком нейтральным он становится при z ~ 10, см. главу 32), а потом – ионизован? Эволюция молодой Вселенной дает ясный ответ: это сделали первые звезды и квазары, которые чуть раньше зажглись во Вселенной – их ультрафиолетовое излучение ионизовало водород.
Так мы прослеживаем историю Вселенной до возраста 700 миллионов лет и видим, как она менялась в полном соответствии с теорией Большого взрыва. Дальше мы перепрыгиваем через темные века на отметку 380 тысяч лет, когда Вселенная имела температуру три тысячи градусов и плотность в миллиард раз больше чем сейчас. Это эпоха рекомбинации, о которой рассказано выше. Здесь опять все точно соответствует теории: реликтовое излучение, его температура, его спектр.
На этом мы пока остановимся. Карта реликтового излучения поведет нас дальше, гораздо дальше к истокам. Но это уже будет не предыстория, а история, которой посвящена книга.
Практика, конечно, не единственный критерий истины, но, пожалуй, самый убойный.
Человек, исследующий далекую Вселенную, с помощью данных, добытых самыми разнообразными инструментами, пользуется теорией расширяющейся Вселенной, где Большой взрыв накрепко «зашит», примерно так же, как мореплаватели пользовались секстантом и хронометром. И если внезапно спросить исследователя: «А ты уверен, что Большой взрыв был на самом деле?» — он посмотрит и ответит примерно так же, как капитан времен Джеймса Кука, если бы его спросили «А ты уверен, что Земля – шар?».
На подступах
В этой части описывается драматическая ситуацию в космологии, которая сложилась к концу 70-х годов ХХ века: научное сообщество давно убеждено в том, что Вселенная произошла в результате Большого взрыва, но оставался ряд фундаментальных вопросов и парадоксов, не имевших ответа. Да и сам «приводной механизм» Большого взрыва оставался непонятным – это давало простор для рассуждений о божественном творении Вселенной в модернистском варианте. Но в ту же декаду стали появляться первые догадки о естественном механизме, дающем решение самых трудных вопросов космологии.
-
Простые вопросы
Парадигма вечной бесконечной Вселенной господствовала около трех веков и не выдержала нескольких простых недоуменных вопросов. Концепция Большого взрыва и расширяющейся Вселенной родилась в 20-х годах ХХ века, постепенно утвердилась, а в 60-х была окончательно подтверждена открытием реликтового излучения. Но при этом в ней остались очевидные дыры. Как и в первом случае, эти дыры имели форму простых, почти детских вопросов, на которые не было ответа. Вот основные из этих вопросов:
-
Вселенная удивительно велика и динамически сбалансирована. Чтобы вселенная не «схлопнулась» в первые секунды своего существования или не разлетелась так, чтобы один атом был от другого во многих световых годах, скорость расширения и плотность в первые мгновения должны быть сбалансированы с невероятной точностью. Или, что то же самое, пространственная кривизна должна быть ничтожно малой по сравнению с постоянной Хаббла, деленной на скорость света. Начальные условия должны быть подогнаны гораздо точней, чем у такого броска мяча на Останкинскую башню, чтобы он мягко сел на ее верхушку и остался там в равновесии. Что дало такую точность?
Вселенная всюду одинакова на миллиардах световых лет. Между тем, в первые мгновения Вселенной разные области, которые мы сейчас наблюдаем, «ничего не знали» друг о друге – не были причинно связаны. Иными словами, не хватало времени, чтобы со скоростью света передать сигнал от одной области наблюдаемого пространства к другой. Что так согласовало параметры Большого взрыва в причинно не связанных областях пространства?
У Вселенной огромная энтропия, что на бытовом языке можно выразить, как огромное число частиц (большинство из которых – реликтовые фотоны и нейтрино). В наблюдаемой части Вселенной их 1090. Откуда взялось это содержимое?
Наконец, что же послужило начальным толчком для Большого взрыва?
Есть еще один вопрос, который поначалу казался не столь фундаментальным. Поэтому мы его оставляем вне пронумерованного списка. Этот вопрос встал ребром позже. Вселенная однородна на больших масштабах. Но чтобы смогли образоваться галактики и их скопления должны существовать первичные неоднородности. Откуда они взялись?
И еще раньше встал вопрос, с виду философский, но на самом деле имеющий глубокую научную подоплеку. Есть ряд физических постоянных, значения которых вроде бы ни откуда не следуют. Но если мы попытаемся представить мир, где какая-нибудь из этих констант немного изменена, жизнь в таком мире оказывается невозможной: не образуются атомные ядра, не горят звезды и т.п. Что так подогнало значения констант, чтобы мы могли существовать?
