Kitabı oxu: «Звездануло: весело и доступно про проблемы современной физики и астрономии»

© Роман Юдаев, 2024

© ООО Издательство «Питер», 2024

© Серия «New Science», 2024

Глава 1. Много шума из ничего

Приветствую вас, дорогие читатели!

Давайте знакомиться, я Гусь-Звезданусь, ваш верный ассистент и проводник по удивительному миру науки. Моя задача – помочь автору донести до вас самые сложные и запутанные темы так, чтобы они стали понятными и интересными каждому. Когда-то мне на голову упала звезда, и меня мощно звездануло. С тех пор я обрел особую способность объяснять сложные явления простыми словами. Надеюсь, что после прочтения нашей книги вас тоже звезданет и вы полюбите науку так же, как и я!

Мчимся к закоулкам Вселенной вместе!

1.1. Вначале был Взрыв… Или нет?

Я уверен, вы слышали, что такое теория Большого взрыва. Нет-нет, не сериал. Это про космос, как Вселенная родилась и все такое.

Для начала попробуйте сами вспомнить, что знаете на эту тему.

…Попробовали? А теперь я вам расскажу, что там к чему на самом деле.

Короче, вся теория Большого взрыва умещается во фразе: «Раньше Вселенная была маленькая и горячая, а сейчас ее размотало во все стороны и охладило». Все. Больше ничего придумывать не надо.

Дело в том, что в теории Большого взрыва нет… ВЗРЫВА, блин! Никаких комментариев, что там взорвалось и кто подорвал.

До середины прошлого века ученые спорили, какой же была Вселенная раньше. Кто-то говорил, что горячая, а кто-то – что холодная. Все решили молодые звезды. Сторонники холодной Вселенной утверждали, что молодые звезды состоят из гелия. Но в 1960-х выяснилось, что это не совсем так. С тех пор победители застолбили название «Теория Большого взрыва», хотя, строго говоря, звучать должно бы как-то типа: «Теория Большого взрыва ПЛЮС модель горячей Вселенной».

Позже были еще попытки описать Вселенную разными способами. То ее представляли как результат столкновения двух трехмерных пространств (браны¹ в теории струн), то как сверхтекучую жидкость (сторонники этой гипотезы до сих пор даже не верят в саму возможность ее доказательства), то вообще представляли Вселенную внутри черной дыры или в качестве голограммы. Кстати, Илон Маск² в их числе, я бы на вашем месте задумался…

Так вот, нафига вообще все эти модели плодить, в чем проблема? В сингулярности. Кто угадал – похвалите себя, вы молодцы. Что такое эта сингулярность? Черт его знает. Никто не разобрался с ней до сих пор, но все носятся вокруг, тычут в нее пальцами. А там, натурально, деление бесконечности на ноль выходит. В общих чертах сингулярность – это единство всего: пространства, времени, гравитации, электрического, слабого, сильного взаимодействий и вообще… Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали, что при любом раскладе в общей теории относительности появится сингулярность. Напрашивается вопрос: а зачем ее вообще придумали? Вспоминаем основную мысль теории Большого взрыва («раньше Вселенная была маленькой и горячей…») и продолжаем думать, что было раньше. Вот вам и сингулярность. Надеюсь, понятно. На самом деле до сих пор никому особо-то ничего не понятно, не переживайте.

В общем, об эту сингулярность ученые периодически спотыкаются, всем она мешает, и ребята ждут, кто же избавит физику от этой непонятной фиговины. Лучше всех пока получилось у Алана Гута в 1981 году. Он взял идеи советского физика Алексея Старобинского и предложил такой фокус (следите за мыслью). Меняем понятие «сингулярность» на понятие «скалярное поле³» и… Все! Оказалось, так можно. Скаляр же не имеет никаких размерностей, никакого пространства в нашем понимании… То есть, с нашей точки зрения, это просто бесконечно сжатая точка. Практически сингулярность. Ни у кого из светлых голов претензий не возникло. Поменяли сингулярность на это поле, и поменялось вообще все. Каждому полю нужны частицы-переносчики и частицы, которые на это поле воздействуют. У электромагнитного поля есть фотоны и электроны. У других полей бозоны, глюоны и всякие другие страшилки. Ну и тут нужен какой-нибудь носитель. Так, давайте отвлечемся и немного поговорим про квантовые флуктуации.

Проще говоря, это возникновение частиц и античастиц в каком-то объеме вакуума по парам. То есть, когда мы говорим «вакуум», мы не подразумеваем, что там ВООБЩЕ ничего нет, а просто считаем, что там нет структурированного вещества, а если еще точнее – энергии. Помните Эйнштейна? E = mc², и все дела. Вот как раз в этой формуле он и сказал, что в принципе можно сравнивать энергию и массу. Только без всех этих шизотерических «настройся на нужную энергию, и откроется третий глаз». И вот мы приносим в скалярное поле наши квантовые флуктуации. В поле начинают появляться квантовые шумы, заряженные частицы начинают накапливаться и создавать неоднородности, где-то их больше, а где-то их вообще нет. Остается только подождать.

Знаете, что бывает, когда в электромагнитном поле появляются неоднородности? Разряд… Молния, например. Ну никто же не задумывается, что это такое, да? Смотрите, неоднородности одного поля влияют на другие поля. Молния, например, нагревает пространство и грохочет.

Кстати, если молния случится под водой, то образуются пузырьки кислорода и водорода. Так вот, ученые выяснили, что в скалярном поле такой разряд создает пузырек нашего родного трехмерного пространства. Кстати, опять тут Эйнштейн натоптал с той же формулой. При разряде появляется какое-то количество энергии, и что она делает? Правильно, выпадает в осадок массой. А масса что делает? Правильно, гнет пространство. А как гнуть то, чего нет? Никак. Значит, для того чтобы масса вообще могла существовать, нужно, чтобы существовало пространство. Такие дела.

Все те же ученые решили, что скалярное поле очень вязкое и обладает большим коэффициентом трения. И если бы разряд происходил без трения, то процесс был бы настолько быстрым, что пузырек пространства был бы совсем небольшим. Но трение эту картину тормозит. В итоге пузырек успевает раздуться аж до таких размеров, что мы до сих пор краев не видим.

