Отметь правильное высказывание астрономия это наука о вселенной: Отметь правильное высказование Асирономия-это наука о Вселенной, её звёздах и планетах. Астрономия-это наука о…

Содержание

Тесты с ответами по астрономии Сборник 4 класс

Сборник тестовых вопросов по астрономии 4 класс

Правильный вариант ответа отмечен знаком +

1. Укажи, у каких планет есть кольца?

1) Марс

2) Уран +

3) Земля

4) Сатурн +

2. Вспомни, какая планета самая большая?

1) Марс

2) Венера

3) Сатурн

4) Юпитер +

3. Отметь, в каком году Плутон перестал считаться планетой?

1) в 2001

2) в 1998

3) в 2003

4) в 2006 +

4. Укажи, какая из перечисленных звезд, самая большая?

1) Солнце

2) Антарес +

3) Сириус

4) Альдебаран

5. Выбери верный вариант ответа. Что такое Солнце?

1) комета

2) звезда +

3) спутник

4) планета

6. Подумай, что дает Солнце нашей планете?

1) холод и мрак

2) тепло и воздух

3) тепло и свет +

4) тепло и воду

7. Отметь, за какой промежуток времени Земля делает оборот вокруг Солнца?

1) за год +

2) за сутки

3) за неделю

4) за месяц

8. Подчеркните правильное утверждение:

1) Земля вращается вокруг Луны

2) Земля вращается вокруг Солнечной системы

3) Земля вращается вокруг Солнца +

4) не знаю

9. Укажи, почему происходит смена времени суток?

1) Земля делает оборот вокруг своей оси в противоположную сторону

2) Земля делает оборот вокруг Солнца

3) Земля делает оборот вокруг Луны

4) Земля делает оборот вокруг своей оси +

тест 10. Подумай, в какое время года Земля бывает ближе всего к Солнцу?

1) начало зимы

2) начало лета +

3) начало осени

4) начало весны

11. Укажи, на какой планете солнечной системы сутки длиннее года:

1) Земля

2) Марс

3) Меркурий +

4) Юпитер

12. Вспомни, на какой планете небо имеет красивый аквамариновый цвет?

1) на Марсе

2) на Венере

3) на Уране +

4) на Юпитере

13. Выбери верный вариант ответа. Что такое астрономия?

1) наука о животных

2) наука о строении человека

3) наука о растениях

4) наука о Вселенной +

14. Закончи высказывание: «Вселенная — это …»

1) наша семья

2) звезды и планеты, которые мы видим в небе

3) все планеты, обращающиеся вокруг Солнца

4) необъятное пространство со звездами, планетами и другими небесными телами +

15. Отметь, что такое Земля:

1) комета

2) звезда

3) планета +

4) созвездие

16. Укажи, на каком расстоянии Земля находится от Солнца?

1) 50 млн км

2) 100 млн км

3) 150 млн км +

4) 300 млн км

17. Отметь, какой температурный режим на поверхности Солнца:

1) 15 тыс. градусов

2) 10 тыс. градусов

3) 8 тыс. градусов

4) 6 тыс. градусов +

18. Вспомни, как называют небесное тело, представляющее собой светящееся пятно с полосой в форме хвоста?

1) комета +

2) метеорит

3) планета

4) галактика

19. Подумай, как называют каменно-металлическую массу, падающую на Землю из межпланетного пространства:

1) комета

2) метеорит +

3) планета

4) звезда

тест-20. Учениками была нарисована схема Солнечной системы. На ней они расположили планеты. Выбери правильное количество планет, которые ученики обозначили на схеме:

1) 8 планет +

2) 9 планет

3) 11 планет

4) 12 планет

21. Учениками были изготовлены модели, с помощью которых можно продемонстрировать соотношение размеров Земли и Солнца. Отметь модель, которая может быть образцом для проверки работ учеников.

1) они одинаковые по размеру

2) Земля меньше Солнца +

3) 3емля больше Солнца

4) не знаю

22. Отметь, какая планета имеет больше всего спутников?

1) Земля

2) Юпитер +

3) Марс

4) Сатурн

23. Укажи, у какой из перечисленных планет нет спутника?

1) у Венеры +

2) у Марса

3) у Земли

4) у Нептуна

24. Определи, какой по порядку от Солнца является наша планета Земля?

1) 1

2) 2

3) 3 +

4) 4

25. Вспомни, какая планета самая маленькая?

1) Марс

2) Меркурий +

3) Земля

4) Венера

26. Укажи, как называется наша галактика?

1) Млечный Путь +

2) Северное сияние

3) Радужные сны

4) Комический дождь

27. Подумай, о чем идёт речь: «Гравитационно-связанная система из звёзд и звёздных скоплений, межзвёздного газа и пыли, и тёмной материи. Все объекты участвуют в движении относительно общего центра масс.

1) о Вселенной

2) о Солнечной системе

3) о Галактике +

4) о небе

28. Выбери второй по яркости объект на земном небосводе после Солнца:

1) Луна +

2) звезда

3) комета

4) метеорит

29. Отметь, какая планета расположена дальше всех от Солнца?

1) Уран

2) Нептун +

3) Сатурн

4) Юпитер

тест_30. Подумай, за сколько времени, если это было бы возможно, автомобиль с Земли добрался до Луны?

1) за день

2) за неделю

3) за месяц

4) за полгода +

Лучшие астрономические ресурсы Рунета

В прошлой передаче мы обсуждали как Интернет и цифровые технологии изменили облик современной астрономии. Надо подчеркнуть, что в астрономии сохраняется удивительная ситуация. Астрономы-любители до сих пор открывают небесные тела и играют существенную роль в развитии науки, причем любителей на порядок больше, чем профессионалов. Любители астрономии покупают дорогие телескопы, для них выпускаются специализированные журналы, они встречаются в клубах и на конференциях. В физике, химии, биологии уже давно не так. Поэтому такую большую роль играют специальные астрономические сайты и сегодня мы подробно поговорим о них.

В Московской студии радио «Свобода» моими собеседниками будут Сергей Попов — сотрудник отдела релятивистской астрофизики Государственного института им. Штернберга при МГУ. В настоящее время он работает по контракту в университете города Падуя (Италия). В Интернете Сергей Попов сотрудничает с сайтами www.astronet.ru, Scientific.ru и другими научно-популярными проектами. Совместно с Михаилом Прохоровым регулярно публикует обзоры электронных препринтов по астрофизике. Другой наш собеседник Владимир Самодуров — сотрудник Пущинской радиоастрономической обсерватории. Владимир составил первый на русском языке аннотированный каталог ссылок по астрономии. Он называется «Краткий путеводитель астронома по Интернету», создал и поддерживает www.astrotop.ru — рейтинг-каталог русскоязычных астрономических ресурсов, ежегодно организует конкурс астрономических интернет-проектов «Звезды Астрорунета». Третий участник нашей передачи Александр Сергеев. Он несколько лет руководит Юношеской Астрономической школой в Петербурге, популяризатор науки, мой коллега, готовит для радио «Свобода» выпуски новостей науки.

В начале я кратко охарактеризую ресурсы, которые поддерживают наши гости.

Сергей Попов вместе с Михаилом Прохоровым регулярно публикует обзоры самых важных и интересных препринтов по астрофизике на специальном сайте, известном в профессиональных кругах под обозначением astro-ph. Ежемесячно здесь появляются более 600 научных статей на английском языке. Познакомившись с обзорами Сергея Попова и Михаила Прохорова популяризаторы астрономии и ученые других специальностей легко могут отобрать важные для изучения статьи. Аналога этому уникальному проекту нет даже в англоязычном Интернете. Вдохновившись опытом Сергея Попова еще двое российских ученых — Сергей Павлюченко и Игорь Иванов стали публиковать обзоры препринтов по гравитации, квантовой космологии и физике высоких энергий.

Владимир Самодуров организовал и поддерживает вместе с коллегами сайт www.astrotop.ru и конкурс «Звезды Астрорунета».

Проект www.astrotop.ru родился из нескольких разрозненных самодеятельных каталогов астрономических ресурсов Рунета. Здесь не измеряется посещаемость ресурсов. Оценка формируется на основе постоянно идущего голосования. А раз в год в дополнение к рейтингу проводится еще и конкурс «Звезды Астрорунета», где определяются лучшие сайты по 12 номинациям. Создание каталога потребовало решить целый ряд задач: правильно классифицировать ресурсы, чтобы в одной категории не смешивать несопоставимые сайты; затем разработать систему голосования, обезопасить ее от нечестных «накруток» и, самое главное, добиться авторитета в весьма разнородном сообществе профессиональных астрономов и любителей. В том, что это удалось, большая заслуга Владимира Самодурова.

Я попросил наших гостей в начале рассказать о самых интересных профессиональных сайтах Рунета. Слово астрофизику Сергею Попову.

Сергей Попов: Я наверно предложу Володе два сайта, про которые он сможет рассказать больше, чем я. Это сайт Специальной астрофизической обсерватории (http://www.sao.ru/) и, в частности, на нем проект каталогов CATS (http://cats.sao.ru/). И другой проект Пущинской обсерватории — «рабочее место радиоастронома». Если Володя сможет об этом рассказать, было бы здорово.

Владимир Самодуров: С моей профессиональной точки зрения самый лучший профессиональный проект на текущий момент — это сайт САО. И не только с моей личной точки зрения. Наш сайт «Астротоп» (http://www.astrotop.ru/) ежегодно проводит конкурс по нескольким номинациям, выясняет, лучший сайт на текущий момент в каждой номинации: образовательный проект, профессиональный и т. д. И в профессиональной номинации у нас второй год подряд победил сайт САО (Специальной астрофизической обсерватории.

Александр Костинский: А где находится обсерватория?

Владимир Самодуров: Станица Зеленчукская, поселок Нижний Архыз. Там располежены БТА (Большой азимутальный телескоп — с шестиметровым зеркалом) и шестисотметровый радиотелескоп РАТАН. На сайте САО множество подразделений и отделов и каждый отдел ведет свою страничку. На каждой страничке масса очень полезной профессиональной информации. Но самая главная изюминка на этом сайте — это так называемый проект CATS — Система каталогов астрофизических данных. Там собрано порядка тысячи каталогов, в основном по радиоастрономии, так как те, кто его делал — Верходанов, Трушкин и их соавторы — радиоастрономы. CATS — очень удачное творение российских астрономов, которое может конкурировать с мировыми базами данных. Это, к сожалению, довольно редкий случай. Обычно мы проигрываем в этом. Но здесь приятное исключение.

Кое-что делаем и мы у себя в Пущино — это так называемая рабочая среда радиоастронома. Здесь собраны каталоги, астрономические утилиты, лента астрономических новостей. Кстати лента новостей как часть сайта существовала еще 3-4 года назад и была довольно популярна. Тогда таких сайтов было мало. Но в 2000-2001 году произошел взрыв популяризаторских сайтов. Появилась масса очень хороших сайтов, из которых самый, наверное, актуальный — это «Астронет» (http://www.astronet.ru/), а также Nature.ru — там очень сильный астрономический раздел.

Александр Костинский: А ведут его любители или профессионалы?

Владимир Самодуров: Обзорные статьи пишут профессионалы. частности, на «Астронете» Сергей Попов, который здесь присутствует, ведет очень сильный раздел под названием «АНКА дня» — Астрономическая научная картинка дня и обзоры профессиональных астрономических статей. Я другого аналогичного проекта в интернете не знаю.

Но, однако, и любители быстро подтягиваются к профессионалам. Самый лучший с моей точки зрения сайт — это сайт www.astronomer.ru.

Александр Костинский: Как вы сказали? Astronomy.ru?

Владимир Самодуров: Нет, Astronomer.ru. Сайт Astronomy.ru тоже есть. На Astronomy.ru расположен форум любителей астрономии. Это тоже очень известный сайт. А по адресу Astronomer.ru расположен сайт «Астрономия и телескопостроение» (http://www.astronomer.ru/). Последний год здесь наряду с любительскими стали появляться заметки профессиональных астрономов. С моей точки зрения это единственный сайт, который пытается совместить достоинства и любительской и профессиональной астрономии. Там попеременно печатают свои статьи и любители и профессионалы. Это очень удачный пример, и я считаю, у «Астронета» подрастает сильный конкурент.

Александр Костинский: Сергей, вы работаете и в России, и в Италии, скажите, пожалуйста, есть ли такой интерес к астрономии в Италии, такое любительское движение?

Сергей Попов: Я не очень внимательно за этим слежу, но одна вещь, которой наши любители могут позавидовать. Подойдя почти к любому газетному киоску, можно найти два-три любительских журнала, посвященных астрономии.

Александр Сергеев: В первую очередь это, наверно, известные во всем мире англоязычные журнала «Sky and Telescope» (http://www.skyandtelescope.com), «Astronomy» (www.astronomy.com)?

Сергей Попов: Нет, это именно итальянские журналы, а не говорю о переводных.

Александр Сергеев: Кстати, отсутствие у нас на рынке яркого и продвинутого любительского астрономического журнала меня очень удивляет. Есть, конечно, «Звездочет» (http://www.astronomy.ru), но он строго позиционирован на круг «отъявленных любителей», тех, кто только этим и занимается. А таких немного.

Владимир Самодуров: Это предмет большого разговора. Издатели не могут найти спонсора, и, я думаю, это действительно не вполне правильное позиционирование.

Сергей Попов: На мой взгляд, если мы говорим о журналах у нас в стране, то, во-первых, я думаю, эта ниша заполнится, потому что она настолько очевидна! Также как два года назад на рынке журналов произошел взрыв, когда одновременно появились «Ломоносов», «Что нового в науке и технике», «Популярная механика», «В мире науки», точно также, я думаю, издатели дойдут до астрономической ниши. Я готов спорить, что если такой журнал появится, то точно также, как все упомянутые журналы, это будет совместный проект. Кто-то сделает «Sky and Telescope» или «Astronomy» на русском языке. Что же касается в целом научно-популярных журналов, то они, вообще-то, не должны искать спонсора. В конечном счете, журнал должен быть окупаем. Наверное, должен быть первоначальный взнос, а дальнейшая жизнь вопрос хорошего менеджмента, хотя ниша достаточно очевидна.

Александр Костинский: А можно оценить, много ли российских любителей астрономии? Если в мире их около ста тысяч, то у нас тысяч десять, наверно?

Владимир Самодуров: Да, примерно так. Я раньше оценивал примерно так: тиражи астрономических книг в советское время были 50-100 тысяч. И они расходились буквально влет.

Александр Сергеев: Причем астрономические книги были страшным дефицитом, их приходилось покупать по предварительной подписке.

Владимир Самодуров: Сейчас, конечно, астрономией интересуется меньше людей, но если взять число зарегистрированных на форумах в интернете и добавить тех, кто не регистрируется, то цифра 10-15 тысяч выглядит вполне реальной.

Сергей Попов: Но я не думаю, что тираж, например, «National Geographic» в России определяется количеством любителей географии. Журнал должен быть поставлен так, чтобы быть привлекательным за счет своего качества. И у астрономии есть очень выигрышный момент — красота изображений. Астрономия одна из самых красивых естественных наук с чисто внешней стороны. Журнал мог бы быть читаем людьми, которые в телескоп никогда не смотрели и, может быть, никогда и не посмотрят.

Владимир Самодуров: Есть и еще один выигрышный момент, который признают сами профессионалы. Они обсуждали это преимущество на недавней конференции в разделе «Образование». Говорилось буквально следующее: астрономия выигрывает в популяризации по сравнению с другими науками не только потому, что она красива, романтична и так далее, но за счет того, что именно сейчас в ней идет вал открытий, которые кардинальным образом перепахивают наше мировоззрение и меняют всю картину Вселенной.

Александр Костинский: Да, хотя бы тот вопрос, который мы обсуждали — об ускорении (!) расширения Вселенной.

Владимир Самодуров: Да, буквально каждый день происходит что-то новое. Вот, пожалуйста, еще три года назад как бы не знали, Вселенная наша расширяется до бесконечности или все-таки остановится и начнет сужаться. Сейчас выясняется, что она расширяется и даже с ускорением. Сергей Попов даже об этом статью писал несколько лет назад.

Сергей Попов: Могу поправить, там речь все-таки идет не о нескольких годах, а о семи-восьми. Время быстро летит.

Владимир Самодуров: Да-да… А вот открытие месячной давности: на одной звезде заметили падение кометообразного тела диаметром сто километров. Результат получен за счет предельно точной обработки данных. Еще 30 лет назад даже вообразить было нельзя, чтобы такие тонкие эффекты можно будет различать. Сейчас мы наблюдаем звезды сквозь их эволюцию: от рождения до заката.

Александр Костинский: Кстати, Александр, недавно вы упоминали очень интересный момент, в родстве-конфронтации между астрономией и астрологией по частоте употребления слов в газетных статьях.

Александр Сергеев: Да, совершенно неожиданное для меня небольшое наблюдение, не астрономическое, а, скорее, лингвистическое. Есть такой проект «Интегрум», который собирает тексты всей русскоязычной прессы…

Александр Костинский: И, в частности, в него вошел прежний проект созданный NNS — индекс частоты употребления слов в прессе.

Александр Сергеев: Поскольку, я стараюсь мониторить, как продвигается популяризация астрономии, я зашел на сайт этого проекта и попросил выдать статистику употреблению слов «астрономия» и «астрология» за последние 10 лет. Обнаружилась замечательная вещь. Ну, понятное дело, в конце 1998 года был резкий всплеск интереса к астрологии. Это довольно естественная вещь.

Александр Костинский: Да, когда что-то случается люди бросаются к оккультным дисциплинам.

Александр Сергеев: Точно также был некоторый всплеск в начале 2000 года.

Александр Костинский: Когда выбирали президента.

Александр Сергеев: А вот начиная с конца 2000 года, астрология стабильно снижается по употреблению в среднем в русскоязычной прессе. И за это время снизилась употребление этого слова примерно втрое. А астрономия наоборот набирает популярность, и за это же время прибавила примерно в полтора раза. И буквально месяца два назад эти две кривые пересеклись. И на сегодня астрономия догнала астрологию.

Александр Костинский: Это говорит о том, что растет интерес к науке, который упал в силу того, что большинство граждан России было занято выживанием. И естественно, когда жизнь нормализуется, то появляется интерес к науке, к мировоззрению.

Александр Сергеев: Тут появляются фундаментальные интересы. Когда человек на жизнь себе чуть-чуть заработал, на отдых заработал, после этого встает вопрос: а что еще?

Владимир Самодуров: Занять мозги…

Александр Сергеев: Да, и некоторые люди вполне естественно обращаются к вопросу: а что за мир, в котором мы живем. А отсюда уже один шаг до астрономии.

Владимир Самодуров: Кстати, в этом году мы проводили ежегодный опрос на «Астротопе». Там у нас есть номинация «Тенденция или событие года». И вот, вторым номером в этом году поставили тенденцию «Повышение интереса к астрономии в обществе и СМИ». И мы даже с подачи присутствующего здесь Сергея Попова ввели две новые номинации: «Лучший журналист, пишущий на тему астрономии и космонавтики» — им стал Александр Гордон, как ни странно для некоторых профессионалов. Вторая номинация — «Лучшее СМИ по астрономии и космонавтике» — здесь поделили «Известия — Наука».

Александр Костинский: Без комментариев.

Владимир Самодуров: Здесь были все абсолютно согласны.

Александр Костинский: Наверно им дали за то, что они просто отслеживают эту тему. Но, с другой стороны, я знаю очень много претензий с научной точки зрения к статьям, которые печатаются в «Известиях». Ну, просто по качеству материалов.

Александр Сергеев: Кстати, по качеству материалов по астрономии «Грани. ру» сейчас на порядок выше.

Сергей Попов: Максим Борисов.

Александр Сергеев: Да, Максим Борисов — это действительно величина. Это человек, который популяризирует настоящую астрономию.

Владимир Самодуров: Он у нас занял второе место. И многие из экспертов были с этим не согласны.

Сергей Попов: В частности, присутствующие здесь.

Александр Сергеев: Кстати, а первое место какая тенденция заняла?

Владимир Самодуров: «Астрофорумы России стали площадкой для совместного планирования наблюдений любителей астрономии».

Александр Сергеев: Астрофорумы — это форумы в Интернете?

Владимир Самодуров: Да. Причем форумы занимают ведущее место в астрономическом Рунете уже второй или третий год подряд. Форумы — это по-прежнему хит сезона.

Александр Сергеев: По-моему, у нас два основных форума: Starlab (http://www.starlab.ru) и форум журнала «Звездочет» (http://www.astronomy.ru).

Владимир Самодуров: Да, например, на форуме «Звездочета» 4 тысячи зарегистрированных человек, 80 тысяч сообщений. Форум «Старлаба», хоть возник исторически раньше, сейчас немножко победнее, но, тем не менее, очень сильный. И что интересно: сайт «Звездочета» кроме форума и астрономического магазина ничего не имеет, но из-за великолепного, чрезвычайно насыщенного форума он у нас вошел в пятерку номинантов среди лучших сайтов и, по-моему, занял второе место.

Александр Костинский: Сергей, скажите, пожалуйста, а зачем профессионалам популяризация? Понятно, когда человек этим зарабатывает себе на хлеб. А когда это хобби? Ведь все-таки ваши сайты не являются ни для Владимира Самодурова, ни для Сергея Попова профессиональной деятельностью. Давайте мы такой блиц-опрос устроим.

Сергей Попов: Сложный вопрос. Я не могу на него дать рациональный ответ.

Александр Костинский: Дайте иррациональный…

Сергей Попов: В принципе большинству профессионалов популяризация как таковая не нужна. Это некая психологическая особенность людей, которым психологически нужно делиться своими знаниями. И это происходит в любой отрасли, не обязательно в науке. Но в науке в первую очередь. Почему мы занимаемся наукой? Каждый ученый в зависимости от того, как ему повезло, и насколько он хороший ученый, несколько раз в жизни испытывал совершенно потрясающее чувство, что есть что-то, что именно он первым в мире узнал и понял. Если бы ученым запретили рассказывать о том, что они узнают, то фактически все перестали бы заниматься наукой. Есть, конечно, единичные случаи, когда спокойные холодные англичане писали что-то «в стол».

Владимир Самодуров: Кавендиш, например.

Сергей Попов: Да. По-моему, это сильнейший аргумент в пользу того, что астрономы и вообще ученые не могут замалчивать открытия. Это ерунда, когда говорят, что, вот, ученые видят инопланетян, но никому об этом не говорят. Это настолько противоречит психологии ученого, что просто невозможно. И поэтому есть потребность рассказать о своей науке, своих результатах. Для меня, например, одна из причин, которая удерживает меня от окончательного отъезда из страны, — это возможность рассказывать на родном языке, то, что мне очень интересно.

Александр Костинский: Александр Сергеев, а вы зачем занимаетесь популяризацией?

Александр Сергеев: Я сейчас не могу говорить о своем сайте, я сейчас не держу проектов в Интернете, хотя и думаю восстановить. Я просто люблю астрономию, мне это интересно. И мне кажется, что она как-то недобирает популярности, которую заслуживает, и потому немного страдает как наука. В конце концов, наука — это же некая сфера деятельности людей. Это огромное социальное явление. И если вдруг к этому явлению слишком сильно снизится интерес, то оно может просто пропасть. Нужно поддерживать науку. Чтобы я мог продолжать этим заниматься, чтобы я продолжал получать новую интересную информацию, надо как-то продвигать астрономию. Ну и потом Интернет еще одна очень интересная и приятная вещь. Я не профессиональный астроном, я скорее популяризатор. У меня, может, и не было случаев, когда я что-то узнавал первым в мире. Но я не очень от этого страдаю. Я может, гораздо больше узнаю от профессионалов. Они мне что-то расскажут или я прочитаю какую-то статью, пойму ее, и, знаю, что в довольно обширном кругу своих читателей или слушателей, я один это понял и до них донесу это понимание. Да я это, может, не сам добыл. Но я сам добыл это для них. А это тоже очень важно.

Александр Костинский: Владимир Самодуров, а вы зачем занимаетесь своими Интернет-сайтами?

Владимир Самодуров: Быть может, во мне что-то детское осталось. Во-первых, астрономия так красива, об этом должно узнать как можно большее число людей. И нужно поддерживать тех, кто доносит эту красоту до всех. А «Астротоп» помогает именно этому. Мы наблюдаем за сайтами и видим: вот этот сайт хороший, давайте его похвалим. Вот это — отличный, а вот этот — вообще! Смотрите, какой сайт! А, во-вторых, мне кажется, жизнь должна быть справедливой. Если человек сделал что-то хорошее, допустим на поле астросайтов, об этом нужно вслух сказать: вот этот человек — на текущий момент самый замечательный астровебмастер. Это некая форма морального поощрения -конкурсы, рейтинги астросайтов. Они более или менее адекватно отражают состояние астрорунета на текущий момент.

Сергей Попов: Я добавлю еще одну вещь. Говоря о профессиональных сайтах, хочется отметить еще один проект. На этой неделе закончилась Всероссийская астрономическая конференция (http://agora.guru.ru/display.php?conf=vak-2004), и там была специальная сессия по виртуальным обсерваториям. Есть большой международный проект Виртуальная обсерватория. По сути, как я понимаю, это, в первую очередь, собрание первичных наблюдательных данных. Не обязательно совсем свежих, а вообще всех, но первичных данных. Например, туда войдет оцифровка стеклянных библиотек, то есть библиотек фотопластинок, которые за 150 лет набрались в разных обсерваториях мира. И Россия участвует в этом проекте. Есть проект Российской виртуальной обсерватории. Разрабатывается он в Институте астрономии в Москве. Может быть, пока вклад российской стороны в международный консорциум не очень велик, но хочется верить, что этот проект будет развиваться, причем не только в сторону создания зеркал крупных, в первую очередь американских, проектов в России, но и в направлении выкладывания в Интернет российской информации, которой все-таки достаточно много, особенно архивной. Этот проект обязательно надо упомянуть и знать.

Владимир Самодуров: Я под конец просто добавлю, что меня как профессионала и одновременно интернетчика очень заботит проблема смычки любителей и профессионалов. Я считаю, что негоже профессионалам забывать о том, что есть такой многочисленный отряд астрономов-любителей. И в то же самое время астрономам любителям желательно получше контактировать с профессионалами. В последнее время, я считаю, началось встречное движение, и это очень радует.

Все ссылки в тексте программ ведут на страницы лиц и организаций, не связанных с радио «Свобода»; редакция не несет ответственности за содержание этих страниц.

Многоликая Вселенная

Ответы на вопросы после лекции

Скачать видеозапись лекции: часть 1 (95 Mb),

часть 2 (94 Mb),
ответы на вопросы (95 Mb)

Во-первых, я должен сказать, что я немножечко робею. Я в этом зале выступал много раз. Сначала я здесь учился, и когда всё это началось, я был студентом Московского университета, приходил сюда на семинары, в ФИАН. И каждый раз я сидел на этих семинарах, мучительно, мне было жутко интересно, а также невероятно сложно. Всё то, что говорилось, я понимал, ну, примерно на десять процентов. Я думал, что, наверное, я, ну, идиот такой, ничего больше не понимаю, физика из меня не получится… Но уж больно хотелось, продолжал ходить. Эти десять процентов понимания у меня сохранились до сих пор: в основном на семинарах, на которые я хожу, я понимаю примерно десять процентов. А потом я сделал впервые свой доклад здесь. Я поглядел на лица людей, и у меня было впечатление, что они тоже понимают на десять процентов. И тогда у меня исчез комплекс неполноценности, отчасти по крайней мере. Немного, наверное, всё равно остался… Я зачем это говорю? Тематика довольно сложная. И если десять процентов будет понятно, то, значит, вы на правильном пути.

То, о чём я сейчас буду говорить, связано с теорией инфляционной Вселенной. Инфляционная Вселенная, по-русски это называлось «раздувающаяся Вселенная», но стандартное название «инфляционная». В последнее время возник такой термин — «Multi-verse». Это термин, заменяющий слово «Universe». Значит, вместо одной Вселенной — много вселенных сразу в одной. Ну вот по-русски, пожалуй, наиболее адекватный перевод — это «многоликая Вселенная». И про это я сейчас буду говорить.

Но сначала общее введение о космологии вообще. Откуда взялась инфляционная космология (зачем она понадобилась)? Что было до нее (теория Большого взрыва). Сначала такие биографические данные. Возраст Вселенной, согласно последним наблюдаемым данным… Вот когда я говорю про возраст, каждый раз я говорю и где-то в душе ставлю маленькую запятую, что я должен к этому вернуться и потом сказать, что на самом деле Вселенная может быть бесконечно старая. Ну вот то, что люди называют возрастом Вселенной, это примерно 13,7 миллиарда лет с точностью до… пожалуй, лучше, чем 10%. Сейчас люди знают это достаточно хорошо. Размер наблюдаемой части Вселенной… Что значит «наблюдаемой»? Ну вот, свет путешествовал к нам 13,7 миллиарда лет, значит надо умножить это на скорость света и получится расстояние, на котором мы сейчас видим вещи. Говорю я это, а в душе сразу опять ставится запятая: на самом деле это не так. Потому что мы видим в несколько раз дальше, чем это, потому что те объекты, которые послали к нам свет 13,7 миллиарда лет назад, они сейчас от нас находятся дальше. И мы от них видим свет-то, а они дальше, поэтому в действительности мы видим больше, чем скорость света умножить на время существования Вселенной.

Дальше. Средняя плотность вещества — примерно 10–29 г/см3. Очень мало. Но мы живем в том месте, где оно сконденсировалось… Вес наблюдаемой части Вселенной — больше 1050 тонн. Вес в момент рождения… а вот это вот самое интересное. Когда Вселенная родилась, если отсчитывать прямо от момента Большого взрыва, совсем вот во время t = 0, то ее вес должен был быть бесконечным. Если отсчитывать от какого-то другого момента… он называется планковский. Планковский момент — это момент 10 в степени минус… Ну вот, иногда все-таки буду писать на доске… Значит, t планковское — это примерно 10 в минус сорок третьей секунд (tp ~ 10–43 с). Это момент, начиная с которого впервые мы можем Вселенную рассматривать в терминах нормального пространства-времени, потому что если мы возьмем объекты на временах меньше, чем это, или на расстояниях меньше, чем планковское расстояние (это 10–33 см), — если мы возьмем меньшее расстояние, то на меньших расстояниях пространство-время так сильно флуктуирует, что померить их будет нельзя: линейки гнутся, часы вращаются, как-то нехорошо… Поэтому нормальное рассмотрение начинается с этого момента. И в этот момент Вселенная имела вес необычайно большой. Я вам скажу, какой — немножечко погодя. А то, что сделала инфляционная Вселенная: мы научились объяснять, как можно всю Вселенную получить из меньше чем одного миллиграмма вещества. Всё, что мы сейчас видим…

И давайте дальше, предварительные данные. Простейшие модели Вселенной, то, что вошло в учебники, — это три возможных модели Фридмана. Первая — это замкнутая Вселенная, [вторая] — открытая Вселенная, и [третья] — плоская Вселенная. Эти картинки — тоже примерные только картинки. Смысл состоит в следующем.

Вот простейший вариант — плоская Вселенная. Геометрия плоской Вселенной такая же, как геометрия плоского стола, то есть параллельные линии остаются параллельными и нигде не пересекаются. В чём отличие, чем отличается от плоского стола? Тем, что если у меня есть две параллельные линии… например, пошло два луча света, параллельные друг другу… Вселенная расширяется, поэтому, хотя они параллельные, два луча света, они удаляются друг от друга за счет того, что вся Вселенная расширяется. Поэтому сказать так — что геометрия плоского стола, — это не до конца правильно. Вселенная является кривой в четырехмерном смысле. В трехмерном смысле она является плоской.

Замкнутая Вселенная похожа геометрическими свойствами на свойства поверхности сферы. То есть если у меня есть две параллельные линии на экваторе, то они пересекаются на северном и южном полюсе. Параллельные линии могут пересекаться. А мы как бы живем на поверхности сферы, как такая блоха, которая ползет по глобусу. Но тоже аналогия поверхностная — в двух смыслах. Наша Вселенная, она как бы трехмерная сфера в четырехмерном пространстве. Приходится картинки рисовать, а в действительности только аналогии… И, кроме того, она расширяется. Если мы захотим пройти от экватора до северного полюса, то нам времени не хватит — такая Вселенная может сколлапсировать, или мы не дойдем, потому что она слишком быстро расширяется.

Открытая Вселенная похожа по своим свойствам на свойства гиперболоида, то есть если у горловины гиперболоида я пущу две параллельные прямые, то они начнут расходиться и никогда не встретятся.

Вот три основных модели. Их предложил Фридман довольно давно, в 20-е годы прошлого столетия, и Эйнштейн их очень не любил. Не любил, потому что это всё как бы противоречило той идеологии, на которой были воспитаны люди того времени. Идеология состояла в том, что Вселенная — это ведь система координат, ну и координаты-то, они не расширяются, это просто сетка. Люди всегда считали в Европе — сначала считали, — что Вселенная конечна и статична. Конечна, потому что Бог бесконечен, а Вселенная меньше Бога, поэтому она должна быть конечна, а статична… ну, потому что, что же ей делать-то — система координат… Потом они отказались от первого предположения, сказав, что Бог не потеряет много, если он один из своих атрибутов отдаст Вселенной и сделает ее бесконечной, но всё равно считалось, что она статична.

Расширение Вселенной — это было странное такое свойство, против которого долго боролись, до тех пор, пока не увидели, что она на самом деле расширяется. Значит, то, что произошло за последние несколько лет, экспериментально — не в теоретической физике, а в экспериментальной космологии. Выяснилось две вещи. Мы начнем со второго. В 1998 году люди увидели, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением. Что означает с ускорением? Ну, вот она расширяется с какой-то скоростью. В действительности, это немножко неправильно…

Значит, вот a — это масштаб Вселенной, a с точкой (å) — это скорость расширения Вселенной, a с точкой разделить на a (å/a) — это… Вот a, например, расстояние от одной галактики до другой, назовем его буквой a. А это (å/a) — скорость, с которой галактики убегают друг от друга. Вот эта вещь (å/a = H) есть хаббловская постоянная, она на самом деле зависит от времени. Если эта вещь убывает со временем, это не означает, что Вселенная перестает расширяться. Расширение означает, что a с точкой больше нуля (å > 0). А вот то, что люди обнаружили сейчас, — что сейчас этот режим асимптотически приближается к константе (å/a = H → const), то есть не только a с точкой положительно, но вот это их отношение, оно устремляется к константе. И если это дифференциальное уравнение разрешить, окажется, что масштабный фактор Вселенной ведет себя асимптотически приблизительно так: a ~ eHt — Вселенная будет экспоненциально расширяться, и этого не очень-то ожидали раньше. То есть это есть ускоренное расширение Вселенной, а раньше, по стандартной теории, выходило, что Вселенная должна расширяться с замедлением.

Вот это открытие последних девяти лет. Сначала люди думали, что, ну, где-нибудь экспериментальная ошибка, еще что-то, потом стали называть их разными словами — космологическая постоянная, энергия вакуума, темная энергия… Значит, вот это то, что произошло недавно. Теория о которой я сейчас буду говорить, — это инфляционная космология. Она предполагает (и сейчас всё больше кажется, что, наверное, это было правильное предположение, мы еще всё равно в точности не знаем — есть конкурирующие теории, хотя они мне там и не нравятся, но, значит, это точки зрения) — но кажется, что это вот правильная вещь, — что в ранней Вселенной, по-видимому, Вселенная тоже расширялась ускоренно. Причем с гораздо большим ускорением, чем то, с каким она расширяется сейчас, — на много десятков порядков большим ускорением. Вот эти два открытия… по-видимому, их надо попытаться интерпретировать как-то.

Значит, картинки, которые при этом часто рисуют… Вот (пока что не смотрите на эту красную картинку) стандартная, из учебника. Если Вселенная замкнутая — то есть геометрия похожа на геометрию сферы, поверхности сферы, — то она возникает из сингулярности и исчезает в сингулярность, у нее конечное время существования. Если она плоская, то она возникает из сингулярности и расширяется до бесконечности. Если она открытая, то она тоже продолжает двигаться с постоянной скоростью.

То, что выяснилось, то, что я сейчас сказал насчет этой темной энергии, космологической постоянной, ускорения Вселенной, — выяснилось, что она ведет себя так. И выяснилось, что она ведет себя так, какая бы она ни была — открытая, закрытая, плоская… Вообще в таких случаях вот такая вот вещь. Сейчас, если мы открываем учебники по астрономии, в основном они всё еще публикуют вот эти вот три картинки, и это то, на чём мы были воспитаны в течение последних лет. Поэтому существование вот этой последней — это было замечательное открытие, и оно связано с тем, что люди поверили, что в вакууме существует ненулевая плотность энергии, в пустоте. Она очень маленькая: она такого же порядка, как плотность энергии вещества во Вселенной, — 10–29 г/см3. И вот когда я иногда представляю этих людей, я говорю: «Посмотрите, вот это люди, которые померили энергию… ничего». Вот так, вот эта вот красная черта.

Общая картина распределения энергии… Когда я говорю «энергия», или говорю «материя», «вещество», я подразумеваю одно и то же, потому что, как мы знаем, E равняется mc квадрат (E = mc2), то есть эти две вещи пропорциональны друг другу… Есть темная энергия…

Полный бюджет энергии и материи во Вселенной представлен таким вот пирогом: 74% примерно составляет темная энергия. Что это такое, никто не знает. Либо это энергия вакуума, либо это энергия медленно меняющегося однородно распределенного специального скалярного поля — об этом дальше. Ну, вот это отдельная часть, она не комкуется. Что я под этим подразумеваю? Она не сбивается в галактики. Темная материя (примерно 22% всего бюджета) — что-то такое, что комкуется, но чего мы не видим. Что-то, что может сбиваться в Галактики, но чего мы не видим, не светится. И примерно 4–5% — это «нормальная» материя. Вот бюджет всей нашей материи.

И есть там мировые загадки. Почему они одного и того же порядка, эти величины, и почему так много все-таки такой энергии сидит в пустоте? Как же это вообще так оказалось, что мы, такие гордые, думали, что всё такого типа, как мы, а нам-то и дали всего четыре процента… Так вот…

Теперь — инфляционная Вселенная. Пока что идет просто справка, чтобы было понятно, о чём я говорю, а уже потом начнется дело. Инфляция — это вот что. Вот то, что было на предыдущих картинках, что Вселенная началась и начала расширяться, и, помните, дуга была выгнута вот в такую сторону… Вот если я вернусь назад, покажу вам вот это всё… вот видите, все дуги — они были выгнуты вот так. Инфляция — это кусок траектории, который существовал как бы до Большого взрыва в некотором смысле, до того, как дуга начала прогибаться так. Это время, когда Вселенная расширялась экспоненциально и Вселенная расширялась с ускорением. Она изначально могла иметь очень маленький размер, а потом была стадия очень быстрого расширения, потом она становилась горячей, и потом происходило всё то, что в учебниках было написано: что Вселенная была горячая, взорвалась, как горячий шар, — вот это всё было после стадии инфляции, а во время инфляции частиц могло не быть вообще. Вот такая справка.

Значит, зачем всё это понадобилось? А затем, что люди смотрели 25 лет назад — немножко больше уже — на теорию Большого взрыва и задавали разные вопросы. Я перечислю вопросы.

Что было, когда ничего не было? Ясно, что вопрос бессмысленный, чего же его задавать… В учебнике Ландау и Лифшица написано, что решения уравнений Эйнштейна нельзя продолжить в области отрицательного времени, поэтому бессмысленно спрашивать, что было до этого. Бессмысленно, но все люди всё равно спрашивали.

Почему Вселенная однородна и изотропна? Вопрос: почему, действительно? Что значит однородна? Ну вот, если мы рядом с нами посмотрим, наша Галактика — она не однородна. Рядом с нами Солнечная система — большие неоднородности. Но если мы посмотрим в масштабах всей наблюдаемой нами сейчас части Вселенной, вот эти 13 миллиардов световых лет, то в среднем справа и слева от нас Вселенная имеет ту же самую плотность, с точностью примерно до одной десятитысячной и даже лучше, чем это. Значит, кто-то ее отполировал, почему она такая однородная? И в начале прошлого века на это отвечали следующим образом. Есть такая вещь, которая называется «космологический принцип»: что Вселенная должна быть однородна.

Я любил шутить, что люди, у которых нет хороших идей, у них иногда есть принципы. Потом я перестал это делать, потому что оказалось, что этот принцип был введен, в частности, Альбертом Эйнштейном. Просто в то время люди не знали, и до сих пор во многих книжках по астрономии люди обсуждают космологический принцип — что Вселенная должна быть однородна, потому что. .. ну, вот она однородна!

С другой стороны, мы знаем, что принципы — они уж должны быть тогда полностью правильные. Там, не знаю, человек, который берет маленькие взятки, его нельзя назвать человеком принципов. Наша Вселенная была немножко неоднородной — в ней есть галактики, они необходимы для нас, значит откуда-то мы должны понять, откуда, галактики берутся.

Почему все части Вселенной стали расширяться одновременно? Та часть — Вселенная, и та часть — Вселенная, они друг с другом не говорили, когда Вселенная только что начала расширяться. Несмотря на то, что размер Вселенной был маленький, для того чтобы одна часть Вселенной узнала о том, что другая начала расширяться, надо, чтобы человек, который живет здесь, — ну, воображаемый человек — узнал бы о том, что эта часть начала расширяться. А для этого он должен бы был получить сигнал от того человека. А для этого потребовалось бы время, так что люди никак не могли договориться, особенно в бесконечной Вселенной, что, ура, надо начать расширяться, уже позволили. .. Значит, это почему все части Вселенной начали расширяться одновременно…

Почему Вселенная плоская? То, что сейчас экспериментально известно, — что Вселенная почти плоская, то есть параллельные линии, они не пересекаются в наблюдаемой части Вселенной. Значит, почему Вселенная такая плоская? Нас в школе учат, что параллельные линии не пересекаются, а в университете говорится, что Вселенная может быть замкнутая, и они могут пересекаться. Так почему Эвклид был прав? Не знаю…

Почему во Вселенной такое огромное количество элементарных частиц? В наблюдаемой нами части Вселенной больше чем 1087 элементарных частиц. Стандартный ответ на это состоял в том, что, ну, Вселенная — она же большая, вот поэтому… А почему она такая большая? И я иногда аккумулирую это в таком виде: почему так много людей пришло на лекцию? — а потому, что так много людей в Москве… — а почему так много людей в Москве? — а Москва только часть России, а в России много людей, часть пришла на лекцию. .. — а почему так много людей в России, вот в Китае еще больше? А вообще говоря, мы только на одной планете живем, а у нас много планет в Солнечной системе, а сейчас еще больше планет отыскивают еще во Вселенной, а вы знаете, что в нашей Галактике 1011 звезд, и поэтому где-то планеты, где-то есть люди, часть из них пришла на лекцию… Почему в нашей Галактике так много звезд? А вы знаете, сколько галактик в нашей части Вселенной? Примерно 1011–1012 галактик, и в каждой из них 1011 звезд, вокруг них вращаются планеты, и часть людей пришла на лекцию. А почему у нас так много галактик? Ну, потому что Вселенная же большая… Значит… и вот здесь мы и кончаем.

А если взять, например, Вселенную — типичную замкнутую Вселенную, у которой был бы единственный типичный размер, который имеется в общей теории относительности вместе с квантовой механикой, — 10–33 см, начальный размер. Значит, сжать вещество до самой предельной плотности, которая только возможна (это так называемая планковская плотность, ρ планковское), — это примерно 1094 г/см3. .. Почему предельная? Она не в том смысле предельная, что дальше нельзя, а в том смысле, что если сжать материю до такой плотности, то Вселенная начинает так флуктуировать, что ее нормальным способом описать невозможно. Значит, вот если взять и сжать материю до самой большой плотности, засунуть в нее естественного размера замкнутую Вселенную и посчитать количество элементарных частиц там, то окажется, что в ней есть одна элементарная частица. Может быть, деcять элементарных частиц. А нам надо 1087. Поэтому это реальная проблема — откуда, почему так много элементарных частиц?

Дело этим не кончается. Откуда взялась вся энергия во Вселенной? Вот раньше я даже это так для себя не сформулировал, до тех пор, пока меня не пригласили в Швецию на какой-то нобелевский симпозиум, посвященный энергии… то есть туда собрались люди, которые занимаются нефтедобычей, еще чего-то. И мне дали там открывать эту конференцию, и первый доклад… Я никак не мог понять, чего они от меня хотят? Я нефтедобычей не занимаюсь, солнечной энергией и энергией ветра не занимаюсь, что я про энергию вообще скажу? Ну, и начал я тогда доклад с того, что сказал: вы знаете, откуда энергия-то взялась во Вселенной? Знаете, сколько у нас энергии? Давайте посчитаем.

Энергия вещества во Вселенной не сохраняется. Первый парадокс. Вот мы знаем, что энергия сохраняется, — а вот это не правильно. Потому что, если мы возьмем, например, загоним газ в ящик и дадим ящику расширяться… Вот ящик — это наша Вселенная, дадим ящику расширяться. Газ — он давление оказывает на стенки ящика. И когда ящик расширяется, этот газ совершает работу над стенками ящика, и поэтому когда ящик расширяется, газ энергию свою теряет. Потому что он работу совершает, всё правильно, баланс энергии есть. Но только факт-то состоит в том, что во время расширения Вселенной полная энергия газа уменьшается. Потому что есть стандартное уравнение: изменение энергии равняется минус давление умножить на изменение объема (dE = –PdV). Объем-то Вселенной растет, давление-то положительно, поэтому энергия уменьшается.

Вот во всех моделях Вселенной, нормальных, тех, которые были ассоциированы с теорией Большого взрыва, полная энергия Вселенной уменьшалась. Если сейчас 1050 т, то сколько же было в начале? Потому что энергия-то только тратилась. Значит, тогда в начале должно было быть больше. Кто-то должен был сделать эту Вселенную с гораздо большей энергией, чем сейчас. С другой стороны, что-то же должно сохраняться. А куда тратится эта энергия во время расширения Вселенной? Она тратится на то, что размер Вселенной меняется, что Вселенная расширяется с некоторой скоростью. Есть некоторая энергия, которая прячется в геометрии Вселенной. Есть энергия, которая связана с гравитацией. И вот полная сумма энергии вещества и гравитационной энергии, она сохраняется. Но только если посчитать полную сумму. Есть разные способы счета — и опять там запятая некая ставится, — но при некотором способе счета полная сумма энергии вещества и гравитации, она просто равна нулю. То есть энергия материи компенсируется энергией гравитационного взаимодействия, поэтому есть ноль. И поэтому, да, она началась с нуля, она нулем и кончится, всё сохраняется, но только этот закон сохранения, он не очень полезен для нас. Он не объясняет нам, откуда же такая огромная энергия взялась. Значит, сколько?

Вот согласно теории Большого взрыва, полная масса вещества в начале, когда Вселенная родилась, должна была превосходить 1080 т. Это уже много. Это совсем много… А если бы я это всё отчислял даже прямо от сингулярности, то просто во Вселенной должно было быть бесконечное количество вещества. И тогда возникает вопрос: откуда же кто-то нам дал это бесконечное количество вещества, если до момента возникновения Вселенной, ну, ничего не было? Сначала ничего не было, а потом вдруг стало, и так много, что даже как-то немножко странно. То есть кто бы это мог сделать?.. А физики так вопрос формулировать не хотели, ну и сейчас не хотят.

