материал из книги Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова "Кратчайшая история времени"

Эффект Доплера

В 1920-е годы, когда астрономы начали изучать спектры звезд в других галактиках, было обнаружено нечто очень интересное: это оказались те же самые характерные наборы отсутствующих цветов, что и у звезд в нашей собственной галактике, но все они были смещены к красному концу спектра, причем в одинаковой пропорции. Физикам смещение цвета или частоты известно как эффект Доплера.

Мы все знакомы с тем, как это явление воздействует на звук. Прислушайтесь к звуку проезжающего мимо вас автомобиля. Когда он приближается, звук его двигателя или гудка кажется выше, а когда машина уже проехала мимо и стала удаляться, звук понижается. Полицейский автомобиль, едущий к нам со скоростью сто километров в час, развивает примерно десятую долю скорости звука. Звук его сирены представляет собой волну, чередование гребней и впадин. Напомним, что расстояние между ближайшими гребнями (или впадинами) называется длиной волны. Чем меньше длина волны, тем большее число колебаний достигает нашего уха каждую секунду и тем выше тон, или частота, звука.

Эффект Доплера вызван тем, что приближающийся автомобиль, испуская каждый следующий гребень звуковой волны, будет находиться все ближе к нам, и в результате расстояния между гребнями окажутся меньше, чем если бы машина стояла на месте. Это означает, что длины приходящих к нам волн становятся меньше, а их частота – выше. И наоборот, если автомобиль удаляется, длина улавливаемых нами волн становится больше, а их частота – ниже. И чем быстрее перемещается автомобиль, тем сильнее проявляется эффект Доплера, что позволяет использовать его для измерения скорости.

Когда источник, испускающий волны, движется по направлению к наблюдателю, длина волн уменьшается. При удалении источника она, напротив, увеличивается. Это и называют эффектом Доплера.

Свет и радиоволны ведут себя подобным же образом. Полиция использует эффект Доплера для определения скорости автомобилей путем измерения длины волны отраженного от них радиосигнала. Свет представляет собой колебания, или волны, электромагнитного поля. Длина волны видимого света чрезвычайно мала – от сорока до восьмидесяти миллионных долей метра. Человеческий глаз воспринимает световые волны разной длины как различные цвета, причем наибольшую длину имеют волны, соответствующие красному концу спектра, а наименьшую – относящиеся к синему концу. Теперь представьте себе источник света, находящийся на постоянном расстоянии от нас, например звезду, испускающую световые волны определенной длины. Длина регистрируемых волн будет такой же, как у испускаемых. Но предположим теперь, что источник света начал отдаляться от нас. Как и в случае со звуком, это приведет к увеличению длины волны света, а значит, спектр сместится в сторону красного конца.

Расширение Вселенной

Доказав существование других галактик, Хаббл в последующие годы занимался определением расстояний до них и наблюдением их спектров. В то время многие предполагали, что галактики движутся беспорядочно, и ожидали, что число спектров, смещенных в синюю сторону, будет примерно таким же, как число смещенных в красную. Поэтому полной неожиданностью стало открытие того, что спектры большинства галактик демонстрируют красное смещение – почти все звездные системы удаляются от нас! Еще более удивительным оказался факт, обнаруженный Хабблом и обнародованный в 1929 году: величина красного смещения галактик не случайна, а прямо пропорциональна их удаленности от нас. Другими словами, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется! Отсюда вытекало, что Вселенная не может быть статичной, неизменной в размерах, как считалось ранее. В действительности она расширяется: расстояние между галактиками постоянно растет.

Осознание того, что Вселенная расширяется, произвело настоящую революцию в умах, одну из величайших в двадцатом столетии. Когда оглядываешься назад, может показаться удивительным, что никто не додумался до этого раньше. Ньютон и другие великие умы должны были понять, что статическая Вселенная была бы нестабильна. Даже если в некоторый момент она оказалась бы неподвижной, взаимное притяжение звезд и галактик быстро привело бы к ее сжатию. Даже если бы Вселенная относительно медленно расширялась, гравитация в конечном счете положила бы конец ее расширению и вызвала бы сжатие. Однако, если скорость расширения Вселенной больше некоторой критической отметки, гравитация никогда не сможет его остановить и Вселенная продолжит расширяться вечно.