В общем, умные люди вычислили скорость, с которой должна была расширяться Вселенная, и цифры сошлись с классическими уравнениями прежней версии. Помните модель горячей Вселенной? Решением этих уравнений стала экспонента, а фазу распирания так и назвали – экспоненциальный рост Вселенной.

По этим расчетам, за аж 10^–36 доли секунды новорожденная Вселенная (т. е. этот изначальный пузырек вакуума) должна была расшириться в объеме в 10⁷⁸ раз.

Это вам даже не скорость света. Эйнштейн запретил чему бы то ни было двигаться быстрее скорости света в пространстве. Но он не запрещал самому пространству двигаться с любой скоростью.

Так что никакого взрыва, в общем-то, и не было. Было распирание Вселенной, а если в рамках терминов – инфляция. Так эта модель и называется сейчас – инфляционная модель Вселенной. Отличие от стандартной в основном во времени этого распирания. И самое интересное, что с 2003 года спутники подтверждают именно эту модель Вселенной – инфляционную.

Так, с рождением пространства разобрались, а как там материя появилась? Давайте я пропущу все математические выкладки и расчеты, а мы просто вспомним закон сохранения энергии. О чем этот закон? Спойлеры в названии: в замкнутой системе энергия сохраняется. Так вот, грубо говоря, когда наше пространство расширяется, энергия размазывается по всему объему и уменьшается в каждой точке. А вот тут в дело вступает гравитация. Если мы поднимем яблоко над полом, то его потенциальная энергия немного увеличится. А если мы разнесем пространство очень-очень быстро на обалдеть как далеко, то там и циферки будут соответствующие. И эта самая потенциальная энергия сначала переходит в тепловую (тут-то и начинается модель горячей Вселенной), а потом и вовсе через фазовый переход выпадает в осадок в собственно энергию и материю. Снова вспоминаем Эйнштейна, да.

А теперь сладенькое. Вся эта инфляционная модель подразумевает крышесносную штуку. Поле-то скалярное никуда не делось, неоднородности в нем как были, так и продолжают копиться, а значит, вполне вероятно, что наша Вселенная – одна из многих. И каждый такой пузырек получил свою физику и свои характеристики. Про разные варианты мультивселенной я расскажу чуть позже, а пока давайте узнаем, что же такое сингулярность. Или сингулярности?

1.2. Сингулярности и черные дыры

Начну с сингулярности. Слово это означает просто «единство», и видов сингулярности очень много. Я сейчас буду рассматривать гравитационную и космологическую сингулярность. Об остальном можете почитать на досуге, если любопытно.

Итак, космологическая сингулярность – это состояние Вселенной до момента Большого взрыва, то есть ДО того, как она стала расти. Ученые не могут никак собрать уравнения этого момента, которые описывали бы пространство и время. Они вообще стараются не говорить про сингулярность точными терминами. Догадки, предположения, неявные формулировки – пожалуйста. Короче, она всех конкретно заинтриговала и, хотя никто ничего точно не знает, пользуются ею вполне успешно.

Расчеты говорят, что в космологической сингулярности материя бесконечно плотная и бесконечно горячая. И это же становится противоречием. Сейчас объясню почему.

Температура возникает, когда частицы бьются друг о друга. То есть если происходит столкновение частиц с выделением какой-то энергии. Так вот, в бесконечно плотном веществе места, чтобы двигаться, у частиц нет, а значит, биться они друг о друга не могут и температуре просто неоткуда взяться.

Давайте для наглядности представим бильярдный стол – это будет пространство, а шары выступят в роли частиц. При ударе двух шаров повышается температура системы, то есть стола и шаров. Бесконечная плотность – это ситуация, когда весь стол плотнячком забит этими шарами, и даже между ними что-то вроде песка. Смогут шары биться друг об друга? Фигушки. Откуда тогда температуре взяться? Правильно, неоткуда. А вот по уравнениям она там есть. И не какая-то там приемлемая, а целая бесконечность… А еще бесконечная плотность означает, что вещество настолько плотное, что даже объема не должно занимать. То есть это со всех сторон точка безразмерная – пространства в принципе может и не быть в такой точке, и сама эта точка может не находиться в пространстве, как мы его понимаем. Да, свихнуться можно.

Ладно, поехали дальше. Мы уже понимаем, что в первой главе говорили именно о космологической сингулярности.

Что там со вторым типом сингулярности, который мы рассматриваем? Это уже гравитационная сингулярность, и она мне представляется немного лайт-версией сингулярности космологической. Суть в том, что она может находиться внутри нашего пространства-времени. То есть даже не может, а вполне себе находится. В черных дырах. Недавно и снимки были, и детекторы фиксировали волнения пространства. Раньше не все верили в то, что эти черные дыры вообще существуют, а недавно появились неопровержимые улики.

Так вот, что такое черные дыры и что там за сингулярность? Давайте так скажу: сингулярность – это конец черной дыры, если он вообще существует. Поэтому давайте сначала разберемся с черными дырами и потом подойдем к сингулярности.

Помните дядьку Эйнштейна? Так вот, он нам рассказал, что пространство нельзя рассматривать без времени, и стал говорить пространство-время. Потом он сказал, что тела, которые обладают массой, это пространство-время гнут. И чем тяжелее тело, тем больше гнет. Часто это объясняют таким образом: представьте, что вы взяли покрывало и растянули его с кем-то на весу. Теперь представьте, что это пространство-время. Да, для этого бы пришлось быть пятимерными существами, но просто представьте, что это покрывало – пространство-время. Теперь в середину этого покрывала можно положить арбуз. Этот арбуз будет обозначать тяжелую звезду какую-нибудь. Покрывало прогнулось под тяжестью арбуза. Рядом положите яблоко. Яблоко скатилось к арбузу. Так Эйнштейн представлял себе гравитацию. Для понимания этого пока достаточно.

Так вот, черная дыра образуется там, где мы положим что-то очень тяжелое. Настолько, что покрывало просто порвется. Строго говоря, конечно, порвется оно или просто растянется бесконечно вниз – это еще не до конца понятно, но разница для нас пока очень мала. Суть в том, что черная дыра так сильно прогибает пространство-время, что даже свет из нее не может выбраться. Все, что окажется на определенном расстоянии от черной дыры, падает в нее. И здесь мы можем только догадываться, что вещество внутри черной дыры, так же как и в космологической сингулярности, бесконечно плотное. Но это пока никем не доказано, и научное сообщество может закидать нас тапками за такие высказывания, так что тсс…

Так что это за расстояние такое? Вообще, черная дыра окружена горизонтом событий. Кстати, как раз его тень и сфотографировали недавно, а вовсе не черную дырку в пространстве-времени. На этом горизонте событий и заканчивается возможность избежать падения в обычную черную дыру.

