Есть ли у космоса конец: Начало без конца. Ученые рассказали, есть ли предел у космоса

Роскосмос: вероятность, что где-то есть подобная земной жизнь, достаточно велика

Исполнительный директор Роскосмоса по перспективным программам и науке Александр Блошенко рассказывает в интервью ТАСС, есть ли жизнь на Марсе, можно ли преодолеть скорость света, есть ли край у Вселенной и что находится внутри черных дыр

Космос продолжает ставить перед человечеством все большее число вопросов, многие из них пока остаются без ответа. Во Вселенной присутствуют явления, которые люди не смогут, вероятно, объяснить никогда. Один из примеров — черная дыра, ее притяжение не может покинуть даже световой луч, поэтому посмотреть, что представляет собой этот объект по известным физическим законам принципиально невозможно.

ТАСС предложил госкорпорации «Роскосмос» прокомментировать с точки зрения самых последних знаний те сложные космические вопросы, которыми раз от раза задаются и ученые, и обычные люди. Есть ли жизнь на Марсе, можно ли преодолеть скорость света, есть ли край у Вселенной, как можно быстро долететь на ее другой конец, что находится внутри черных дыр, возможна ли неорганическая жизнь — об этом и другом рассказывает в интервью ТАСС исполнительный директор Роскосмоса по перспективным программам и науке Александр Блошенко.

— Александр Витальевич, раз от раза человек задается, с одной стороны, наивным, с другой стороны, фундаментальным вопросом — что было до так называемого большого взрыва? Что именно взорвалось?

— Вопрос действительно очень фундаментальный и при этом крайне интересный. Текущая космологическая теория предполагает, что Вселенная перед началом своего расширения, «большого взрыва», находилась в некоем бесконечно напряженном неустойчивом состоянии и все пространство было буквально собрано в одной точке. На языке теоретической физики говорят, что она находилась в состоянии так называемой «сингулярности» с очень большим значением плотности материи и кривизны пространства-времени. Затем она начала очень быстро расширяться во все стороны — «взорвалась».

Читайте также

Покорители космоса: от Гагарина до наших дней

По наиболее распространенным представлениям эта сингулярность образовалась в результате коллапса сверхмассивного объекта. Можно сказать, что рождение нашей Вселенной — это результат смерти Вселенной, которая была ее предшественницей, что даже находит свое отражение в отдельных религиях, так называемый «круг жизни».

Подтверждением данной теории является наличие реликтового излучения и так называемое красное смещение, свидетельствующее о том, что галактики нашей Вселенной постоянно отдаляются друг от друга.

— ​Отсюда вытекает логичный вопрос: конечна ли наша Вселенная? Что может быть за ее границами?

— Сделать научно обоснованный вывод о конечности и размерах Вселенной сложно из-за ограниченности текущего уровня технологий и нюансов осознания масштабов этого вопроса. Пытаясь оценить размеры Вселенной через анализ красного смещения (понижения частоты излучения космических объектов вследствие их удаления от нас — прим. ТАСС), мы столкнемся с тем, что регистрируемый сейчас свет был излучен много миллиардов лет тому назад. То есть мы сегодня получаем информацию о состоянии и месте нахождения светящегося объекта только в тот древнейший момент времени, и сделать заключение о размерах Вселенной корректно не выйдет.

Однако оценить размеры Вселенной можно изучая реликтовое излучение — микроволновое излучение остывающей плазмы, из сгустка которой, как считается, и образовалась наша Вселенная. Эти расчеты «располагают» границу нашей Вселенной на расстоянии 46 млрд световых лет от Земли. Однако и здесь говорить о том, что мы «нащупали» край Вселенной не приходится: мешают погрешности в расчетах, удаленность регистрируемых объектов, а также тот факт, что скорость расширения «границ» Вселенной увеличивается по мере удаленности от нас, и в какой-то момент мы уже не способны получать сигнал от них. Можно считать, что объекты на границах Вселенной от нас настолько далеко, что при жизни нашей Солнечной системы сигнал от них до нас не успеет дойти. 

Но если мы принимаем, что наша Вселенная расширяется, то подразумеваем существование некого горизонта событий, отделяющего нашу Вселенную от того, что ею не является. Таким образом теоретически Вселенная конечна, но с учетом ее размеров, расширения и человеческих возможностей, этим, фактически, можно пренебречь. Зарегистрированные на карте реликтового излучения аномально холодные пятна можно интерпретировать как области соприкосновения нашей Вселенной с другими, и тогда уже можно говорить о существовании Мультивселенной.

— Что такое темная материя и темная энергия? Как можно приблизиться к исследованию этих феноменов?