Здесь просматривается отдаленное сходство с ракетой, поднимающейся с поверхности Земли. При относительно низкой скорости тяготение в конце концов остановит ракету и она начнет падать на Землю. С другой стороны, если скорость ракеты выше критической (больше 11,2 километра в секунду), тяготение не может удержать ее и она навсегда покидает Землю.

В 1965 году два американских физика, Арно Пензиас и Роберт Вильсон из «Белл телефон лабораторис» в Нью-Джерси, отлаживали очень чувствительный микроволновый приемник. (Микроволнами называют излучение с длиной волны около сантиметра.) Пензиаса и Вильсона беспокоило, что приемник регистрировал больший уровень шума, чем ожидалось. Они обнаружили на антенне птичий помет и устранили другие потенциальные причины сбоев, но скоро исчерпали все возможные источники помех. Шум отличался тем, что регистрировался круглые сутки в течение всего года независимо от вращения Земли вокруг своей оси и ее обращения вокруг Солнца. Так как движение Земли направляло приемник в различные сектора космоса, Пензиас и Вильсон заключили, что шум приходит из-за пределов Солнечной системы и даже из-за пределов Галактики. Казалось, он шел в равной мере со всех сторон космоса. Теперь мы знаем, что, куда бы ни был направлен приемник, этот шум остается постоянным, не считая ничтожно малых вариаций. Так Пензиас и Вильсон случайно наткнулись на поразительный пример о том, что Вселенная одинакова во всех направлениях.

Каково происхождение этого космического фонового шума? Примерно в то же время, когда Пензиас и Вильсон исследовали загадочный шум в приемнике, два американских физика из Принстонского университета, Боб Дик и Джим Пиблс, тоже заинтересовались микроволнами. Они изучали предположение Георгия (Джорджа) Гамова о том, что на ранних стадиях развития Вселенная была очень плотной и добела раскаленной. Дик и Пиблс полагали, что если это правда, то мы должны иметь возможность наблюдать свечение ранней Вселенной, поскольку свет от очень далеких областей нашего мира приходит к нам только сейчас. Однако вследствие расширения Вселенной этот свет должен быть столь сильно смещен в красный конец спектра, что превратится из видимого излучения в микроволновое. Дик и Пиблс как раз готовились к поискам этого излучения, когда Пензиас и Вильсон, услышав об их работе, поняли, что уже нашли его. За эту находку Пензиас и Вильсон были в 1978 году удостоены Нобелевской премии (что кажется несколько несправедливым в отношении Дика и Пиблса, не говоря уже о Гамове).

На первый взгляд тот факт, что Вселенная выглядит одинаково в любом направлении, свидетельствует о том, что мы занимаем в ней какое-то особенное место. В частности, может показаться, что раз все галактики удаляются от нас, то мы должны находиться в центре Вселенной. Есть, однако, другое объяснение этого феномена: Вселенная может выглядеть одинаково во всех направлениях также и при взгляде из любой другой галактики.

Все галактики удаляются друг от друга. Это напоминает расползание цветных пятен на поверхности надуваемого воздушного шара. С ростом размеров шара увеличиваются и расстояния между любыми двумя пятнами, но при этом ни одно из пятен нельзя считать центром расширения. Более того, если радиус воздушного шара постоянно растет, то чем дальше друг от друга находятся пятна на его поверхности, тем быстрее они будут удаляться при расширении. Допустим, что радиус воздушного шара удваивается каждую секунду. Тогда два пятна, разделенные первоначально расстоянием в один сантиметр, через секунду окажутся уже на расстоянии двух сантиметров друг от друга (если измерять вдоль поверхности воздушного шара), так что их относительная скорость составит один сантиметр в секунду. С другой стороны, пара пятен, которые были отделены десятью сантиметрами, через секунду после начала расширения разойдутся на двадцать сантиметров, так что их относительная скорость будет десять сантиметров в секунду. Скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Тем самым красное смещение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас – это та самая зависимость, которую позднее обнаружил Хаббл. Российскому физику и математику Александру Фридману в 1922 году удалось предложить удачную модель и предвосхитить результаты наблюдений Хаббла, его работа оставалась почти неизвестной на Западе, пока в 1935 году аналогичная модель не была предложена американским физиком Говардом Робертсоном и британским математиком Артуром Уокером уже по следам открытого Хабблом расширения Вселенной.

Вследствие расширения Вселенной галактики удаляются друг от друга. С течением времени расстояние между далекими звездными островами увеличивается сильнее, чем между близкими галактиками, подобно тому как это происходит с пятнами на раздувающемся воздушном шаре. Поэтому наблюдателю из любой галактики скорость удаления другой галактики кажется тем больше, чем дальше она расположена.

Три типа расширения Вселенной

Первый класс решений (тот, который нашел Фридман) предполагает, что расширение Вселенной происходит достаточно медленно, так что притяжение между галактиками постепенно замедляет и в конечном счете останавливает его. После этого галактики начинают сближаться, а Вселенная – сжиматься. В соответствии со вторым классом решений Вселенная расширяется настолько быстро, что гравитация лишь немного замедлит разбегание галактик, но никогда не сможет остановить его. Наконец, есть третье решение, согласно которому Вселенная расширяется как раз с такой скоростью, чтобы только избежать схлопывания. Со временем скорость разлета галактик становится все меньше и меньше, но никогда не достигает нуля.

Удивительная особенность первой модели Фридмана – то, что в ней Вселенная не бесконечна в пространстве, но при этом нигде в пространстве нет никаких границ. Гравитация настолько сильна, что пространство свернуто и замыкается на себя. Это до некоторой степени схоже с поверхностью Земли, которая тоже конечна, но не имеет границ. Если двигаться по поверхности Земли в определенном направлении, то никогда не натолкнешься на непреодолимый барьер или край света, но в конце концов вернешься туда, откуда начал путь. В первой модели Фридмана пространство устроено точно так же, но в трех измерениях, а не в двух, как в случае поверхности Земли. Идея о том, что можно обогнуть Вселенную и вернуться к исходной точке, хороша для научной фантастики, но не имеет практического значения, поскольку, как можно доказать, Вселенная сожмется в точку прежде, чем путешественник вернется в к началу своего пути. Вселенная настолько велика, что нужно двигаться быстрее света, чтобы успеть закончить странствие там, где вы его начали, а такие скорости запрещены (теорией относительности). Во второй модели Фридмана пространство также искривлено, но иным образом. И только в третьей модели крупномасштабная геометрия Вселенной плоская (хотя пространство искривляется в окрестности массивных тел).

Какая из моделей Фридмана описывает нашу Вселенную? Остановится ли когда-нибудь расширение Вселенной, и сменится ли оно сжатием, или Вселенная будет расширяться вечно?

Оказалось, что ответить на этот вопрос труднее, чем поначалу представлялось ученым. Его решение зависит главным образом от двух вещей – наблюдаемой ныне скорости расширения Вселенной и ее сегодняшней средней плотности (количества материи, приходящегося на единицу объема пространства). Чем выше текущая скорость расширения, тем большая гравитация, а значит, и плотность вещества, требуется, чтобы остановить расширение. Если средняя плотность выше некоторого критического значения (определяемого скоростью расширения), то гравитационное притяжение материи сможет остановить расширение Вселенной и заставить ее сжиматься. Такое поведение Вселенной отвечает первой модели Фридмана. Если средняя плотность меньше критического значения, тогда гравитационное притяжение не остановит расширения и Вселенная будет расширяться вечно – как во второй фридмановской модели. Наконец, если средняя плотность Вселенной в точности равна критическому значению, расширение Вселенной будет вечно замедляться, все ближе подходя к статическому состоянию, но никогда не достигая его. Этот сценарий соответствует третьей модели Фридмана.

Так какая же модель верна? Мы можем определить нынешние темпы расширения Вселенной, если измерим скорость удаления от нас других галактик, используя эффект Доплера. Это можно сделать очень точно. Однако расстояния до галактик известны не очень хорошо, поскольку мы можем измерять их только косвенно. Поэтому нам известно лишь то, что скорость расширения Вселенной составляет от 5 до 10% за миллиард лет. Еще более расплывчаты наши знания о нынешней средней плотности Вселенной. Так, если мы сложим массы всех видимых звезд в нашей и других галактиках, сумма будет меньше сотой доли того, что требуется для остановки расширения Вселенной, даже при самой низкой оценке скорости расширения.

Но это далеко не все. Наша и другие галактики должны содержать большое количество некой «темной материи», которую мы не можем наблюдать непосредственно, но о существовании которой мы знаем благодаря ее гравитационному воздействию на орбиты звезд в галактиках. Возможно, лучшим свидетельством существования темной материи являются орбиты звезд на периферии спиральных галактик, подобных Млечному Пути. Эти звезды обращаются вокруг своих галактик слишком быстро, чтобы их могло удерживать на орбите притяжение одних только видимых звезд галактики. Кроме того, большинство галактик входят в состав скоплений, и мы можем аналогичным образом сделать вывод о присутствии темной материи между галактиками в этих скоплениях по ее влиянию на движение галактик. Фактически количество темной материи во Вселенной значительно превышает количество обычного вещества. Если учесть всю темную материю, мы получим приблизительно десятую часть от той массы, которая необходима для остановки расширения.

Нельзя, однако, исключать существования других, еще не известных нам форм материи, распределенных почти равномерно повсюду во Вселенной, что могло бы повысить ее среднюю плотность. Например, существуют элементарные частицы, называемые нейтрино, которые очень слабо взаимодействуют с веществом и которые чрезвычайно трудно обнаружить.

За последние несколько лет разные группы исследователей изучали мельчайшую рябь того микроволнового фона, который обнаружили Пензиас и Вильсон. Размер этой ряби может служить индикатором крупномасштабной структуры Вселенной. Ее характер, похоже, указывает, что Вселенная все-таки плоская (как в третьей модели Фридмана)! Но поскольку суммарного количества обычной и темной материи для этого недостаточно, физики постулировали существование другой, пока не обнаруженной, субстанции – темной энергии.

И словно для того, чтобы еще больше усложнить проблему, недавние наблюдения показали, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется . Вопреки всем моделям Фридмана! Это очень странно, поскольку присутствие в пространстве вещества – высокой или низкой плотности – может только замедлять расширение. Ведь гравитация всегда действует как сила притяжения. Ускорение космологического расширения – это все равно что бомба, которая собирает, а не рассеивает энергию после взрыва. Какая сила ответственна за ускоряющееся расширение космоса? Ни у кого нет надежного ответа на этот вопрос. Однако, возможно, Эйнштейн все-таки был прав, когда ввел в свои уравнения космологическую постоянную (и соответствующий ей эффект антигравитации).

Расширение Вселенной могло быть предсказано в любой момент в девятнадцатом или восемнадцатом веке и даже в конце семнадцатого столетия. Однако вера в статическую Вселенную была столь сильна, что заблуждение сохраняло власть над умами до начала двадцатого столетия. Даже Эйнштейн был настолько уверен в статичности Вселенной, что в 1915 году внес специальную поправку в общую теорию относительности, искусственно добавив в уравнения особый член, получивший название космологической постоянной, который обеспечивал статичность Вселенной.

Космологическая постоянная проявлялась как действие некой новой силы – «антигравитации», которая, в отличие от других сил, не имела никакого определенного источника, а просто была неотъемлемым свойством, присущим самой ткани пространства-времени. Под влиянием этой силы пространство-время обнаруживало врожденную тенденцию к расширению. Подбирая величину космологической постоянной, Эйнштейн мог варьировать силу данной тенденции. С ее помощью он сумел в точности уравновесить взаимное притяжение всей существующей материи и получить в результате статическую Вселенную.

Позже Эйнштейн отверг идею космологической постоянной, признав ее своей «самой большой ошибкой». Как мы скоро убедимся, сегодня есть причины полагать, что в конце концов Эйнштейн мог все же быть прав, вводя космологическую постоянную. Но Эйнштейна, должно быть, более всего удручало то, что он позволил своей вере в неподвижную Вселенную перечеркнуть вывод о том, что Вселенная должна расширяться, предсказанный его же собственной теорией. Кажется, только один человек разглядел это следствие общей теории относительности и принял его всерьез. Пока Эйнштейн и другие физики искали, как избежать нестатичности Вселенной, российский физик и математик Александр Фридман, наоборот, настаивал на том, что она расширяется.

Фридман сделал относительно Вселенной два очень простых предположения: что она одинаково выглядит, в каком бы направлении мы ни смотрели, и что данное положение верно, независимо от того, из какой точки Вселенной мы смотрим. Опираясь на эти две идеи и решив уравнения общей теории относительности, он доказал, что Вселенная не может быть статической. Таким образом, в 1922 году, за несколько лет до открытия Эдвина Хаббла, Фридман в точности предсказал расширение Вселенной!

Столетия назад христианская церковь признала бы его еретическим, так как церковная доктрина постулировала, что мы занимаем особое место в центре мироздания. Но сегодня мы принимаем это предположение Фридмана по едва ли не противоположной причине, из своего рода скромности: нам показалось бы совершенно удивительным, если бы Вселенная выглядела одинаково во всех направлениях только для нас, но не для других наблюдателей во Вселенной!

Точнее, он умер давно — ещё в молодости, когда в нём проявилась неизлечимая генетическая болезнь. Умер телом, которое практически полностью было лишено подвижности.
Но в этом теле жил мозг. Великий мозг гения.
Этот мозг не мог умереть. Он мог только перейти в иное состояние.
Что и произошло.

Биография гения, закованного в неподвижность

Стивен Уильям Хокинг (Stephen William Hawking) родился в научной семье 8 января 1942 года в Оксфорде. Там же окончил местный знаменитый университет, уже во время учёбы удивляя преподавателей своими высокими умственными способностями.

Его влекла вселенная с её тайнами и часто не поддающимися человеческому разумению свойствами. Хокинг углубился в теорию и в 1966 году защитил свою первую диссертацию по теме "Свойства расширяющихся вселенных". Причём, как он сам над собою подтрунивал, смог сделать это, не получив никакого математического образования, кроме школьного.

Впоследствии он вёл исследовательскую работу в Кембридже, преподавал в разных институтах и университетах — по всё тем же темам, связанным с природой вселенной, гравитации, времени. Занимался проблемой чёрных дыр, имел по этой тематике плодотворные контакты с ведущими учёными по этому направлению в России.

Признание соответствовало его успехам и достижениям в науке. Все его регалии перечислить почти невозможно. При этом деятельность учёного проходила на фоне тяжёлого заболевания — бокового амиотрофического склероза. Болезнь неизлечимая, которая, если совсем грубо, отключает двигательные нейроны, что приводит к параличу мускулов, вплоть до отказа дыхательной мускулатуры.

Remembering Stephen Hawking, a renowned physicist and ambassador of science. His theories unlocked a universe of possibilities that we & the world are exploring. May you keep flying like superman in microgravity, as you said to astronauts on @Space_Station in 2014 pic.twitter.com/FeR4fd2zZ5 ,

Диагностировали это заболевание у Хокинга в 1963 году, после чего врачи отвели ему для жизни не более двух-трёх лет. Однако болезнь протекала нетипично, с довольно заметным замедлением, словно кто-то специально сохранял великий мозг для дальнейших свершений и открытий. И Ему было всё равно, что Хокинг причислял себя к атеистам...
В конце концов, получилось, что с неизлечимой смертельной болезнью этот человек дожил до вполне завидных 76 лет. Однако паралич всё же наступал, и Хокинг оказался прикован к креслу-каталке. Некоторую подвижность сохранял лишь указательный палец на правой руке, но позднее отказал и он. В результате некоторая подвижность сохранилась в мимической мышце щеки. Благодаря датчику, который ловил её движения, Хокинг мог управлять компьютером и уже с его помощью общаться с окружающим миром.

Примечательно, что, несмотря на болезнь, Хокинг сумел завести троих детей (последнего — в 1979 году), при этом ещё развёлся с женой, умудрился жениться на сиделке, с которой, впрочем, тоже развёлся после 11 лет совместной жизни. Это было в 2006 году.

Он даже в космос планировал слетать!