И тут Остапа понесло… Ученые придумали вращающиеся черные дыры и вот тут уже нашли возможность избежать печальной участи. Там целых два горизонта событий: внешний и внутренний, и из-под внешнего еще как-то можно смотаться. Эти способы теоретически должны сработать, но пока, ясен пень, никто ничего не проверял. Уже до дыр заездили пример с водоворотом, но если вы дочитали до этого места, то наверняка не слышали о нем. Итак, представьте, что человека на лодке начинает засасывать в водоворот. Что делать? Грести против течения? Не стоит – водоворот сильнее. Нужно, наоборот, грести по течению, набрать скорость и уже в конце немного свернуть от центра воронки. Этакий маневр. В случае с черной дырой ученые говорят, что что-то такое тоже сработает.

Еще они пытаются провернуть хитрые штуки с законом сохранения импульса. Вкратце расскажу. Импульс – это то, как мы мерим движение какого-то тела, обладающего массой. В формуле у нас импульс равен массе тела, умноженной на его скорость. Это все имеет вектор направления, то есть величина вполне себе направленная. Так вот, закон сохранения этого импульса говорит, что сумма импульсов в системе равна нулю. В конце эпохи Великого объединения произошло отделение сильного ядерного воздействия от первичного взаимодействия, которое удерживает ядра вместе. Ученые придумали разделить тело, которое падает в черную дыру, на две части. Тогда одна часть начнет падать в черную дыру с каким-то ускорением, а вторая-то в соответствии с этим самым законом получит такой же импульс, но в обратную сторону, то есть вылетит из черной дыры. Прямо как в «Интерстелларе»⁴, да.

Напридумывали ученые черных дыр, а нам теперь их как хочешь, так и понимай. Кстати, та, обычная, черная дыра называется Шварцшильдовской, а та, которая вращается, – черной дырой Керра. Ну так, для справки.

А вот теперь можно сказать, что сингулярность и есть та точка черной дыры, которая находится в центре внутри горизонта событий. И все, что попадает в черную дыру, падает именно туда. Там меняется пространство-время. Как раз Шварцшильд и Керр нашли решения для разных типов черных дыр. Поверьте, это настолько мозгодробительный матан, что без серьезной подготовки туда лучше не соваться.

В принципе, черной дырой может стать вообще все что угодно. Нужно только хорошенько сжать. Для каждой массы есть свой радиус горизонта событий. Для наглядности: простая черная дыра образуется, если нашу Землю сжать в шарик с радиусом в 1 сантиметр. Представьте: сжать планету в горошину. Как-то так.

Как это происходит? Обычно что-то либо сталкивается, либо взрывается.

Если столкнуть что-то достаточно сильно, то можно получить огромную массу на маленьком участке пространства-времени. То есть берем два кирпича и сталкиваем их друг с другом так сильно, что они сплющиваются до очень маленьких размеров. Если Землю надо сжать до горошины, то два кирпича вообще нужно сжать до такого радиуса, что даже под микроскопом не увидишь. Но если вдруг Чак Норрис это сделает – получится черная дыра.

А со взрывом все немного интереснее. Представьте себе взрыв. Удивительно, но мало кто задумывается, что взрыв направлен не только наружу, но и внутрь себя. Все тот же закон сохранения импульса. Если что-то улетает наружу, то что-то должно вдавливаться внутрь. И тут работает та же схема. Главное, сдавить до нужных размеров.

Ну что, разобрались? Готовы к сладенькому?

Помните, я говорил, что из-под горизонта событий уже не выбраться?

Так вот, Хокинг утверждал, что это вполне возможно. Только вещество будет не структурированным. Но в целом черная дыра, по его мнению, будет что-то излучать до тех пор, пока не «иссякнет». Принцип, кстати, тот же, что и с разделяющимся телом и вращающейся черной дырой. Так вот, по его словам, черная дыра с массой нашего Солнышка будет испаряться таким образом около 10⁶⁶ лет. Вселенной в этом году около 10¹⁰, не забудьте написать поздравительную открытку!

Но на самом деле это не совсем собственное излучение черной дыры. Дело в том, что на горизонте событий уже довольно хорошо гнется пространство-время, хотя это и не сравнится с сингулярностью. Изгибы пространства-времени – это довольно большая энергия. А в довольно больших энергиях теоретически могут возникать пары частиц и античастиц. Как и в самом начале Вселенной, энергия выпадет в осадок массой. И из двух этих частиц одна, как в «Интерстелларе», должна упасть внутрь черной дыры, а вторая в соответствии с законом сохранения импульса улетит вдаль от горизонта событий.

Пока мы не видели излучения Хокинга ни в один телескоп, но надежды не теряем.

Черным дырам в целом и излучению Хокинга в частности будет посвящен следующий раздел книги, а пока мы познакомились с понятиями сингулярности, и можно переходить к истории Вселенной. Что было после Большого взрыва? Не сразу же зажглись звезды и появились планеты? Конечно, нет.

1.3. Что было дальше? Эволюция Вселенной

В первые секунды после Большого взрыва произошло очень много всего. Вкратце: самый ранний момент, который поддается описанию, – Планковская эпоха. Температура и плотность вещества еще слишком высокие, а радиус Вселенной слишком мал, чтобы хоть как-то вещество было веществом. Мы пока ничего не знаем на практике, потому что планковские величины считаются предельными в современной науке, и даже Большой адронный коллайдер⁵ не может достичь таких значений. Так что Вселенную в тот момент можно представлять себе только по расчетам. Эта эпоха длилась ровно одно планковское время⁶ – самую маленькую величину времени, которая имеет какой-то физический смысл. В цифрах это 10^–43 секунды.

Так вот, после Планковской эпохи пошел отдельный отсчет эпохи Великого объединения, но о ней мы тоже мало что можем сказать: только то, что это гравитация за горизонтом событий, от всех взаимодействий отделилась гравитация и нарушилась однородность плотности материи. Длилась эта эпоха с 10^–43 по 10^–35 секунду, плотность материи упала на 18 порядков, а температура – на 5. В конце эпохи Великого объединения произошло отделение сильного ядерного взаимодействия, которое удерживает ядра вместе, от какого-то первичного общего взаимодействия, которое мы все еще не до конца понимаем. Ядер, правда, тогда еще не было, но начинать с чего-то надо.

И в это же время начался этап инфляции. Это мы уже обсуждали. Из-за отделения гравитации само пространство таки расперло во все стороны, и вместе с ним то самое очень горячее и очень сжатое вещество размазало повсюду. Так оно и остыло. Помните, если в детстве чай был очень горячим, бабушка или родители переливали его в блюдечко, и там он остывал быстрее. Примерно так же было и с веществом. Только чай охлаждался в рамках одного и того же жидкого состояния, а во Вселенной вещество переходило из фиг пойми какого состояния планковской эпохи сначала в кварк-глюонный суп, который состоял из кварков и глюонов (кварки – это самые маленькие элементы вещества, о которых мы сейчас знаем, а глюоны – это тот цемент, который склеивает их уже в более тяжелые частицы), а позже из кварк-глюонного супа в процессе остывания и получились наши протоны и нейтроны. Да, мы перескочили этап адронизации и бариогенеза, но давайте оставим жуткую жуть. В этот момент как раз и отделилось сильное взаимодействие, которое отвечает за существование составных частиц. Помните глюоны, которые «цемент»? Они и есть переносчики сильного взаимодействия. В общем, представьте, как вы высыпаете кусочки пазла на стол и начинаете их собирать. Постепенно вы отделяете небо, воду, деревья или что вы там собираете. А потом начинаете как раз собирать уже какие-то детали. Края, например. Так же и тут. Сначала все высыпалось по всей Вселенной, потом начало остывать и с этим остыванием терять энергию в каждой точке пространства, что логично. Постепенно начали отделяться взаимодействия, каждое – на своем значении энергий. И потом уже потихоньку вещество стало собираться в кварки, лептоны и всякие бозоны, из которых в какой-то момент собрались уже привычные нам атомы водорода и гелия в разных модификациях. Поговаривают про следы более тяжелых элементов аж до бора, но это сейчас не имеет особого значения. Мы же не настолько фрики, чтобы углубляться в эту историю, да?

Так вот, судя по расчетам, все, что я пока рассказал, уместилось в первые двадцать минут существования Вселенной, а всякие протоны и нейтроны начинали собираться в первую же секунду после ее рождения. Мне не очень верится в эту историю, но научный мир в этом вполне уверен.

До этого момента излучение доминировало над веществом, и технически где-то должно быть нейтринное излучение, которое будет старше реликтового, но мы еще не научились так хорошо регистрировать нейтрино.

Так продолжалось до 70 000 лет бытия⁷, после чего вещество начало потихоньку брать верх, Вселенная перестала так активно расширяться, и гравитация стала главенствующей силой во Вселенной. Но пока это все еще не то, что мы видим сейчас. Тогда вещество находилось в состоянии плазмы. Помните, как нам показывали разные состояния вещества? На примере воды: твердая фаза – лед, жидкая фаза – вода, газообразная фаза – пар. Вот после газа идет та самая плазма. И эта плазма непрозрачна для электромагнитного излучения, то есть пока еще мы не можем представить себе фотографию тех времен. Возможно, нейтринный фон когда-нибудь покажет нам те времена, но пока что это тайна, покрытая мраком. Потихоньку вещество начинало брать верх, Вселенная расширялась, энергия размазывалась. Спустя 380 тысяч лет от рождества Вселенной все охладилось достаточно, чтобы отделился первый электромагнитный фон. Это и стало реликтовым излучением, которое мы и сегодня активно изучаем.

Вот с тех пор уже можно говорить о появлении чего-то, из чего можно собирать наше звездное небо как пазл. Сначала, ясное дело, ничего не клеилось и Вселенная была наполнена по большей части гелием, водородом и тем самым реликтовым излучением. Звезд еще нет, источников света, соответственно, тоже. Так что это время назвали Темными веками⁸. Нравится ученым придумывать такие названия, смиритесь.

Продолжались эти Темные века аж 550 миллионов лет. Можно я больше не буду придумывать все эти «от рождества, от сотворения»? Все же понимаем, что к чему, да? Так вот, в какой-то момент гелиевая и водородная пыль стала образовывать облака, из которых и начали собираться первые звезды. Подробнее о звездообразовании мы поговорим чуть позже, а если коротко – то из пылевого облака собирались сначала комки, а потом, как сахарная вата, наматывались друг на друга и в конечном итоге становились звездами. И на сегодняшний день этой межзвездной пыли все еще очень и очень много.

Собственно, вся эта активная фабрика звезд уже закончилась и до сего дня ничего кардинально нового не происходит.

Но нам же интересно, что будет дальше. Интересно же? Правда?

1.4. IN THE END… Смерть Вселенной

В предыдущей главе мы говорили о том, какой путь прошла Вселенная до сегодняшнего момента, а сейчас пора поговорить про будущее. Мы понимаем, что это долгосрочные прогнозы и текст будет из разряда научной фантастики…

Итак, есть несколько вариантов нашего будущего. Начнем с парочки очевидных. Это Большой разрыв и Большое сжатие. Интуитивно понятные названия, да? Ну все тогда, расходимся…

Еще не ухо́дите?

Ладно, расскажу, если вы продолжаете читать. В принципе, у нас есть два вопроса. Конечна ли Вселенная и как поведет себя скорость ее расширения в будущем? Если с течением времени эта величина станет меньше, чем вторая космическая скорость для Вселенной – то нас ждет сжатие. Вторая космическая скорость – это минимальная скорость, которая может перегнать гравитацию, скажем так. Ее еще называют скоростью убегания. В общем, если скорость убегания будет больше, чем скорость расширения, то гравитация начнет скукоживать Вселенную внутрь себя. И мы придем в конечном итоге примерно к той же сингулярности, от которой начали. Строго говоря, нас-то уже не будет, если только не перескочим через телесную оболочку в какой-нибудь больцмановский мозг. Подробнее о нем поговорим как-нибудь в другой раз, а сейчас достаточно знать, что это гипотетический объект, который обладает самосознанием. Появляется он в результате флуктуаций, то есть случайных возмущений чего бы там ни было. Вообще это классно показано во вторых «Стражах галактики»⁹, если смотрели. Вот этот вот папаша – разумная планета – и был грубоватым представлением больцмановского мозга.

