Рождение и жизнь Вселенной: последние открытия ученых

Ученые утверждают, что Вселенная, родившись из ничтожно малой точки, теперь стремительно расширяется. Что ожидает наш мир? Какими были первые и будут последними мгновения жизни нашей Вселенной? Знания и предсказания ученых

По современным представлениям ученых, Вселенная возникла из очень малого объёма, намного меньшего, чем точка, которую мы ставим в конце предложения. А формирование Вселенной началось с Большого взрыва. С тех пор Вселенная увеличилась в тысячу раз, и продолжает расширяться, причем последние несколько миллиардов лет - с ускорением. Физики так глубоко разработали теорию Большого взрыва, что к настоящему времени могут объяснить процессы, происходившие во Вселенной с момента, когда ей было 10 в минус 43 степени секунды. 

Гость программы “Космическая среда” в студии -  главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований, член-корреспондент Российской академии наук, доктор физико-математических наук Игорь Ткачев.

Ведущая программы - Мария Кулаковская.


Рождение ВселеннойВопрос, откуда взялась Вселенная, задает каждый человек. Существовала ли она всегда или, если Вселенная была рождена, как проходили первые мгновения ее жизни? Согласно теории относительности Эйнштейна, основы физической модели нашего мира, - Вселенная возникла из некой точки с очень большой плотностью и бесконечным количеством энергии. Этому событию ученые дали громкое название - Большой взрыв.Говорит Владимир Сурдин, старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга: “Есть несколько физических теорий, но проверить их, может, никогда не удастся. Дело в том, что в момент начала расширения Вселенной, называемый Большим взрывом, условия были такими, что смоделировать в земных лабораториях не на чем”.Чтобы понять природу этого явления, ученые всего мира сегодня следят за экспериментами на Большом адронном коллайдере - огромном ускорителе элементарных частиц.

Продолжает Владимир Сурдин: “Там протоны, нейтроны, другие частицы с такими энергиями, которые похожи на те, что были в момент Большого взрыва. Но только похожи, все равно они сильно уступают по энергии. Значит, понять, какая там была физика, что происходило, можно только теоретически, прогнозируя, что должно быть потом”.

При попытках дать представление о начальном периоде жизни Вселенной надо оперировать такими числами, что их с трудом воспринимает даже наше воображение. Ранняя Вселенная была настолько мала, что даже атом протона по сравнению с ней мог бы казаться Луной.

Говорит Сергей Сазонов, сотрудник Института космических исследований Российской академии наук: “Если бы мы жили в ту эпоху, то небо представлялось бы миллионами солнц. Такой яркий свет окружал бы нас со всех сторон. Но с тех пор, из-за того, что Вселенная увеличилась в тысячу раз, этот свет перешел в диапазон, который глаз уже не видит напрямую, нужны приемники”.

Последствия Большого взрыва, давшие начало возникновению Вселенной, чем-то напоминают лавину в горах. Этот процесс называют “космической инфляцией”. Процесс расширения Вселенной длится до сих пор.

Говорит старший научный сотрудник Института космических исследований Российской академии наук Алексей Вихлинин: “Мы занимаемся исследованием совершенно удивительного явления. Вселенная последние несколько миллиардов лет расширяется не с замедлением, а с ускорением, в обыденной жизни. Просто показать удивительность этого явления. Например, если мы подбросим яблоко, а оно, вместо того, чтобы падать вниз, полетело бы вверх, и не просто вверх, а все с более ускоряющейся скоростью”.

Астрофизики полагают, что Вселенная везде одинаковая. Сегодня известно более 1 миллиона галактик и квазаров. Расстояние от Земли - до 15 миллиардов световых лет. Они равномерно распределены в пространстве, а их движение не имеет явно выделенного направления. Эти данные позволяют прогнозировать будущее Вселенной.

По одной из гипотез, если геометрия пространства-времени замкнутая, а Вселенная похожа на сферу, то в будущем она непременно сожмется. Если же Вселенная открыта, то она будет расширяться вечно. Пока наблюдения астрономов подтверждают теорию об открытой Вселенной.