Поэтому, может быть, хорошо, что нашлась теория, которая позволяет, по крайней мере в принципе, объяснить, как можно было сделать всё это, исходя из кусочка Вселенной с изначальным количеством материи меньше одного миллиграмма. Ну вот, когда я про это говорю, я думаю, что бы нормальный человек подумал, если бы такую вещь сказать давно, или если бы не писать уравнений при этом, и так далее. ..

Я помню, когда меня здесь проводили на старшего научного сотрудника, вызвали меня и начали меня спрашивать: «А чем вы занимаетесь?» А я им начал говорить, что вот, занимаюсь я, в частности, тем, что в разных частях Вселенной может оказаться так, что законы физики могут быть разные: в части есть, там, электромагнитное взаимодействие, в части — нет… Они мне сказали: «Ну, это уж слишком!» Но старшего научного все-таки дали. Вот это и есть та самая теория многоликой Вселенной, о которой я вам буду говорить.

Вот мы переходим к делу, к теории инфляционной космологии. Сначала первая простейшая модель. Простейшая модель выглядит следующим образом. Вот у вас есть некое скалярное поле, у которого энергия пропорциональна квадрату скалярного поля. Первые простейшие слова — и уже здесь возникает вопрос: что такое скалярное поле? Часть людей знает, часть людей не знает. Часть людей знает, что в Швейцарии сейчас строится огромный ускоритель, для того чтобы найти хиггсовскую частицу. Хиггсовская частица — это частица, которая является как бы квантом возбуждения специального типа скалярного поля. То есть люди используют эти поля уже давно, больше тридцати лет. Но смысл интуитивный легче всего понять с помощью аналогии. Вот здесь вот есть 220 вольт в сети. Если бы было просто 220 вольт и не было нуля, всю Вселенную заполнило бы 220 вольт, то никакого тока бы не было, ничего бы никуда не текло, потому что это было бы просто другое вакуумное состояние. В Америке 110 вольт. То же самое — если было бы просто 110 вольт, ничего бы не текло… Если вы возьметесь одной рукой за одну сторону, другой рукой за другую, то вас бы тут же убило, потому что разница потенциалов — это то, что… Я должен перестать…

Хорошо. Значит, так вот, постоянное скалярное поле — это аналог такого же поля. Это не точная аналогия, но примерная аналогия. Что такое векторное поле? Векторное поле — например, электромагнитное. У него имеется величина и направление. Что такое скалярное поле? У него имеется величина, а направления нет. Вот и вся разница, то есть оно гораздо проще, чем электромагнитное поле. У него нет направления, оно является лоренцовским скаляром. Лоренцовский скаляр — это означает следующее. Если вы побежите относительно него, вы не почувствуете, что вы бежите: ничего не изменилось. Если вы повернетесь, ничего не изменится тоже, вы не почувствуете, что вы поворачиваетесь. Выглядит как вакуум, если оно не движется, если оно постоянно. Но только это специальный вакуум, потому что у него может быть потенциальная энергия. Это первое свойство его. И во-вторых, если у вас в разных частях Вселенной разный вакуум, то там также разный вес элементарных частиц, разные свойства, поэтому от того, есть или нет это скалярное поле, а) зависят свойства элементарных частиц и б) зависит плотность энергии вакуума во Вселенной, так что это, в принципе, важная вещь. И вот простейшая теория, у которой энергия этого скалярного поля пропорциональна его квадрату.

Давайте посмотрим на уравнения. Я сейчас никакие уравнения решать не буду, а показывать их буду, так что не надо бояться… Первое — это немного упрощенное уравнение Эйнштейна, которое говорит: вот это скорость расширения Вселенной поделить на размер, это есть Хаббловская постоянная в квадрате, и она пропорциональна плотности энергии вещества во Вселенной. А я сейчас захочу пренебречь всем — там, газом, чем угодно… оставить только скалярное поле. И здесь надо было бы написать гравитационную постоянную, там еще восемь пи на три…

Сейчас забудем про гравитационную постоянную. Люди, которые занимаются этой наукой, они говорят: ну, возьмем гравитационную постоянную равную единице, скорость света, равную единице, постоянную Планка, равную единице, а потом, когда всё решим, мы это обратно вставим в решение, чтобы проще было…

Значит, вот это чуть-чуть упрощенное уравнение Эйнштейна, я оттуда еще выбросил пару членов, которые сами оттуда выбрасываются, после того как Вселенную начнет быстро сдувать. Это уравнение движения для скалярного поля. Не глядите сейчас на этот член. Это есть ускорение скалярного поля, а это показывает ту силу, с которой поле хочет устремиться в свой минимум энергии. И, для того чтобы было понятно, сравните это с уравнением для гармонического осциллятора. Опять, не смотрите на этот член. Это есть ускорение гармонического осциллятора, пропорциональное возвращающей силе. То есть сила, которая тащит поле осциллятора в точку x = 0, а это его ускорение. И мы знаем, чем дело кончается. Осциллятор так вот осциллирует. А если мы добавим такой член, x с точкой. Это скорость движения осциллятора. То есть это, если его перенести вот в эту сторону, будет понятно, что это как бы сила, которая не пускает осциллятор двигаться быстро. Это примерно как если вы засунете маятник в воду, то вода будет препятствовать осцилляции, и он будет осциллировать всё медленнее и медленнее. Как бы сила трения или вязкости.

Вот оказывается, что во Вселенной тоже имеется аналогичный член, который описывает уравнение для скалярного поля. Уравнение-то выглядит точно так же. И этот член похож на этот. Вот оказывается, что во Вселенной эффект трения возникает, если Вселенная быстро расширяется. Вот такой трюк. Теперь давайте вернемся к предыдущей картинке.

Вот когда скалярное поле здесь, то энергии у скалярного поля мало, Вселенная расширяется медленно, трения никакого нету. Если скалярное поле находится здесь, то энергия очень большая. Если энергия очень большая, посмотрим, что получается, на следующей картинке.

Энергия очень большая, Хаббловская постоянная большая, коэффициент трения большой. Если коэффициент трения большой, скалярное поле катится вниз очень медленно. Если скалярное поле катится вниз очень медленно, то в течение большого времени оно остается почти постоянным. Если оно остается почти постоянным, я решаю вот это уравнение: a с точкой на a (å/a) равняется почти постоянной. А я вам уже сказал, какое будет решение. Если a с точкой на a (å/a) является почти постоянной, то это экспоненциальное решение, самое простейшее дифференциальное уравнение. И в таком случае Вселенная начинает расширяться экспоненциально.

Логика такая: если большое значение скалярного поля φ, большая скорость расширения Вселенной, большой коэффициент трения, поле φ катится вниз очень медленно. Решая дифференциальное уравнение с константой, получаем экспоненциальное расширение, это есть инфляция. Всё очень просто.

До этого надо было, в общем, помучиться, чтобы додуматься, чтобы всё свести к простому. В действительности началось всё с гораздо более сложного. Впервые идеи такого типа стал высказывать Алеша Старобинский в 1979 году здесь, в России. Его вариант этой теории основывался на квантовой гравитации с определенными поправками — конформные аномалии, теория была очень сложной, непонятно было, как, с чего начать, но теория, тем не менее, внутри Советского Союза была тогда очень популярной, она называлась «моделью Старобинского». Но немножко сложноватой, не было понятно, какая ее цель. Он хотел решить проблему сингулярности, это не удавалось…

После этого возникло то, что сейчас называется старая инфляционная теория, ее предложил в 1981 году Алан Гус (Alan Guth) из MIT — сейчас он в MIT, а раньше он было в SLAC, рядом со Стэнфордом. Он предложил, что Вселенная с самого начала сидит зажатая по своей энергии в состоянии ложного вакуума, никуда не движется, энергия там постоянная, в это время она расширяется экспоненциально, а потом этот ложный вакуум с треском разваливается, образуются пузырьки, они соударяются. .. Зачем это было нужно? А его желание состояло в том, чтобы решить тот лист проблем, который я вам написал раньше: почему Вселенная однородная, почему она изотропная, почему такая большая, — его цель была такая. И в этом было достоинство его работы. Не потому, что он предложил модель — его теория не работала, а потому, что он сказал, что вот замечательно было бы сделать что-то такое, и тогда мы решим сразу все эти проблемы. А его модель не работала потому, что после столкновения пузырьков Вселенная становилась такой неоднородной и изотропной, что, как бы, не надо было и стараться…

После этого все мы находились в состоянии душевного кризиса, потому что идея была такая приятная, такая симпатичная, и у меня была язва желудка, может быть от огорчения, что нельзя, никак не получается. А потом я придумал, как сделать то, что я назвал новой инфляционной теорией, а потом я придумал вот эту простую штуку с хаотической инфляцией, которая была проще всего. И тогда стало ясно, что мы говорим не о трюке каком-то, а всё может быть так просто, как теория гармонического осциллятора.

Но зачем это всё надо, я не сказал. А вот зачем. Во время инфляции, во время вот этой стадии, пока я катился вниз, Вселенная могла расшириться вот в такое количество раз. Это в простейших моделях. Что означает вот эта цифра? Ну вот я сейчас скажу, что это означает. Пример из арифметики. Самый маленький масштаб — 10–33 см. Умножу его на десять, а дальше здесь рисуется вот такое вот количество нулей — не важно, какое количество нулей. Теперь возникает вопрос: чему равняется произведение? И ответ состоит в том, что вот, оно равняется вот этому же — значит, что 10–33 можно уже не писать, это маленькая вещь. Значит, Вселенная оказывается вот такого огромного размера. А сколько мы сейчас видим? Вот эти 13 миллиардов лет, умноженные на скорость света, — это примерно 1028 см. А вот это даже не важно, чего — сантиметров или миллиметров, не важно даже чего. Важно то, что вот это, ну, несопоставимо меньше этого.

То есть наша наблюдаемая часть Вселенной — мы вот где-то вот здесь. (Можно сейчас уже погасить, да?) Вселенная начала расширяться, раздувалась, раздувалась, раздувалась, и мы живем как бы на поверхности этого огромного глобуса. И поэтому параллельные линии кажутся параллельными, поэтому никто и не видел этого северного и южного полюса. Поэтому наша часть Вселенной, где-то здесь, она вот началась где-то вот отсюда, из почти что точечки, и поэтому-то здесь все начальные свойства, ну, они-то рядышком, они были примерно одинаковыми. Поэтому и здесь они одинаковые.

А почему Вселенная такая однородная? Ну а представьте, что вы взяли Гималаи и растащили их вот в такое количество раз. Значит, у вас никто туда с рюкзаком не пойдет, потому что от долины до горы надо будет вот столько идти. Будет плоское место. Поэтому наша Вселенная такая плоская, такая однородная, во всех направлениях одинаковая.

Почему она изотропная? Что называется изотропной? Ну, она похожа как бы на сферу, во всех направлениях одинаковая, но она могла бы быть как огурец. Но если я огурец раздую вот в такое количество раз — а мы живем на его шкурке, — то во всех направлениях он будет одинаковым, поэтому Вселенная во всех направлениях станет одинаковой. То есть таким образом мы решаем большинство тех проблем, которые у нас возникали. Почему Вселенная такая большая? А вот почему! А сколько там элементарных частиц? А вот столько! Поэтому нам и хватает…

То есть мы еще не знаем, откуда всё это взялось, мы не можем так просто решить проблему сингулярности начальной — мы про это еще немножечко дальше скажем, — но вот это то, зачем была нужна эта теория.

С другой стороны, могло бы оказаться, что мы переработали немножко. Потому что если Гималаи полностью выплощить, то вся Вселенная будет настолько плоская и однородная, что действительно будет плохо жить там, мы тогда галактики ниоткуда не возьмем.

Но оказалось, что можно галактики продуцировать за счет квантовых флуктуаций. И это то, что здесь же, в ФИАНе, говорили Чибисов и Муханов. Они изучали модель Старобинского и увидели, что там, если посмотреть на квантовые флуктуации пространства, а потом посмотреть, что происходит во время расширения Вселенной, то они вполне могут породить галактики. И мы на них смотрели и думали: что вы, ребята, тут говорите? Вы говорите о квантовых флуктуациях, а мы говорим о галактиках! Они же реальные… А потом вот что выяснилось. Это уже когда мы перевели всё это на язык скалярного поля и так далее… Молодцы, в общем, люди! Надо же было додуматься до этого!

Вселенная работает как лазер, только вместо лазерного поля она продуцирует галактики. Вот что происходит. Возьмем скалярное поле, сначала высокочастотное, квантовые флуктуации. Квантовые флуктуации существуют всегда. Здесь, в этой аудитории, на маленьких расстояниях есть квантовые флуктуации. Хорошо, что вы мне дали два часа, я бы не закончил… За два часа, наверное, закончу…

Так вот, квантовые флуктуации существуют сейчас, прямо здесь, но они всё время осциллируют, их, если посмотреть в мелкоскоп и быстро так снимать, то тогда мы увидим, что там что-то возникает, что-то исчезает. Так просто не увидишь, они для нас не важны. Но во время быстрого расширения Вселенной, предположим, что была такая квантовая флуктуация. Она растягивалась, с расширением Вселенной. Когда она растянулась достаточно — помните это уравнение для скалярного поля, где стоит этот член 3Hφ с точкой? Уравнение, член с трением. Когда у вас поле было коротковолновое, оно знать ничего не знало о трении, потому что оно билось с такой энергией, что его трением остановить было нельзя. А потом, когда оно растянулось, оно энергию свою потеряло и вдруг почувствовало, что Вселенная расширяется, что трение есть, и вот так и застыло. Застыло и продолжало расширяться, растягивая Вселенную.

После этого, на фоне этой флуктуации, которая нарисована здесь, прежние флуктуации, которые раньше были очень коротковолновыми, энергичными и так далее, они растянулись, увидели, что Вселенная расширяется, почувствовали трение и застыли — на фоне тех флуктуаций, которые раньше застыли.

После этого Вселенная продолжала расширяться, и новые флуктуации замерзали, а Вселенная расширялась-то экспоненциально. И в результате что произошло? Что эти все флуктуации раздулись до большого размера.

См. также анимацию «Генерация квантовых флуктуаций»: 0,5 Мб и 9,6 Мб.

Я сейчас поясню, что это такое: это результат вычислений, которые как бы симулируют возникновение флуктуаций и их дальнейшую эволюцию. Я объясню, что это будет, что это такое. Смысл состоит вот в чём. Что мы взяли эти квантовые флуктуации. Они замерзли. Вселенная стала неоднородной на экспоненциально большом масштабе. Эти неоднородности стоят, стоят, стоят… Потом инфляция кончилась. Потом — эта часть Вселенной еще не видит эту часть Вселенной. А потом прошло время, и они друг друга увидели. И когда увидели, эта часть Вселенной сказала: «А, у меня энергии меньше, а у тебя энергии больше; давай, все камни от меня полетят в эту сторону, потому что здесь гравитация сильнее». И эти флуктуации размораживаются. То есть сначала они были заморожены — за счет быстрого расширения Вселенной. А потом, когда две части Вселенной друг друга увидели, то эти флуктуации размерзли, и это буквально. .. по барону Мюнхгаузену.

Я не знаю, в детстве сейчас вас учат, там, барона Мюнхгаузена читают? Нам читали. Как он путешествовал по России. Хотя он был немецкий лжец, но путешествовал по России, в Сибири. Они охотились. И был такой жуткий мороз, что когда он хотел позвать друзей, чтобы они вместе собрались, то он сказал «ту-туту-туту!», а ничего не получилось, потому что звук замерз в рожке. Ну, потом, было холодно, он в снегу, как опытный человек, отрыл пещеру, зарылся там… Наутро вдруг он слышит: «Ту-туту-туту!». Что произошло? Размерзся звук-то. Потому что утром солнце появилось, всё, снег подтаял, и звук размерзся…

Вот здесь это же самое: сначала квантовые флуктуации замерзли, растащились на большое расстояние, а потом, когда дело уже пришло к тому, чтобы галактики образовывались, они размерзли, и неоднородности собрались вместе и сделались галактикой.

Сначала мы начали с квантовых флуктуаций. Потом мы быстро сделали их огромными. И когда мы сделали их огромными, мы фактически сделали их классическими. Они уже в это время не осциллировали, не исчезали, они замерзли,, были большими. Вот этот трюк — как из чего-то квантового сделать что-то классическое.

Значит, этот фильм показывает вот что. Если мы начнем с чего-то почти однородного, как сейчас, и потом начнем добавлять эти вот синусоиды… Каждый новый кадр показывает экспоненциально большую Вселенную. Но компьютер не мог расширяться, поэтому мы сжимали картинки. На самом деле надо понимать, что каждая картинка соответствует экспоненциально большей и большей Вселенной. И длины волн всех этих значений, они все примерно те же самые в момент, когда они создаются. А потом они растягиваются, но вот здесь не видно, что это здоровая синусоида. Кажется, что это пик, там, башня острая… Это просто потому, что компьютер их сжал.

Не видно также и другое: что в тех местах, где скалярное поле подскочило по случайности очень высоко, в этом месте энергия скалярного поля оказывается такой большой, что в этом месте Вселенная начинает расширяться еще гораздо быстрее, чем она расширялась здесь. И поэтому в действительности, если бы правильно рисовать картинку — ну просто компьютер не умеет это делать, и это не компьютер виноват, это просто физика такая: нельзя кривое пространство представить себе уложенным в наше пространство, просто кривовато, как кривая поверхность, не всегда это удается, поэтому здесь ничего не поделаешь, — надо просто понять, что вот эти вот пики, значит, размер отсюда досюда — он гораздо больше размера отсюда досюда. Здесь на самом деле здоровый пузырь.

Это то, что… — тоже достоинство русского обучения — то, что мы выяснили, когда были на практике военного дела в университете: что расстояние по прямой бывает гораздо длиннее, чем расстояние по кривой, если прямая проходит рядом с офицером… Здесь, если вы пойдете по прямой рядом с этим пиком, то вы никогда не дойдете, потому что расстояние будет всё больше и больше. Кривое пространство можно представить себе двумя способами. Первое — можно говорить про расширение Вселенной, а второе — можно говорить про сжатие человека. Вот человек — это мера всех вещей. Если вы идете отсюда и доходите рядом с пиком, то можно сказать, что ваши шаги становятся всё меньше, и меньше, и меньше, и меньше, и поэтому вам трудно, трудно идти. Это другое понимание того, что это такое за пузырь здесь — это просто место, где вы сами уменьшаетесь по сравнению со Вселенной. Это почти эквивалентные вещи.

Откуда мы всё это знаем? Откуда мы знаем, что это всё правда? Ну, во-первых, честно говоря, мы с самого начала ведь знали, что это — правда. Потому что, ну, такая красивая была теория, так всё запросто объясняла, что после этого как бы даже экспериментальные доказательства были не очень нужны, потому что Вселенная же, ну… большая? — Большая. Параллельные прямые не пересекаются? — Не пересекаются… И так далее. Другого объяснения не было.

Поэтому, как бы, вот есть экспериментальные данные. Но люди, всё равно, они хотят не просто так, а хотят, чтобы и еще что-нибудь предсказать бы, чего мы не знали, и чтобы это подтвердилось. И одно из предсказаний — эти вот квантовые флуктуации… Хорошо было бы их увидеть на небе, а мы их не видели. И один за другим стали запускаться разные системы, спутники, первый замечательный спутник — это был «Кобе» (COBE), запущенный в начале 90-х, и люди как раз в прошлом году получили нобелевские премии за это. Они увидели следующее. Они увидели, что микроволновое излучение, которое приходит к нам с разных сторон Вселенной, оно немножечко анизотропное.

Сейчас я объясню, о чём идет речь. В середине 60-х люди увидели, что на Землю идет излучение с температурой примерно 2,7 K. Чего-то такое, радиоволны, очень малоэнергичные, но со всех сторон. Потом они поняли, что это такое. Вселенная, когда она взорвалась, она была горячей. Потом, когда она расширилась, эти фотоны свою энергию потеряли, и когда они к нам дошли, они дошли вот такими дохленькими, с маленькой-маленькой энергией. И со всех сторон была та же самая энергия — 2,7 K. Температура — мера энергии. Потом начали смотреть более пристально и увидели, что вот в этом направлении температура 2,7 плюс еще примерно 10–3, а вот в этом направлении 2,7 минус еще 10–3. И почему же это такое? А вот почему: потому что Земля движется по отношению ко всей Вселенной. И есть вот это самое красное смещение. В ту сторону, куда мы движемся, там небо становится более голубым, фотоны приходят чуть-чуть более энергичные. А откуда движемся, они идут немножечко более красные. Это был простой эффект. И мы сразу поняли, с какой скоростью мы движемся по отношению к реликтовому излучению, всё было просто.

А потом люди захотели узнать, а нет ли еще какой-нибудь структуры? И вот запустили спутники, один из них «Кобе», а вот здесь, на картинке нарисован WMAP, спутник такой. И картинка, которая показывает как бы эволюцию во времени.

Сначала был Большой взрыв, потом было вот это ускорение Вселенной — инфляция, потом возникли квантовые флуктуации, которые замерзли, потом эти квантовые флуктуации, которые замерзли, привели к возникновению структуры небольшой во Вселенной. В это время Вселенная была очень горячей. Она была такой горячей, что сигналы до нас просто не доходили, так же как Солнце для нас здесь непрозрачно: оно очень горячее, поэтому мы вглубь Солнца можем видеть только на несколько сотен километров. Вот…

А потом вдруг Вселенная стала прозрачной для обычного излучения, потому что электроны объединились с протонами в атомы, и дальше, когда Вселенная стала более или менее нейтральной, свет стал проходить до нас. И вот мы видим то излучение, которое прошло от этого момента. И вот эти спутники, они посмотрели и померили температуру от разных точек во Вселенной с точностью до 10–5 K. Вот представьте себе, что в лаборатории было трудно получить, там, температуру один градус Кельвина. Люди померили температуру Вселенной, 2,7 K плюс еще, там, много знаков после этого, и потом они померили неточности в этой температуре с точностью до 10–5. Ну, научная фантастика! Я никогда не верил вообще, что это возможно, но потом стал доверять друзьям-экспериментаторам, потому что мы-то знаем, что мы, теоретики, а вот экспериментаторы, оказывается…

Значит, вот, они померили такие маленькие пятнышки на небе, эти маленькие пятнышки — они здесь раскрашены. Мы знаем, что там, где энергия больше — это синее смещение, там где энергия меньше — это красное смещение, но здесь всё наоборот. Люди, которые эту карту раскрашивали, они понимали, что психология людей работает не так. Всё равно это не видимый свет, это радиоизлучение, поэтому не красный, не белый, никакой. Поэтому они его раскрасили искусственно. И вот то, что красное, это чтобы понять, что там горячо. А там, где синее, — это чтобы понять, что холодно. Поэтому они раскрасили прямо наоборот. Но не важно. Важно то, что вот эти пятнышки на небе, они с точностью до 10–5.

Если поглядеть повнимательнее на кусочек этого неба, то вот какая картинка здесь получается. Вот такие вот пятнышки. Что это такое? А вот что это. Возникли эти квантовые флуктуации скалярного поля, растащились на всё небо, замерзли там, изменили там немножечко геометрию Вселенной и плотность вещества, изменили за счет этого температуру реликтового излучения, которое к нам приходит, и поэтому эта температура, вот эти неоднородности, являются фотографией тех квантовых флуктуаций, которые возникли на последних стадиях инфляции — возникли и замерзли. То есть мы сейчас видим всё небо, и это всё небо является как фотографическая пластинка, на которой изображены квантовые флуктуации, возникшие на конечной стадии инфляции, примерно в 10–30 с. Мы видим фотографию того, что произошло с 10–30-й секунды после Большого взрыва. Ну вот, чудеса, что тут можно сказать!