Но мы немного отвлеклись. Давайте теперь про Большой разрыв поговорим.

Если расширение Вселенной продолжится с ускорением, то можно будет говорить о том, что когда-нибудь скорость этого самого расширения будет превышать скорость света. Представьте себе, что все вокруг начинает удаляться от вас со скоростью света. Сначала далекие звезды исчезнут, потом Солнышко, потом далекие приятели пропадут из вашей жизни не фигурально, а вполне себе физическим образом. В конечном итоге ваши ноги будут удаляться от головы с той же скоростью, а в самом итоге, естественно, все атомы, из которых состояло тело, убегут друг от друга. Что будет дальше – неизвестно.

Физика перестает работать, так что даже придумать мы ни черта не можем. Вообще сторонники этой гипотезы опираются на вполне конкретное уравнение, в котором есть и постоянная Хаббла (H₀), и полная масса Вселенной (Ω_m), и уравнение состояния, которое зависит от темной энергии. В общем, черт ногу сломит. Но, в принципе, годная история.

Еще есть теория ложных вакуумов и соответствующий этой теории армагеддец. Мы чуть позже обсудим этот вопрос подробнее, но основная идея в том, что наш вакуум ложный и лежит в некоторой энергетической складке, грубо говоря. И как только какая-то частица перескочит через эту складку, или, как он правильно называется, потенциальный барьер, и упадет в истинный вакуум – она моментально начнет тянуть за собой всю Вселенную со скоростью света. Ученые успокаивают, что ближайшие миллиардов десять лет нам это не грозит. Вот как только что-то начнет пропадать с дальних рубежей небосвода…

Ладно, у меня в загашнике есть еще пара интересных вариантов.

Вообще до сих пор не очень понятно, расширяется Вселенная или сужается. Это очень интересно выглядит. Представьте, что вы сливаете воду из ванны. В ванне плавают несколько корабликов. Что увидит матрос, который находится ближе всех к сливу? Он увидит, как удаляются от него другие кораблики. Воды между ними становится все больше. Самые дальние кораблики удаляются быстрее, а те, которые поближе, – медленнее. Ну потому что на самые дальние кораблики слив действует меньше, что логично. Собственно, слив и есть та точка, в которую все попадет. Так что главный вопрос – это «Есть ли жизнь после слива?»

Я знаю, что многие уже догадались, к чему я веду, но все же не все такие звезданутые на голову. Итак, меняем слово «вода» на слово «пространство», а слив – на черную дыру. Кораблики, в принципе, можно оставить. Картине не мешают.

Итак, эта гипотеза называется космологией черной дыры, и она говорит, что Вселенная падает в черную дыру. Пространство расширяется? Так оно падает в бесконечную сингулярность. Когда мы говорим о черных дырах, чаще всего вспоминаем радиус Шварцшильда – это радиус объекта, имеющего массу, начиная с которого этот объект можно считать черной дырой. Для примера – у Земли радиус Шварцшильда равен примерно сантиметру. В космологии есть еще один интересный радиус. Радиус Хаббла. Он показывает границу, начиная с которой объекты удаляются от центра быстрее скорости света. Так вот, радиус Шварцшильда для массы Вселенной соответствует радиусу Хаббла. Совпадение? На самом деле пока еще большинство космологов действительно считают это совпадением.

Но не так давно, в течение, наверное, последних двух-трех лет, группа ученых стряхнула пыль с гипотезы о том, что Вселенная имеет форму бублика, нашла новые решения, представила свои расчеты. Почитайте, кому интересно, про тороидальную Вселенную. Да, на научном языке форма бублика называется «тор». Почему я вспомнил про эту гипотезу? А представьте себе черную дыру, которая растягивает пространство в сингулярность, как воронка. А теперь представьте себе, как замечательно совмещаются горлышко этой воронки и тороидальная вселенная. Это только один из вариантов существования Вселенной, да и то притянутый за уши. Но это так красиво.

А теперь представим себе воздушный шарик. Можете повторить этот опыт дома. Нарисуйте точки на шарике. Пока надуваете – периодически замеряйте расстояния между ними. Картинка будет примерно такая же, как и с корабликами в ванне. Расстояние между точками будет увеличиваться, причем чем дальше точки друг от друга нарисованы – тем быстрее это будет происходить. Собственно, ЭТА гипотеза символизирует наш Большой взрыв.

Помните, я говорил, что в Большом взрыве не было Взрыва? Ну не было этого фейерверка, ничего красиво не разлеталось в новорожденной Вселенной, не было эпицентра взрыва. Или был? Формально можно сказать, что эпицентр Большого взрыва был и остался ВЕЗДЕ, в каждой точке. На кончике каждого носа. Так что фраза типа «Он ведет себя так, как будто он – центр Вселенной» довольно научна, если мы говорим о наблюдаемой Вселенной.

Давайте теперь обсудим будущее Вселенной по версии самой популярной и весомой модели на сегодняшний момент.

Итак, пока идет эпоха активного рождения звезд, но, когда межзвездный газ постепенно закончится, старые звезды постепенно погаснут, а новым будет не из чего зажигаться, начнется так называемая эпоха распада. Постепенно будут гаснуть красные карлики, остальные звезды эволюционируют до всяких белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Большая часть скоплений и сверхскоплений галактик объединится в просто крупные галактики. Звезды будут сталкиваться друг с другом…

Потихоньку начнется распад протонов.

Следом идет эпоха черных дыр. Вселенная уже заполнена элементарными частицами. Изредка встречаются нейтронные звезды. Но в основном Вселенная усеяна черными дырами. Они уже сожрали все, что могли, так что теперь осталось только излучать.

Подождите, мы же только недавно говорили, что черные дыры не отпускают от себя даже свет, о каком излучении идет речь?

О хокинговском, конечно! Я же рассказывал!

Это один из двух основных вариантов, как черная дыра может хоть что-то излучать. Второй вариант излучения черных дыр – гравитационные волны при столкновении двух черных дыр. И их мы уже довольно много фиксировали на детекторах типа LIGO¹⁰ и VIRGO¹¹.