Это такие вопросы, которые греют душу религиозным философам, приветствовавшим новую космологию. Действительно, местоимение «что» в этих вопросах так и просится быть замененным на «Кто» — именно с большой буквы. Однако физики, которые не нуждаются в гипотезе Бога, воспринимают подобные вопросы, как чисто профессиональный вызов. Вызов был принят, и к концу 70-х годов ученые разных областей науки разработали достаточно крепкое снаряжение, чтобы совершить прорыв через намечающийся тупик.
Одним из ключевых достижений, предваряющих прорыв, стало лучшее понимание того, что есть вакуум.
-
Опыты европиан с поршнями и цилиндрами
Вернемся к повествованию о жителях океана Европы. Здесь мы нарушим европианскую хронологию, вернувшись в эпоху, предшествующую изобретению гироскопа, ради того, чтобы следовать земной хронологии, которая имела иную последовательность событий.
Еще задолго до открытия шарообразности своего мира, европиане научились пользоваться гидравликой для передачи и трансформации усилий в разнообразных механизмах. Как и у нас: цилиндры, поршни, трубки. По этой причине они хорошо понимали, что такое давление, что вода передает его одинаково по всем направлениям. А если тянуть за поршень – создается отрицательное давление, тоже одинаковое по всем направлениям, передаваемое, якобы, за счет сил сцепления воды. А нулевым давлением, по их мнению, было то, что есть в их родной среде обитания.
Жил-был мастер-гидравлик, изготовлявший и ремонтировавший трансмиссии рулевого управления винтовых судов. Однажды во внеурочное время к нему в ангар явился заказчик по поводу заклинившего поршня на его старом плоскокорпусном сыпогрузе «Стремительный».
— Извини, сказал Мастер, не до тебя! Тут сейчас очень важное дело… Впрочем, ты то мне и нужен, рабочие уже уплыли, а одному не справиться.
— Что за дело?
— Я хочу порвать воду.
— Чего?! Какую еще воду? Как это порвать?
— Вот у тебя заклинило приемный поршень. А если ты сильно потянешь назад передающий поршень, что будет?
— Он не пойдет.
— А если будешь тянуть мощной лебедкой?
— Порвется либо трос, либо шток поршня.
— А почему не порвется столб воды в трубке?
— …? А как это?
— А как шток рвется? В школе учил? – Частицы металла цепляются друг за друга силами электричества. А если тянуть очень сильно – сил сцепления не хватит. А частицы воды чем цепляются друг за друга и за поршень? Откуда следует, что они цепляются намного сильней? Наоборот, они могут скользить одна вокруг другой, а в металле сидят прочно на своих местах.
— Подожди, когда рвешь металл, в разрыв затекает вода. А что затечет в место разрыва воды?
— А почему туда что-то должно затечь? Ничего там не будет. Пустота!
— Но ведь тебя же в школе учили, что Природа не терпит пустоты…
— Да? И до какой степени не терпит?! Мало ли что философы для красного словца не насочиняют. Мы люди практичные, должны проверять. Заставим – потерпит! Вот смотри – поршень, хоть тоненький, но из самой прочной стали. Тут он расширяется, чтобы не рвался в месте сцепления с тросом. Тут он входит в цилиндр, высверленный в бронзовом брусе. Там внутри воды на два когтя, с обратной стороны запрессован. Свинцовый сальник тут, гайкой затянул – не протечет. Брус прикреплен к станине, та – к раме с лебедкой. Все готово, двумя руками хватаешься за раму, двумя за перекладину, четырьмя за рукоятки колеса лебедки – вот так. Давай крутить оба колеса — аккуратно, не то порвем… Давай посильней… Никак пошел?!
— Точно пошел! Может протечка?
— Назад тянет! Давай ослабим… О — втянулся назад! Давай еще! Пошел снова! То-то жморов дрынь! Пошел! Давай назад… Снова пошел, дрынь жморов, знай наших! Еще раз!
— Почему вода, как пружина, тянет назад?
— Э-э, не как пружина… Смотри, мы прилагали большую силу – ни с места. Потом чуть-чуть посильней налегли – пошел дальше и дальше и назад тянул с той же силой. Пружина не так. Знаешь что, я починю твою калошу за две смены, а ты раздобудь за это время полированный брусок свинцового стекла. Надо посмотреть, что там внутри происходит.