Интервью

О прошлом и будущем Вселенной расскажет главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований, член-корреспондент Российской академии наук, доктор физико-математических наук Игорь Ткачев.

Кулаковская: Господин Ткачев, мы знаем, что ваша специализация - физика частиц, астрофизика и космология. И если с первыми двумя науками более менее понятно, что изучает космология?

Ткачев: Космология  - это наука о строении и происхождении Вселенной. Это фундаментальный вопрос, которым человек всегда интересовался. Глядя на небо, он всегда задавал себе вопрос, откуда это все взялось, кто мы и откуда пришли.

Кулаковская: Так, откуда взялась Вселенная? Известно, что решение уравнений Общей теории относительности Эйнштейна в 1922 году говорило о том, что Вселенная возникла из начальной сингулярности, то есть из некой точки очень большой плотности. А подтверждением теории Большого взрыва стало открытие в 1922 году красного смещения галактик. Вечно ли расширение Вселенной или когда-нибудь этот процесс может закончиться?

Ткачев: Теория Большого взрыва - это несколько более сложная вещь, это не просто расширение Вселенной, это еще и горячая вселенная. И, действительно, тот факт, что Вселенная расширяется, получил русский ученый Александр Фридман, решая уравнение Эйнштейна. Потом это расширение было обнаружено экспериментально американским астрономом Эдвином Хабблом. Это красное смещение, как вы говорите.

Но это еще не все. Вселенная могла бы быть холодной. При этом галактики друг от друга расширяются, и больше ничего. Но Георгий Шамов, русский ученый, работавший в Америке, теоретически предсказал в 1946 году, что Вселенная когда-то была очень горячей, температуры в ней были очень высокие. Как раз тот факт, что Вселенная расширяется, означает, что в будущем она будет холоднее, а  в прошлом была очень горячей.

Анализируя синтез легких элементов в звездах, Шамов пришел к выводу, что образования в звездах происходят недостаточно эффективно. Элементы гелия, в частности, рождались в ранней Вселенной, значит, она должна была быть горячей и в прошлом, и остаток этого жара Вселенной - реликтовое микроволновое электроизлучение - мы должны наблюдать сегодня. Оно действительно было открыто в 1965 году. Это очень важный инструмент изучения реликтового излучения, а это один из основных, ключевых элементов. Благодаря этому космология стала точной наукой. Сегодня мы знаем очень много о Вселенной с большой точностью.

Кулаковская: А другие ученые говорят, что ничего не знают.

Ткачев: Нет, это неправда. Мы знаем очень многое и с очень большой точностью. Космология стала точной наукой буквально лет 10-20 назад. Произошла, буквально, революция в космологии. И если раньше мы что-то говорили приближенно, с точностью до порядка, то сегодня знаем многие космологические параметры с точностью до процентов.

Если формально экстраполировать уравнение расширяющейся Вселенной в прошлое, мы придем к выводу, что начальная  сингулярность температуры в момент Большого взрыва должна была быть равна бесконечности. С этим связано много загадок. Например, если просто посмотреть на уравнение Эйнштейна, то легко можно сделать вывод, что типичная вселенная должна была бы жить 10-45 секунд, а возраст нашей Вселенной сегодня - 14 миллиардов лет. И для того, чтобы Вселенная прожила так долго, нужно очень точно подобрать начальные условия, с колоссальной точностью. Типичная вселенная должна была бы содержать одну-две частицы, а наша Вселенная - 10 в 80  степени частиц. Это колоссальное число. Один миллион - это 10 в 6 степени. Можно постулировать это как начальные условия, но тогда это уже не физика.

Физики всегда хотят найти какой-то естественный механизм, который бы приводил к неестественным начальным условиям. И, действительно, такой механизм был найден. Опять же, я скажу с гордостью, один из отцов теории, которая это все объяснила, Инфляционной теории (Инфляционная теория Вселенной), является российский ученый Алексей Старобинский и Андрей Ленде.

Кулаковская: А какие модели Вселенной существуют сегодня? Грубо говоря, мы можем сказать, что Вселенная похожа на сферу или ленту Мебиуса…

Ткачев: Еще лет 10 назад мы могли спекулировать, а сегодня знаем, что она плоская, как стол. Из наблюдений знаем, что Вселенная имеет евклидову геометрию существа. Сумма углов треугольников в ней равна 180 градусам. Представьте, вы живете на поверхности двухмерной. Она может быть плоской, как стол, а может быть с поверхностью шара. Если будете рисовать треугольник на шаре, то сумма углов не будет равна 180 градусам, а на плоскости - 180. Наш мир - трехмерный, но мы знаем, что он плоский. И объяснение этому тоже дает инфляционная теория.

Кулаковская: Игорь Иванович, сегодня известно более миллиона галактик и квазаров на расстоянии до 15 миллиардов световых лет.

Ткачев: Это связано с расширением Вселенной и с ее возрастом.

Кулаковская: Она продолжает расширяться, ученые уже это доказали? Галактики удаляются друг от друга? Почему Вселенная однородная и одинаковая по всем направлениям? И почему в ней так много частиц, но нет ничего лишнего?

Ткачев: Это можно рассматривать как начальные условия классической космологии. Вселенная такая большая, такая старая, такая плоская, она всюду одинаковая. Она, действительно, очень однородная. Измерение электроизлучения говорит нам о том, что флуктуация (от лат. fluctuatio - колебание, случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц) плотности или температуры во Вселенной находятся на уровне - одна стотысячная одной миллионной. То есть, если представить себе это как поверхность металлической сферы радиусом один метр, то шероховатости на ней не больше, чем один микрон.

Вот такой Вселенная была на своих ранних стадиях. И ответ на вопрос, почему она такой стала, дает как раз Инфляционная теория, которая объясняет происхождение Большого взрыва. Она была сконструирована, чтобы объяснить начальные условия. Но оказалось, что за этой теорией стоит большая предсказательная сила. В двух словах я скажу, почему это работает. Это, наверно, единственный случай, когда можно получить что-то из ничего. Что было в самом начале, мы, конечно, не знаем. Это могла быть какая-то квантовая флуктуация и еще что-то. Но, скорее всего, это было что-то маленькое в пространственном измерении и в нем содержалось мало энергии. Но если начальное состояние было близко к вакуумному, тогда вакуумное состояние обладает необычными свойствами. Оно антигравитирует. Обычно гравитация устроена так: сила тяготения замедляет расширение, и плотность энергии падает. А если начальное состояние - вакуумное, то, наоборот, Вселенная расширяется с ускорением, все работает как антигравитация, а энергия при этом не уменьшается.

Вот так удивительно. Это легко понять, но формула. Это происходило очень короткий промежуток времени - те же 10 в минус 30-45 степени секунды, в зависимости от модели. Но за это время Вселенная успела расшириться до таких гигантских размеров, и в ней нагенерировалось колоссальное количество энергии. Откуда берется этот вакуум? Это не пустота. По современным представлениям, вакуум может иметь ненулевую плотность энергии. Эта ненулевая плотность энергии с вакуумным уровнем состояния и является источником, двигателем антигравитации. Более того, если бы это было просто так, то тогда Вселенная была бы пустая, в ней бы ничего не было. Но опять же физический вакуум - это не пустота. В нем все время рождаются и исчезают частицы. Но если Вселенная при этом расширяется, то рожденные частицы не могут вновь найти свою пару, чтобы пронегелировать. Энергия сохраняется. И если что-то родилось, то, кстати, оно исчезнет. Такие вот вакуумные флуктуации вокруг нас.

А на ранних этапах, когда Вселенная расширялась очень быстро, рожденные частицы не могли найти своего партнера и становились уже классическими. Они рождались, и этот квантовый процесс рождения привел к тому, что наша Вселенная не полностью везде однородная, одинаковая, а флуктуация плотности в ней находится на уровне 10 и одна стотысячная, одна  миллионная. И мы это наблюдаем. В микроволновом излучении мы просто видим этот узор квантовых флуктуаций. Одновременно самые большие масштабы и самые маленькие сошлись. И мы видим проявление квантовой механики в масштабах всей Вселенной, что очень интересно.