Но вернемся к эпохе черных дыр. У нее тоже есть два разных исхода. Первый: черные дыры распадаются окончательно и Вселенная с тех пор наполняется только всякими нейтрино, электронами, позитронами, кварками и фотонами. Температура практически нулевая. Эпоха вечной тьмы. Возможно, тут появится больцмановский мозг, который мы уже вспоминали. Последний этап, который нафантазировали ученые, – время возврата Пуанкаре для массы Вселенной. Это значит, что вся масса Вселенной спонтанно соберется в то же состояние, с которого начиналась, то есть к той же сингулярности, или что там было в самом начале. Этот момент может и не наступить вовсе. Тогда Вселенная просто станет практически пустой, холодной и безжизненной.

Ну и второй вариант. Эпоха черных дыр заканчивается тем, что все черные дыры собираются в одну большую, и эта супердыра может бахнуть подобием Большого взрыва. Собственно, космология черной дыры тоже может в какой-то момент закончиться Большим взрывом внутри черной дыры. Та самая жизнь после слива. Получается такая пульсирующая Вселенная – Взрыв, Сжатие, Взрыв, Сжатие…

Но пока мы видели только Взрыв, так давайте и посмотрим, насколько далеко нас раскидало и как велика Вселенная.

1.5. Масштабы во Вселенной

Будет много цифр, но я надеюсь, что у меня получится этот момент сгладить.

Все же помнят картинки, на которых нарисована наша Солнечная система? Забудьте их! Это художественный вымысел. Если бы художники соблюдали масштабы, то вы бы обалдели от размеров этого полотна.

Давайте начнем с нашей Земли. Ее диаметр – 12 742 километра. Возьмем баскетбольный мяч для наглядности и представим, что это наша планета. Для нудистов… нудятлов… короче, для нудных: диаметр баскетбольного мяча около 23 сантиметров. И масштаб, соответственно, примерно 1 к 55,5 миллионам. Средняя пятиэтажка в высоту метров, ну, пусть будет двадцать. Если мы попробуем поделить двадцать метров на 55 миллионов, то мы эту пылинку вообще не увидим.

Давайте что-то повыше. Самое высокое здание в мире – Бурдж Халифа. 828 метров, между прочим. Сорок одна пятиэтажка, на минуточку! Короче, на нашем мячике это полторы тысячных сантиметра… ладно. Давайте возьмем Эверест. 8848 метров. Ну, это уже полторы СОТЫХ сантиметра. Даже меньше, чем высота пупырышка на мячике. Ну и да, кстати. Помните байку, что Великую китайскую стену из космоса видно? Ну вы поняли, не буду продолжать.

Ладно, с самой Землей разобрались. А какого размера будет Луна в таком масштабе? Чуть меньше теннисного мяча. На полсантиметра буквально.

А теперь давайте подумаем, как мы можем понять, какое между Землей и Луной в этих масштабах расстояние будет? Подумали? Следите за руками! Берем теннисный мяч и в полнолуние отдаляем его от себя таким образом, чтобы он был одинакового размера с Луной, то есть ровно закрывал ее. Руки вам не хватит, сразу скажу. Около семи метров будет. Представили себе такой учебник? Ну хорошо, в учебнике еще в десять раз можно размеры уменьшить. Тогда расстояние будет семьдесят сантиметров, диаметр Земли около двух с половиной, а Луны – около полусантиметра.

Давайте дальше шагать. Размер Солнышка… Те физики, которые еще философами были в Древней Греции, поняли, как вычислять размер и расстояние до нашего светила при помощи лунного затмения. Я тянуть не буду, скажу так. Если наша планета – баскетбольный мяч, Луна – теннисный мяч, то Солнце – шарик диаметром в 25 метров! Выше пятиэтажки, кстати.

А расстояние до этого, кхм-кхм, СЛОНышка в такой масштабной системе будет чуть больше двух с половиной километров. Тут даже в десять раз уменьшать бесполезно. Смиритесь, вы никогда не видели реальную масштабную модель нашей Солнечной системы! Кстати, расстояние от Земли до Солнца называется астрономической единицей.

А если посмотреть расстояние от Солнца до Плутона¹² (да, я старовер, и для меня Плутон все еще планета)? Так вот, от Солнца до Плутона в таких масштабах будет от семидесяти девяти километров до ста тридцати трех в зависимости от положения на орбите. Кстати, интересный факт – реальная площадь Плутона лишь немного больше площади России.

Кроме расстояний и размеров есть еще скорости. Думаю, вы понимаете, что мы сейчас не будем говорить о том, как долго надо будет ехать на машине до Марса. Это к Илону Маску – он Теслу в космос запустил¹³. Нормальная скорость в космосе только одна – световая. Она у нас около 299 792 километров в секунду. Еще раз: почти триста тысяч километров в секунду. Так вот. Дано: Солнце размером с пятиэтажку, Земля размером с баскетбольный мяч, расстояние между ними около двух с половиной километров, масштаб один к пятидесяти пяти с половиной миллионам. Как будет выглядеть скорость света в этом масштабе? Около пяти с половиной метров в секунду. Восьмикратный чемпион мира Усэйн Болт бегает почти вдвое быстрее, хотя, конечно, он спринтер. И доберется луч от Солнца до Земли примерно за восемь с половиной минут.

Ладно, чтобы быстро закончить с нашей системой, напомню известный факт. Между Луной и Землей можно впихнуть все остальные планеты Солнечной системы. Вместе с Плутоном, если мне память с математикой не изменяют.

А сколько до ближайшей звезды, кстати? Ближайшая к Солнцу звезда – Проксима Центавра. Расстояние до нее – 270 000 астрономических единиц. Свет от нас к ней будет идти четыре года с небольшим. Давайте немного поменяем масштабы для наглядности? Попробуем Солнце сжать до сантиметра. То есть уменьшим нашу прежнюю систему в две с половиной тысячи раз. Получим, что одна астрономическая единица примерно равна метру. М-да, если Солнце представить шариком с диаметром в 1 сантиметр, то ближайшая звезда будет на расстоянии в 270 километров. Давайте еще сожмем наше Солнце. Пусть будет размером с маленькую песчинку. Где-то одна десятая миллиметра. То есть сжали еще в сто раз. Ну вы поняли, да? Два километра семьсот метров до ближайшей песчинки. Так себе пляж, скажу я вам.

Давайте сыграем в игру. Надеюсь, ни для кого не секрет, что Солнце находится в галактике Млечный Путь? Так вот, просто наугад скажите, сколько нужно песка, чтобы примерно показать количество звезд в этой галактике? Ведро? Два? В Млечном Пути от 200 до 400 миллиардов звезд.

