Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Расстояние от Земли до ближайшей звезды за пределами Солнечной системы – четыре световых года.
Диаметр нашей галактики – Млечного Пути – около ста тысяч световых лет.
Расстояние между скоплениями галактик – миллионы световых лет.
Размер сверхскопления галактик – сотни миллионов световых лет.
Размер наблюдаемой Вселенной – более миллиарда световых лет.
* * *
Таковы в общем виде масштабы, с которыми мы будем работать в этой книге.
Кто-то еще хочет получить от меня совет по поводу теней и туши для ресниц? Сомневаюсь.
1
Гравитация, тыквы и космология
Космология – это наука о том, как гравитация определяет эволюцию всей Вселенной. Следовательно, чтобы разобраться в космологии, мы должны разобраться в гравитации.
Гравитация – самое слабое из известных человеку природных взаимодействий. Взаимодействие же с точки зрения физики – это всего лишь отталкивание или притяжение, оказываемые на объект. Здесь нет никаких подводных камней. Одна из главных причин, по которым физику принято считать самой фундаментальной наукой, заключается в том, что именно представители этой области доказали: в природе существует лишь четыре фундаментальные силы. Одна из них, называемая сильным взаимодействием и действующая в ядре атома, является самой мощной и удерживает вместе элементарные частицы. Любое атомное ядро состоит из нейронов и протонов, и если бы не сила, которая их связывает, электрическое отталкивание, возникающее между положительно заряженными протонами, заставило бы его разлететься на части. Энергия, связанная с сильным взаимодействием, высвобождается, например, в момент ядерного взрыва. Однако этот тип силы действует только в атомном ядре, которое, в масштабах космологии, чрезвычайно мало.
Вторая фундаментальная сила – это слабое взаимодействие. В миллиарды раз более слабая, она управляет некоторыми формами радиоактивного распада. Например, она определяет скорость распада трития, тяжелого изотопа водорода, который после распада превращается в изотоп гелия. Как и сильное, слабое взаимодействие работает лишь в пределах атомного ядра, незначительного в масштабах космологии.
Наиболее важными в нашей повседневной жизни являются электрическое и магнитное поля, представляющие собой две стороны электромагнитного взаимодействия. Оно работает во всех химических соединениях и движет всеми электромагнитными устройствами – тостерами, смартфонами и вообще всем, что давно стало привычной частью нашей жизни. Несмотря на то что электромагнитное взаимодействие является основой современной цивилизации, для его создания требуется электрический заряд, а поскольку такие астрономические тела, как планеты, его не имеют, они не могут оказывать друг на друга электрическое и магнитное воздействие.
Все объекты оказывают друг на друга гравитационное воздействие. Тем не менее сама гравитация (четвертая сила) слаба по сравнению с другими видами взаимодействия – тот факт, что гравитационное притяжение всей Земли не может сдвинуть с места даже магнит на холодильнике, показывает, насколько гравитационная сила слабее по сравнению с электромагнитной. Физики склонны считать, что гравитационное притяжение между двумя ядрами водорода, протонами, примерно на тридцать шесть порядков величины[3] меньше, чем электрическое отталкивание между ними. Инженеры, к примеру, вообще не учитывают гравитацию, разрабатывая электрические приборы.
И все же, поскольку ядерные силы действуют только в пределах атомного ядра, а астрономические тела электрически нейтральны, получается, что судьба Вселенной в руках самой слабой из всех сил в природе.
* * *
Современная теория гравитации представляет собой общую теорию относительности Эйнштейна, которую часто и справедливо называют самой красивой научной теорией.
На первый взгляд может показаться, что общая теория относительности – это всего лишь доработка теории тяготения Ньютона, разработанной последним почти четыреста лет назад. Вся теория состоит из одного уравнения, объясняющего, каким образом сила гравитации между двумя объектами зависит от их масс и расстояния, которое их разделяет. Нам даже не нужно записывать это уравнение, чтобы понять его смысл: зная массы объектов и расстояние между ними, мы можем точно определить силу гравитации, действующую между ними[4].
Выше я уже говорил, что сила в физике – это на самом деле отталкивание или притяжение. Она заставляет объект менять свою скорость, или, другими словами, ускоряться. Если пианино движется, ускоряясь и замедляясь, на него действует сила. Если скорость движения пианино неизменна, оно не находится под действием силы.
Согласно теории Ньютона, если мы знаем, какие силы действуют на объект, мы можем вычислить величину его ускорения и таким образом спрогнозировать его поведение в будущем. Это значит, что если бы нам были известны массы всех звезд во Вселенной и актуальные расстояния между ними, мы бы знали все как о ее прошлом, так и о ее будущем. Именно поэтому Вселенную Ньютона часто сравнивают с часовым механизмом. По большей части это сравнение справедливо.
* * *
Ньютоновская теория тяготения так хорошо показала себя в стандартных условиях работы, что в течение еще двух столетий астрономы были уверены, будто она может объяснить абсолютно все перемещения, наблюдаемые в Солнечной системе. Лишь к середине XIX века они начали догадываться, что могли заблуждаться. Как и все планеты, Меркурий движется вокруг Солнца по эллиптической орбите. В случае если бы Меркурий и Солнце были единственными небесными телами в Солнечной системе, точка, в которой расстояние между ними минимально, называемая перигелием, всегда оставалась бы неподвижной. Но астрономы заметили, что перигелию свойственно постепенно менять свое местоположение. Результаты расчетов показали, что в значительной степени эти перемещения вызваны гравитационным притяжением со стороны других планет Солнечной системы, однако это не объясняло всего смещения. И это загадочное отклонение ученые пытались объяснить в течение почти полувека, выдвигая самые разные теории.
Когда в начале XX века Эйнштейн начал разрабатывать общую теорию относительности, смещение перигелия Меркурия было единственным наблюдаемым доказательством (помимо теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла), подтверждающим, что теория тяготения Ньютона может оказаться неполноценной.
Начнем с того, что теория Ньютона – это теория частиц и сил. Представьте себе две тыквы на грядке. Мы можем считать их двумя телами, притягивающими друг друга сквозь грядки. Земля и Луна – такие же тела: они тоже притягивают друг друга в результате воздействия на них гравитации, но уже в космосе. Ни в том, ни в другом случае теория Ньютона не объясняет, как сила передается от одного тела к другому. По этой причине ньютоновскую гравитацию часто называют теорией действия на расстоянии (во времена
