В рамках научно-популярного марафона «Неделя Дарвина» декан Физического факультета Новосибирского государственного университета, доктор физико-математических наук Владимир Блинов прочитал лекцию о том, как менялись представления человечества о происхождении и структуре Вселенной, а также о роли реликтового излучения в этих исследованиях.
«Моя лекция – это рассказ о том, как человечество пыталось понять устройство мира, в котором мы живем. Я хочу показать, как история Вселенной раскрывается через призму реликтового излучения», – начал своё выступление Владимир Блинов.
Попытки понять устройство мира уходят корнями в глубокую древность. Ещё до нашей эры в античной Александрии учёный Клавдий Птолемей создал труд «Альмагест», в котором описал геоцентрическую модель мира: Земля в центре, а вокруг неё вращаются Солнце, планеты и звёзды. Интересно, что примерно в то же время другой александрийский учёный, Эратосфен, с помощью математических расчётов доказал, что Земля имеет форму шара, и даже вычислил её размеры, хотя и с ошибкой около 10 %. Тем не менее, модель Птолемея оставалась доминирующей на протяжении многих веков.
Ситуация стала меняться спустя многие века, в эпоху Возрождения. Сначала Коперник вновь вернул к жизни гелиоцентрическую систему. Тихо Браге в своих навигационных и астрологических таблицах накопил необходимую массу точных данных о движении планет.
Унаследовав эти знания, его ассистент Иоганн Кеплер после многолетней работы сформулировал на их основе свои знаменитые законы. Согласно первому, каждая планета движется по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находится Солнце. Это стало важным шагом к более точному описанию движения небесных тел.
Второй закон гласит, что радиус-вектор, соединяющий планету и Солнце, за равные промежутки времени описывает равные площади. Этот закон объясняет, что планеты движутся быстрее, когда нах, что стало первым шагом к пониманию того, что гравитация влияет на скорость движения планет.
Третий закон установил связь между расстоянием планеты от Солнца и временем её обращения. Он позволил учёным рассчитывать орбиты планет и предсказывать их движение. Позже этот закон стал основой для закона всемирного тяготения Ньютона.
Исаак Ньютон, как известно, сделал очень много открытий, в частности, сформулировал основы классической механики и дифференциального исчисления, с помощью которых была построена новая модель мироустройства и Солнечной системы.
«Эта модель просуществовала около 300 лет, но постепенно накапливались данные, которые не могли быть объяснены в рамках классической механики. Затем появился Эйнштейн, создавший в начале прошлого века на основе релятивистской механики Специальную и Общую теории относительности, которые предложили новую модель Вселенной», – продолжил Владимир Блинов.
А еще через несколько десятилетий астроном Эдвин Хаббл внес в новую картину мира существенные коррективы. Работая в обсерватории Маунт-Вилсон (Калифорния), он использовал мощный телескоп для наблюдения за галактиками. В то время астрономы спорили о том, являются ли туманности (например, туманность Андромеды) частью Млечного Пути или отдельными галактиками.
Хаббл смог измерить расстояние до туманности Андромеды, доказав, что она находится далеко за пределами Млечного Пути. Это подтвердило, что Вселенная состоит из множества галактик. Он изучил спектры света, исходящего от галактик, и обнаружил, что линии в их спектрах смещены в красную сторону (это явление называется красным смещением). Красное смещение объясняется эффектом Доплера: когда объект удаляется, длина волны его света увеличивается, смещаясь к красной части спектра. Так, Хаббл установил, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Это соотношение он выразил в формуле, известной как закон Хаббла.
Из него следовало, что галактики удаляются от нас, хотя до того считалось, что Вселенная неизменна и статична, и Эйнштейн в своих теоретических работах тоже исходил из этого постулата. Открытие расширения Вселенной стало ключевым аргументом в пользу теории Большого взрыва. Если Вселенная расширяется, значит, в прошлом она была более компактной и горячей. Это привело к идее, что всё началось с сингулярности около 13,8 миллиардов лет назад.