Мало того, что мы видим эту фотографию — изучили ее спектральные свойства. То есть эти пятнышки на больших угловых размерах имеют одну интенсивность, на маленьких угловых размерах они имеют другую интенсивность. Посчитали спектр этих флуктуаций и выяснили, что спектр — он вот такой: черные пятнышки — это то, что экспериментально видит этот самый спутник WMAP. С тех пор появились и еще другие результаты, которые вот в эту область простираются, я их сейчас здесь и приводить не стал. Но вот красная линия — это теоретические предсказания простейшей модели инфляционной Вселенной, а черные точки — это то, что экспериментально видно.

Здесь есть какие-то аномалии. При больших углах самые большие расстояния маленькие. Здесь l — то, что здесь, вот, на этой оси, — это количество гармоник. То есть чем больше l, тем больше гармоники, тем меньше угол. На маленьких углах прекрасное совпадение с экспериментальными данными. На больших углах что-то не до конца понятное происходит. Но может быть, это просто потому неточности, потому что нам дан-то один только кусок Вселенной: мы статистику изучаем, а статистика у нас — как вы подбросили монетку один раз, какая вам статистика? Вам надо подбросить ее сто раз, чтобы увидеть, что примерно 50 на 50 произошло. Поэтому на больших углах статистика не очень точная. Всё равно немножечко точки выпадают — есть некая проблема, что здесь происходит. Какие-то есть анизотропии во Вселенной, которые мы не можем объяснить в больших масштабах пока что. Но тем не менее, факт-то состоит в том, что все остальные точки, оказывается, прекрасно ложатся. И поэтому совпадение теории с экспериментом очень впечатляющее.

Я решил для себя, что я должен придумать способ объяснить изменение картины мира на простом языке. А картина мира… Сейчас, я пока что до этой самой теории многоликой Вселенной еще не дошел. Это пока что простая картинка… Так вот. Изменение картины мира, оно выглядит так. Что сидим мы на Земле, смотрим вокруг. И вот окружены этой хрустальной сферой. Дальше ничего мы видеть не можем, а есть там звёзды, планеты… И мы знаем, что мы используем нашу космологию как машину времени.

Если мы возьмем и посмотрим, там, на Солнце, мы видим Солнце, каким оно было несколько минут назад. Посмотрим на дальние звёзды. Мы увидим звёзды такими, какими они были много лет назад, сотни лет назад, тысячи лет назад.

Если мы немножечко дальше пойдем, то мы увидим галактики такими, какими они были, там, миллиарды лет назад.

Если мы еще дальше пойдем, то мы увидим вот это место, где Вселенная только что стала горячей, и в это время пошли к нам фотоны, это вот то, что эти спутники видят, вот мы увидели этот космический огонь. А дальше Вселенная непрозрачна. Дальше, ближе к этому Большому взрыву, который произошел вот эти 13 миллиардов лет назад, мы подойти не можем. Но, конечно, если бы использовать, например, нейтрино, которые в это время излучены, — мы знаем, что мы можем получать нейтрино, которые идут из центра Солнца, — можно было бы получить нейтрино, которые были испущены ближе к этому Большому взрыву. Сейчас мы видим только то, что было примерно 400 000 лет после Большого взрыва. Ну, все-таки… по сравнению с 13 миллиардами четыреста тысяч — довольно хорошо… Но если бы нейтрино, мы могли бы подойти гораздо ближе. Если бы гравитационные волны, мы могли бы подойти совсем близко к Большому взрыву, прямо вот буквально до вот таких вот времен от Большого взрыва.

А что говорит инфляция? А инфляция говорит вот что. Что на самом деле вот этот весь огонь космический, он возник после инфляции, и здесь есть экспоненциально много места, когда вся Вселенная была заполнена только скалярным полем, когда частиц никаких не было, а если бы они даже и были, то плотность их экспоненциально падала бы всё время, потому что Вселенная экспоненциально расширялась.

Поэтому что бы там ни было до инфляции, это совершенно не важно. Вселенная здесь была практически пустой, а энергия сидела в этом скалярном поле. А уж после того, как оно — помните эту картину: скалярное поле шло вниз, вниз, вниз, потом постепенно, когда оно доходило донизу, Хаббловская постоянная становилась маленькой — оно начинало осциллировать, в это время за счет своих осцилляций оно порождало нормальную материю. В это время Вселенная становилась горячей. В это время возник этот огонь. А мы раньше думали, что этот огонь от начала мира. Мы просто были как волки, которые боятся через огонь перепрыгнуть, мы знали, что вот это вот начало мира.

Выясняется сейчас, что для того, чтобы объяснить, почему этот огонь был так однородно распределен, нам надо было, чтобы была стадия, которая всё уравнивала. И это — инфляционная стадия.

И дальше можно по небу идти далеко-далеко за это место, потому что Вселенная вот такая вот большая, вот столько там было. И если мы пойдем дальше, мы увидим эти места, где возникают квантовые флуктуации, которые порождают галактики. И мы увидим те места, где эти флуктуации такие большие, что они порождали новые части Вселенной, которые расширялись быстро и которые порождаются и возникают и сейчас. Вселенная за счет этих квантовых флуктуаций порождает сама себя, не только галактики, но большие части самой себя. И она становится бесконечной и самовоспроизводящейся Вселенной.

Но помимо всего этого возникает еще один эффект. Вот я вам рассказывал про Вселенную, в которой было скалярное поле только одного типа. Скалярное поле с таким простым потенциалом… Мы знаем, что если мы хотим описать теорию элементарных частиц полностью, то нам нужно много скалярных полей. Например, в теории электрослабых взаимодействий имеется хиггсовское поле. И хиггсовское поле делает все частицы нашего тела тяжелыми. То есть электроны приобретают массы, протоны приобретают массы, фотоны не приобретают массы. Другие частицы приобретают массы. В зависимости от того, какое скалярное поле, они приобретают разную массу.

Но этим дело не кончается. Есть еще и теория Великого объединения, в которой возникает скалярное поле другого типа. Это другое поле. Если бы его не было, то не было бы принципиальной разницы между лептонами и барионами, тогда бы протоны могли легко распадаться на позитроны, не было бы разницы между материей и антиматерией. Для того чтобы объяснить, что там произошло, как эти вещи отделились, пришлось ввести еще одно скалярное поле… В принципе, этих скалярных полей может быть много. Если посмотреть на простейшую теорию — суперсимметричную — теорию Великого объединения, то окажется, что потенциальная энергия в ней рисуется вот так…

Ну, это тоже примерная картинка, на самом деле. Это некоторое поле, которое на самом деле является матрицей. И вот, при одном значении этого поля нету никакого нарушения симметрии между слабым и сильным электромагнитным взаимодействием, нет разницы между лептонами и барионами. Есть другое значение поля, в котором специальный тип нарушения симметрии, совсем не то, что мы видим. Есть третий минимум, в котором как раз физика нашего мира. В действительности надо еще написать вот наше скалярное поле, и если всё вместе написать, то будет десяток таких минимумов. У них у всех в первом приближении одинаковая энергия, и мы живем только в одном из этих минимумов.

И тогда возникает вопрос: а как же мы в этот минимум попали? А в самой ранней Вселенной, когда температура была горячей, существовал только вот этот минимум. И возникала проблема: как же мы тогда просочились вот в этот минимум-то, потому что в ранней Вселенной, в согласии с той теорией, которую мы здесь развивали вместе с Давидом Абрамовичем Киржницем, которому пришла эта идея ему в голову, насчет того, что в ранней Вселенной симметрия между всеми взаимодействиями восстанавливается. И вот тогда мы должны были бы сидеть здесь. А как же мы тогда попали вот сюда ? И единственный способ, как мы туда могли попасть, это за счет квантовых флуктуаций, которые генерировались во время инфляции.

Но ведь это скалярное поле тоже скакало и тоже замерзало. И оно могло перескочить в этот минимум, перескочить в этот, перескочить обратно. Потом, если оно перескочило в один из этих минимумов, часть Вселенной, в которую мы попали в этот минимум, она начинала быть экспоненциально большой. Эта начинала быть экспоненциально большой, эта… И Вселенная разбилась на экспоненциально большое количество частей экспоненциально большого размера. Со всеми возможными типами физики в каждой из них.

Что это означает? Что, во-первых, может быть много скалярных полей. Во-вторых, может быть много разных минимумов. И после этого, в зависимости от того, куда мы попали, Вселенная могла стать разбитой на большие, экспоненциально большие области, каждая из которых по всем своим свойствам выглядит — локально — как огромная Вселенная. Каждая из них имеет огромные размеры. Если мы в ней живем, мы не будем знать, что другие части Вселенной существуют. А законы физики, эффективно, там будут разные.

То есть, в действительности, закон физики — он один и тот же может быть, у вас имеется одна и та же теория, — но это так же, как вода, которая может быть жидкой, газообразной, твердой. Но рыба может жить только в жидкой воде. Мы можем жить только вот в этом минимуме. Поэтому мы там и живем. Не потому, что этих частей Вселенной нет, а потому, что мы можем жить только здесь. Вот возникает эта картина, которая и называется «многоликая Вселенная», или «Multiverse» вместо «Universe».

Другим языком. Мы знаем, что наши свойства определяются генетическим кодом — кодом, который нам достался в наследство от наших родителей. Мы знаем также, что существуют мутации. Мутации происходят, когда что-нибудь странное происходит. Когда космические лучи, когда какая-нибудь химия не та — ну, вы лучше меня знаете, что нужно для того, чтобы мутации происходили. А мы знаем также, что всё вот огромное количество видов — необходимо было, чтобы эти мутации были.

Так вот, во время расширения Вселенной тоже были мутации. У вас Вселенная, даже если с самого начала она находилась в одном минимуме, то после этого она начинала прыгать из одного минимума в другой и разбивалась на разные типы Вселенной. И вот этот механизм квантовых флуктуаций, которые перебрасывали Вселенную из одного места, из одного состояния в другое — их можно назвать… это можно назвать механизмом космических мутаций.

(К сожалению, здесь, конечно, не видно часть того, что я собирался показывать. Ну, словами, значит…) Ландшафт. Возникла такая терминология, потому что эта терминология, эта картинка оказалась очень важной в контексте теории струн. Люди уже давно говорили про теорию струн как лидирующего кандидата на теорию всех взаимодействий. Я в этом месте, к сожалению, «плаваю»… Хотя я и являюсь одним из соавторов вот этой картинки, которая здесь есть. То есть в течение многих лет люди не знали, как с помощью теории струн описать наше четырехмерное пространство.

Дело в том, что теорию струн легче всего сформулировать в десятимерном пространстве. Но в десятимерном пространстве шесть измерений являются лишними, надо как-нибудь от них отделаться. Идея состоит в том, что их надо как-нибудь сжать в маленький клубочек, чтобы их никто не видел, чтобы в шесть направлений никак никто не мог пойти, а мы видели бы только четыре большие измерения — три пространства и одно время. И вот мы гуляли бы в этих трех пространственных измерениях и думали бы, что наша Вселенная трехмерная плюс одно время, а в действительности где-то в сердце Вселенной хранилась бы информация о том, что она происхождение имеет пролетарское — десятимерное. И хотелось бы ей стать десятимерной тоже. Вот в теории струн так всё время получалось, что она хочет быть десятимерной, и до последнего времени не знали, как сделать ее четырехмерной, оставить ее нормальной. Во всех вариантах получалось, что это состояние неустойчивое.

В 2003 году у нас в Стэнфорде Качру, Рената Каллош, которая также из ФИАНа, я и еще один человек из Индии — мы предложили некий вариант этой теории, в котором можно понять, почему шестимерное пространство не расширяется, застревает, становится стабильным. В действительности, оно не является… Кстати, я в этой работе был консультантом по космологии. Поэтому мое знание теории струн от этого немножечко увеличилось, но не настолько, чтобы я мог комментировать это полностью грамотно, но полуграмотно я уже научился говорить. ..

Значит, что произошло? Произошло следующее. Есть эти шесть измерений, причем эти шесть измерений, когда они сжимались до маленького размера, они сжимались очень хитро. У этого шестимерного пространства довольно хитрая топология. Кроме того, что там топология, там есть разные браны, там есть разные потоки, которые проходят вокруг всего этого дела… Для нас важно из этого вот что: что Вселенная внутри могла сжаться огромным количеством разных способов. То есть вдобавок к этим скалярным полям, про которые я говорил, имеется еще огромное количество способов сделать наш мир, то есть сжать этот шестимерный мир большим количеством способов.

И получается вот что: вот эта картинка, которая иллюстрирует… (Ох, как жалко! Может быть, можно сейчас задний свет выключить на некоторое время? Может быть, его можно вообще выключить? Потому что картинки красивые…) Значит, это картинка, которая иллюстрирует то, как устроено пространство Калаби—Яу, это один из вариантов того, что там происходит, в шестимерном пространстве. (Да, всё равно плохо видно…) Я покажу еще пару вариантов, может быть тогда вместе станет понятнее, о чём речь идет. Люди пытаются сделать, ну как-нибудь изобразить шестимерное пространство и перевести это на двумерную поверхность. Сделать это очень трудно, они берут разные сечения этой поверхности, проекции и так далее. Что бы они ни делали, как бы они ни делали, получается вот что: что есть поверхности, а есть огромное количество дырок в них.

Вот еще одна картинка, которая иллюстрирует — разные люди пытаются это сделать — иллюстрирует это дырявое пространство.

Вот еще один вариант — здесь даже есть кино, которое, если нам повезет, закрутится, — который показывает пространство такого типа с дырками, а также показывает, что на самом деле у него могут быть свойства разные, оно иногда вот такое сингулярное, а иногда у него есть также скалярные поля, которые описывают размеры перемычек, которые там возникают. И вот вокруг этих самых штук могут существовать еще потоки полей, которые там есть, всё это внутри шестимерного пространства. И вариантов сделать это очень много.

См. также анимацию «Вселенная Кандинского»: 6,6 Мб.

В свое время — это было в 1984 году — Андрей Дмитриевич Сахаров, находясь в то время в Горьком, написал статью, которая содержала много вещей, часть из которых неизвестно зачем была написана, но одно место было написано замечательно. Он сказал, что если у нас Вселенная имеет много измерений, то эти измерения могут быть свернуты в тот тип, который мы сейчас видим, огромным количеством способов. И это огромное количество способов может объяснить, почему плотность энергии вакуума сейчас та, которая она сейчас есть. Почему? Потому что этих вакуумов так много, что один из них — по случайности — имеет энергию вакуума, которая сейчас имеется, а если бы мы жили чуть-чуть повыше или чуть-чуть пониже, то жизнь была бы невозможна.

И вот эта идея, она сейчас находится в основе современного объяснения того, почему космологическая постоянная сейчас такая маленькая. Но в то время мы не знали, как сделать это и стабилизировать все эти вакуумные состояния. А сейчас мы научились это делать — и выяснили, что способов сделать это очень много.

А это те картинки, которыми мы иллюстрировали эти возможности. Когда я впервые приехал в Стэнфорд, я попытался получить какой-нибудь компьютер, на котором бы всё это дело проиллюстрировать, и… Ой, это была драматическая история! Потому что мы туда приехали, я на компьютере вообще работаю плохо, но один из моих сыновей хорошо умеет это делать. И я сказал ему: «Ну, Дима, может быть, ты можешь мне помочь? Потому что, если мы научимся показывать Вселенную так красиво, может, они нам дадут хороший компьютер, тогда мы будем на нём хорошо работать». Он сказал: «Папа, давай попробуем». И мы начали пробовать где-то в подвале Стэнфордского университета, делали какие-то эксперименты с этим делом, научились что-то делать… А потом я стал звонить местным компаниям и говорить: «Вот, если вы нам дадите свой компьютер, самый мощный, то мы, может быть, сможем показать вам Вселенную в масштабах, которые вы никогда в жизни не увидите в телескоп». Они говорят: «О, как интересно!», и никогда мне больше не позвонили. Потом я позвонил еще в одну компанию, еще в одну компанию… Ничего не получалось.

А потом мне позвонили из BBC и сказали: «Мы хотим у вас взять интервью, там, насчет темной материи». А темная материя… Ну что мне темная материя? Меня тогда Вселенная интересовала, а не темная материя. Я говорю: «Ну, хорошо, ладно, я вам дам интервью. Я вам, может быть, еще кое-что покажу, когда вы приедете — через месяц». И я стал звонить местным компаниям и говорить, что, знаете что, вот если вы мне дадите самый ваш мощный компьютер, то ко мне через месяц BBC приезжает, и я им тогда покажу Вселенную на экране вашего компьютера — на BBC. Сказали: «Да, всё очень интересно», — но никто мне больше не перезвонил.

Последняя компания, которая мне позвонила с отказом, была «Silicon Graphics». И они мне сказали, что вот, к сожалению, мы окончательно поняли, что мы не можем вам предоставить тот компьютер, который вы хотели, но я к тому времени уже изнахалился, мне было всё равно, и я им сказал: «Знаете что? Вы проиграли вашу игру, потому что эти люди приезжают ко мне уже через неделю, и даже если бы вы мне дали самый ваш мощный компьютер, который у вас только имеется, я бы всё равно не успел сделать всё, что я хотел, поэтому до свидания». Они сказали: «Знаете что, давайте мы вам завтра позвоним». На следующий день они мне позвонили и сказали: «Вы знаете, мы окончательно выяснили, что такого компьютера, который вы хотели, у нас нет, но вот не рассмотрите ли вы возможность поработать на компьютере, который в четыре раз мощнее?» Я сказал: «Ну, я рассмотрю эту возможность, а как мне за ним заехать? Вот я к вам на своей «Хонде» приеду…» Они говорят: «Нет, в вашу «Хонду» он не войдет».

Ну, тогда я взял университетский такой «трак», залез на него — я никогда его не водил, — ну, он, значит, делал «бип-бип», когда я на нём ехал назад… Я поехал в неизвестное мне место на этом большом самосвале, приехал в «Silicon Graphics», они меня подвели, там стоял такой здоровый сундук на полу, и объяснили мне, как его включить и как его выключить. А я сказал: «Вы знаете что, мне этого, вообще, недостаточно, не могли бы вы показать это моему сыну? Потому что он на нём будет работать, а он еще сейчас пока что не пришел из школы…» Они на меня поглядели и сказали: «Молодой человек, вы знаете, что этот компьютер стоит 120 тысяч долларов? Может быть, мы с вами это отложим?» Я сказал: «Ну ладно, я его возьму».

Вот. Значит, я его взял — как они мне его дали, не знаю, — я его грязными веревками примотал к бортам… Привезли мы его домой, сын пришел, включил компьютер, начал работать. Через неделю… я не понимаю, как это бывает! — через неделю у нас были все вот эти картинки: Вселенная сверкающая, вращающаяся… с помощью «Silicon Graphics» можно было посмотреть на нее, повернуть ее, как хочешь… Мы летали между этими пиками — это было наслаждение!

Приехали эти люди из BBC, они взяли у меня интервью, рядом со Стэнфордским университетом, меня они там фотографировали, я им рассказывал про темную материю. А потом я сказал: «Вы хотите поглядеть на нашу Вселенную в масштабе гораздо большем, тра-та-та… Мне сказали: «Вы знаете, нам, это неинтересно…» Я сказал: «А чаю хотите?» Они говорят: «Чаю хотим». Ну, я их пригласил домой, я угостил их чаем… и включил компьютер. «А это что такое?» И они начали снимать у меня эти фотографии прямо с компьютера, и после этого они у меня продолжали это снимать до тех пор, пока они уже опаздывали в аэропорт. .. Вот таким образом всё это произошло…

Через неделю — на восьмой день — я должен был вернуть этот компьютер в «Silicon Graphics». И когда я его вернул, компьютер у них… крашнулся, и все эти, значит, изображения Вселенной исчезли. Вселенная была создана в семь дней, а на восьмой день она исчезла… Но они успели записать это всё на магнитную пленку. Я это показал в Стэнфорде, они поняли, что мы к делу относимся серьезно. Они нам купили «Silicon Graphics», который был в четыре раза менее мощным, чем этот, и на нём мы, вот, произвели все эти картинки.

См. также анимацию «Формирование многоликой Вселенной»: 1 Мб и 1,6 Мб.

Сейчас давайте я дальше немножко пойду. И вот эти все картинки, которые я показываю, всё эти кино, они были сделаны уже почти семнадцать лет назад, всё продолжают быть такими же красивыми… Значит, начали мы с красного состояния. Это означает: мы сидели в одном из этих минимумов, и по традиции мой начальный минимум я рисую красным цветом. Мой сын занимался компьютерными вещами, а я был как художник… Значит, начали с красного состояния, после этого всё стало флуктуировать.

Вот то, что рисуется наверх, это плотность энергии Вселенной. То, что здесь цвета, показывает вам, что мы можем быть в красном минимуме, в зеленом минимуме, в синем минимуме — и во время, когда Вселенная раздувается, происходит перескакивание из одного состояния в другое. А вот здесь плотность энергии большая, и всё из нее стабилизировано. Скалярные поля легко перескакивают из одного состояния в другое. Всё еще законы физики меняются постоянно. А там, где мы уже рядом с минимумом, там они более-менее стационарны.

И если это дело продолжить, то получаются картинки такого типа. Вот уже здесь всё стационарно, в красном минимуме. Вот здесь всё стационарно, в синем минимуме. Вот здесь близко к стационарности — в зеленом. Здесь плотность энергии огромная, и поэтому там всё время еще всё продолжает перескакивать. Каждый из этих пиков на самом деле является экспоненциально большой Вселенной, и в каждой из них свои законы физики, и всё еще продолжают меняться.

Если мы живем в красном минимуме и хотим попасть в синий, то по дороге мы наткнемся на барьер. Это будет доменная стенка, энергетически очень большой величины. Мы, когда к ней подлетим… подлететь будет очень трудно, потому что расстояние — 10 в миллионной степени, поэтому надо быть долгожителем, чтобы долететь туда… Потом, когда мы приедем сюда, для того чтобы пересечь границу, нам надо иметь очень много энергии, потому что не пускает нас доменная стенка. Но если мы, тем не менее, разгонимся хорошо и перескочим, то тут же и умрем, потому что частицы нашего типа, они распадаются, они не могут существовать или меняют свои свойства во Вселенной другого типа. Поэтому, вот есть разные вселенные, но воспользоваться этим может оказаться небезопасно.

Если мы пойдем немножечко дальше, то вот это иллюстрация того, как мы в то время рисовали себе, как устроена Вселенная. Вот это — начало. Например, Большой взрыв — то, что мы всегда представляли себе, как Большой взрыв, как начало всего мира — что Вселенная начала расширяться, и она становилась экспоненциально большой и локально однородной, то есть локально получалось то, чего мы хотели. Мы объясняли, почему на расстоянии, на которое мы сейчас видим, всё одинаковое, всё всюду то же самое, что и здесь. Но с другой стороны, та же самая теория — и в этом ирония ее: мы объяснили, почему всё так хорошо рядом, — но та же самая теория, которая объясняла, почему всё так хорошо рядом, она предсказала, что на сверхбольших расстояниях Вселенная имеет совершенно другие свойства.

Здесь разные цвета показывают разные типы физики в разных частях Вселенной. Это возникновение пузырей происходит постоянно, оно будет происходить вечно, у Вселенной никогда не будет конца. В разных ее частях возникают разные куски Вселенной, разного типа. Мы находимся где-то здесь или, может быть, здесь. Мы смотрим на этот кусок, мы смотрим на этот кусок и говорим: это был Большой взрыв. Но на самом деле это был… ну, в общем, достаточно большой взрыв, порядочный взрыв, но — не Большой взрыв. А был ли Большой взрыв, мы в действительности не знаем. Наверное, да. Может быть, да.

Почему? Потому что, если брать отсюда вот и пытаться пойти назад, то всегда возникнет место, где каждая из таких траекторий утыкается в сингулярность. Поэтому надо всё равно думать о том, как вся наша Вселенная родилась, мы от этого вопроса не отвертелись. Но мы этот вопрос отодвинули в довольно неопределенное прошлое, потому что в действительности мы можем жить здесь, а мы, может быть, живем где-нибудь еще там. И если мы возьмем типичную красную Вселенную, то она, вообще говоря, бесконечно далеко от этого самого Большого взрыва. Или, там, очень далеко. И поэтому сам-то Большой взрыв, он, может быть, где-нибудь и был, но только вот то, что мы видим сейчас — наверное, мы видим только его вот этих… представителей. И вот это вот то, что является мутацией Вселенной во время ее эволюции.

Это то, как мы рисовали эту картинку в простейших теориях — тех, которые были популярны раньше.

В теориях типа теории струн эта картинка приобретает немножко другие очертания. Вот такие плавные переходы и изгибы, вот эта Вселенная Кандинского — они были характеристикой теории, в которых поле медленно катилось, здесь такие пологие горки… В теории струн часто возникает ландшафт такой, что там довольно крутые минимумы, которые отделены друг от друга иногда барьерами, плохо проходимыми. И когда вы туннелируете и переходите из одного состояния в другое, этот переход происходит за счет рождения пузырей другой фазы. И эти пузыри — они расширяются, каждая стенка движется со скоростью, равной скорости света. Между этими пузырями — старое возбужденное вакуумное состояние огромной энергии.

Поэтому картинка такая. Возникают два пузыря, например. Каждый из них расширяется очень быстро, но Вселенная между ними продолжает раздуваться — и поэтому расстояние между пузырями остается очень большим, они не сталкиваются. Возникают еще — и расширяются. Изредка некоторые из них сталкиваются, но в среднем — не сталкиваются. Иногда скалярное поле внутри этих пузырей подскакивает назад. То есть, вот, мы были раньше в красном, и вдруг из новых пузырей оно обратно подскочило в красное. Эта часть Вселенной начала снова экспоненциально расширяться, возникают области экспоненциально большие — красные пузыри.

В части из этих пузырей нету никакой структуры — не образовалось. В части из этих пузырей была та стадия медленного скатывания инфляции, во время которой возникали и замерзали эти квантовые флуктуации, там возникала структура, там возникали галактики, там мы могли жить. Вот поэтому мы можем жить здесь, можем жить здесь. Может быть, мы можем жить здесь… Здесь разные свойства, надо сравнить. В части Вселенной мы можем жить, в части нет. И таких типов Вселенной, таких красок, согласно теории струн, где-то 10 в тысячной степени (101000). В действительности мы не знаем в точности — 10 в тысячной или 10 в сотой (10100), люди еще продолжают считать. Иногда они говорят: ну, вообще-то, может быть, даже и бесконечное количество разных возможностей… Поэтому мы не знаем в точности, мы знаем только, что довольно много разных возможных состояний.

Это картинка, которая показывает повернутую картинку — то, что я раньше говорил, — это можно найти на странице WMAP Satellite. Вот это стадия инфляции, это те штучки, которые они фотографируют — квантовые флуктуации, а вот это тот самый венец творения — WMAP.

И сейчас это иллюстрировалось художником, которому говорили следующее: что вот одна такая вселенная, другая такая вселенная, еще такие — много WMAP надо было бы запускать в разных частях Вселенной. И интересное свойство этой картины состоит в том, что во время, когда всё это происходит —эти процессы происходят неограниченно долго, — возникает этот круг событий неограниченно много раз, ну, считайте, бесконечное количество раз. Рассмотрим нашу часть Вселенной. Она конечна — то, что мы сейчас видим, — она конечна. В ней 1087 элементарных частиц, может быть 1088. Эти частицы можно переставить ограниченным количеством способов. Что бы мы ни комбинировали в нашей части Вселенной, существует ограниченное количество комбинаций.

На это внимание обратил Саша Виленкин, который сейчас живет… в Бостоне. И вот недавно вышла его книжка, хорошая книжка, которая тоже посвящена многоликой Вселенной, и утверждение состоит в следующем. У вас имеется бесконечное количество кусков Вселенной, а способов организовать материю в них, хотя у вас и имеется 10, там, в тысячной степени чего-то, но всё равно конечное количество, частиц там конечное количество, их организовать можно конечным количеством способов. Это означает, что обязательно где-нибудь во Вселенной сидит вот такой же в точности зал, заполненный такими же в точности людьми, я в это время делаю такой же в точности доклад… я его кончаю вовремя…

И это последняя картинка, о которой я хочу сказать. Значит, что происходит в этих многих копиях одной и той же Вселенной? Вселенная рядом с нами собирается распасться. Почему мы это знаем? Ну, на самом деле мы не точно это знаем, потому что это всё основано сейчас на наших лучших вариантах той теории, которая у нас есть. Если бы мы просто знали то, что нам сказали экспериментаторы в 1998 году, — то, что Вселенная экспоненциально расширяется, — если просто учесть то, что мы узнали в 1998 году — мы узнали, что Вселенная сейчас вот вышла на новую стадию раздувания Вселенной, только малоэнергичную — это просто то, с чего я сейчас начал.

Ускоренное расширение Вселенной, вот оно было раньше, на начальной стадии Вселенной, вот оно начинается сейчас — новая стадия раздувания Вселенной. К чему это приведет? Нашу Галактику это не тронет. Стадия раздувания Вселенной, которая сейчас идет, она очень медленная, материя внутри нашей Галактики гравитационно так сильно друг к другу притянута, что где-то там галактики будут от нас улетать, но мы-то в нашей Галактике уцелеем. На нее, скорее всего, в это время еще упадет галактика Андромеды, а все остальные галактики, однако, от нас улетят. И мы их больше не увидим.

Интересное свойство теории такого типа, теории ускоряющейся Вселенной — она напоминает свойства черной дыры. Вот в каком смысле. Значит, вот, как устроена черная дыра? Если вы летаете где-то рядом с черной дырой, вы видите, что она далеко от вас, и ее свойства асимптотически не меняются. Ну, я не буду говорить о том, что материя на нее падает, там что-то рядом с ней происходит, они светятся, но не сами по себе, а только за счет того, что материя туда падает. А так вот идеальная черная дыра стоит и не меняется.

После этого вы решили узнать, что происходит с черной дырой. Но вы сами немножечко боязливы, кроме того, вы теоретик, а ваш друг-экспериментатор хочет узнать, что происходит. Вы тогда говорите: «Ну так ты туда слетай, потом расскажешь». Он туда летит, и когда он падает в черную дыру, он падает туда реально, но вы никогда не увидите, что он туда падает. Он будет как бы потихонечку прилипать к сфере Шварцшильда, то есть он будет туда подходить всё ближе, ближе и ближе, сначала он вам будет передавать сигнал и вы будете слышать, как он с вами говорит нормальным голосом, потом его голос будет становиться всё более сиплым за счет доплеровского эффекта, он сам станет всё более красным, потом инфракрасным, потом радиодиапазон… В результате он будет прилипать, и он будет становиться всё более плоским. Он распластается по черной дыре и как бы истончится и иссякнет, и больше вы из него ничего не получите. Это способ сохранить спящую царевну в неприкосновенности, потому что для нее время остановится. Единственное, если вы хотите к этой царевне пойти и ее поцеловать, то вы туда полетите и вместе с ней туда упадете. .. Ну, это, наверное, плохой вариант…

Значит, зачем я про это говорю? Мы сейчас находимся в экспоненциально расширяющейся Вселенной. И все ее части, далекие от нас, все галактики от нас улетают. Так же, как этот друг, который улетает в черную дыру, так же все эти части улетают к некоторой другой поверхности, которая называется горизонтом для мира де Ситтера, для этого ускоряющегося мира сейчас. И все эти галактики будут прилипать к горизонту, который от нас находится на расстоянии примерно эти самые 13,7 — ну, немножечко больше, чем это, — миллиардов световых лет. И все эти галактики прилипнут к горизонту и истают для нас, станут плоскими, сигнал от них перестанет приходить, и останется одна наша Галактика. Энергетические ресурсы в нашей Галактике потихонечку иссякнут, и такова печальная наша судьба…

И это то, что люди думали, когда они занимались простой такой теорией, которая говорит: вот, мы вели наблюдения, всё от нас улетит. Сейчас, когда мы поняли… немножечко разобрались с тем, как стабилизировать эти шесть внутренних измерений в теории струн, мы также узнали, что эта картинка сама по себе невозможна. Мы не сумели сделать теорию струн вариантом этой теории, в которой удавалось бы получить это состояние, в котором это ускоренное состояние Вселенной продолжалось бы вечно. Единственное, что удавалось сделать, — это построить метастабильное вакуумное состояние, в котором временно Вселенная будет экспоненциально расширяться. Это метастабильное состояние в конце концов распадется. Простейшие оценки в простейших теориях показали, что время распада может быть так велико как 10 в степени 10 в степени 120. Лет или секунд — это уже не важно. Много времени. Так что не сразу мы распадемся.

Но, когда распадемся — как мы распадемся? — возникнет пузырек новой фазы. В этом пузырьке есть два варианта. Первый вариант — что внутри него будет десятимерное пространство Минковского. Мы не можем жить в десятимерном пространстве. Про это сказал Эренфест в 1917 году, когда произошло много разных событий. Например, мир де Ситтера, решение мира де Ситтера было получено в 1917 году. В 1917 году Эренфест объяснил, почему Вселенная трехмерная. Потому что в четырехмерном мире (пространстве), пятимерном не может существовать планетных систем. По теории относительности, в двумерном, одномерном пространстве тоже не может существовать планетных систем, там просто нету никакого гравитационного притяжения на большом расстоянии между телами. Только в трехмерном пространстве могут быть планеты, атомные системы, поэтому как только мир станет десятимерным, so sorry, значит в этом мире жить мы не можем… Значит, возникнет такой пузырек, начнет расширяться, стенки его будут двигаться на нас со скоростью равной скорости света; в момент, когда мы увидим эту стенку, в этот момент мы перестанем что-то видеть. Так что никому об этом больше не расскажем. Один вариант. Но все-таки это будет нормальное стабильное пустое состояние, мир Минковского, десятимерный. Если бы там остался кто-нибудь, то он мог бы гулять в девяти разных направлениях.

Второй вариант состоит в том, что распад может произойти в так называемый мир анти-де Ситтера — это мир, в котором плотность энергии вакуума отрицательна. Возникает пузырек, внутри которого плотность энергии вакуума отрицательна. Мир, который возник таким образом… Математики, которые описывают мир анти-де Ситтера, они обычно говорят про бесконечно существующий мир анти-де Ситтера. Но мир с отрицательной космологической постоянной, возникший внутри пузыря, он представляет из себя вселенную, которая будет коллапсировать довольно быстро, — просто всё уйдет в сингулярность.

Поэтому у нас есть два невеселых варианта. Первый вариант — это то, что мы все перейдем в десятимерное пространство и умрем там, таким образом. Второй вариант — это то, что мы перейдем в этот мир анти-де Ситтера, в некотором смысле, и сколлапсируем довольно быстро. Веселых вариантов у нас никогда не было. В открытой Вселенной Вселенная становилась бесконечно пустой, и мы там замерзали, умирали. В закрытой Вселенной мы все умирали в пламени. Нам не привыкать… Мы, наверное, исчезнем — каждый из нас исчезнет персонально — гораздо раньше, но все-таки хорошо бы подумать о будущем Вселенной в целом. И вот это единственный кусок, ну… хороший. Благодаря тому, что Вселенная является самовосстанавливающейся, благодаря тому, что она производит всё новые и новые части Вселенной во всех ее возможных комбинациях, Вселенная в целом и жизнь в целом никогда не исчезнет — согласно тому, что мы думаем сейчас.

Поскольку этой теории не существовало 25 лет назад, то надо понимать, что ко всему тому, о чём я говорил, надо относиться с некоторым чувством юмора. Но не ко всему, потому что за часть из этого люди уже получили Нобелевские премии, и они не захотели бы, чтобы вы относились с чувством юмора к этим вещам… Поэтому есть часть вещей, которые мы знаем наверняка. Наверное, что-то типа инфляции происходило. Наверное. Очень маловероятно, что мы можем объяснить все вещи, которые мы видим, без этого дела.

Что касается всей этой многоликой Вселенной… Есть ли у нас вообще какие-нибудь экспериментальные свидетельства того, что это происходит? Учтем, что мы никогда в жизни не увидим те части Вселенной, где физика другая. А если мы увидим, то мы тут же умрем. Ну, я объяснил: потому что стенка нас накроет, мы перейдем в другой мир, после этого нас никто не спросит… Поэтому прогнозы экспериментального обнаружения частей Вселенной с другими свойствами — они не очень большие. Есть ли у нас какие-нибудь экспериментальные свидетельства тому, что эти части существуют?

Но ведь для того, чтобы ответить на этот вопрос, — а сейчас, как вы уже видите, начался сезон вопросов и ответов — я задаю вопросы и я отвечаю… — так вот, был вопрос, который в свое время сформулировал Яков Борисович Зельдович. Вообще приятно подумать… Он был гигант науки, без которого всей картины не было бы. И вот он сказал следующее: есть ли какие-нибудь свидетельства — экспериментальные свидетельства — нестабильности протона? Нестабильность протона — это часть теории великого объединения. Что действительно не полностью есть разница между лептонами и барионами, она возникла за счет того, что возникло некое тяжелое скалярное поле, но в принципе протон мог распадаться. И люди сделали, там, пещеру, налили туда воду — воду, потому что она протоны создает, — поставили детекторы и стали смотреть, не распадается ли протон. Никто никакого распада не увидел, тем не менее, люди верили, что эта теория правильная. И вот Зельдович, как я сказал, спрашивал: есть ли какие-нибудь экспериментальные свидетельства распада протона? И тут же любил отвечать… Ну, я переформулирую его ответ немножко в более характерной форме, чем он сам обычно это говорил: «Да, есть экспериментальные свидетельства распада протона — это то, что параллельные линии не пересекаются». Вот примерно такая же реакция… «Что за ерунда? Тут протон, а тут параллельные линии…»

А вот. Зачем нам понадобилась инфляционная Вселенная? Нам надо было объяснить, почему параллельные линии не пересекаются. Единственный способ это объяснить — это сделать эту стадию инфляции, за счет которой наша Вселенная становилась такой огромной. Но эта же стадия инфляции приводила к нулю исходный избыток протонов над антипротонами. До работы Сахарова 1967 года все нормальные люди верили, что Вселенная с самого начала имела больше протонов, чем антипротонов. После работы Сахарова 1967 года все нормальные люди, за исключением Сахарова, продолжали в это же верить. Это изменилось примерно в семьдесят шестом, седьмом, восьмом, девятом году, после того как возникла теория великого объединения и люди стали относиться к таким возможностям более серьезно, выяснили, что да, действительно, это можно сделать, можно образовать избыток материи над антиматерией, начиная со Вселенной, где всё будет симметрично, где не было избытка протонов над антипротонами. Так вот, для того чтобы это сделать, надо было бы, чтобы барионное число не сохранялось. А если барионное число не сохраняется, то ничто не мешает протону распадаться.

Так вот, цепочка рассуждения такая: если вы хотите объяснить, почему параллельные линии не пересекаются, вы должны иметь инфляцию. Если вы имеете инфляцию, то прежнее объяснение того, почему у вас есть материя и нет антиматерии, — объяснение такое: а она с самого начала была, материя, — это объяснение не работает. Потому что даже если сначала была материя, после инфляции ее уже больше не было, и ее надо было создать. Единственный способ создать ее опирается на возможность, что барионы не сохраняются, барионное число не сохраняется. Таким образом, свидетельство несохранения барионного числа — это тот факт, что параллельные линии не пересекаются, потому что единственное объяснение этому делу — инфляция… Понятно, да? Так, общая логика…

Это парадоксальный способ задавать вопросы и отвечать на них. Многие вопросы, которые инфляция пыталась решать, — их никто и не считал серьезными долгое время. Сейчас, когда мы говорим про эту «мульти-Вселенную», откуда мы знаем, что эта картина имеет смысл, помимо того, что она естественно возникает в теориях такого типа? В теории струн, в теории инфляции… Есть ли экспериментальное свидетельство? А посмотрите: масса электрона в 2000 раз меньше, чем масса протона. Почему? Масса протона в 100 раз меньше, чем масса дабл-ю-бозона (w-бозона) — примерно. Почему это так? Масса протона и масса нейтрона примерно одинаковы, не дай Бог нарушить этот баланс. Если мы изменим массу электрона в 2 раза, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим заряд электрона в 2 раза, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим энергию вакуума в 100 раз, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим, рассогласуем соотношение между массой протона и массой нейтрона в несколько раз, чуть-чуть, жизнь нашего типа станет невозможной.

Выглядит так, что наша Вселенная специально сделана для нас — и это называлось антропным принципом. И ни один уважающий себя физик никогда в течение долгого времени не рассматривал такие вопросы всерьез. До некоторого времени, то есть всю историю Советского Союза; я знаю одного человека, который в Советском Союзе занимался антропным принципом, — Иосиф Леонидович Розенталь. И ходил я на его доклады так, из вежливости, и слушал, что он такое говорит, и понимал, что это нелепо. А потом, когда инфляция возникла, выяснилось, что можно сделать эту вещь. А почему это нелепо? Потому что никто нам не дал много вселенных, Вселенная нам дана вот одна, и всё. Вот ты в ней живешь, значит, не задавай много вопросов.

Выяснилось, что инфляционная космология дает возможность создать много разных типов Вселенной. И тогда в одной из них электроны, может быть, тяжелее, и электромагнитная константа связи, может быть, тяжелее — это вот то, с чем я и пришел на этот самый ученый совет, когда меня утверждали на старшего научного, и утвердили. Так вот, оказывается, возможно обсуждать вопрос о том, в какой Вселенной мы живем: мы живем в той Вселенной, где мы можем жить, а их 10 в тысячной (101000) типов, и в одном из них существовали электроны такие как нужно, протоны такие как нужно… То есть для того, чтобы мы могли задавать эти вопросы, для того чтобы нам не говорить, что кто-то специально сделал Вселенную, которая создана для нашего удобства, для того чтобы избежать давать такой ответ на этот вопрос, мы тогда должны сказать, что у нас было много возможностей выбора. И вот эта Вселенная, этот вариант теории, в котором есть много возможностей, он позволяет ответить на вопросы такого типа. То есть это экспериментальное свидетельство — космологическая постоянная, энергия вакуума ничтожно мала. Единственный способ, который мы сейчас знаем, объяснить это — предположить, что эта теория многоликой Вселенной справедлива. Я лучше на этом закончу, и дальше вопросы будете задавать вы. Спасибо. (Аплодисменты.)

Ответы на вопросы после лекции

Что такое Вселенная? | Что такое экзопланета? – Исследование экзопланет: планеты за пределами нашей Солнечной системы

Что такое Вселенная?

Вселенная — это все. Он включает в себя все пространство и всю материю и энергию, которые содержит пространство. Оно включает в себя даже само время и, конечно же, вас.

Земля и Луна являются частью вселенной, как и другие планеты и их многие десятки спутников. Наряду с астероидами и кометами планеты вращаются вокруг Солнца. Солнце — одна из сотен миллиардов звезд галактики Млечный Путь, и у большинства этих звезд есть свои планеты, известные как экзопланеты.

Млечный Путь — всего лишь одна из миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной — считается, что все они, включая нашу, имеют в центре сверхмассивные черные дыры. Все звезды во всех галактиках и все остальное, что астрономы даже не могут наблюдать, — все это часть Вселенной. Это, просто, все.

Туманность звездообразования W51 — одна из крупнейших «фабрик звезд» в галактике Млечный Путь. Подобные «фабрики звезд» могут работать миллионы лет. Кавернозная красная область на правой стороне W51 старше, о чем свидетельствует то, что она уже образовалась под действием ветров поколений массивных звезд (масса которых по меньшей мере в 10 раз превышает массу нашего Солнца). Пыль и газ в регионе разносятся еще больше, когда эти звезды умирают и взрываются как сверхновые. В более молодой левой части туманности многие звезды только начинают очищаться от газа и пыли. Предоставлено: NASA/JPL-Caltech 9.0007

Хотя вселенная может показаться странным местом, она не такая уж далекая. Где бы вы сейчас ни находились, космическое пространство находится всего в 62 милях (100 км) от вас. Днем или ночью, находитесь ли вы в помещении или на улице, спите, обедаете или дремлете в классе, космическое пространство находится всего в нескольких десятках миль над вашей головой. Это тоже ниже тебя. Примерно в 8 000 миль (12 800 километров) под вашими ногами — на противоположной стороне Земли — скрывается неумолимый вакуум и радиация космического пространства.

Технически вы сейчас находитесь в космосе. Люди говорят «в космосе», как будто оно там, а мы здесь, как будто Земля отделена от остальной вселенной. Но Земля — это планета, и она находится в космосе и является частью вселенной, как и другие планеты. Так уж случилось, что вещи живут здесь, и окружающая среда у поверхности этой конкретной планеты гостеприимна для жизни, какой мы ее знаем. Земля — крошечное, хрупкое исключение в космосе. Для людей и всего прочего, что обитает на нашей планете, практически весь космос является враждебной и беспощадной средой.

Это изображение в реальном цвете показывает Северную и Южную Америку, как они выглядели бы из космоса на высоте 22 000 миль (35 000 км) над Землей. Изображение представляет собой комбинацию данных с двух спутников. Спектрорадиометр среднего разрешения (MODIS) на борту спутника NASA Terra собирал данные о поверхности земли в течение 16 дней, а геостационарный оперативный экологический спутник NOAA (GOES) сделал снимок земных облаков и Луны. Изображение создано Рето Штёкли, Назми Эль Салеус и Марит Джентофт-Нильсен, NASA GSFC.

Сколько лет Земле?

Сколько лет Земле?

Наша планета Земля представляет собой оазис не только в пространстве, но и во времени. Это может казаться постоянным, но вся планета — мимолетная вещь в продолжительности жизни вселенной. Почти две трети времени, прошедшего с момента возникновения Вселенной, Земли даже не существовало. И не будет он вечным в своем нынешнем состоянии. Через несколько миллиардов лет Солнце расширится, поглотив Меркурий и Венеру и заполнив небо Земли. Он может даже расшириться настолько, что поглотит саму Землю. Трудно быть уверенным. В конце концов, люди только начали расшифровывать космос.

В то время как далекое будущее трудно точно предсказать, далекое прошлое — чуть меньше. Изучая радиоактивный распад изотопов на Земле и в астероидах, ученые узнали, что наша планета и Солнечная система сформировались около 4,6 миллиарда лет назад.

Сколько лет Вселенной?

Сколько лет Вселенной?

Возраст Вселенной, по-видимому, около 13,8 миллиардов лет. Ученые пришли к этому числу, измерив возраст самых старых звезд и скорость расширения Вселенной. Они также измерили расширение, наблюдая доплеровское смещение света от галактик, почти все из которых удаляются от нас и друг от друга. Чем дальше галактики, тем быстрее они удаляются. Можно было бы ожидать, что гравитация замедлит движение галактик относительно друг друга, но вместо этого они ускоряются, и ученые не знают почему. В далеком будущем галактики будут так далеко, что их свет не будет виден с Земли.

Иными словами, материя, энергия и все во вселенной (включая само пространство) в прошлую субботу были более компактными, чем сегодня.

Иными словами, материя, энергия и все во вселенной (включая само пространство) в прошлую субботу были более компактными, чем сегодня. То же самое можно сказать о любом времени в прошлом — в прошлом году, миллион лет назад, миллиард лет назад. Но прошлое не длится вечно.

Измеряя скорость галактик и расстояние до них от нас, ученые обнаружили, что если бы мы могли вернуться достаточно далеко, до того, как сформировались галактики или звезды начали превращать водород в гелий, все было бы так близко друг к другу и горячо, что атомы не могли бы образовываться. и фотонам некуда было деться. Чуть раньше все было на том же месте. Или действительно вся вселенная (а не только материя в ней) было на одно место.

Не тратьте слишком много времени на миссию по посещению места, где родилась Вселенная, поскольку человек не может посетить место, где произошел Большой Взрыв. Дело не в том, что вселенная была темным, пустым пространством и в ней произошел взрыв, из которого возникла вся материя. Вселенной не существовало. Космоса не существовало. Время — часть Вселенной, поэтому его не существует. Время тоже началось с большого взрыва. Само пространство расширялось от одной точки до огромного космоса по мере расширения Вселенной с течением времени.

Из чего состоит Вселенная?

Из чего состоит Вселенная?

Вселенная содержит всю энергию и материю. Большая часть наблюдаемой материи во Вселенной имеет форму отдельных атомов водорода, простейшего атомарного элемента, состоящего только из протона и электрона (если атом также содержит нейтрон, его вместо этого называют дейтерием). Два или более атома с общими электронами составляют молекулу. Многие триллионы атомов вместе составляют пылинку. Смешайте вместе несколько тонн углерода, кремнезема, кислорода, льда и некоторых металлов, и вы получите астероид. Или соберите вместе 333 000 земных масс водорода и гелия, и вы получите звезду, подобную Солнцу.

Это впечатляющее изображение, полученное с помощью прибора SPHERE на Очень Большом Телескопе ESO, является первым четким изображением планеты, запечатленной в самом процессе формирования вокруг карликовой звезды PDS 70. Планета четко выделяется, видна как яркая точка справа от центр изображения, затемненный маской коронографа, используемой для блокировки ослепляющего света центральной звезды. Кредит: ЕСО/А. Мюллер и др.

Ради практичности люди классифицируют сгустки материи на основе их свойств. Галактики, звездные скопления, планеты, карликовые планеты, планеты-изгои, луны, кольца, колечки, кометы, метеориты, еноты — все это наборы материи, обладающие отличными друг от друга характеристиками, но подчиняющиеся одним и тем же законам природы.

Ученые начали подсчитывать эти сгустки материи, и полученные цифры довольно дикие. Наша родная галактика, Млечный Путь, содержит не менее 100 миллиардов звезд, а наблюдаемая Вселенная содержит не менее 100 миллиардов галактик. Если бы все галактики были одинакового размера, это дало бы нам 10 тысяч миллиардов миллиардов (или 10 секстиллионов) звезд в наблюдаемой Вселенной.

Но вселенная, кажется, также содержит кучу материи и энергии, которые мы не можем видеть или наблюдать напрямую. Все звезды, планеты, кометы, морские выдры, черные дыры и навозные жуки вместе взятые составляют менее 5 процентов вещества во Вселенной. Около 27 процентов остатка составляет темная материя, а 68 процентов — темная энергия, ни одна из которых даже отдаленно не изучена. Вселенная в том виде, в каком мы ее понимаем, не работала бы, если бы не существовало темной материи и темной энергии, а они называются «темными», потому что ученые не могут наблюдать за ними напрямую. По крайней мере, пока.

Показаны два изображения массивного скопления галактик Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) с телескопа Хаббл. Слева вид в видимом свете со странными голубыми дугами, появляющимися среди желтоватых галактик. Это увеличенные и искаженные изображения галактик, находящихся далеко позади скопления. Их свет искривляется и усиливается огромной гравитацией скопления в процессе, называемом гравитационным линзированием. Справа добавлена ​​синяя штриховка, указывающая местонахождение невидимого материала, называемого темной материей, который математически необходим для объяснения природы и расположения наблюдаемых галактик с гравитационными линзами. Авторы и права: НАСА, ЕКА, М. Дж. Джи и Х. Форд (Университет Джона Хопкинса).

Как изменилось наше представление о Вселенной с течением времени?

Как наше представление о Вселенной изменилось с течением времени?

Человеческое понимание того, что такое Вселенная, как она работает и насколько она огромна, менялось с течением времени. На протяжении бесчисленных жизней у людей было мало или вообще не было способов понять вселенную. Вместо этого наши далекие предки полагались на мифы, чтобы объяснить происхождение всего. Поскольку наши предки сами придумали их, мифы отражают человеческие заботы, надежды, стремления или страхи, а не природу реальности.

Однако несколько столетий назад люди начали применять математику, письменность и новые принципы исследования для поиска знаний. Эти принципы со временем совершенствовались, как и научные инструменты, в конечном итоге обнаруживая намеки на природу Вселенной. Всего несколько сотен лет назад, когда люди начали систематически исследовать природу вещей, слова «ученый» даже не существовало (вместо этого какое-то время исследователей называли «натурфилософами»). С тех пор наши знания о Вселенной многократно продвинулись вперед. Лишь около века назад астрономы впервые наблюдали галактики за пределами нашей, и всего полвека прошло с тех пор, как люди впервые начали отправлять космические корабли к другим мирам.

За одну человеческую жизнь космические зонды совершили путешествие к внешним областям Солнечной системы и отправили первые изображения четырех отдаленных от центра планет-гигантов и их бесчисленных спутников с близкого расстояния; марсоходы впервые проехали по поверхности Марса; люди построили орбитальную космическую станцию ​​с постоянным экипажем; и первые большие космические телескопы позволили получить потрясающие виды на более отдаленные части космоса, чем когда-либо прежде. Только в начале 21 века астрономы открыли тысячи планет вокруг других звезд, впервые обнаружили гравитационные волны и получили первое изображение черной дыры.

С помощью телескопа Event Horizon ученые получили изображение черной дыры в центре галактики M87. Авторы и права: Сотрудничество Event Horizon Telescope и др. Узнайте больше о черных дырах

С постоянно развивающимися технологиями и знаниями, а также с полным воображением люди продолжают раскрывать тайны космоса. Новые идеи и вдохновенные идеи помогают в этом стремлении, а также извлекают из его. Нам еще предстоит отправить космический зонд даже к ближайшей из миллиардов и миллиардов других звезд в галактике. Люди даже не исследовали все миры за 9 лет.0041 наша собственная Солнечная система . Короче говоря, большая часть вселенной, которую можно познать, остается неизвестной .

Вселенной почти 14 миллиардов лет, нашей Солнечной системе 4,6 миллиарда лет, жизнь на Земле существует примерно 3,8 миллиарда лет, а люди существуют всего несколько сотен тысяч лет. Другими словами, Вселенная существует примерно в 56 000 раз дольше, чем наш вид. По этому показателю почти все, что когда-либо происходило, произошло до того, как появились люди. Так что, конечно, у нас есть масса вопросов — в космическом смысле, мы только что приехали.

Наши первые несколько десятилетий исследования нашей Солнечной системы — это только начало. Отсюда, всего через одну человеческую жизнь, наше понимание Вселенной и нашего места в ней, несомненно, будет расти и развиваться так, как мы сегодня можем только представить.

Далее: В поисках жизни: одиноки ли мы?

Что такое космология? Определение и история

(Изображение предоставлено: Getty Images)

Космология — это раздел астрономии, изучающий происхождение и эволюцию Вселенной, от Большого взрыва до сегодняшнего дня и в будущее. Согласно НАСА , космология определяется как «научное исследование крупномасштабных свойств Вселенной в целом».

Космологи ломают голову над такими экзотическими понятиями, как теория струн, темная материя и темная энергия, а также над тем, существует ли одна вселенная или их много (иногда называемых мультивселенной). В то время как другие аспекты астрономии имеют дело с отдельными объектами и явлениями или коллекциями объектов, космология охватывает всю вселенную от рождения до смерти, с множеством загадок на каждом этапе.

История космологии и астрономии

Понимание человечеством Вселенной значительно изменилось с течением времени. В ранней истории астрономии Земля считалась центром всего сущего, вокруг которого вращались планеты и звезды. По данным Королевского общества , в 16 веке польский ученый Николай Коперник предположил, что Земля и другие планеты Солнечной системы на самом деле вращаются вокруг Солнца, что привело к глубокому сдвигу в понимании космоса. В конце 17 века Исаак Ньютон рассчитал, как взаимодействуют силы между планетами, в частности силы гравитации.

Прежде чем понять Солнечную систему, люди думали, что все планеты вращаются вокруг Земли. (Изображение предоставлено Getty)

Начало 20-го века принесло новые знания в понимании огромной вселенной. Альберт Эйнштейн предложил объединить пространство и время в своей общей теории относительности. В начале 1900-х годов ученые спорили о том, содержит ли Млечный Путь всю вселенную в пределах своего охвата или это просто одно из множества скоплений звезд.

Похожие статьи

Эдвин Хаббл рассчитал расстояние до нечеткого туманного объекта в небе и определил, что он находится за пределами Млечного Пути, доказав, что наша галактика является маленькой каплей в огромной вселенной, согласно журналу Scientific American . Используя общую теорию относительности для создания основы, Хаббл измерил другие галактики и определил, что они удаляются от нас, что привело его к выводу, что Вселенная не статична, а расширяется.

В последние десятилетия космолог Стивен Хокинг определил, что сама Вселенная не бесконечна, а имеет определенный размер. Однако четкой границы у него нет. Это похоже на Землю; хотя планета конечна, человек, путешествующий по ней, никогда не найдет «конца», а вместо этого будет постоянно вращаться вокруг земного шара. Хокинг также предположил, что Вселенная не будет существовать вечно, а в конце концов закончится.

Космологические миссии и инструменты

Запущенный в ноябре 1989 года космический исследователь НАСА (COBE) провел точные измерения радиации в небе. Миссия действовала до 1993 года.

Хотя космический телескоп НАСА Хаббл, вероятно, наиболее известен своими поразительными изображениями, основная миссия была космологической. Более точно измерив расстояния до переменных цефеид, звезд с четко определенным соотношением между их яркостью и их пульсацией, Хаббл помог уточнить измерения того, как расширяется Вселенная. С момента его запуска астрономы продолжали использовать Хаббл для проведения космологических измерений и уточнения существующих.

Спутник НАСА COBE точно нанес на карту космическое микроволновое излучение. (Изображение предоставлено НАСА)

Благодаря Хабблу: «Если вы поместите в коробку все, чем темная энергия может отличаться от космологической постоянной, эта коробка станет в три раза меньше», — космолог Адам Рисс из Научного института космического телескопа. говорится в заявлении (откроется в новой вкладке). «Это прогресс, но нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы определить природу темной энергии».

Микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона НАСА (WMAP) — космический аппарат, работавший с 2001 по 2010 год. обычные атомы составляют всего 4,6 процента Вселенной, а темная материя — 24 процента.

«Затянувшиеся сомнения относительно существования темной энергии и состава Вселенной рассеялись, когда спутник WMAP сделал самое подробное изображение космического микроволнового фона», — сказал космолог Чарльз Сейф в журнале Science .

Космическая миссия Европейского космического агентства «Планк» выполнялась с 2009 по 2013 год и продолжила изучение космического микроволнового фона.

ЕКА в настоящее время разрабатывает миссию Евклид, которая должна быть запущена в 2023 году, согласно информационному бюллетеню ЕКА (открывается в новой вкладке). Евклид будет изучать темную материю и темную энергию с большей точностью, прослеживая ее распространение и эволюцию во Вселенной.

«В основе миссии лежит один из вопросов физики стоимостью в миллиард фунтов», — говорится в заявлении Дэвида Паркера из ЕКА .

Общие космологические вопросы

Что было до Большого Взрыва?
Из-за закрытой и конечной природы вселенной мы не можем видеть «вне» нашей собственной вселенной. Пространство и время начались с Большого Взрыва. Хотя существует ряд предположений о существовании других вселенных, нет никакого практического способа наблюдать их, и поэтому никогда не будет никаких доказательств за (или против!) них.

Где произошел Большой Взрыв?
Согласно Live Science , Большой взрыв произошел не в одной точке, а вместо этого возникло одновременное появление пространства и времени во всей вселенной.

Расширение Вселенной постепенно замедлялось по мере того, как материя во Вселенной притягивалась к себе под действием гравитации. (Изображение предоставлено Getty)

Если кажется, что все другие галактики убегают от нас, разве это не ставит нас в центр Вселенной?
Нет, потому что если бы мы отправились в далекую галактику, то казалось бы, что все окружающие галактики так же устремляются прочь. Думайте о Вселенной как о гигантском воздушном шаре. Если вы отметите несколько точек на воздушном шаре, а затем взорвете его, вы заметите, что каждая точка удаляется от всех остальных, хотя ни одна из них не находится в центре. Расширение Вселенной происходит почти таким же образом.

Сколько лет Вселенной?
Согласно данным, опубликованным командой Планка в 2013 году, Вселенной 13,8 миллиарда лет, плюс-минус сто миллионов лет или около того, по данным Норвежского университета наук о жизни . Планк определил возраст после картирования крошечных температурных колебаний реликтового излучения.

«Узоры на огромных участках неба рассказывают нам о том, что происходило в мельчайших масштабах сразу после рождения нашей Вселенной», — сказал в своем заявлении Чарльз Лоуренс, ученый проекта Planck из США (opens in new tab ).

Будет ли конец Вселенной? Если да, то как?
Придет ли конец Вселенной или нет, зависит от ее плотности — от того, насколько рассредоточенной может быть материя внутри нее. Ученые рассчитали «критическую плотность» Вселенной. Если ее истинная плотность больше, чем их расчеты, в конечном итоге расширение Вселенной замедлится, а затем, в конечном счете, пойдет вспять, пока она не схлопнется. Однако если плотность меньше критической, Вселенная будет продолжать расширяться вечно, ранее сообщал Space.com.

Что было раньше, галактика или звезды?
Вселенная после Большого взрыва состояла преимущественно из водорода с добавлением небольшого количества гелия для верности, согласно НАСА . Гравитация заставила водород коллапсировать внутрь, образуя структуры. По данным факультета физики и астрономии Упсальского университета , первые звезды, вероятно, образовались до появления первых галактик, когда Вселенной было около 100 миллионов лет.

Дополнительные ресурсы

Вы можете больше узнать о космологии и основах модели Большого взрыва в книге Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Introduction to Cosmology НАСА. Чтобы получить дополнительные ответы на распространенные космологические вопросы, перейдите на страницу НАСА «Спросите астрофизика» (откроется в новой вкладке).

Библиография

«Эдвин Хаббл и расширяющаяся Вселенная». Научный американец (1993). https://www.jstor.org/stable/24941551 (открывается в новой вкладке)

«Озаряя темную вселенную». Наука (2003). https://www.science.org/doi/10.1126/science.302.5653.2038

«Время столкновения наблюдаемой Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет в планковское время: новое понимание космоса на основе о столкновении пространства-времени». Норвежский университет естественных наук (2021 г.). https://www.researchgate.net/publication/350874725 (откроется в новой вкладке)

«Первые звезды и галактики». Факультет физики и астрономии Упсальского университета (2021 г.). https://www.physics.uu.se/research/astronomy-and-space-physics/research (открывается в новой вкладке)

«Творчество Николая Коперника». Труды Королевского общества А (1974). https://royalsocietypublishing.org/doi/abs/10.1098/rspa.1974.0009 (открывается в новой вкладке)

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Нола Тейлор Тиллман — автор статей для Space.com. Она любит все, что связано с космосом и астрономией, и наслаждается возможностью узнать больше. Она имеет степень бакалавра английского языка и астрофизики в колледже Агнес Скотт и проходила стажировку в журнале Sky & Telescope. В свободное время она обучает своих четверых детей дома. Подпишитесь на нее в Твиттере @NolaTRedd

5 самых важных вопросов о Вселенной (и как мы пытаемся на них ответить)

От открытия гравитационных волн до обнаружения нашей ближайшей похожей на Землю планетарной соседки 2016 год стал знаменательным для астрономии. На самом деле, это был не только хороший год для космической науки, но и несколько замечательных десятилетий. Многие из самых больших загадок в астрономии и космологии были решены.

Инженеры и техники собирают космический телескоп Джеймса Уэбба 2 ноября 2016 года в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА. Алекс Вонг / Getty Images

Возьмем возраст Вселенной. Столетие назад мы могли только сказать, что Вселенная была очень старой. Точную цифру найти не удалось. Теперь, благодаря подробным картам, показывающим слабое эхо Большого взрыва — то, что астрономы называют «космическим микроволновым фоном», — мы знаем, что Вселенной 13,82 миллиарда лет, плюс-минус 10 миллионов лет. Это ошеломляющее достижение в «точной космологии».

Но у нас нет всех ответов о нашей вселенной. Несмотря на поток данных из обсерваторий по всему миру и из экспериментов по физике элементарных частиц, таких как Большой адронный коллайдер в Швейцарии, и несмотря на бесчисленные часы, которые астрономы и физики проводят за доской или за компьютерным моделированием, горстка космических вопросов продолжает оставаться нерешенной. не давать ученым спать по ночам (для тех, кто уже не спит по ночам, смотрит в небо).

1. Что такое темная материя?

В подземной лаборатории Гран-Сассо, глубоко под Апеннинами в центральной Италии, ученые наблюдают за гигантским резервуаром, наполненным 3,5 метрическими тоннами жидкого ксенона. Они надеются, что экзотические частицы из глубокого космоса будут проноситься сквозь жидкость, издавая контрольный сигнал. Пока этого не произошло. Но ученые, охотящиеся за так называемой «темной материей», научились быть терпеливыми.

Прошло почти столетие с тех пор, как астрономы, изучающие далекие галактики, впервые заметили нечто странное: казалось, что галактики содержат больше вещества, чем можно было бы объяснить видимым веществом — звездами и газовыми облаками. Эта недостающая масса, получившая название темной материи, теперь считается, что она составляет более четверти всей массы и энергии видимой Вселенной.

Два исследователя идут по Национальному институту ядерной физики, который находится под Гран-Сассо в Италии, в 2011 году. Портфолио Mondadori через Getty Images

Что это за штука? Лучше всего предположить, что он состоит из какой-то быстро движущейся частицы, которая почти не взаимодействует с обычным веществом, из которого состоят звезды и планеты. Теоретически эти «слабо взаимодействующие» частицы могут беспрепятственно проходить сквозь километры обычной материи — вот почему мы потратили миллионы долларов на детекторы, подобные тому, что в Гран-Сассо.

Связанный: 11 Удивительные предсказания некоторых выдающихся ученых

Но ученые безуспешно ищут эти экзотические частицы уже несколько десятилетий. И поэтому некоторые начинают задаваться вопросом, существует ли темная материя вообще. Вместо этого, согласно рассуждениям, теория гравитации Эйнштейна может потребовать некоторой корректировки. В последние годы был выдвинут ряд альтернативных теорий гравитации, но все они остаются спорными. Итак, поиски частиц продолжаются.

«Было бы неплохо узнать, что такое частица темной материи, или хотя бы иметь некоторую уверенность в том, что это частица», — говорит физик из Университета Торонто Роберто Абрахам. «Я думаю, что это наиболее вероятно, но я открыт для возможности того, что нам нужна модифицированная гравитация».

Хотя нет убедительных доказательств того, что уравнения Эйнштейна неверны, он говорит: «Мы должны быть непредвзятыми».

2. Что такое темная энергия?

В 1990-х годах данные космического телескопа Хаббл показали, что далекие галактики не просто удаляются от нашей родной галактики, Млечного Пути, они удаляются от нас (и друг от друга) с ускорением. Это стало большим сюрпризом, который с тех пор ученые пытаются объяснить. Какая таинственная сила дает галактикам этот дополнительный толчок? Никто не знает. Но ее окрестили «темной энергией», и, как и в случае с темной материей, Эйнштейн — ключевая фигура в этой истории.

Исследования движения галактик, таких как так называемая Галактика Вертушка, показанная здесь, показывают, что они содержат больше темной материи, чем обычной материи. Из чего состоит эта темная материя, остается загадкой. ESA/NASA / ESA/NASA

В первые годы 20-го века ученые считали, что Вселенная статична — что в среднем галактики остаются на одном и том же расстоянии от своих соседей. Но уравнения общей теории относительности, казалось, указывали на то, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Для Эйнштейна это не имело никакого смысла, поэтому он придал своей теории фальшивый фактор, который назвал «космологической постоянной».

Несколько лет спустя, когда астрономы обнаружили, что Вселенная расширяется, казалось, что фактор выдумки больше не нужен. Однако теперь, когда мы знаем, что расширение Вселенной ускоряется, космологическая постоянная может вернуться.

Какой бы ни была ее истинная природа, темная энергия играет еще большую роль в космической эволюции, чем темная материя. По нашим лучшим оценкам, темная энергия составляет более двух третей всей энергии видимой Вселенной. Взятые вместе, темная материя и темная энергия представляют собой огромную загадку и немного смущают научное сообщество.

«Я бы все отдал, чтобы узнать, что такое темная материя и темная энергия, — говорит Абрахам. «И я намерен посвятить следующие пару десятилетий своей жизни изучению этого».

3. Что было до Большого взрыва?

Всякий раз, когда космолог читает публичную лекцию, кто-то в аудитории неизбежно поднимает руку, чтобы спросить: «Да, но что произошло до Большого Взрыва?»

«Это ответ из учебника, который мы должны дать», — говорит Гленн Старкман, физик из Университета Кейс Вестерн Резерв. «Мы говорим, что вопрос бессмысленен, так же как бессмысленно спрашивать, что находится к югу от Южного полюса».

Художественная иллюстрация пытается изобразить «Большой взрыв», начальное расширение всей материи во Вселенной. Марк Гарлик / Science Photo Library/Getty Images

Идея такова: если само время началось с Большого взрыва, нет смысла спрашивать, что было раньше. Просто не было «до». И все же Старкман знает, что вряд ли кто-то найдет этот ответ удовлетворительным.

Теперь у нас есть модель того, что произошло вскоре после Большого Взрыва. Модель «инфляции» говорит, что в течение первой крошечной доли секунды существования Вселенной Вселенная расширялась, как воздушный шар, снова и снова удваиваясь в размерах, прежде чем замедлиться до своей «нормальной» скорости расширения. Но если мы попытаемся оглянуться назад, до инфляции — вплоть до «нулевого времени», — общая теория относительности рухнет.

Некоторые физики сейчас считают, что время началось не с Большого взрыва, а каким-то образом возникло, когда Вселенная достигла определенного уровня сложности. Другие предполагают, что Вселенная движется циклами, возможно, в бесконечной серии расширений и сжатий. Если эта «циклическая» модель верна, Большой взрыв был не началом, а просто переходом из более ранней эпохи. Другая возможность состоит в том, что наша Вселенная — всего лишь одна из бесчисленных «вселенных-пузырей», которые постоянно возникают в «мультивселенной».

Связанный: Являются ли люди настоящими древними пришельцами?

Приблизились ли мы к ответу на вопрос «что было раньше», каким мы были поколение назад? Старкман говорит нет. И неясно, смогут ли астрономические наблюдения разрешить этот вопрос. Лучшим вариантом для нас могло бы стать создание в космосе огромного детектора гравитационных волн — в надежде, что мы сможем обнаружить гравитационные волны, созданные самим Большим взрывом.

Но не задерживайте дыхание. Старкман говорит, что на строительство такого огромного проекта может уйти много десятилетий.

4. Что внутри черной дыры?

Черные дыры — это области пространства, в которых гравитация оказывает такое огромное притяжение, что ничто — ни свет, ни любой другой сигнал любого рода — не может ускользнуть. Поскольку ничто не может выбраться наружу, внутренняя часть каждой черной дыры как бы постоянно «отрезана» от остальной Вселенной.

«Мы понятия не имеем, что происходит внутри черной дыры, если только не хотим в нее прыгнуть», — говорит Старкман. Даже тогда у вас не будет возможности выйти, чтобы рассказать кому-либо о том, что вы нашли, или даже отправить сообщение.

В изображении этого художника черная дыра, известная как Лебедь X-1, всасывает вещество из звезды-компаньона. Хотя мы понимаем, как образуются черные дыры, ученые не могут сказать, что происходит внутри них. NASA/CXC/M.Weiss/Optical: DSS; Иллюстрация: NASA

В 1970-х годах физики Стивен Хокинг и покойный Джейкоб Бекенштейн показали, что черные дыры испускают определенную форму излучения и медленно «испаряются» при этом. К сожалению, испарение черной дыры, похоже, нарушает правила квантовой механики, а это означает, что что-то должно уступить место. (Детали довольно технические, но они связаны с потерей «квантовой информации»; физики называют это «информационным парадоксом».)

Физики выдвинули различные идеи, объясняющие эту загадку. Все спорно. Настоящая проблема заключается в том, что на «горизонте событий» — внешней границе черной дыры — вступают в действие как общая теория относительности, так и квантовая механика. И пока, по крайней мере, эти две теории непримиримы.

Связанный: Если звонят инопланетяне, есть ли у человечества план?

«Возможно, что квантовая механика и общая теория относительности каким-то образом «пожимают друг другу руки» на горизонте событий и работают иначе, чем здесь, на Земле», — говорит Старкман. «Это захватывающая перспектива».

Возможно, лучше всего будет изучить область сразу за горизонтом событий. Вот тут-то и появляется массив радиотелескопов, известный как Телескоп горизонта событий. EHT — это своего рода электронное соединение десятков телескопов по всему миру — от Калифорнии, Аризоны и Гавайев до Чили, Испании и Антарктиды.

Расширенная версия EHT скоро начнет сбор данных. Его первой целью станет «сверхмассивная» черная дыра в центре нашей галактики. Астрономы ожидают, что EHT даст подробную картину излучения, испускаемого газом и пылью в последние моменты перед тем, как оно пересечет горизонт событий черной дыры, что, возможно, прольет некоторый свет на экзотическую физику горизонта событий черной дыры.

5. Мы одни?

Мы единственные разумные существа в космосе? Единственные существа, которые задаются вопросом, какие другие мыслящие, задающиеся вопросом существа могут быть там?

Наша галактика содержит несколько сотен миллиардов звезд, многие из которых, вероятно, имеют планеты, вращающиеся вокруг них. Как будто это не было достаточно ошеломляющим, астрономы считают, что в видимой Вселенной есть по крайней мере триллион галактик. Учитывая вероятное обилие планет, маловероятно, что мы одни во Вселенной. И поэтому ученые всего мира приступили к тому, что они называют SETI, или поиском внеземного разума.

Массив телескопов Аллена Института SETI в северной Калифорнии ищет радиосигналы, которые могли быть созданы разумной инопланетной жизнью. Институт SETI

Сет Шостак, старший астроном Института SETI недалеко от Сан-Франциско, подозревает «инопланетянина». где-то там. Он указывает на данные, собранные космической обсерваторией НАСА «Кеплер», из которых следует, что одна из каждых пяти планет пригодна для жизни. Если это так, то космос может содержать 10²¹ (это миллиард триллионов) пригодных для жизни планет.

Но даже если во Вселенной много жизни, как насчет разумной жизни? До сих пор ученые SETI ничего не обнаружили, даже после многих лет сканирования неба в поисках радиосигналов, которые могли бы указывать на такую ​​жизнь. Шостак отмечает, что до сих пор мы нацелили наши радиотелескопы всего на несколько тысяч звезд, и поэтому еще слишком рано говорить об этом.

Связанный: Является ли инопланетная мегаструктура причиной странного поведения этой звезды?

На недавней конференции в Германии Шостак поспорил с присутствовавшими на ней учеными, что мы найдем инопланетный сигнал в течение 24 лет. (Это была небольшая ставка — он предлагал угостить каждого ученого кофе только в том случае, если тот окажется неправ.) К тому времени, благодаря более эффективным методам поиска, мы, вероятно, проверим миллион звездных систем.

Тем временем наши радиотелескопы продолжат подслушивать вселенную, а астрономы всего мира ждут и слушают.

Дэн Фальк — научный журналист из Торонто. Среди его книг «Наука Шекспира» и «В поисках времени».

Чтобы узнать больше об открытиях, которые изменили нашу жизнь, следите за NBC MACH.

Астрономия в повседневной жизни | IAU

Марисса Розенберг, Педро Руссо (EU-UNAWE, Лейденская обсерватория/Лейденский университет, Нидерланды), Джорджия Бладон, Ларс Линдберг Кристенсен (ESO, Германия)

См. также Розенберг М., Руссо П., Бладон Г. и Кристенсен Л.Л. Астрономия в повседневной жизни CAPjournal 14, 2013 г.

Введение
От астрономии к энергетике

Астрономия и медицина
Астрономия в повседневной жизни
Астрономия и международное сотрудничество
Резюме
Ссылки

Введение

На протяжении всей истории люди смотрели на небо, чтобы ориентироваться в бескрайних океанах, чтобы решить, когда сажать растения свой урожай и ответить на вопросы о том, откуда мы пришли и как мы сюда попали. Это дисциплина, которая открывает нам глаза, дает представление о нашем месте во Вселенной и может изменить то, как мы видим мир. Когда Коперник заявил, что Земля не является центром Вселенной, это вызвало революцию. Революция, посредством которой религия, наука и общество должны были приспособиться к этому новому мировоззрению.

Астрономия всегда оказывала значительное влияние на наше мировоззрение. Ранние культуры отождествляли небесные объекты с богами и воспринимали их движения по небу как пророчества о том, что должно произойти. Сейчас мы назвали бы это астрологией, далекой от неопровержимых фактов и дорогих инструментов сегодняшней астрономии, но в современной астрономии все еще есть намеки на эту историю. Возьмем, к примеру, названия созвездий: Андромеда, закованная в цепи дева из греческой мифологии, или Персей, спасший ее полубог.

Теперь, по мере того, как наше понимание мира прогрессирует, мы обнаруживаем, что мы и наш взгляд на мир еще больше переплетаемся со звездами. Открытие того, что основные элементы, которые мы находим в звездах, а также газ и пыль вокруг них, являются теми же элементами, из которых состоят наши тела, еще больше углубило связь между нами и космосом. Эта связь затрагивает нашу жизнь, и благоговение, которое она внушает, возможно, является причиной того, что прекрасные изображения, которые дает нам астрономия, так популярны в современной культуре.

В астрономии до сих пор много нерешенных вопросов. Текущие исследования изо всех сил пытаются понять такие вопросы, как: «Сколько нам лет?», «Какова судьба Вселенной?» и, возможно, самый интересный: «Насколько уникальна Вселенная, и могла ли когда-нибудь существовать жизнь в немного другой Вселенной?» Но астрономия также каждый день бьет новые рекорды, определяя самые дальние расстояния, самые массивные объекты, самые высокие температуры и самые сильные взрывы.

Поиск ответов на эти вопросы является фундаментальной частью человеческого бытия, однако в современном мире становится все более важным иметь возможность оправдать поиск ответов. Трудности описания важности астрономии и фундаментальных исследований в целом хорошо резюмируются следующей цитатой:0007

«Сохранять знания легко. Передача знаний также проста. Но получение новых знаний не является ни легким, ни прибыльным в краткосрочной перспективе. Фундаментальные исследования в долгосрочной перспективе оказываются прибыльными, и, что немаловажно, они являются силой, обогащающей культуру любого общества разумом и базовой истиной».
— Ахмед Зевали, лауреат Нобелевской премии по химии (1999).

Хотя мы живем в мире, сталкивающемся со многими насущными проблемами голода, бедности, энергии и глобального потепления, мы утверждаем, что астрономия имеет долгосрочные преимущества, которые столь же важны для цивилизованного общества. Несколько исследований (см. ниже) показали нам, что инвестиции в научное образование, исследования и технологии приносят большую отдачу — не только в экономическом, но и в культурном и косвенном плане для населения в целом — и помогают странам справляться с кризисами и преодолевать их. Научно-техническое развитие страны или региона тесно связано с индексом человеческого развития — статистикой, которая является мерой продолжительности жизни, образования и дохода (Трумэн, 19).49).

Есть и другие работы, которые помогли ответить на вопрос «Почему важна астрономия?» Доктор Роберт Эйткен, директор Ликской обсерватории, показывает нам, что даже в 1933 году существовала потребность в обосновании нашей науки, в своей статье, озаглавленной Использование астрономии (Aitken, 1933). Его последняя фраза резюмирует его чувства: «Дать человеку еще больше знаний о вселенной и помочь ему «научиться смирению и познать возвышение» — вот миссия астрономии». Совсем недавно К. Рене Джеймс написала статью с изложением последних технологических достижений, за которые мы можем поблагодарить астрономию, таких как GPS, медицинская визуализация и беспроводной Интернет (Рене Джеймс, 2012). В защиту радиоастрономии Дэйв Финли в книге «Финли» (2013) утверждает: «В целом, астрономия была краеугольным камнем технического прогресса на протяжении всей истории, может внести большой вклад в будущее и дает всем людям фундаментальное представление о нашем месте в невообразимо обширная и захватывающая вселенная».

Астрономия и смежные области находятся в авангарде науки и техники; отвечая на фундаментальные вопросы и внедряя инновации. Именно по этой причине в стратегическом плане Международного астрономического союза (МАС) на 2010–2020 годы основное внимание уделяется трем основным направлениям: технологии и навыки; наука и исследования; и культура и общество.

Хотя «исследования голубого неба», такие как астрономия, редко вносят непосредственный вклад в получение ощутимых результатов в краткосрочной перспективе, проведение этих исследований требует передовых технологий и методов, которые могут изменить ситуацию в долгосрочной перспективе благодаря их более широкому применению. .

Множество примеров, многие из которых приведены ниже, показывают, как изучение астрономии способствует развитию технологий, экономики и общества, постоянно стремясь к инструментам, процессам и программному обеспечению, которые выходят за рамки наших нынешних возможностей.

Плоды научно-технического прогресса в астрономии, особенно в таких областях, как оптика и электроника, стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни с такими приложениями, как персональные компьютеры, спутники связи, мобильные телефоны, системы глобального позиционирования, солнечные панели и магнитно-резонансные томографы (МРТ).

Хотя изучение астрономии принесло множество материальных, денежных и технологических выгод, возможно, наиболее важным аспектом астрономии является не экономическое измерение. Астрономия произвела и продолжает революционизировать наше мышление в мировом масштабе. В прошлом астрономия использовалась для измерения времени, обозначения времен года и навигации по бескрайним океанам. Как одна из древнейших наук, астрономия является частью истории и корней каждой культуры. Он вдохновляет нас красивыми изображениями и обещает ответы на важные вопросы. Он действует как окно в огромные размеры и сложность космоса, рассматривая Землю в перспективе и способствуя глобальному гражданству и гордости за нашу родную планету.

Несколько отчетов в США (National Research Council, 2010) и Европе (Bode et al., 2008) указывают на то, что основным вкладом астрономии являются не только технологические и медицинские приложения (передача технологий, см. ниже), но и уникальная перспектива, которая расширяет наши горизонты и помогает нам открыть для себя величие Вселенной и наше место в ней. На более серьезном уровне астрономия помогает нам понять, как продлить выживание нашего вида. Например, очень важно изучить влияние Солнца на климат Земли и то, как оно повлияет на погоду, уровень воды и т. д. Только изучение Солнца и других звезд может помочь нам понять эти процессы во всей их полноте. Кроме того, картографирование движения всех объектов нашей Солнечной системы позволяет прогнозировать потенциальные угрозы нашей планете из космоса. Такие события могут привести к серьезным изменениям в нашем мире, что наглядно продемонстрировало падение метеорита в Челябинске, Россия, в 2013 году9.0007

На личном уровне преподавание астрономии нашей молодежи также имеет большое значение. Было доказано, что учащиеся, занимающиеся образовательной деятельностью, связанной с астрономией, в начальной или средней школе, с большей вероятностью сделают карьеру в области науки и техники и будут в курсе научных открытий (National Research Council, 1991). Это приносит пользу не только астрономии, но и другим научным дисциплинам.

Астрономия — одна из немногих научных областей, непосредственно взаимодействующих с обществом. Не только преодолевая границы, но и активно продвигая сотрудничество по всему миру. В следующей статье мы обрисовываем материальные аспекты вклада астрономии в различные области.

Передача технологий

От астрономии к промышленности

Некоторые из наиболее полезных примеров передачи технологий между астрономией и промышленностью включают достижения в области обработки изображений и связи. Например, пленка под названием Kodak Technical Pan широко используется медицинскими и промышленными спектроскопистами, промышленными фотографами и художниками и изначально была создана для того, чтобы астрономы-солнечники могли фиксировать изменения в структуре поверхности Солнца. Кроме того, разработка Технического Пана, опять-таки обусловленная требованиями астрономов, использовалась в течение нескольких десятилетий (пока не была снята с производства) для обнаружения больных сельскохозяйственных культур и лесов, в стоматологии и медицинской диагностике, а также для зондирования слоев живописи с целью выявления подделок. (Национальный исследовательский совет, 1991).

В 2009 году Уиллард С. Бойл и Джордж Э. Смит были удостоены Нобелевской премии по физике за разработку еще одного устройства, которое будет широко использоваться в промышленности. Датчики для захвата изображений, разработанные для астрономических изображений, известные как устройства с зарядовой связью (ПЗС), были впервые использованы в астрономии в 1976 году. В течение нескольких лет они заменили пленку не только в телескопах, но и в личных камерах многих людей, веб-камерах. и мобильные телефоны. Усовершенствование и популярность ПЗС объясняются решением НАСА использовать сверхчувствительную технологию ПЗС на космическом телескопе Хаббл (Kiger & English, 2011).

В области связи радиоастрономия предоставила множество полезных инструментов, устройств и методов обработки данных. Многие успешные коммуникационные компании изначально были основаны радиоастрономами. Компьютерный язык FORTH изначально был создан для использования в 36-футовом телескопе Китт-Пик и стал основой для высокодоходной компании (Forth Inc. ). В настоящее время он используется FedEx по всему миру для своих служб отслеживания.

Некоторые другие примеры передачи технологий между астрономией и промышленностью перечислены ниже (National Research Council, 2010):

  • Компания General Motors использует язык астрономического программирования Interactive Data Language (IDL) для анализа данных об автомобильных авариях.

  • Первые патенты на методы обнаружения гравитационного излучения, возникающего при ускорении массивных тел, были приобретены компанией, чтобы помочь им определить гравитационную устойчивость подземных нефтяных резервуаров.

  • Телекоммуникационная компания AT&T использует Image Reduction and Analysis Facility (IRAF) — набор программного обеспечения, написанного в Национальной оптической астрономической обсерватории — для анализа компьютерных систем и графики физики твердого тела.

  • Ларри Альтшулер, астроном, отвечал за развитие томографии — процесса визуализации в разрезах с использованием проникающей волны — благодаря своей работе по реконструкции солнечной короны по ее проекциям. (Шулер, доктор медицины, 1979)

От астрономии к аэрокосмическому сектору

Аэрокосмический сектор использует большую часть своих технологий с астрономией, в частности, в области телескопов и аппаратуры, методов формирования изображений и обработки изображений.

С момента разработки космических телескопов сбор информации для обороны перешел от использования наземных к воздушным и космическим методам. Спутники оборонного назначения, по сути, представляют собой телескопы, направленные на Землю, и для них требуются технологии и оборудование, идентичные тем, которые используются в их астрономических аналогах. Кроме того, для обработки спутниковых изображений используется то же программное обеспечение и процессы, что и для астрономических изображений.

Некоторые конкретные примеры астрономических разработок, используемых в обороне, приведены ниже (National Research Council, 2010):

  • Наблюдения за звездами и модели звездных атмосфер используются для различения ракетных шлейфов и космических объектов. Тот же метод сейчас изучается для использования в системах раннего предупреждения.

  • Наблюдения за распределением звезд на небе, которые используются для наведения и калибровки телескопов, также используются в аэрокосмической технике.

  • Астрономы разработали солнечный счетчик фотонов — устройство, которое может измерять частицы света от источника в течение дня, не будучи перегруженным частицами, исходящими от Солнца. Теперь это используется для обнаружения ультрафиолетовых (УФ) фотонов, исходящих от выхлопа ракеты, что позволяет создать систему предупреждения об УФ-ракетах практически без ложных срабатываний. Та же технология может быть использована для обнаружения токсичных газов.

    • Спутники глобальной системы позиционирования (GPS)

  • полагаются на астрономические объекты, такие как квазары и далекие галактики, для определения точного положения.

От астрономии к энергетике

Астрономические методы могут использоваться для поиска новых ископаемых видов топлива, а также для оценки возможности новых возобновляемых источников энергии (National Research Council, 2010):

  • Две нефтяные компании, Texaco и BP, используют IDL для анализа образцов керна вокруг нефтяных месторождений, а также для общих исследований нефти.

  • Австралийская компания Ingenero создала коллекторы солнечного излучения, чтобы использовать энергию Солнца для производства энергии на Земле. Они создали коллекторы диаметром до 16 метров, что возможно только при использовании графитового композитного материала, разработанного для массива орбитальных телескопов.

  • Технология, предназначенная для визуализации рентгеновских лучей в рентгеновских телескопах, конструкция которых отличается от конструкции телескопов видимого света, теперь используется для наблюдения за синтезом плазмы. Если бы термоядерный синтез, при котором два легких атомных ядра сливаются в более тяжелое ядро, стал бы возможным контролировать, это могло бы стать ответом на безопасную, чистую энергию.

Астрономия и медицина

Астрономы постоянно пытаются увидеть объекты, которые становятся все более тусклыми и далекими. Медицина борется с похожими проблемами: увидеть то, что скрыто внутри человеческого тела. Обе дисциплины требуют высокого разрешения, точных и детализированных изображений. Возможно, наиболее заметным примером обмена знаниями между этими двумя исследованиями является метод апертурного синтеза, разработанный радиоастрономом и лауреатом Нобелевской премии Мартином Райлом (Шведская королевская академия наук, 1974). Эта технология используется в компьютерной томографии (также известной как компьютерная томография или компьютерная томография), магнитно-резонансной томографии (МРТ), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и многих других медицинских инструментах визуализации.

Наряду с этими методами визуализации астрономия разработала множество языков программирования, которые значительно упрощают обработку изображений, в частности, IDL и IRAF. Эти языки широко используются для медицинских приложений (Шашарина, 2005).

Другим важным примером вклада астрономических исследований в медицину является создание чистых рабочих мест. Производство космических телескопов требует чрезвычайно чистой окружающей среды, чтобы предотвратить попадание пыли или частиц, которые могут заслонить или заблокировать зеркала или инструменты на телескопах (например, в миссии STEREO НАСА; Груман, 2011). Протоколы чистых помещений, воздушные фильтры и костюмы кроликов, которые были разработаны для достижения этой цели, теперь также используются в больницах и фармацевтических лабораториях (Clark, 2012).

Ниже перечислены некоторые другие прямые применения астрономических инструментов в медицине:

  • Сотрудничество между фармацевтической компанией и Кембриджским центром автоматического измерения пластин позволяет быстрее анализировать образцы крови больных лейкемией и, таким образом, обеспечивает более точную смену лекарств (National Research Council, 1991).

  • Радиоастрономы разработали метод, который сейчас используется как неинвазивный способ обнаружения опухолей. Комбинируя это с другими традиционными методами, можно получить истинно положительный уровень обнаружения 96% у больных раком молочной железы (Barret et al., 1978).

  • Небольшие термодатчики, первоначально разработанные для контроля температуры инструментов телескопа, теперь используются для контроля нагрева в неонатологических отделениях — отделениях для ухода за новорожденными (National Research Council, 1991).

  • Низкоэнергетический рентгеновский сканер, разработанный НАСА, в настоящее время используется для амбулаторной хирургии, спортивных травм и в клиниках третьего мира. Он также использовался Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для изучения того, были ли некоторые таблетки загрязнены (National Research Council, 19).91).

  • Программное обеспечение для обработки спутниковых снимков, сделанных из космоса, теперь помогает исследователям-медикам разработать простой метод широкомасштабного скрининга болезни Альцгеймера (ESA, 2013).

  • Смотреть через наполненный жидкостью, постоянно движущийся глаз живого человека не так уж отличается от попытки наблюдать за астрономическими объектами через турбулентную атмосферу, и, похоже, в обоих случаях работает один и тот же фундаментальный подход. Адаптивная оптика, используемая в астрономии, может использоваться для визуализации сетчатки у живых пациентов для изучения таких заболеваний, как дегенерация желтого пятна и пигментный ретинит, на ранних стадиях. (Бостонская корпорация микромашин, 2010 г.)

Астрономия в повседневной жизни

Многие вещи, с которыми люди сталкиваются в повседневной жизни, появились благодаря астрономическим технологиям. Возможно, наиболее часто используемым изобретением астрономии является беспроводная локальная сеть (WLAN). В 1977 году Джон О’Салливан разработал метод повышения резкости изображений с радиотелескопа. Этот же метод применялся к радиосигналам в целом, особенно к сигналам, предназначенным для усиления компьютерных сетей, которые теперь являются неотъемлемой частью всех реализаций WLAN (Hamaker et al., 19).77).

Другие важные для повседневной жизни технологии, изначально разработанные для астрономии, перечислены ниже (National Research Council, 2010):

  • Технология рентгеновской обсерватории

    также используется в существующих рентгеновских лентах для багажа в аэропортах.

  • В аэропортах газовый хроматограф для разделения и анализа соединений, разработанный для миссии на Марс, используется для проверки багажа на наличие наркотиков и взрывчатых веществ.

  • Полиция использует ручные фотометры химической потребности в кислороде (ХПК) — инструменты, разработанные астрономами для измерения интенсивности света, — чтобы проверить прозрачность окон автомобилей в соответствии с законом.

  • Гамма-спектрометр, первоначально использовавшийся для анализа лунного грунта, теперь используется в качестве неинвазивного способа исследовать структурные недостатки исторических зданий или заглянуть за хрупкие мозаики, такие как базилика Святого Марка в Венеции.

Более тонким, чем эти вклады в технологию, является вклад астрономии в наше представление о времени. Первые календари были основаны на движении Луны, и даже то, как мы определяем секунду, связано с астрономией. Атомные часы, разработанные в 1955 году, были откалиброваны с использованием астрономического эфемеридного времени — бывшей стандартной шкалы астрономического времени, принятой МАС в 1952 году. Это привело к согласованному на международном уровне новому определению секунды (Markowitz et al. , 19).58).

Все это очень осязаемые примеры влияния астрономии на нашу повседневную жизнь, но астрономия также играет важную роль в нашей культуре. Есть много книг и журналов по астрономии для неастрономов. «Краткая история времени » Стивена Хокинга — бестселлер, продано более десяти миллионов копий (Париж, 2007 г.), а телесериал Карла Сагана « Космос: Личное путешествие » посмотрели более 500 человек в более чем 60 странах. миллионов человек (НАСА, 2009 г.)).

Многие не астрономы также занимались астрономией во время Международного года астрономии 2009 (IYA2009), крупнейшего образовательного и информационно-просветительского мероприятия в области науки. IYA2009 охватила более восьмисот миллионов человек благодаря тысячам мероприятий в более чем 148 странах (IAU, 2010).