Через три смены был готов прозрачный цилиндр: стеклянный брусок с высверленным отверстием, вода в котором была подкрашена. На сей раз, рукоятки лебедки крутили двое рабочих, а мастер с заказчиком командовали и наблюдали.
— Так еще чуть-чуть налегли… О, смотри, смотри, что с ней?!
— Сарсынь охрясная! Такого сроду никто не видал, смотри (вода пузырилась, оставаясь на дне цилиндра), смотри – сверху пустота.. Природа не терпит! – Философы дрыновы! Ну-ка назад отпустите… О, поршень вернулся, нет пустоты. Ну-ка, налегли еще…
Рабочие с энтузиазмом налегли. Поршень прошел до верха цилиндра, выскочил из сальника, раздался оглушительный хлопок. Экспериментаторы обмякли, их глаза остекленели, но вскоре к обоим вернулось сознание.
— Что это было?
— Я тебя не слышу – в ушах звенит…
— ЧТО ЭТО БЫЛО?!
— Это природа не потерпела пустоты…
— Смотри, стекло все в трещинах!
— Ну и силища! Это не сцепление частиц… Это что-то похлеще…
— Что же это все-таки было?
— Давай подумаем.
— Это ты без меня давай думай. Мне легче свой «Стремительный» вручную песком загрузить, чем думать над этим.
— Выспаться надо. Завтра позову друга, он в гидравлике не хуже меня разбирается, да еще «Научный ежегодник» выписывает и читает время от времени. И голова у него свежая. Ты тоже приплывай, чувствую, пригодишься. Скоро у тебя и передающий поршень заклинит, я тебе его потом бесплатно починю.
Через смену Мастер, Свежая голова и Капитан — владелец «Стремительного» собрались в том же ангаре.
— У тебя пружинные весы помощнее есть? – спросил Свежая голова. – давай измерим силу с которой вытягивается поршень.
Весы нашлись на «Стремительном», как раз для троса лебедки. Сила, с которой вытягивался поршень, оказалась чуть больше одной четверти глыбы.
— Так, у тебя поршень четверть когтя диаметром, значит примерно 3 с половиной глыбы на квадратный коготь! Ого-го! Как твой поршень выдержал?
— Ну! Спецзаказ! Думаешь, я первым пытался это сделать? У других не выдержал.
— Так… Это мне что-то напоминает… В предпоследнем ежегоднике… У них там единицы научные, токсмы, сейчас пересчитаю… Ну точно! Один чудак писал, что у нас в воде огромное давление, что если распространить силу тяготения на саму воду, то на каждый квадратный коготь давит столб воды весом 3 глыбы. Потом в «Письмах» на него набросились сразу трое. Один написал, что при таком давлении мы бы не смогли жить, второй написал, что вода является первичной материей и на нее не может распространяться сила вторичного характера, а третий написал, что тогда надо учитывать и вес льда, который бесконечен. Но три и три с половиной?! Это наводит…
Все задумались. Вдруг Мастер взметнулся, описал два круга и вскричал:
— Капитан, твое корыто вверх плыть может?!
— А чего ж не может? Закачиваешь метаном на ноль-плав и вперед, хоть в небеса, хоть в преисподнюю.
— Тарелочный локатор есть?
— Ну!
— На сколько добивает?
— Свистов на пятьдесят.
— Так, полпути до льда. Поплыли сейчас же. Грузим все это барахло!
— Эээ, я на это не подряжался! Тем более, за починку исправного цилиндра.
— Ты же войдешь в историю!
— И чего я в ней потерял?
— Ну не ты, твой «Стремительный» войдет в историю. Будут водить экскурсии: «Корабль, на котором было совершено великое открытие».
— Так, ну ладно, давайте через пару смен, надо же еще высотное пойло раздобыть и еду.
— Какие две смены!? Тут такое! Срочно… Подгоняй свою посудину под кран-балку!
На высоте пятьдесят свистов эксперимент был повторен. Поршень пошел намного легче: давление оказалось 2 глыбы.
— Что и требовалось доказать, сказал Свежая голова. Тот чудак был прав – вода дает 3 глыбы на квадратный коготь и еще половину – лед, никакая не бесконечность.
— Осталось подняться до льда и убедиться, что там будет пол глыбы.
— Ну, это не обязательно, сказал Свежая голова. И так ясно, можно возвращаться, а то голова уже распухла и гудит…
— Ну нет! сказал Капитан, будут потом говорить, что «Стремительный» до льда не дотянул. В историю, так в историю! Поплыли! Хлебните вот этого.
Давление подо льдом действительно оказалось всего полглыбы на квадратный коготь.
— Чуть больше восьми свистов — вся толщина льда, — сказал Свежая голова.
— А что за ним? Спросил Капитан.
— Наверно то же, что было в стеклянном цилиндре – пустота, сказал Мастер. А нельзя ли прозвонить лед твоей тарелкой.
— Нет, разве что если вморозить ее в лед, да и то вряд ли. Здесь надо чем-то тяжелым вдарить по льду.
— Это давайте рудокопам оставим, у них есть, чем вдарить, сказал Свежая голова. И поплыли вниз, ради бога, не могу уже, сейчас голова взорвется.
Со всей скоростью, на которую был способен плоскокрпусный сыпогруз, они начали спуск. «Стремительный» с командой, мучившейся головной болью, шел по спирали — действительно в историю. Они не только открыли давление воды, но и изменили космологию жителей Европы – лед не бесконечен! Они также открыли новую фундаментальную сущность, существование которой до этого отрицалось – пустоту. Кстати, ей еще предстояло сыграть свою огромную роль в технологии.
Как всегда, прозрения приносят новые загадки: а что за льдом? А может быть и недра не бесконечны? Если сверху есть край у льда, то почем не быть снизу края у недр? Тогда что с той стороны недр? И как вообще выглядит Мир? – Как бесконечное полупространство недр со слоем воды, покрытой коркой льда? А дальше бесконечное полупространство пустоты? Подобных гаданий, выливавшихся в жесточайшие споры хватило еще на несколько поколений, пока не открыли шарообразность Мира, что уже было описано выше.
Так, казалось бы, пустяковый эксперимент меняет картину мироздания и уровень цивилизации. Увы, на нынешней стадии нашего развития таких пустяковых экспериментов видимо уже не осталось. Ну а «Стремительный» в конце концов стал одним из центральных экспонатов в музее истории науки. В его грузовом отсеке была установлена копия (оригинал не сохранился) той самой установки, и любой желающий мог приложиться к колесу лебедки…
Соотношение между земными и европианскими единицами
1 коготь = 2.54 см
1 свист = 1066.8 м
1 глыба = 1638 кг (веса)
1 токсм = 9.8 107 паскалей
1 смена = 11.3 часа
1 период = 512 смен = 239 земных суток
1 поколение = 64 периода = 42 земных года
1 гироскопные сутки = 3.55 земных суток
-
Бездна, в которой мы обитаем
Мы не зря предварили статью про вакуум рассказом о том, как европиане обнаружили, что их тихая, уютная среда находится под колоссальным давлением.
В классической физике, как и в сознании подавляющего большинства людей, вакуум – это пустота. В квантовой теории поля вакуум – арена действия чудовищных сил, которые оказываются чудесным образом скомпенсированы. Есть способ почувствовать эти силы. Если взять две отполированные пластины металла и свести их на расстояние нескольких микрон – они начнут притягиваться настолько, что это можно реально измерить. Если бы удалось изготовить столь идеальные пластины и фиксаторы, чтобы сдвинуть их на 10 нанометров – пластины бы притягивались с силой, эквивалентной давлению атмосферы.
Это – так называемый эффект Казимира. Его можно понять только в рамках квантовой теории поля, в которой содержится такое понятие, как нулевые колебания (или нулевые флуктуации) полей в вакууме. Вакуумное среднее значение электромагнитного поля равно нулю. Но средний квадрат знакопеременного поля нулю не равен – такой парадокс. Нулевые колебания прямо не наблюдаются, из них нельзя извлечь энергию: они гасят друг друга благодаря интерференции. Но в них заключена энергия, причем огромная. Если частоты нулевых колебаний не ограничены сверху, то плотность энергии вакуума оказывается бесконечной. Все-таки предел частот должен существовать, об этом пойдет речь ниже. Но в любом случае, плотность энергии нулевых колебаний огромна – на много порядков больше, чем плотность энергии, например, в нейтронной звезде. Эту энергию нельзя «черпать», но можно ощутить.
Хендрик Казимир. 1909 – 2000. Лейденский университет, Нидерланды (фото из Википедии)
Металлические пластины в опыте Казимира чуть-чуть влияют на нулевые колебания. Эффект сказывается лишь на самом краю их спектра: пластины обрезают вакуумные колебания электромагнитного поля с длиной волны больше, чем расстояние между ними. В результате плотность энергии нулевых колебаний между пластинами уменьшается — тем сильней, чем меньше зазор, и пластины притягиваются.
Есть еще один тонкий эффект: нулевые колебания влияют на атомы. Согласно релятивистской квантовой механике разные возбужденные состояния атома водорода, обозначаемые, как 2S1/2 и 2P1/2, должны иметь в точности одинаковую энергию, как следует из решения уравнения Дирака в кулоновском потенциале. Оказывается, их энергии чуть-чуть различаются. Причина та же, что и в эффекте Казимира: эти состояния имеют разную геометрию волновой функции электрона и по-разному взаимодействуют с нулевыми колебаниями электромагнитного поля. Этот эффект (он называется лэмбовским сдвигом) рассчитан и измерен с фантастической точностью, так что то, как устроены нулевые колебания электромагнитного поля, мы знаем очень хорошо.
Так удается «зацепить» лишь самую поверхность бездны, которая почему-то не влияет явным образом на наш мир, хотя точно существует. Может быть, она не влияет по той же причине, по какой огромное давление не ощущается жителями океанских глубин? С одной стороны – так. Однородная плотность энергии не создает никаких сил, действующих на вещество. Все явления нашего мира чувствительны только к перепаду плотности энергии. С другой стороны – совсем не так. Однородная ненулевая плотность энергии влияет на Вселенную, как целое, через гравитацию. По поведению современной Вселенной мы можем определенно сказать, что плотность энергии вакуума очень мала (хотя и отлична от нуля). И в этом заключается одна из серьезнейших проблем современной физики.
Мы говорили только о нулевых колебаниях электромагнитного поля. Но есть и другие поля – они тоже дают свой вклад. Мы привыкли к тому, что поля связаны с частицами с целым спином — бозонами. Но есть еще и фермионы – частицы с полуцелым спином. Фермионы отличаются от бозонов взаимоотношениями друг с другом: два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии. Именно поэтому электроны в атомах распределены по разным оболочкам. Еще Дирак предположил, что вакуум является «морем» фермионов с отрицательной энергией, где все возможные состояния заполнены — поэтому нормальные поля и частицы с положительной энергией этого моря не чувствуют. Но море Дирака имеет отрицательную плотность энергии! Именно на этом пути ищут решение проблемы энергии вакуума: положительная плотность энергии нулевых колебаний бозонных полей компенсируется отрицательной плотностью энергии моря Дирака. Но поля есть совершенно разные, и частицы разные, и между ними нет никакой явной симметрии. А точность компенсации должна быть огромной. Значит должна существовать очень фундаментальная симметрия, зануляющая энергию вакуума. Но подобная симметрия не известна! Нулевая энергия вакуума была и остается болевой точкой современной физики. К этому вопросу мы еще вернемся.
Итак, пустота – очень сложная сущность. Может ли она играть роль среды, влияющей на физические законы, подобно тому, как огромное внешнее давление имитирует неразрывность воды, находящейся в цилиндре под поршнем. Влиять не через тонкие эффекты, подобные упомянутым выше, а весомо, грубо, зримо – меняя физику, как стекло меняет скорость света, а вода – вес предметов. В шестидесятых годах ученые, занимающиеся физикой элементарных частиц, пришли к мнению, что, скорее всего, так и есть.
В принципе, идея не нова – еще в XIX веке была популярна теория эфира – среды, заполняющей все пространство. Считалось, что свет – колебания эфира, подобно тому, как звук – колебания воздуха. Идея эфира с треском провалилась: она предполагала существование выделенной системы отсчета, что было опровергнуто прямыми экспериментами. На смену эфиру пришла специальная теория относительности, и важнейшим требованием к вакууму стала Лоренц-инвариантность, т.е., например, невозможность обнаружить свое движение, ставя любые эксперименты в кабине космического корабля.
Выше было заявлено, что среднее значение электромагнитного поля в вакууме равно нулю. А если бы оно было не нулевым, а постоянным и однородным – может быть, мы бы не заметили этого и приняли его влияние за закон природы? Заметили бы. Более того, мы живем в почти однородном магнитном поле напряженностью полгаусса и замечаем это по стрелке компаса. Поведение стрелки – не слишком элегантный закон: иногда оно неустойчиво, а где-то аномально. Если мы будем двигаться с большой скоростью поперек направления стрелки компаса (например, на орбитальной станции), мы обнаружим, что в кабине появилось электрическое поле, перпендикулярное стрелке компаса и направлению движения станции. Зато, двигаясь вдоль силовых линий поля, наблюдатель не обнаружит ничего нового. Значит наш «вакуум», в который мы директивным путем включили магнитное поле Земли, не изотропен и не Лоренц-инвариантен. И никакая конструкция из электромагнитного поля не подойдет на роль вакуума, который нам нужен.
Проблема в том, что электромагнитное поле слишком сложное – четыре независимых компоненты, которые не утаишь в мешке, которые всегда выдают свое наличие по легко измеряемым величинам. Но в принципе может существовать и более простое поле – скалярное, имеющее только одну компоненту, которое, будучи однородным и постоянным, не нарушает ни изотропии, ни Лоренц-инвариантности. До недавнего времени не было обнаружено ни одного примера фундаментального скалярного поля, но теоретики уже давно говорили о возможном существовании подобных полей. Среди этих теоретиков был Хиггс – не он один, конечно, независимо и даже чуть раньше идею опубликовали Энглер и Браут, но именно его имя оказалось увековеченным.
Почему бы скалярному полю не заполнять наше пространство, влияя на законы Природы? Мы такого поля не видим, не можем его «пощупать», но не можем и исключить.
А зачем понадобилось изобретать такое поле, играющее роль среды в которой мы живем? Зачем умножать сущности? — Дело в том, что подобное поле как раз может убрать лишние сущности!
В основании нашего материального мира лежит несколько семейств элементарных частиц: фотоны с W-бозонами, лептоны (электрон с двумя более тяжелыми партнерами и три нейтрино) кварки, глюоны. У фотона и глюонов нулевая масса у нейтрино – очень маленькая, у остальных – разные, разброс в двести тысяч раз. Все подчиняются разным взаимодействиям: электромагнитным, сильным, слабым. Короче, зоопарк!
Поле, заполняющее вакуум, которое получило ныне всем известное имя Хиггса, объясняет, почему получился такой зоопарк. Изначально, как сказал бы физик-теоретик: «в исходном лагранжиане», а мы скажем по-литературному: «в фундаменте Мироздания», фотон и W-бозоны одинаковы, а электромагнитные и слабые взаимодействия в точности симметричны. У всех частиц исходно массы равны нулю. Более того, в таком мире действовала бы очень красивая связь между полями и носителями заряда, с которым связаны эти поля – такая связь называется калибровочной инвариантностью. Только такой мир был бы вряд ли пригоден для жизни.
Появление зоопарка частиц и взаимодействий — факт истории нашей Вселенной: в первые доли секунды существования Вселенной вакуум заполнился ненулевым полем Хиггса, почему – объяснено ниже. Мы его напрямую не ощущаем – оно везде одинаково. Но исходно одинаковые частицы по-разному взаимодействуют с этим полем, в результате приобретают разные массы. А когда у одного переносчика взаимодействия (фотон) масса остается нулевой, а у другого (W и Z бозоны) – делается большой, единое прежде электрослабое взаимодействие расщепляется на два совсем не похожих: электромагнитное и слабое.
Подозревают, что и сильное взаимодействие изначально едино с электрослабым. Соответствующую гипотезу называют теорией великого объединения. В ней кварки и лептоны исходно (опять же «в фундаменте мироздания») являются родственниками, способными превращаться друг в друга. У сильных и электрослабых взаимодействий – общая константа. Переносчики сильного взаимодействия – глюоны попадают в одну широкую группу симметрии с фотонами и переносчиками слабого взаимодействия – W и Z бозонами. Но все нарушилось, поскольку в вакууме появились ненулевые скалярные поля. Группа симметрии расщепилась на отдельные подгруппы. Кварки перестали превращаться в лептоны и наоборот, отчего протон оказался почти стабильным. Почти – потому что запрет на переходы кварк-электрон связан с тем, что масса частицы-переносчика такого взаимодействия, Х – бозона, стала огромной. Но запрет не точный, поскольку эта масса все же конечна. Квадрат этой огромной массы стоит в знаменателе вероятности распада протона – из-за чего время жизни протона оказывается больше 1033 лет (экспериментальный предел). Мир стал сложнее и богаче.
Итак, мир изначально проще, чем мы наблюдаем, но «кривой» вакуум сделал его сложным и пригодным для жизни. Это на научном языке называется «спонтанным нарушением симметрии» и относится не только к вакууму. Возникновение доменов в остывающем ферромагнетике (участки самопроизвольной намагниченности – на их основе делали первые компасы, см. «Моби Дик» Мелвилла, глава CXXIV) – тоже спонтанное нарушение симметрии. Или образование узора на окне в морозный день. Пар в комнате однороден, изотропен и «безвиден», но когда он кристаллизуется на стекле, образуется сложный красивый узор. Причем, заранее нельзя сказать, каким этот узор получится – он случаен и в то же время подчиняется неким простым законам. То же самое происходит при образовании снежинок – они красивы и симметричны, но также случайны. А образовались они из того же пара.
Результат спонтанного нарушения симметрии при конденсации пара. Фото Валентины Сафроновой.
-
Уравнения Эйнштейна (в сокращении)
А сейчас пару слов о теории, которая определила развитие космологии. Теория с одной стороны удивительно красива, с другой стороны сложна в техническом плане. Если читателя пугают формулы и тем более, дифференциальные уравнения, то данную главу и возможно следующую обязательно нужно пропустить! Автор обещает, что в дальнейших главах такого не повторится.
Уравнения Эйнштейна заслуживают того, чтобы предъявить их читателю, конечно, не призывая разобраться. Просто окинуть взглядом. Итак, вот традиционная запись:
RµV — ½ R gµV = 16 π G/c4 TµV
На первый взгляд кажется совсем не страшным. Ужас наступает, когда начинаешь разбираться с объектами, из которых построено уравнение. Все двухиндексные члены gµV, RµV, TµV – это объекты, называемые тензорами второго ранга. Выглядят как матрицы 4 Х 4 – четыре строки, четыре столбца, но отличаются от обычной матрицы-таблицы тем, что определенным образом преобразуются при изменении системы координат. Кстати – обычный вектор – тоже тензор, только первого ранга. И даже скаляр – тензор, только нулевого ранга. Но когда говорят просто «тензор», чаще всего подразумевается второй ранг <…>
Чем линейная теория отличается от нелинейной
«Линейная теория» — жаргон, так же как и «нелинейная теория», но в науке этот термин используется часто. Первая описывается линейными дифференциальными уравнениями, вторая, естественно, нелинейными. Различие между ними огромно как с точки зрения техники решения, так и с точки зрения мира описываемых явлений.
Линейное дифференциальное уравнение состоит из производных неизвестной функции и самой неизвестной функции в первой степени. Первая степень позволяет складывать решения и умножать их на произвольную константу — то, что получится все равно будет решением. Мир линейных уравнений оказывается простым: можно суммировать поля от разных источников, можно разлагать сложные конфигурации на простые типа плоских волн и рассматривать эволюцию каждой из них по отдельности. Волны, описываемые линейными уравнениями спокойно проходят друг через друга, складываясь в интерференционную картину, и расходятся, ничуть не изменившись. Линейный мир прост, но неинтересен – в нем не получишь сложных стабильных структур.
Достаточно ввести в уравнение квадрат неизвестной функции или ее произведение на ее же производную, и мир меняется. Сумма решений уже не является решением, волны уже не проходят спокойно друг через друга, а взаимодействуют, появляются новые сущности, такие как солитоны. Кстати, протоны и нейтроны в некоторых упрощенных моделях сильных взаимодействий появляются именно как солитоны, а описывающая их теория, квантовая хромодинамика, существенно нелинейна.
Часто бывает так, что возмущения какой-либо среды описываются линейными уравнениями, пока они остаются малыми. Как только их амплитуда становится большой – проявляется нелинейность. Пример – обычные волны на поверхности воды. Рябь линейна с хорошей точностью, а большие океанские волны уже нелинейны из-за сложной аэро- и гидродинамики. Отсюда и получается знаменитый девятый вал и «волны-убийцы». Гравитационные волны тоже линейны, когда они слабые, а когда, например, сливаются две черных дыры, нелинейность переменного гравитационного поля чудовищна.
Иван Айвазовский. Нелинейная волна. (Wikimedia.org)
Самая распространенная причина нелинейности, если изъясняться бытовым языком – самодействие. Например, сливаются два автомобильных потока. Если они редкие, машины продолжают двигаться с той же скоростью, потоки просто суммируются. Если потоки интенсивные, машины начинают мешать друг другу, скорость падает, зачастую до нуля. Это и есть нелинейный эффект.
Все варианты самоорганизации в живой и неживой природе – тоже результат нелинейности. Можно сказать, что эволюция – очень длинная цепь нелинейных эффектов.