— Темная материя — это гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению. Ее существование до сих пор достоверно не доказано. Темную энергию ввели в математическую модель Вселенной ради объяснения наблюдаемого ее расширения с ускорением. Согласно последним исследованиям, гипотетически темная материя составляет порядка 25% состава наблюдаемой Вселенной, темная энергия — около 70%, а обычная материя, из которой состоят звезды и другие видимые космические объекты — всего лишь не более 5%.

Существуют два способа поиска частиц темной материи: прямой и непрямой. Прямой способ пока не дал никаких результатов. А косвенные подтверждения наличия темной материи были получены, в том числе, посредством известного эксперимента на борту МКС с магнитным спектрометром.

— Еще один не менее фундаментальный для нас сегодня вопрос: жизнь на Земле возникла случайно или можно утверждать, что условия для ее появления были созданы?

— Да, условия для существования известной нам формы жизни на Земле совершенно уникальны: это и местонахождение Солнечной системы в области нашей галактики без активного звездообразования, и выгодное расположение орбиты Солнца относительно плоскости галактики с точки зрения астероидно-кометной опасности, стабильность излучения самого Солнца, местоположение нашей планеты в Солнечной системе и другие факторы. Поэтому может возникнуть ощущение, что кто-то специально их подготовил для всего живого на нашей планете. С другой стороны, Вселенная очень большая, с огромным количеством галактик, звездных систем и планет в этих системах, поэтому велика вероятность, что схожие условия могли бы сложиться на какой-либо из существующих в нашей Вселенной планете без всякой специальной подготовки, то есть случайно. Мы просто пока не располагаем данными о таких же системах, как наша.

— Каким образом из неорганики получилась органическая жизнь на Земле?

— Жизнь возникла на Земле очень давно — первые останки жизненных форм, микроорганизмов обнаружены в породах возрастом 3,5–3,8 млрд лет. Пока мы не можем в точности сказать, как эти первые формы жизни появились, хотя есть стройная концепция дальнейшего развития жизни.

Читайте также

Как стать космонавтом: требования, подготовка, перспективы

В первичной атмосфере нашей планеты в ходе вулканических процессов при образовании земной коры накапливались газы — оксиды углерода, аммиак, метан, сероводород и многие другие. По мере остывания Земли на ней образовывались водоемы. В атмосфере под действием частых и сильных электрических грозовых разрядов, мощного ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца, и активной вулканической деятельности, которая сопровождалась выбросами радиоактивных соединений, образовывались простейшие органические вещества. Попадая в воду и накапливаясь там, они образовывали концентрированный «первичный бульон», в котором постепенно появлялись и более сложные соединения.

В то же время считается, что самыми первыми формами жизни (добиологическими, то есть химическими) были молекулы, способные воспроизводить себя сами, «копируя» себе подобных, используя себя же в качестве образца — матрицы. Такой древней «первичной» молекулой могла быть рибонуклеиновая кислота или близкий по строению и свойствам органический полимер.

Исходя из этого, можно утвердительно ответить на вопрос о существовании и неорганической жизни. Неорганические соединения при определенных обстоятельствах способны вести себя так же, как клетки из органических веществ. Сейчас известны результаты ряда опытов, в которых были показаны сложные процессы, в результате которых большие молекулы создавали структуры, напоминающие жизнь.

— Есть ли сегодня данные о том, что жизнь возможна не только на Земле?

— Активные исследования по поиску признаков внеземной жизни ведутся с середины XX века. Это поиски и текущей, и существовавшей в прошлом внеземной жизни, в целом и более нацеленный поиск разумной жизни.

При исследовании углеродсодержащих метеоритов в их составе обнаруживают вещества, которые в земных условиях являются продуктами жизнедеятельности. В частности, это «организованные элементы» — микроскопические, размером 5-50 мкм, «одноклеточные» образования, часто имеющие явно выраженные двойные стенки, поры, шипы и так далее. На сегодняшний день однозначно не доказано, что эти окаменелости принадлежат останкам каких-либо форм внеземной жизни. Но, с другой стороны, эти образования имеют такую высокую степень организации, которую принято связывать с жизнью.

Открытие планет у других звездных систем в «обитаемой зоне» также косвенно указывает на наличие мест во Вселенной, благоприятных для возникновения жизни. Возможности современной астрономии не позволяют оценить конкретные условия жизни на таких планетах, но если в будущем мы сможем точно определить, скажем, наличие кислорода в их атмосфере, это станет важным свидетельством в пользу наличия жизни за пределами Земли.

— А есть ли сегодня факты, которые могут хотя бы косвенно подтвердить существование других цивилизаций? Или какова вероятность, что где-то в космосе имеется высокоорганизованная жизнь по типу нашей?

— На сегодня информацией о внеземной высокоорганизованной жизни мы, к сожалению, не располагаем. Но, повторюсь, наличие жизни на Земле позволяет сделать предположение о том, что такие же условия могли сложиться и на других планетах.

Читайте также

Как выжить рядом с черной дырой? Отрывок из книги «Чудовища доктора Эйнштейна»

В настоящее время достоверно известно о существовании примерно 4 тыс. экзопланет (планеты у других звезд — прим. ТАСС). Однако только в видимой нами части Вселенной расположено более 2 триллионов галактик, в каждой из которых могут находиться триллионы планет. И вероятность, что на какой-то из них присутствует жизнь, подобная нашей, достаточно велика.

Хочу отметить, что условия существования инопланетных живых организмов совсем не обязательно должны быть полностью схожи с земными. Даже у нас на Земле существуют организмы, гораздо менее восприимчивые к температурным перепадам и воздействию радиации, чем большая часть остального живого на нашей планете. Это подтверждено экспериментами, в том числе, в условиях открытого космоса.

— Есть ли сегодня кандидаты на искусственные сигналы, идущие от других звезд, которые могли быть посланы иными разумными существами?

— Искусственных сигналов, поступающих из Вселенной, у нас сегодня не регистрируется. При этом мы не можем быть уверены, что Вселенная однозначно «молчит». Вполне возможно, что через Землю проходят какие-то сигналы, основанные на неклассических принципах, непонятных нам на сегодняшний день.

— Есть ли какие-то реалистичные способы космических перемещений на большой скорости, которые позволят добираться до других звезд хотя бы в течение одной человеческой жизни?

— К сожалению, текущий уровень развития техники однозначно не позволяет человеку совершать межзвездные путешествия. С другой стороны, еще 150 лет назад никто и представить не мог, что человек так скоро будет совершать регулярные полеты в космическое пространство, то есть, подчеркну, не существовало даже теоретического обоснования возможности полетов за пределы нашей планеты. Поэтому вполне вероятно, что еще при нашей жизни вопрос межзвездных перемещений будет решен.

— Можно ли превысить скорость света? На каких физических принципах может быть реализовано скоростное перемещение между галактиками?

— На данный момент ни теоретически, ни практически не доказано что какой-либо материальный объект может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Это один из основных постулатов, вытекающих из специальной теории относительности Эйнштейна, на основе которого мы строим наше представление об окружающем нас мире.

Пока максимальная скорость, которую удалось развить человеку, составляет тысячные доли процента от скорости света. И однозначно можно сказать, что для достижения скоростей, близких к скорости света, понадобятся совершенно другие подходы в передвижении, в самом его понимании. В новых условиях, возможно, перемещение будет осуществляться в каком-то другом виде, другом измерении и, вероятно, все ограничения, которые сейчас возникают при космических перемещениях человека, перестанут действовать. При этом возникнут совершенно новые ограничения, которые и придется решать будущим поколениям исследователей. Будем рассчитывать, что к моменту, когда человечество будет объективно нуждаться в таких путешествиях, способ будет найден.

Если не вести речь о перемещениях со скоростью, близкой к скорости света, то вопрос кардинального увеличения скорости передвижения в космическом пространстве может быть решен за счет разработки двигателей на новых физических принципах. Однако в настоящее время все попытки в этой области, включая, например, нашумевший EmDrive, не показали результатов, выходящих за пределы погрешности эксперимента.

— Что такое черные дыры? Есть ли хотя бы гипотетический способ получить информацию из черной дыры?

— Наиболее понятное и распространенное описание черной дыры — это колоссальная масса, сжатая до огромной плотности в объем небольшого радиуса. Он называется радиусом Шварцшильда, или гравитационным радиусом, и для каждого тела с определенной массой он свой. Например, радиус Шварцшильда для тела с массой Земли равен всего 9 мм, до такой горошины нужно сжать нашу планету, чтобы получить из нее черную дыру.

Для Солнца этот радиус равен примерно 3 км. Наше Солнце в конце своей жизни превратиться в белый карлик — небольшое, размером с Землю, космическое тело из чистого углерода. После его остывания сверху останется сажа и графит, а внутри — чистейший алмаз в триллионы триллионов карат. А вот звезды массой, больше чем вдвое превышающей массу Солнца, умирая, с одновременной вспышкой сверхновых превращаются либо в нейтронные звезды, либо в черные дыры.

Определяющим свойством черной дыры является область вокруг нее, называемая горизонтом событий. Это граница притяжения, преодолев которую ничто, даже свет, не сможет вернуться обратно. Соответственно, невозможно передать сигнал из-за горизонта событий и сообщить информацию тому, кто остался снаружи. Поэтому сегодня все происходящее внутри черной дыры поддается только теоретическому описанию и сама физика черных дыр имеет большое количество нерешенных проблем. И мы пока даже теоретически не знаем способа получить информацию из-за горизонта событий и, соответственно, точно узнать, что происходит внутри черной дыры.

— Что такое кротовые норы? Можно ли их использовать для перемещений во Вселенной?