Астрономия и международное сотрудничество

Научные и технологические достижения дают большое конкурентное преимущество любой стране. Нации гордятся тем, что обладают самыми эффективными новыми технологиями, и стремятся к новым научным открытиям. Но, возможно, более важным является то, как наука может объединять нации, поощряя сотрудничество и создавая постоянный поток, поскольку исследователи путешествуют по всему миру для работы в международных учреждениях.

Астрономия особенно хорошо подходит для международного сотрудничества из-за необходимости иметь телескопы в разных местах по всему миру, чтобы увидеть все небо. По крайней мере, еще в 1887 году, когда астрономы со всего мира объединили свои телескопические изображения и составили первую карту всего неба, в астрономии существовало международное сотрудничество, а в 1920 году Международный астрономический союз стал первым международным научным союзом.

Помимо необходимости видеть небо с разных точек зрения на Земле, строительство астрономических обсерваторий на земле и в космосе чрезвычайно дорого. Поэтому большинство существующих и планируемых обсерваторий принадлежат нескольким странам. Все это сотрудничество до сих пор было мирным и успешным. Некоторые из наиболее примечательных:

  • Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Атакама (ALMA), международное партнерство Европы, Северной Америки и Восточной Азии в сотрудничестве с Республикой Чили, является крупнейшим астрономическим проектом из существующих.

  • Европейская южная обсерватория (ESO), в состав которой входят 14 европейских стран и Бразилия, расположена в Чили.

  • Сотрудничество между США и Европой в крупных обсерваториях, таких как космический телескоп Хаббл НАСА/ЕКА.

Резюме

В приведенном выше тексте мы обрисовали как материальные, так и нематериальные причины того, что астрономия является важной частью общества. Хотя мы сосредоточились в основном на передаче технологий и знаний, возможно, самым важным вкладом по-прежнему является тот факт, что астрономия позволяет нам осознать, как мы вписываемся в огромную Вселенную. Американский астроном Карл Саган показал нам один из самых простых и наиболее вдохновляющих вкладов астрономии в развитие общества в своей книге 9.0135 Бледно-голубая точка :

Говорят, что астрономия — это унизительный опыт, который закаляет характер. Возможно, нет лучшей демонстрации глупости человеческого тщеславия, чем этот далекий образ нашего крошечного мира. Для меня это подчеркивает нашу ответственность относиться друг к другу более доброжелательно, а также сохранять и лелеять бледно-голубую точку, единственный дом, который мы когда-либо знали».

Ссылки

Эйткен, Р.Г. 1933, Использование астрономии . Астрономическое общество Тихого океана. Листовка 59, December 1933, 33-36

Bode, Cruz & Molster 2008, Дорожная карта инфраструктуры ASTRONET: стратегический план европейской астрономии , http://www.eso.org/public/archives/books/pdfsm/book_0045. pdf, август 2013 г.

Boston Micromachines Corporation, https://www.photonicsonline.com/doc/adaptive-optics-101-0001, 2010

Clark, H. 2012, Современные чистые помещения, изобретенные физиком Sandia, все еще используются 50 лет спустя , https://share.sandia.gov/news/resources/news_releases/cleanroom_50th, июнь 2013 г.

ESA 2013, Идентификация болезни Альцгеймера с помощью космического программного обеспечения , http://www. esa.int/Our_Activities/Technology/TTP2/Identifying_Alzheimer’s_using_space_software, июль 2013 г.

Finley, D., Value of Radio Astronomy 8, 9013 http ://www.nrao.edu/index.php/learn/radioastronomy/radioastronomyvalue, получено в ноябре 2013 г.

Груман, Дж. Б. 2011, Артефакты изображения — дефекты телескопа и камеры , http://stereo.gsfc.nasa.gov /artifacts/artifacts_camera.shtml, август 2013 г.

Hamaker, J.P., O’Sullivan, J.D. & Noordam J.D. 1977, Резкость изображения, оптика Фурье и интерферометрия с избыточным интервалом , J. Opt. соц. Am., 67(8), 1122–1123

Международный астрономический союз, 2010 г., Международный год астрономии, 2009 г. охватил сотни миллионов людей: опубликован итоговый отчет , http://www.astronomy2009.org/news/pressreleases/ detail/iya1006, август 2013 г.

Международный астрономический союз 2012 г., Стратегический план МАС «Астрономия для развития» на 2010–2012 гг. . https://www. iau.org/static/education/strategicplan_2010-2020.pdf, июнь 2013 г.

Kiger, P. & English, M. 2011, 10 лучших изобретений НАСА , http://www.howstuffworks. com/innovation/inventions/top-5-nasa-inventions.htm, июнь 2013 г.

Markowitz, W. et al. 1958, Частота цезия с точки зрения эфемеридного времени , Physical Review Letters 1, 105–107

Национальный исследовательский совет 1991, Рабочие документы: отчеты группы по астрономии и астрофизике , Вашингтон, округ Колумбия: The National Academys Press

Национальный исследовательский совет 2010, Новые миры, новые горизонты в астрономии и астрофизике . Вашингтон, округ Колумбия: The National Academies Press

Paris, N. 2007, Хокинг испытает невесомость , The Daily Telegraph, http://www.telegraph.co.uk/news/worldnews/1549770/Hawking-to- experience-zero-gravity.html, август 2013 г.

Renée James, C. 2012, Что астрономия сделала для вас в последнее время? , www. astronomy.com, май 2012 г., стр. 30–35

Шашарина С.Г. и др. 2005 г., GRIDL: высокопроизводительный и распределенный интерактивный язык данных , Высокопроизводительные распределенные вычисления, HPDC-14. Труды. 14-й Международный симпозиум IEEE, 291–292

Шулер, доктор медицинских наук, 1979 г., в Реконструкция изображения по проекциям , (изд. Г. Т. Герман, Берлин: Springer), 105

StarChild, StarChild: Dr. Carl Sagan, NASA http://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/whos_who_level2/sagan.html, октябрь 2009 г.

Truman, H. 1949, Инаугурационная речь президента , http://www.trumanlibrary.org/whistlestop/50yr_archive/inagural20jan1949.htm, июнь 2013 г. .wikipedia.org/wiki/Technical_Pan, апрель 2013 г.

Галилей и телескоп | Моделирование космоса | Статьи и очерки | В поисках нашего места в космосе: от Галилея до Сагана и далее | Цифровые коллекции

Прослушать эту страницу

Изобретение телескопа сыграло важную роль в продвижении нашего понимания места Земли в космосе. Хотя есть свидетельства того, что принципы работы телескопов были известны в конце 16 века, первые телескопы были созданы в Нидерландах в 1608 году. Создатели очков Ганс Липперши и Захариас Янссен и Якоб Метиус независимо друг от друга создали телескопы. Телескоп возник из традиции мастерства и технических инноваций в области очков и достижений в области оптики, восходящих к Роджеру Бэкону и ряду исламских ученых, в частности Аль-Кинди (ок. 801–873), Ибн Сахл (ок. 940-1000) и Ибн аль-Хайсам (965-1040).

История телескопических наблюдений Галилея показывает, как инструмент для наблюдения и сбора данных может кардинально изменить наше понимание космоса.

Ранние телескопы в основном использовались для наземных наблюдений, таких как геодезия и военная тактика. Галилео Галилей (1564-1642) был частью небольшой группы астрономов, которые направили телескопы к небу. Услышав о «датском перспективном стекле» в 1609 г., Галилей построил свой собственный телескоп. Впоследствии он продемонстрировал телескоп в Венеции. Его демонстрация телескопа принесла ему пожизненное чтение лекций.

После своего первоначального успеха Галилей сосредоточился на совершенствовании инструмента. Созданный им первоначальный телескоп (и голландские, на которых он базировался) увеличивал объекты на три диаметра. То есть предметы выглядели в три раза больше, чем невооруженным глазом. Усовершенствовав конструкцию телескопа, он разработал инструмент, который мог увеличивать в восемь, а в конечном итоге и в тридцать раз.

Это увеличенное увеличение небесных объектов имело значительное и немедленное влияние. Эти новые наблюдения ни в коем случае не были исключительными для Галилея. История Галилея и телескопа — яркий пример ключевой роли, которую технологии играют в развитии научных знаний. При этом телескоп — не единственная технология, задействованная в этой истории. Галилей ловко использовал печатную книгу и дизайн гравюр в своих книгах, чтобы представить свои исследования ученому сообществу. Это не история мыслителя-одиночки, который теоретизирует и собирает воедино новую модель космоса. Наоборот, множество людей в начале 17 века взяли только что созданные телескопы и направили их к небу. Однако, в отличие от других наблюдателей, Галилей быстро опубликовал свои выводы. В некоторых случаях Галилей понимал значение и важность этих наблюдений с большей готовностью, чем его современники. Именно это понимание и дальновидность публикации сделали идеи Галилея выдержавшими испытание временем.

Звездный вестник , Быстро опубликованные открытия Галилея

Вскоре после своих первых телескопических наблюдений за небом Галилей начал зарисовывать свои наблюдения. Он хотел обнародовать свои выводы. Его наблюдения и интерпретации звезд, Луны, Юпитера, Солнца и фаз планеты Венера сыграли решающую роль в уточнении нашего понимания космоса. В марте 1610 года Галилей опубликовал первые результаты своих телескопических наблюдений в «Звездном вестнике» (9).0135 Sidereus Nuncius ) , этот короткий астрономический трактат быстро распространился по углам ученого общества.

Луна не является идеальной сферой

Гравюры Луны, созданные на основе искусно нарисованных эскизов Галилея, представили читателям совершенно иной взгляд на Луну. Благодаря обучению Галилея искусству эпохи Возрождения и пониманию светотени (техники затенения света и тьмы) он быстро понял, что тени, которые он видел, на самом деле были горами и кратерами. По своим наброскам он сделал оценки их высоты и глубины. Эти наблюдения, возможные только благодаря увеличительной силе телескопа, ясно показали, что аристотелевское представление о Луне как о полупрозрачной идеальной сфере (или, как предложил Данте, о «вечной жемчужине») было ошибочным. Луна больше не была совершенным небесным объектом; теперь он явно имел черты и топологию, во многом схожие с Землей. Представление о том, что Луна имеет топологию, подобную Земле, привело к предположениям о том, на что может быть похожа жизнь на Луне.

Теперь известно, что английский астроном Томас Харриот (1560-1621) сделал первые зарегистрированные наблюдения Луны в телескоп за месяц до Галилея в июле 1609 года. Более того, карта Луны, созданная Харриотом в 1612 или 1613 году является более подробным, чем у Галилея. Харриот первым наблюдал за Луной, и созданные им карты включали больше информации, но он не распространял свою работу широко. Однако было напечатано и продано более 500 экземпляров «Звездного вестника», что укрепило наследие Галилея в астрономии.

У Юпитера есть собственные спутники

Когда Галилей повернул свой телескоп, чтобы наблюдать за Юпитером, он увидел то, что он сначала принял за три ненаблюдаемые ранее неподвижные звезды. После продолжительных наблюдений стало ясно, что они не зафиксированы, и в течение нескольких дней он пришел к выводу, что эти новые звезды действительно вращаются вокруг Юпитера. Он открыл три крупнейших спутника Юпитера.

Последствия этого открытия объектов, вращающихся вокруг планеты, были частью того, что подтолкнуло Галилея к аргументам в пользу солнцецентричного космоса. Спутники Юпитера опровергли ключевой аргумент против вращения Земли вокруг Солнца. Критики космоса Коперника, ориентированного на Солнце, задавались вопросом, как Земля могла тащить Луну по небу? Помните, что идея лежащего в основе механизма гравитации не пришла до Ньютона.0135 Principia Mathematica в 1687 году, что делает этот вопрос одновременно разумным и важным. Поскольку было широко распространено мнение, что Юпитер уже находится в движении, тот факт, что Юпитер явно имел свои собственные спутники, предлагал явное опровержение важной критики гелиоцентрической системы.

В Mundus Jovialis (1614) , Симон Мариус утверждал, что он, а не Галилей, первым открыл спутники Юпитера. В свое время Мариус был публично осужден как плагиатор. Галилей опубликовал свои результаты уже в 1610 году и был довольно известен и могущественен при дворе эпохи Возрождения. Только в 19века, вернутся ли историки, чтобы изучить свидетельства. Оказывается, Мариус не занимался плагиатом Галилея. Очевидно, его наблюдения были другими; на самом деле он более точно нанес на карту орбиты спутников Юпитера. Сейчас широко известно, что Мариус был независимым наблюдателем спутников Юпитера.

Пятнистое вращающееся солнце

Наблюдая за солнцем, Галилей заметил ряд «несовершенств». Он обнаружил солнечные пятна. Наблюдение за этими пятнами на Солнце показало, что Солнце действительно вращается. Кроме того, более поздние наблюдения Франческо Сицци в 1612 году показали, что пятна на Солнце действительно менялись со временем. Казалось бы, Солнце, как и Луна, не было той идеальной сферой, которую ученые европейцы считали ключевой особенностью своей вселенной.

Эти солнечные пятна независимо друг от друга наблюдал священник-иезуит и астроном Кристоф Шайнер (1575-1650). Шайнер наблюдал солнечные пятна в 1611 году и опубликовал свои результаты в 1612 году. На протяжении всей своей карьеры Галилей и Шинер враждовали из-за того, кто должен получить признание за открытие. Ни один из них не знал, что Томас Харриот наблюдал их в 1610 году, а немецкий теолог Давид Фабрициус и его сын Йоханес, вероятно, опередили Шайнера и Галилея в публикации открытия с их Apparente earum cum Sole Conversione Narratio в июне 1611 года. Однако их издание не получило широкого распространения и поэтому в свое время оставалось малоизвестным. Вне западной традиции науки. Китайские астрономы уже давно наблюдали солнечные пятна, начиная как минимум с 165 г. до н.э.

Имя Галилея стало синонимом телескопа. На этом фронтисписе к собранию сочинений Галилея показано, как он показывает телескоп и указывает на некоторые из своих небесных открытий. Художник изобразил Юпитер и его спутники. В книгу не вошла самая известная работа Галилея, его Диалог о двух Главных Мировых Системах , который был добавлен в Индекс Запрещенных Книг . Тем не менее, художник включил визуальную ссылку на эту работу. Под спутниками Юпитера отчетливо видна модель солнцецентричной системы. Фронтиспис к Opere di Galileo Galilei .1656. Отдел редких книг и специальных коллекций. В Starry Messenger Галилео поделился подробными рисунками разных фаз Луны. Значительное увеличение свидетельствовало о каменистой природе Луны. Sidereus Nuncius, Image 23 (1610) Rare Book & Special Collections «Здесь Галилей представляет последовательность своих наблюдений за лунами Юпитера (большой круг) и спутниками Юпитера в последующие ночи. Последовательность показывает движение и исчезновение некоторых из спутники, движущиеся позади Юпитера. Sidereus Nuncius , Image 47. (1610) Rare Book & Special Collections .Вот набросок Галилея солнца, обратите внимание на пятна на нем. В его времена было широко распространено мнение, что солнце представляет собой идеальный шар, но на нем явно есть пятна. Далее, наблюдая за пятнами с течением времени, стало ясно, что солнце действительно вращается. Оба этих наблюдения, казалось, расходились с интерпретациями аристотелевской космологии. Три письма о солнечных пятнах . (1613) Редкие книги и специальные коллекции

Астрономические объекты: определение, примеры, список, размеры

Астрономический объект — это определенная астрономическая структура, в которой происходит один или несколько процессов, которые можно изучать простым способом. Это структуры, которые недостаточно велики, чтобы иметь в качестве составных частей больше основных объектов, и недостаточно малы, чтобы быть частью другого объекта. Это определение в решающей степени опирается на понятие «простой», которое мы собираемся проиллюстрировать примерами.

Рассмотрим галактику, такую ​​как Млечный Путь. Галактика — это скопление множества звезд и других тел вокруг ядра, которое в старых галактиках обычно представляет собой черную дыру. Основными составляющими галактики являются звезды, независимо от стадии их жизни. Галактики являются астрономическими объектами.

Однако рукав галактики или сама галактика не является астрономическим объектом. Его богатая структура не позволяет нам изучать его с помощью простых законов, не опирающихся на статистику. Точно так же нет смысла изучать соответствующие астрономические явления, просто глядя на слои звезды. Это объекты, которые не охватывают всю сложность процессов, происходящих в звезде, если не рассматривать их вместе.

Таким образом, мы видим, что звезда является прекрасным примером астрономического объекта. Простые законы отражают его природу. Учитывая, что в астрономических масштабах единственной значимой силой является гравитация, эта концепция астрономического объекта сильно определяется структурами, образованными гравитационным притяжением.

Рисунок 1 . Туманность Вуаль (структура, которая слишком сложна, чтобы считаться астрономическим объектом). Источник: космический телескоп НАСА «Хаббл», Flickr (CC BY 2.0).

Здесь мы имеем дело только со «старыми» астрономическими объектами в том смысле, что мы рассматриваем только астрономические объекты, которые уже претерпели предшествующие процессы, прежде чем приобрели свою действительную природу.

Например, космическая пыль — один из самых распространенных астрономических объектов, из которого со временем образуются звезды или планеты. Однако нас больше интересуют такие объекты, как сами звезды, а не их ранние стадии в виде космической пыли.

Какие основные астрономические объекты?

Мы собираемся составить список астрономических объектов, который включает в себя некоторые объекты, характеристики которых мы не будем исследовать, прежде чем сосредоточимся на трех основных типах астрономических объектов: сверхновых , нейтронных звезд и черных дыр .

Различные астрономические объекты

Начав с различных астрономических объектов, характеристики которых мы не будем исследовать, мы найдем хорошие примеры в ближайших к Земле астрономических объектах, т. е. спутниках и планетах. Как это часто бывает в системах классификации, различия между категориями иногда могут быть произвольными, как, например, в случае с Плутоном, который недавно был классифицирован как карликовая планета, а не как обычная планета, но не как спутник.

Рисунок 2 . Плутон. Источник: Крис Меллер, Flickr (CC BY 2.0).

Некоторыми другими типами астрономических объектов являются звезды, белые карлики, космическая пыль, метеоры, кометы, пульсары, квазары и т. д. внутри них заставляют нас классифицировать их как разные астрономические объекты.

Обнаружение, классификация и измерение свойств этих объектов являются одной из основных задач астрофизики. Величины, такие как светимость астрономических объектов, их размер, температура и т. д., являются основными атрибутами, которые мы учитываем при их классификации.

Сверхновые

Чтобы понять сверхновые и два других типа астрономических объектов, обсуждаемых ниже, мы должны кратко рассмотреть стадии жизни звезды.

Звезда — это тело, топливом которого является его масса, потому что ядерные реакции внутри него превращают массу в энергию. После определенных процессов звезды претерпевают преобразования, которые в основном определяются их массой.

Если масса меньше восьми масс Солнца, звезда станет белым карликом. Если масса составляет от восьми до двадцати пяти масс Солнца, звезда станет нейтронной звездой. Если масса больше двадцати пяти масс Солнца, она станет черной дырой. В случае черных дыр и нейтронных звезд звезды обычно взрываются, оставляя после себя остатки объектов. Сам взрыв называется сверхновой.

Рис. 3. Жизненный цикл звезды. Источник: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА, Flickr (CC BY 2.0).

Сверхновые — очень яркие астрономические явления, которые классифицируются как объекты, потому что их свойства точно описываются законами светимости и химическими описаниями. Поскольку это взрывы, их продолжительность коротка по временным шкалам Вселенной. Также нет смысла изучать их размер, так как они расширяются из-за своей взрывной природы.

Сверхновые, возникшие в результате коллапса ядра звезды, относятся к типам Ib, Ic и II. Их свойства во времени известны и используются для измерения различных величин, таких как расстояние до Земли.

Существует особый тип сверхновых, тип Ia, источником которых являются белые карлики. Это возможно, потому что, хотя звезды с малой массой в конечном итоге становятся белыми карликами, существуют процессы, такие как наличие поблизости звезды или системы, высвобождающей массу, которые могут привести к увеличению массы белого карлика, что, в свою очередь, может привести к сверхновой типа Ia.

Обычно многие спектральные анализы проводятся со сверхновыми, чтобы определить, какие элементы и компоненты присутствуют во взрыве (и в каких пропорциях). Цель этих анализов — понять возраст звезды, ее тип и т. д. Они также показывают, что тяжелые элементы во Вселенной почти всегда образуются в эпизодах, связанных со сверхновыми.

Нейтронные звезды

Когда звезда с массой от восьми до двадцати пяти масс Солнца коллапсирует, она становится нейтронной звездой. Этот объект является результатом сложных реакций, происходящих внутри коллапсирующей звезды, внешние слои которой выбрасываются и рекомбинируются в нейтроны. Поскольку нейтроны являются фермионами, они не могут быть сколь угодно близко друг к другу, что приводит к созданию силы, называемой «давлением вырождения», которая отвечает за существование нейтронной звезды.

Нейтронные звезды — чрезвычайно плотные объекты диаметром около 20 км. Это не только означает, что они имеют высокую плотность, но и вызывают быстрое вращательное движение. Поскольку сверхновые представляют собой хаотические явления, и весь импульс должен сохраняться, оставленный ими небольшой объект-остаток вращается очень быстро, что делает его источником излучения радиоволн.

Благодаря своей точности эти характеристики излучения можно использовать в качестве часов и для измерений для определения астрономических расстояний или других соответствующих величин. Однако точные свойства субструктуры, образующей нейтронные звезды, неизвестны. Такие особенности, как сильное магнитное поле, образование нейтрино, высокое давление и температура, привели нас к рассмотрению хромодинамики или сверхпроводимости как необходимых элементов для описания их существования.

Черные дыры

Черные дыры — одни из самых известных объектов во Вселенной. Это остатки сверхновой, когда масса исходной звезды превысила приблизительное значение в двадцать пять масс Солнца. Огромная масса подразумевает, что коллапс ядра звезды не может быть остановлен никакими силами, порождающими такие объекты, как белые карлики или нейтронные звезды. Этот коллапс продолжает превышать порог, при котором плотность «слишком высока».

Эта огромная плотность приводит к тому, что астрономический объект создает настолько сильное гравитационное притяжение, что даже свет не может его избежать. В этих объектах плотность бесконечна и сосредоточена в небольшой точке. Традиционная физика не в состоянии описать это, даже общая теория относительности, которая требует введения квантовой физики, что приводит к загадке, которая еще не решена.

Тот факт, что даже свет не может выйти за пределы «события горизонта» — порогового расстояния, определяющего, может ли что-то выйти из-под влияния черной дыры, — препятствует полезным измерениям. Мы не можем извлечь информацию изнутри черной дыры.

Это означает, что мы должны провести косвенные наблюдения, чтобы определить их присутствие. Например, активные ядра галактик считаются сверхмассивными черными дырами, вокруг которых вращается масса. Это происходит из-за того, что, по прогнозам, огромное количество массы находится в очень маленьком регионе. Несмотря на то, что мы не можем измерить размер (до нас не доходит ни свет, ни информация), мы можем оценить его по поведению окружающей материи и количеству массы, заставляющей ее вращаться.

Относительно размеров черных дыр существует простая формула, позволяющая вычислить радиус горизонта событий:

Здесь G — универсальная гравитационная постоянная (с приблизительным значением 6,67⋅10 — 11 м 3 /с 2 ⋅кг), M — масса черной дыры, c — скорость света.

Рисунок 4. Самое последнее изображение того, что считается черной дырой. Источник: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА, Flickr (CC BY 2.0).

Астрономические объекты — основные выводы

  • Астрономический объект — это структура Вселенной, описываемая простыми законами. Звезды, планеты, черные дыры, белые карлики, кометы и т. д. являются примерами астрономических объектов.
  • Сверхновые — это взрывы, которые обычно отмечают конец жизни звезды.