«Этот возраст также определяет радиус видимой части Вселенной, ограниченный скоростью света. Но это даёт учёным уникальную возможность: чем дальше объект, тем более ранний этап его эволюции мы наблюдаем. Благодаря современным телескопам, астрофизики могут буквально видеть историю Вселенной», – подчеркнул Блинов.
Он также описал ключевые этапы эволюции Вселенной, начиная с её состояния в виде ионизированной гелиево-водородной плазмы. Рекомбинация этой плазмы привела к образованию атомов, из которых позже сформировались звёзды и галактики. Этот процесс также вызвал появление реликтового излучения – теплового фона с температурой 2,73 К, предсказанного советским астрофизиком И.С. Шкловским.
В 1965 году астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон случайно обнаружили это излучение, что стало подтверждением теории Большого взрыва. «Это доказало, что 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была заполнена плазмой с температурой 3000 К, а реликтовое излучение – это её "эхо"», – отметил Блинов.
Открытие Хаббла заложило основы современной космологии. Оно вдохновило учёных на создание новых теорий, таких как теория тёмной энергии, возникшая в результате наблюдения за сверхновыми звездами типа Ia. Эти сверхновые используются как «стандартные свечи» для измерения расстояний во Вселенной. Учёные ожидали, что расширение Вселенной должно замедляться из-за гравитационного притяжения. Однако наблюдения показали, что расширение, наоборот, ускоряется. Это стало доказательством существования тёмной энергии - невидимой и неизученной формы энергии, которая создаёт отрицательное давление и действует как антигравитация.
В отличие от обычной материи или тёмной материи, которые притягивают объекты, тёмная энергия расталкивает их, заставляя Вселенную расширяться всё быстрее. Она равномерно распределена по всей Вселенной и, в последней. В результате, по расчетам ученых, тёмная энергия составляет в настоящее время около 68% всей энергии-массы Вселенной, в то время как тёмная материя – около 27%, а обычная материя – всего 5%.
Тёмная энергия объясняет, почему галактики удаляются друг от друга с возрастающей скоростью. И если она продолжит доминировать, Вселенная будет расширяться вечно, становясь всё более холодной и пустой (сценарий «Большого Разрыва» или «Тепловой смерти»). Впрочем, это только предположение, и пока тёмная энергия остаётся одной из самых больших загадок современной науки. Ученые продолжают изучать ее с помощью космических телескопов (например, Euclid, James Webb), наблюдений за сверхновыми, галактиками и крупномасштабной структурой Вселенной, а также экспериментов, направленных на измерение скорости расширения Вселенной с высокой точностью. Они надеются, что это сможет привести к новым открытиям в физике, включая объединение квантовой механики и общей теории относительности.
Открытие расширения Вселенной и реликтового излучения значительно укрепило позиции концепции «Большого взрыва», но дальнейшие исследования мироздания ставили новые вопросы, например, почему температура излучения одинакова в удалённых точках Вселенной, которые не могли взаимодействовать. Ответы на многие вопросы дает инфляционная модель расширения Вселенной, разработанная советским физиком Андреем Линде и американским учёным Аланом Гутом.
Она предполагает, что в первые доли секунды после Большого взрыва Вселенная пережила период чрезвычайно быстрого экспоненциального расширения. Этот период называется космологической инфляцией. За крошечный промежуток времени (около 10-36 секунды) размер Вселенной увеличился в 101000 и даже больше раз, что на многие порядки превышает тот самый радиус видимой ее части.
Это решает проблемы одинаковой температуры, монополей и много другого, ведь согласно модели, сначала Вселенная была крошечной и однородной, и потом из-за квантовых флуктуаций она мгновенно расширилась, что привело к образованию множества «пузырей»-вселенных.
Одним из интересных следствий инфляционной модели является идея Мультивселенной. Поскольку инфляция может происходить в разных областях пространства-времени, возможно, что наша Вселенная – лишь одна из множества «пузырьковых вселенных», каждая со своими физическими законами и свойствами.
Сергей Исаев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии