Джордж и Большой взрыв, стр. 34

Ещё через четыре с половиной миллиарда лет третья планета от этой звезды становится единственным местом в известной нам Вселенной, где смогут жить и прекрасно себя чувствовать представители рода человеческого. Они — то есть мы с вами — будут видеть в небесах звёзды, облака газа и пыли, галактики и реликтовое излучение — но не тёмную материю, составляющую большую часть материи Вселенной. Не увидим мы и те части Вселенной, которые настолько далеки от нас, что даже фотоны их реликтового излучения ещё не долетели до Земли; а есть, вероятно, и такие части Вселенной, свет от которых вообще никогда не достигнет нашей планеты.

Расширение Вселенной

Изучая ночное небо с помощью 100-дюймового телескопа, установленного на горе Вилсон в Калифорнии, американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что некоторые туманности — неясные скопления светящихся точек в небе — на самом деле галактики, подобные нашему Млечному Пути (хотя самых разных размеров), и каждая из них содержит миллиарды и миллиарды звёзд. И ещё Хаббл обнаружил поразительный факт: другие галактики удаляются от нас и, чем они дальше, тем выше их скорость. Внезапно оказалось, что наша Вселенная гораздо, гораздо больше, чем принято думать. Вселенная расширяется: расстояния между галактиками со временем увеличиваются. Можно представить себе Вселенную как поверхность воздушного шара, на котором кто-то нарисовал кружочки — галактики. Если надувать шар, то эти галактики раздвигаются в разные стороны, и чем дальше они друг от друга, тем быстрее растёт расстояние между ними.

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Горячие небесные тела, например звёзды, излучают видимый свет, но поскольку Вселенная расширяется, звёзды в далеких галактиках удаляются от Земли. Из-за этого их свет, летящий к нам, растягивается, причём тем сильнее, чем быстрее удаляется звезда. Из-за растяжения видимый свет краснеет; это называется космологическим красным смещением.

Вакуумы

Что такое вакуум и какое отношение он имеет к пылесосам?

Вакуум — это пространство настолько пустое, что в нём вообще нет воздуха. Например, если выкачать насосом из комнаты весь воздух, то мы получим вакуум.

Пылесос — это пылеотсасывающее устройство вакуумного действия.

В пылесосе пневматический насос создаёт слабенькое подобие вакуума, помогающее всосать все до одной пылинки. Но это вовсе не тот вакуум, о котором мы сейчас говорим. Для нашего, эксперимента потребовался бы несравненно более мощный насос.

В лучевых трубках Большого адронного коллайдера создан вакуум наподобие космического: в нём совершенно нет молекул газа!

Удалить из комнаты все частицы воздуха не так-то просто.

Но даже если в комнате вообще нет атомов, она всё равно содержит излучение:

• инфракрасные фотоны, испускаемые тёплыми стенами комнаты

• радиофотоны от телепередатчиков

• микроволновые фотоны, оставшиеся от Большого взрыва

• другие частицы, залетающие из космоса (например, нейтрино, испускаемые Солнцем)

• и даже тёмную материю!

А если бы мы сумели убрать это излучение, охладив тёплые стены? Тогда наша комната стала бы совсем пустой — более пустой, чем космическое пространство между галактиками! Однако в ней всё равно кое-что осталось бы. Это «кое-что» — квантовые поля, то есть то, что остается, когда уже нет фотонов, нейтрино, электронов и всех остальных частиц. Состояние квантовых полей, обладающее минимальной энергией, физики, называют вакуумным состоянием; именно в этом состоянии, без каких бы то ни было наблюдаемых частиц, и пребывала бы наша воображаемая комната.

Но если бы мы могли как следует всмотреться, то разглядели бы крошечную рябь в пространстве-времени и гравитации — гравитационные волны.

Словом, нам может показаться, что, выкачав из комнаты, молекулы воздуха, мы полностью её опустошили, но на самом деле это не так!

Если добавить в вакуумное состояние энергию (физики сказали бы — возбудить вакуум), то в нём появятся частицы (и античастицы). Считается, что такой вакуум — состояние с минимальной энергией. Могут быть и другие вакуумные состояния, с другой энергией — если их возбудить, они породят знакомые нам виды частиц. Возможно, что, в ранней Вселенной, когда температура была намного выше, пространство в течение некоторого времени существовало в состоянии ложного вакуума, с более высокой энергией, и его частицы сегодня показались бы экзотическими. Когда же температура снизилась, этот ложный вакуум должен был прийти в состояние нынешнего вакуума с низкой энергией. Истинный вакуум — это вакуум, действительно обладающий минимальной возможной энергией.

Нет ни малейшего основания полагать, что какой бы то ни было земной эксперимент способен ввергнуть нас в состояние какого-то иного вакуума!

Пространство-время и относительность

Четырёхмерное пространство-время

Когда мы хотим отправиться в какое-то место на Земле, мы обычно представляем себе это место в двух измерениях — север-юг и восток-запад. По этому принципу устроены географические карты. Мы постоянно пользуемся двумерными направлениями. Как куда-нибудь дойти или доехать? Вперёд или назад, влево или вправо. Это потому, что поверхность Земли двумерна.

А вот пилот самолёта, выбирая направление, не привязан к поверхности Земли! Самолёт может лететь ещё и вверх или вниз; следовательно, к его положению относительно поверхности Земли добавляется ещё и высота над этой поверхностью, то есть к двум измерениям добавляется третье. Когда лётчик ведёт самолёт, направление «на север», или «на восток», или «вверх» будет зависеть от местонахождения самолёта. «Вверх», например, означает «дальше от центра Земли», поэтому «вверх» над Австралией и «вверх» над Великобританией — это совершенно разные направления!

То же можно сказать и про командира космического корабля далеко-далеко от Земли. Командир корабля может перемещаться в трёх измерениях куда пожелает — но этих направлений всегда будет три, потому что космическое пространство, в котором существуем мы, наша Земля, наше Солнце, звёзды и все галактики, — это пространство трёхмерно.

И, конечно же, когда хочешь куда-то попасть, например на день рожденья друга или на футбольный матч, то мало знать, где состоится это мероприятие, — надо ещё знать, когда. Таким образом, любое событие в истории Вселенной должно иметь четыре координаты: три пространственных и одну временную. Поэтому, описывая Вселенную и всё, что в ней происходит, мы оперируем понятием четырёхмерного пространства-времени.

Относительность

Частная теория относительности Эйнштейна гласит, что законы природы, в том числе скорость света, должны быть одними и теми же вне зависимости от того, с какой скоростью движется наблюдатель. Легко убедиться, что два человека, которые перемещаются относительно друг друга, придут к разным выводам о расстоянии между двумя событиями: например, два события, которые происходят в одном и том же реактивном самолёте, для наблюдателя на Земле будут разделены расстоянием, которое преодолел самолёт в промежутке между этими событиями. Поэтому если наблюдатель в самолёте и наблюдатель на Земле решат измерить скорость светового сигнала, летящего из хвоста самолёта к его носу, то расстояние, пройденное светом с момента подачи сигнала до момента его поступления в нос самолёта, получится у них разным. А поскольку скорость — это расстояние, делённое на время, они также разойдутся в вопросе о том, сколько времени прошло между подачей и приёмом сигнала, — если эти наблюдатели сходятся в вопросе о скорости света (а в нём, согласно теории Эйнштейна, они как раз сходятся!).