И эти квантовые флуктуации необходимы для того, чтобы во Вселенной возникли галактики, звезды. Именно из этих начальных флуктуаций и возникла структура Вселенной наблюдаемой нами Галактики. На самом деле, это не просто слова. Можно измерять различные статистические свойства распределения галактик, свойства их температуры. Все находится в согласии с Инфляционной теорией. Она возникла как способ реально объяснить удивительные начальные условия. У нее большая предсказательная сила. И все, что мы наблюдаем, было проверено.

Кулаковская: Каким образом?

Ткачев: Были запущены спутники. Сначала запускали советские спутники, которые пытались найти возмущение температуры реликтового излучения. Но они ставили только ограничения флуктуаций температуры, сначала на уровне 10 минус два, 10 минус три. Потом, наконец, американский спутник нашел признаки этих флуктуаций. В 1992 году впервые это было зарегистрировано. Потом, лет 10 назад, был запущен американский спутник WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), который все померил с большой точностью. Было много и других экспериментов, которые мерили в различном диапазоне угловых расстояний спектр возмущения температуры. Но самый большой известный - это спутник WMAP. Он до сих пор летает, собирает данные.

В этом году был запущен европейский спутник, который измерит еще с большей степенью точности. И, наверное, пока все находится в согласии с Инфляционной теорией, которая объясняет происхождение начальных условий Большого взрыва. Но не доказано. В принципе, нужно придумать альтернативу. Окончательных доказательств нет. Ученые надеются. Во всяком случае, если эти самые волны, это эхо, это инфляционная стадия, будут зарегистрированы, то это будет, в общем, окончательным доказательством. Наверно, ни у кого сомнений не останется, что Инфляционная теория верна.

Кулаковская: А европейцы и американцы охотно делятся с вами информацией?

Ткачев: Да, конечно. Это все в открытом доступе. Каждый может сегодня залезть в Интернет и посмотреть данные, проанализировать их сам.

Кулаковская: Игорь Иванович, вы являетесь автором пионерских работ по астрономии космических лучей сверхвысоких энергий. Расскажите об этом.

Ткачев: Это не совсем имеет отношение к космологии. Это, скорее, астрофизика и физика элементарных частиц. Мы экспериментально знаем, что в природе существуют элементарные частицы, которые ускорены до колоссальных энергий, до энергий в тысячу раз больше, чем энергии, достижимые на ускорителях на Земле. Например, Большой адронный коллайдер. Энергия частиц, ускоренных в нем, - один электрон/вольт. А самые энергичные частицы, которые наблюдаются в природе, это 10 двадцатых электрон/вольт. Загадка такая, откуда взялись эти частицы, что их ускорило до таких энергий, какие физические процессы? Это должно быть что-то очень мощное, на уровне галактики. Потому что в планетарных масштабах, звездных масштабах до таких энергий ускорить нельзя. Мы много знаем, исследуя космические лучи. Например, мы знаем, что эксперименты с элементарными частицами безопасны на Земле, потому что в природе постоянно происходит столкновение частиц с еще большими энергиями.

Кулаковская: Это вы о работе адронного коллайдера сейчас говорите? О том, что он безопасен?

Ткачев: Да. Он работает уже три месяца. И загадка, просто интересно узнать, откуда такие частицы взялись, что их ускорило, какой гигантский ускоритель. Оценивая масштаб энергии, можно прийти к выводу, что это должны быть активные галактические ядра - черные дыры с массой, сравнимой с массой галактики. В нашей Галактике есть черная дыра, и ее масса равна одному миллиону солнечных масс. Масса нашей Галактики - 10 в одиннадцатой степени солнечных масс. Черные дыры, которые ускоряют до самых высоких энергий, имеют массу в 10 миллиардов солнечных масс, сравнимую с массой всей нашей Галактики. Теоретически можно прийти к выводу, что именно такие черные дыры являются ускорителями. Сегодня получены косвенные наблюдения, что, действительно, космические лучи приходят от таких активных галактик. Наша задача - это найти, подтвердить или опровергнуть. Это уже начало астрономии заряженных частиц.