Вес одной песчинки в задачнике по математике предлагают считать равным 0,002 грамма. Предположим. Я пытался прикинуть одно к другому… в смысле плотность песка к размерам песчинки – ну очень приблизительно, но можно поверить. Так вот, если брать галактику… Короче, от 300 до 600 тонн песка нужно, ребята. Возьмем в среднем 450 тонн. Чтобы вы понимали масштабы – это триста кубов песка… Два грузовых вагона под завязку и еще тележка останется. А Солнце – одна песчинка.

Диаметр Млечного Пути – 100 000 световых лет. Да, забыл. Тут измеряют расстояние уже световыми годами. Это расстояние, которое луч света пройдет за один год. Все логично. Если Солнышко – песчинка, то диаметр Млечного Пути будет 70 000 километров… Это чуть больше, чем пять реальных Земель. А Солнце – песчинка…

Давайте выйдем еще дальше. Мы знаем много галактик. От нашего родного и уютного Млечного Пути до ближайшей крупной галактики – Андромеды – примерно два с половиной миллиона световых лет. Да, есть небольшие звездные скопления, есть всякие спутники Млечного Пути, но нам же интересно нормальные масштабы посмотреть.

Опять же, Солнышко – песчинка, тогда расстояние от Млечного Пути до Андромеды примерно миллион семьсот пятьдесят тысяч километров. Если что, в натуральную величину Солнышко – это звезда диаметром чуть меньше полутора миллионов километров, поэтому понятно, что и с чем мы сравниваем. Давайте теперь уменьшим наш Млечный Путь. Пускай теперь все наши два вагона и небольшая тележка будут размером с горошину сантиметровую. Тогда до Андромеды у нас будет около двадцати пяти сантиметров. Плотненько так, в отличие от предыдущих примеров. Но вы же понимаете, что это только для того, чтобы показать, что мы входим в большую такую галактическую структуру. Называется это все Сверхскоплением Девы, или Местным сверхскоплением галактик. В диаметре это Сверхскопление у нас растягивается примерно на 110 миллионов световых лет. Одиннадцать метров, если считать Млечный Путь горошиной. Вообще плотно, да? Так вот, насчет количества этих горошин… Я не очень понимаю такую формулировку, но другой пока не нашел. Итак, цитата: «В состав Местного сверхскопления входят 100 групп и скоплений и около 30 тысяч галактик». Я лично не могу понять: эти 30 тысяч галактик – они отдельно от тех ста групп и скоплений или эти сто групп и насчитывают в общей сложности тридцать тысяч галактик? В любом случае на этом метре с кепкой нам надо раскидать тридцать тысяч горошин. От горошины до горошины плюс-минус двадцать пять сантиметров. Вот что такое Местное сверхскопление галактик, ребята.

Но даже и это не вся обозримая Вселенная. Я уже не буду тут давать аналогии… Просто скажу, что обозримая Вселенная – это шар с диаметром примерно в 93 миллиарда световых лет, а в центре – наша крошечная планета Земля. Просто потому что мы с нее и наблюдаем. Если что – мы не претендуем на место в центре Вселенной. Вот в центре обозримой Вселенной… Ладно-ладно, последняя аналогия. Если Млечный Путь – сантиметровая горошинка, то обозримая Вселенная – шарик на девять километров и триста метров!

Все это мне взорвало мозг и до сих пор продолжает взрывать. Может быть, Большой взрыв – это не про расширение пространства, а про реакцию всего человечества на масштабы этого вселенского мероприятия?

1.6. Как зажигать звезды?

Я уже говорил, что Вселенная – не самая большая поклонница чистоты, и пыли в ней хоть отбавляй. И если мы с женой протираем полки довольно часто, то в дебрях космоса клининга нет. Клубы пыли копятся во Вселенной и растут, пока не превратятся в огромное молекулярное облако. Его еще называют звездной колыбелью.

Это облако достаточно плотное и достаточно большое, чтобы в нем образовывались молекулы из атомов. Обычно это водород.

Так вот, есть огромное облако из водорода. В принципе, дальше все просто. Что-то сталкивает пыль саму с собой. Это может быть столкновение с еще одним таким молекулярным облаком, или облако может пройти через какую-нибудь плотную область галактики, или звездный ветер подтолкнет частички пыли друг к другу. Но это ж космос. Тут масштабы соответствующие. Принцип простой: чем больше комочек, тем больше пыли на него налипает из-за гравитации. Чем больше пыли налипает – тем больше комочек становится.

Ну ладно, летают в космосе целые каменюки из пыли, что дальше-то? А принцип тот же самый. Камни прекрасно сталкиваются друг с другом, так же как сталкивалась пыль. Чем больше было облако, тем больше будет камней, тем больше будет звезда. Если облако было достаточно большим или просто объемным, то звезда может появиться вместе с планетами.

Дальше опять работает гравитация. Помните, как получается черная дыра? Одно сталкивается с другим, и получается большая масса в небольшом пространстве. Тут принцип тот же. Разница только в том, что для звезды плотность нужна меньше.

Ну что, послушали сказку? А теперь выбросьте из головы камни. Это таки водород. Тут газ. Просто где-то он реже, где-то гуще. Принцип проще было объяснить на камнях. Остальное более или менее правильно.

Так вот, появляется большое, плотное и очень густое облако водорода. Помните, мы говорили про сингулярности? Что происходит, когда очень много атомов находятся на небольшом участке пространства? Правильно, повышается температура. Тут уже можно говорить про звезду. Что делает звезда? Светит и греет. А если говорить более научно – излучает. Как раз повышение температуры и есть то самое излучение.

Но пока еще звезда молодая, не очень горячая и не очень яркая. В итоге наше облако стало звездой ДО главной последовательности.

Про последовательность расскажу совсем скоро. Подождите чуток. Так вот, в какой-то момент звезда достаточно уплотняется и нагревается, чтобы пошла термоядерная реакция. Все слышали такую фразочку? Объясняю, атом водорода – это ядро и электрон. Сильно сталкиваем атомы водорода и получаем атом гелия и дофигища энергии. Вот так вот одно с другим сталкивается и из изначального водорода получается почти вся таблица Менделеева. Это мы очень сильно упростили. Я пока не знаю, как объяснить без подготовки термоядерную реакцию.