Стивен Хокинг. Фото: www.globallookpress.com

Научное значение деятельности Хокинга

Главный научный сотрудник Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау Алексей Старобинский в разговоре с "Царьградом" назвал Стивена Хокинга выдающимся учёным, одним из основоположников классической и современной теорий гравитации и космологии. Я бы поставил его в один ряд с Александром Фридманом, создателем фридмановской модели Вселенной, которой мы сейчас пользуемся", - отметил он.

"Из-за этого, что он из-за болезни в некотором смысле не отвлекался на те вещи, на которые отвлекаемся мы, то полностью сосредотачивался на науке. Когда я с ним разговаривал - а мы познакомились ещё в 1973 году, - то разговоры были исключительно о науке. Он ею жил, - вспоминает Старобинский. - Он исходил из того, что религия и наука задаются разными вопросами: религия всё-таки занимается вопросами о душе и духе, а естественные науки - материей. Для описания материи используем аргументы, которые продвигаются рационально. Причём это не зависит от того, верует сам учёный или не верует. А в жизни Хокинг подавал нам пример того, что воля человека может преодолеть очень многое. И что независимо от физической болезни человек может добиться успеха и оказать огромное влияние на людей в той области, которую он для себя изберет".

Стивен Хокинг стал одним из основоположников квантовой космологии — науки, которая изучает связь между квантовой механикой и формированием вселенной. То есть, по сути, ищет подобие в бесконечно малом и бесконечно большом, пытаясь в конечном итоге добраться до единой формулы мира. Неизвестно, есть ли она, да и может ли быть вообще, но на пути к ней стараниями Хокинга, его последователей и учеников удалось добиться выдающихся открытий. Это и обнаружение неожиданных свойств чёрных дыр, вообще глубокое проникновение в их природу и свойства, это и соединение квантовой механики с гравитацией, это и новая космология, это и параллельные вселенные...

В общем, новая картина не просто вселенной, а всего окружающего мира, теоретически обоснованная, вставала из его работ. И даже из работ его оппонентов, потому что в подобных дискуссиях и спорах исследователи выходили на новое знание. И какая разница, кто был более прав, а кто — менее?

Стивен Хокинг. Фото: www.globallookpress.com

Наконец, Стивен Хокинг обладал редким даром излагать сложное просто. Именно потому его книги о сложнейших квантовых и вселенских материях находили громадную аудиторию читателей, были бестселлерами покруче иных фантастических или фэнтезийных книг. До историй про Гарри Поттера не дотягивал, конечно, но для более уважающей свой интеллект аудитории он был весьма даже востребованным автором. Причём по всему миру.

Впрочем, почему был? И остаётся. Ушло и без того неподвижное тело. А мир Стивена Хокинга, со столь редким мужеством, волей и стойкостью открывавшийся им из инвалидной коляски, остался навсегда.

Многие из нас не осознают, что судьба Вселенной, управляемая законами Общей теории относительности, и начавшаяся с Большого взрыва 13,8 млрд лет назад, была предопределена с самого её рождения. Начальные условия – это гонка между первичным расширением, работающим на разбрасывание материи и энергии в стороны, и гравитацией, работающей на стягивание всего вместе, замедление расширения и, по возможности, сжатия Вселенной в коллапсе. Если мы знаем, как расширяется Вселенная, и как это происходило в прошлом, мы можем рассчитать, из чего она состоит и какова будет её судьба – но только, если мы способны точно измерить прошлое.

На этой неделе я получил огромное количество вопросов по поводу новости , сообщающей, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагалось. Проблема в следующем: если судьба Вселенной зависит от скорости расширения, текущей и прошлой, и мы измерили её неправильно, могут ли наши выводы о Вселенной также быть неправильными? Может ли в ней не быть тёмной энергии? Может ли статься, что Вселенная вовсе не ускоряется от нас? Может ли скорость расширения замедляться и в будущем превратиться в Большое сжатие? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо обратиться к научной основе происходящего.

Простейший способ измерить расширение Вселенной – наблюдать за хорошо известными нам объектами. Это отдельные звёзды, вращающиеся галактики, сверхновые, и т.п. Мы можем измерять их видимую яркость и красное смещение. Если мы знаем реальную яркость объекта – а для хорошо изученных объектов мы это знаем – и измерим его видимую яркость, мы можем рассчитать, как далеко он находится, точно так же, как мы можем выяснить расстояние до 60-ваттной лампы, измерив её видимую яркость. Астрономы зовут такие объекты «стандартные свечи», поскольку эта идея родилась задолго до лампочек. Поскольку Вселенная расширяется, измерение красного смещения и расстояния позволяет нам наблюдать, как пространство расширяется сегодня. А работая со всё большими и большими расстояниями, мы можем наблюдать, как изменялась скорость расширения со временем.

Концепция работает для множества разных объектов: переменных звёзд-цефеид, флуктуаций на поверхности спиральных галактик, эволюционирующих красных гигантов, вращающихся спиральных галактик и сверхновых типа Ia – последние можно находить на самых больших расстояниях. Комбинация этих методов использовалась в 90-х и 2000-х для определения хаббловской скорости расширения Вселенной с невероятной точностью: 72 ± 7 км/с/Мпк. Это был прорыв по сравнению с предыдущими оценками, варьировавшимися от 50 до 100. Космический телескоп Хаббла, сделавший эти измерения, и был назван так из-за намерения измерить константу Хаббла!

Но с того времени мы ещё больше уточнили измерения и уменьшили погрешности, что привело к новой проблеме: разные измерения дают разные величины скорости расширения.

Один способ измерить историю расширения Вселенной – обратиться к реликтовому излучению, остаточному свечению Большого взрыва. Его флуктуации и некоторые общие свойства позволяют нам вычислить скорость расширения. Спутник Планк выдаёт нам значение в 67 ± 2 км/с/Мпк , что совпадает с предыдущими измерениями, увеличивая точность. Из скопления галактик на крупнейших масштабах (барионные акустические осцилляции), измеренных в проекте Sloan Digital Sky Survey и других, мы получаем величину в 68 ± 1 км/с/Мпк . И два этих измерения выдают нам значения, соответствующие как предыдущим измерениям, так и друг другу. Но если мы обратимся к данным по цефеидам и сверхновым, когда в одной и той же галактике мы изучаем цефеиды и сверхновые типа Ia, мы получим настолько же точную величину, которая, однако, не совпадает с другими: 73 ± 2 км/с/Мпк .

Вот из-за этого и идёт весь сыр-бор. Некоторые начали предлагать экзотические альтернативные теории, типа эволюционирующей тёмной энергии , а другие уже ставят под сомнение основы космологии. Но вполне возможно, и даже вероятно, что проблемы вообще не существует. В эти ошибки не включены систематические погрешности, или неопределённости, присущие процессу измерений. Данные по цефеидам и сверхновым позволяют нам воссоздавать лестницу космических расстояний, у которой каждая ступенька расширяющейся Вселенной строится на более близкой предыдущей. Если сделать ошибку на раннем этапе:

В измерении параллакса ближайших цефеид,
в стандартности этих объектов,
в отношении яркости и расстояния любой из ступенек,
в предполагаемой реальной яркости стандартных свечей,
по поводу окружения обнаруженных явлений,

То эта ошибка распространится на все последующие построения. Несмотря на малую неопределённость этой лестницы расстояний, необходимо отметить, что существует четыре независимых способа калибровки постоянной Хаббла, и каждый из них выдаёт разное значение, от 71,82 до 75,91, а погрешность каждого примерно равна 3.

Есть надежда, что планируемые измерения параллакса улучшат эти неопределённости и помогут понять систематические ошибки, проходящие через эти различия. Очень интересно рассуждать на необычные темы, но, скорее всего, эти новые признаки неопределённости в постоянной Хаббла указывают на возможность лучше понять астрофизические явления, благодаря которым мы получаем эти значения, и, возможно, в результате сойтись на единственном значении скорости расширения, одной для всех методик. Изменится ли значение на 73, останется ли около 70 или прыгнет до 67, результат изменит наши параметры на несколько процентов, но не наши выводы. Возможно, Вселенной не 13,8 млрд лет, а 13,5 млрд; возможно, она на 65%, а не на 70% состоит из тёмной энергии; возможно, через 40 млрд лет сможет произойти Большой разрыв. Но основная картинка Вселенной останется неизменной. Ключ, как всегда, в том, чтобы открыть основы явлений и научиться тому, чему нас учит Вселенная.