Вообще, космология претерпела эволюцию в последнее время, и я считаю, что самые интересные, захватывающие открытия сегодня идут из космологии, если говорить о фундаментальной физике. Посмотрим, что нам скажет Большой адронный коллайдер. Есть стандартная модель физики частиц. И стандартная космологическая модель говорит нам о том, что стандартная модель физики частиц не полна. Должно быть что-то еще за рамками наших представлений. Мы знаем сегодня состав Вселенной. И Вселенная только на пять процентов состоит из вещества.

Кулаковская: А все остальное?

Ткачев: Все остальное: 25 процентов - это то, что называется темной материей, 70 процентов - то, что называется темной энергией. Это все за рамками стандартной модели. Что это такое? Космология нам сказала, что это есть, а что это такое, мы не знаем. И, может быть, Большой адронный коллайдер нам поможет узнать. Есть другие эксперименты, глубоко под землей, в подземных лабораториях, которые пытаются найти что-то такое.

Кулаковская: В России тоже такие эксперименты проводятся?

Ткачев: В России не очень, но есть.

Кулаковская: Есть. Спасибо, Игорь Иванович, что объяснили нам, как устроена Вселенная. Будем расширяться дальше. У нас в студии был главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований, член-корреспондент Российской академии наук, доктор физико-математических наук Игорь Ткачев.

Новости

Пилоты нового российского космического корабля “Русь” вместо летных скафандров будут находиться в специальных спасательных герметических капсулах. Их детальное проектирование начнется на предприятии “Звезда” после того, как будут известны точные размеры нового корабля и параметры перегрузок.

На томилинском предприятии “Звезда” были созданы все советские и российские скафандры, включая и самый первый, гагаринский. К старту проекта “Марс-500″ здесь разработали специальные скафандры для Красной планеты.

Говорит Сергей Поздняков, генеральный директор и генеральный конструктор Научно-производственного предприятия “Звезда”: “Вы будете надевать обтягивающий комбинезон, и не надо будет надевать эти оболочки. У вас только шлем будет. Сейчас такие проекты уже есть, лет через 15-20 мы сделаем такой скафандр. Это даже не скафандр будет, а костюм”.

Новый многоразовый корабль “Русь” будет больше нынешних “Союзов”, отличаясь от них и более высокой точностью приземления. Кроме скафандров-капсул, специалисты “Звезды” участвуют в разработках кресел для пилотов, а также бортовых систем жизнеобеспечения нового российского суперкорабля.

***
Риск падения астероидов на Землю очень велик, считают российские ученые. Ведь мы до сих пор мало что знаем о большинстве опасных небесных тел. Самое знаменитое из них сегодня - астероид Апофис, способный в 2036 году столкнуться с нашей планетой. На совместном заседании “Роскосмоса” и Совета Российской академии наук обсудили программу защиты от астероидов и комет.

Рассказывает Александр Девяткин, заместитель директора по научной работе Пулковской обсерватории: “Сейчас при РАН существует экспертная группа, которая так и называется - экспертная группа. Задачи ее заключаются в том, чтобы принять меры или свести к минимуму последствия падения комет или астероидов. Мы здесь, в Пулково, начали эти работы еще лет 10 назад. Цель наблюдения - получение координат объектов и фотометрических характеристик”.

До сих пор нет глобальной системы по выявлению опасных тел. Сегодня астероиды замечают на близком расстоянии и, чаще всего, случайно. Для обнаружения потенциально опасных астероидов необходимы специальные телескопы, чтобы быстро сканировать ближний космос. Для того, чтобы увести астероид с опасной орбиты, ученые и специалисты “Роскосмоса” не исключают и применение термоядерных устройств.

 Скачать полную версию программы

Источник: Голос России

Метки: , , , ,

Оставьте свой отзыв!