Но в этой главе речь идет не об электромагнитном поле, а о гравитации. Нельзя ли сделать с гравитацией точно то же самое – добавить к гравитационному потенциалу еще три компоненты (пусть появится еще гравимагнитное поле, которое мы не чувствуем из-за слабости земной гравитации), и пусть они подчиняются точно такому же уравнению, только справа поставим плотность энергии и поток импульса, помноженные на гравитационную постоянную. Со специальной теорией относительности будет все в порядке. Получится то, что можно было бы назвать «векторной гравитацией». Была бы очень простая теория. Уравнения, как и уравнения Максвелла, были бы линейными, гравитационное поле от разных источников было бы суммой полей каждого. Автору не хватает фантазии представить себе, как вела бы себя в таком мире сильная гравитация, но можно точно сказать, что ничего подобного черным дырам в таком мире не существовало бы.
Но ничто не ново в этом мире, в том числе и любое наивное предположение. Именно такую векторную гравитацию предложил Пуанкаре в 1905 году. Оказалось, теория внутренне противоречива и не может описывать наш мир. В такой теории либо одноименные заряды отталкиваются, либо энергия волн отрицательна.
Для гравитации требовалось нечто более сложное: не векторное, а тензорное поле. Почему тензорное, скажем ниже, а сейчас прикинем, во что должно превратиться уравнение с оператором Д’Аламбера если его обобщить на случай тензорного поля.<…>
Как построить четырехмерную координатную сетку из таких систем, которые где-то движутся по орбите вокруг тяготеющего центра, где-то падают в черную дыру? Работать в такой кривой системе координат невозможно, даже если теория в ней проста. А как перейти к какой-нибудь глобальной системе координат? С помощью той же метрики! <…> И уравнения получаются нелинейными, причем сильно нелинейными – их нельзя выразить степенями элементов метрического тензора. И теория оказывается существенно нелинейной: две слившихся нейтронных звезды дадут поле заметно отличающееся от суммы полей каждой. На самом деле физическое слияние двух нейтронных звезд приведет к их коллапсу в черную дыру. Но если пренебречь физическими процессами и просуммировать несколько нейтронных звезд «теоретически», то они станут черной дырой автоматически – они окажутся под горизонтом Шварцшильда, что означает неминуемый коллапс в сингулярность. Этот коллапс никакие силы не в состоянии предотвратить, так же как никакие силы не могут помочь преодолеть скорость света. Тут коллапс в бесконечно плотное состояние (на самом деле в планковское состояние, см. главу 15) становится делом не столько физики, сколько геометрии: все мировые линии ведут в центр.
Такова плата за геометричность теории гравитации, или за ее универсальность и всеобщность, другими словами. Выражения стали сложными, хотя теория минимальна – все ее модификации могут быть только сложнее. Зато в теории появились чудеса, такие как черные дыры или нестационарная вселенная.
Эйнштейн, конечно, пришел к этим уравнениям совсем другим путем, и на этом пути немалую роль сыграл Гильберт, мы просто постарались набросать естественную логическую цепочку, ведущую к общей теории относительности через более простые конструкции.
Конечно, уравнения Эйнштейна решать сложно. В общем случае они поддаются только численному перемалыванию на суперкомпьютерах. Аналитические решения, не сводящиеся к малым поправкам для ньютоновского тяготения, можно пересчитать по пальцам. Из решений, наверняка имеющих отношение к реальности это черные дыры Шварцшильда (не вращающиеся), вращающиеся черные дыры Керра, гравитационные волны, однородная изотропная вселенная Фридмана и Де-Ситтера. Есть аналитические решения, представляющие скорее академический интерес – заряженные черные дыры, однородная анизотропная вселенная и еще несколько. Есть много решений, описывающих кротовые норы с разными уравнениями состояниями вещества. Имеют ли они отношение к реальности пока не известно.
Явление, непосредственно связанное с одним из решений Общей теории относительности, найденных аналитически (решение Керра для вращающейся черной дыры): джет ядра галактики М87. Это релятивистская струя замагниченной плазмы, индуцируемая непосредственно вращающейся черной дырой, погруженной во внешнее магнитное поле. Именно эта черная дыра возможно будет первой, которую удастся «разглядеть» с помощью микроволновых космических интерферометров. На данном снимке для этого не хватает пяти порядков по разрешению.
Снимок космического телескопа «Хаббл», НАСА
<…>Получается, что ранняя Вселенная, в которой давление материи огромно, расширяется по более медленному закону (t1/2) , чем нынешняя (t2/3). Это, казалось бы, противоречит здравому смыслу. Но так диктуют уравнения. Запомните этот странный факт — дальше будет еще интересней.
(продолжение следует)
Оригинал: http://7i.7iskusstv.com/2017-nomer5-bshtern/