О сложных теориях простым языком.

Сегодня утром умер известный физик и популяризатор науки Стивен Хокинг. Ученый занимался космологией и квантовой гравитацией.

Мы рассказываем простым языком об основных открытиях Хокинга, которые изменили науку.

1. Излучение Хокинга

   Хокинг разработал теорию о том, что черные дыры «испаряются» за счет особого излучения, которое потом назвали его именем.

   До этого открытия ученые считали, что черные ничего не излучают, а лишь поглощают. Он доказал, что черные дыры не совсем черные, так как излучают остаточную радиацию.

   Также Хокинг делает вывод, что черные дыры существуют не вечно: они излучают все более сильный ветер и, в конце концов, исчезают в результате гигантского взрыва.

   Эйнштейн так и не принял квантовую механику из-за связанного с ней элемента случайности и неопределенности. Он сказал: Бог не играет в кости. Похоже, что Эйнштейн ошибся дважды. Квантовый эффект черной дыры позволяет предположить, что Бог не только играет в кости, но и иногда бросает их туда, где их нельзя увидеть.Стивен Хокинг.

2. Вселенная создала себя сама

   Эта теория Хокинга посвящена вопросу создания вселенной, у которой, по мнению ученого, не было начала и самого момента творения. Ученый предположил, что есть другое направление движения времени (не только вперед или назад), и выдвинул теорию о воображаемом времени, для которого вообще не существует понятий «начала» или «конец».

   Хокинг был убежденным атеистом. Вот его цитата на эту тему:

   Поскольку существует такая сила как гравитация, Вселенная могла и создала себя из ничего. Самопроизвольное создание - причина того, почему существует Вселенная, почему существуем мы. Нет никакой необходимости в Боге для того, чтобы "зажечь" огонь и заставить Вселенную работать.Стивен Хокинг.

3. Вселенная расширяется

   До 20 века считалось, что Вселенная вечна и неизменна. Хокинг доступным языком доказал, что это не так.

   В свете от далеких галактик происходит смещение в сторону красной части спектра. Это означает, что они удаляются от нас, что Вселенная расширяется.Стивен Хокинг.

4. Кварки не бывают одиноки

   Кварки - элементарные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны. Хокинг доказал, что существуют только группами и никогда - по одному. Сила, которая связывает кварки, увеличивается с увеличением расстояния между ними. Если попытаться оттянуть один кварк от другого, они только с большей силой притянутся.

5. Теория сжатия Вселенной

   Хокинг думал о том, что произойдет, когда Вселенная перестанет расширяться и начнет сжиматься. Пойдет ли время в другую сторону?

   Мне казалось, что когда начнется сжатие, Вселенная вернется в упорядоченное состояние. В таком случае, с началом сжатия время должно было повернуть вспять. Люди в этой стадии проживали бы жизнь задом наперед и молодели по мере сжатия Вселенной. Стивен Хокинг.

   Этот процесс показан в фильме «Господин Никто» с Джаредом Лето в главной роли.

   Попытки создать математическую модель этой теории провалились, но она остается популярной. У Вселенной только два варианта: или бесконечное расширение, или сжатие.

6. Существует огромное число Вселенных

   Речь идет об М-теории, которую Хокинг дорабатывал с Леонардом Млодиновым. М-теория - это ответвление теории струн. Согласно этой теории, на самом мельчайшем уровне все частицы состоят из бран - многомерных мембран, свойства которых могут объяснить абсолютно все процессы, происходящие в нашей Вселенной.

   Кстати, эта теория также предполагает существование огромного числа вселенных, в которых действуют физические законы, отличные от наших.

   А этот факт в свою очередь предполагает наличие инопланетян. Хокинг в них верил.

   Во Вселенной со 100 миллиардами галактик, каждая из которых содержит сотни миллионов звезд, маловероятно, что Земля является единственным местом, где развивается жизнь.Стивен Хокинг.