Как только в звезде начинаются термоядерные реакции, значит – она созрела. И после этого можно считать, что это звезда главной последовательности.

Я обещал рассказать про последовательность, и теперь мы к этому готовы. Все довольно просто. Представьте график. Вверх мы будем откладывать светимость звезды, то есть ее яркость. А вправо – ее температуру. Как вы думаете, как этот график выглядит? Ученые увидели, что есть стройненькая линия, которую и назвали главной последовательностью. Там выше будет загогулина, но в принципе все нормально и укладывается и в уравнения, и в последовательность.

А теперь давайте еще один график представим. Вверх – время жизни звезды на этой самой главной последовательности, вправо – ее масса. Опять получится стройненькая линия, но с уклоном вниз. Чем больше звезда, тем меньше она будет жить на главной последовательности. Либо сама себя сожжет, либо, наоборот, будет слишком яркой и просто выбьется из этой самой линии.

Итак, в общем принципе разобрались. А какие вообще бывают звезды? Вы же знаете, что бывают всякие там карлики белые, желтые, есть какие-то сверхновые звезды ну и тому подобное.

Так вот, давайте по порядку пойдем. Существуют две характеристики, которые измеряют астрофизики. Это светимость и спектр. Пока все просто. Светимость – это то, как ярко светит звезда, а спектр – какого она цвета.

Спектр записывают буквами. Различают голубые (спектральный класс O), бело-голубые (спектральный класс B), белые (спектральный класс A), желто-белые (спектральный класс F), желтые (спектральный класс G), оранжевые (спектральный класс K) и красные звезды (спектральный класс M). Есть еще коричневые (спектральные классы L, T, Y) и черные карлики, но это уже совсем больные, чахлые и умирающие звезды. Еще есть всякая экзотика типа звезд Вольфа – Райе¹⁴ или всяких циркониевых звезд.

Кстати, для запоминания классов звезд существует свое мнемоническое правило (как «каждый охотник желает знать, где сидит фазан» для цветов радуги).

Напомню классы звезд, только русскими буквами, если вы не возражаете: О-Б-А-Ф-Ж-К-М. А правило звучит так: «Один бритый англичанин финики жевал как морковь»¹⁵.

Еще каждый спектральный класс делится на подклассы. Записывают их числами от 0 до 9. Чем холоднее звезда в своем классе, тем больше число. Перейдем к светимости. Ее ученые записывают римскими цифрами. Чем больше цифра, тем меньше светит звезда. Классы светимости звезд располагаются от ярких к тусклым: I класс — самые яркие, крупные и массивные звезды, носящие название сверхгигантов, II класс – яркие гиганты, III класс — нормальные гиганты, IV класс – субгиганты, V класс – звезды главной последовательности, VI класс – субкарлики, VII класс – карлики.

Наше Солнце считается желтым карликом. Если говорить в рамках этой классификации, то оно имеет класс G2 V.

Итак, мы понимаем, что Солнышко карлик. Вспоминаем про масштабы и начинаем разгонять…

Самые яркие супергиганты, еще их называют гипергигантами, – это самые мощные, яркие, тяжелые и самые короткоживущие звезды. Они нестабильны, потому что их масса настолько огромна, что они могут превратиться в черные дыры. Радиус самой большой звезды больше солнечного аж в 1708 раз, а масса, говорят, маленькая. Около 10 солнечных. Хотя самая массивная звезда тяжелее Солнца в 315 раз. Вспомните про масштабы и насладитесь этим моментом. Кстати, в Солнечной системе больше 99 % массы приходится только на одно Солнце. Остальное уже все наши планеты, метеоритные пояса и прочая мелочь.

Остальные классы звезд расписывать не стану, прикиньте сами. Напоминаю: наше Солнце – желтый карлик. Карлик, Карл!

Есть еще двойные-тройные звезды, и на самом деле их мы наблюдаем больше всего. Это наше Солнце – интроверт, а остальные звезды более общительны. Это хоровод звезд, которые либо родились из одного молекулярного облака, либо в процессе как-то встретились, но суть не в этом. Они ведут себя как вращающаяся гантелька. Две звезды, а между ними непонятная фиговина, как правило. Иногда газ, иногда просто центр масс или вообще какая-нибудь гравитационная аномалия. Такие звезды мерцают нам в телескопы с определенной частотой, и мы понимаем, что имеем дело со звездной системой.

Новая – это тоже двойная звезда. Как правило – белый карлик и что-то более спокойное, красное. Белый карлик высасывает газ из своего компаньона, и периодически этот газ взрывается. От взрыва светимость увеличивается довольно сильно, и так мы понимаем, что это новая звезда. Тут вращение – не главное. Важны именно эти взрывы.

Сверхновая звезда. Это последняя стадия жизни некоторых звезд. Вернее, это практически звездная смерть. Гравитация перестает удерживать звезду в целом состоянии, и звезду просто распирает изнутри. По закону сохранения импульса этот взрыв направлен и наружу, и внутрь. Я уже о таком говорил. И в результате получается либо черная дыра, либо нейтронная звезда. Зависит от массы исходной звезды.

И вот мы перешли к сладкому. Нейтронная звезда. Это для меня самая интересная штуковина. Потому что практически вся она состоит из нейтронов. То есть звезда настолько плотная, что вытолкнула из себя все, что ей мешало. Электроны? Нафиг! Протоны? Не надо, лучше нейтрончики поплотнее положим. Да, чем дальше от ядра, тем хуже это работает, и у некоторых нейтронных звезд внешний слой из ядер и тяжелых элементов может составлять около километра, но в общем это настолько плотная звезда, что плотность ее в триллион раз больше плотности воды. Спичка из такого вещества весила бы на земле приблизительно 160 тысяч тонн. Для справки: из вещества нашего Солнца спичка бы весила всего около двух десятитысячных грамма. Плотность Солнца, кстати, всего в полтора раза больше плотности воды. А уж спичка из гипергигантов совсем ничего бы не весила. Но вернемся к нейтронным звездам. Масса таких звезд сравнима с солнечной, а вот радиус всего от 10 до 20 километров в среднем. Кто-то считает, что в самом ее ядре находится кварк-глюонная плазма – это форма вещества, которое считается прародителем всего. Мы не можем отследить что-то более близкое к Большому взрыву.