— В современной физике используется понятие «пространства-времени» — это физическая модель, в которой три пространственных измерения дополняются равноправным четвертым измерением — временем. В рамках общей теории относительности пространство-время имеет единую природу, а его взаимодействие с со всеми остальными физическими объектами (полями, телами) и есть гравитация.

Читайте также

Как найти инопланетную жизнь и что вообще искать? Отрывок из книги «Карта Вселенной»

Считается, что «кротовые норы» — это тонкие пространственно-временные трубки, соединяющие отдаленные области Вселенной. В отличие от черных дыр, у кротовых нор отсутствует горизонт событий и у них возможен как «вход», так и «выход». Наличие кротовых нор не противоречит общей теории относительности.

На данный момент не доказано как существование кротовых нор, так и невозможность их существования. Согласно имеющимся теориям, кротовые норы могут решить не только вопрос межгалактических перемещений, но и предоставить возможность путешествия во времени: попав в такую область пространства-времени, сильно искривленную источником огромного гравитационного поля, теоретически можно совершить «прыжок» как в пространстве, так и во времени.

— Может быть, ключ к ответам на все эти вопросы —​​​​​​​ часто обсуждаемая в последнее время теория струн? Можно ли сегодня за счет астрофизических исследований ее подтвердить или опровергнуть?

— Не вдаваясь в достаточно абстрактные и сложные для понимания подробности, попробую ответить понятным языком. В отличие от привычной нам со школьной скамьи модели описания мира множеством элементарных частиц и волн, теория струн предполагает его описание набором бесконечно тонких протяженных объектов, способных совершать колебания по аналогии со струнами, и при этом она сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности.

Габриеле Венециано, основатель теории струн, показал, каким образом инфляционная модель Вселенной может быть получена из теории суперструн. В 1996 году была опубликована важная теоретическая работа, в которой удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определенного класса черных дыр, а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию.

В теории струн существует такое понятие, как «космические струны», которые в результате расширения Вселенной могут «раздуться» до огромных размеров и даже простираться дальше горизонта событий, то есть превышать размеры Вселенной.

Сегодня теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из ее вариантов пока не дает точных предсказаний, которые можно было бы проверить в критическом эксперименте. Таким образом, эта теория находится пока в «зачаточной стадии»: она обладает множеством привлекательных математических особенностей и может стать чрезвычайно важной в понимании устройства Вселенной, но требуется ее дальнейшая разработка для того, чтобы ее принять или отвергнуть.

Пока теорию струн нельзя будет проверить в обозримом будущем в силу технологических ограничений. Если за счет каких-либо исследований, не только астрофизических, можно будет подтвердить или опровергнуть такую модель, претендующую на роль ключевой теории для описания всех процессов, происходящих во Вселенной, то таким исследованиям, безусловно, будет отведена значительная роль. Возможно, с развитием новых технологий у нас появятся дополнительные возможности, которые позволят в том числе внести необходимый вклад и в этой сфере.

— Глава SpaceX Илон Маск не оставляет идеи колонизировать Марс. Насколько реалистичны такие планы?

— ​Колонизация космоса – это так или иначе вопрос выживания человечества, да и вообще всего живого на нашей планете в сверхдолгосрочной перспективе. Хотя, здесь надо оговориться, такими «колонизаторами» смогут стать существа уже, скорее всего, не с нынешними генотипами.

Читайте также

Марс-бросок: какие задачи стоят перед миссией «ЭкзоМарс»

Планы и текущие достижения компании SpaceX бесспорно заслуживают глубокого уважения. Но при этом надо помнить, что Илон Маск — бизнесмен, чей бизнес, не только в сфере ракетно-космической техники, зависит во многом от повышенного внимания общественности. Поэтому ему крайне важно обозначать яркие, амбициозные цели уже на ближайшую перспективу. Первая ракета компании SpaceX совершила успешный пуск почти в пять раз позже изначально запланированных сроков. Также и некоторые планы, которые озвучиваются SpaceX, в условиях технологического развития ближайшего времени просто неосуществимы, если провести их краткий технический анализ. Например, для того чтобы термоядерный взрыв на полюсе Марса, одна из идей компании SpaceX, дал ощутимый результат, необходимо более десяти тысяч пусков самых грузоподъемных из разрабатываемых в настоящий момент ракет-носителей.

Исходя из имеющихся и перспективных средств выведения, даже допустив изрядную долю оптимизма при их оценке и вынося за скобки вопросы создания термоядерного оружия в таких объемах, можно сделать вывод о том, что каких-то ощутимых воздействий на климат на Марсе (как, к слову, и на Венере) в ближайшей перспективе человечество оказать не в силах.

Госкорпорация «Роскосмос» сегодня не может себе позволить декларировать сроки исходя из чисто маркетинговых и PR-задач. При этом мы, конечно, сегодня ведем системные работы, в частности, и по подготовке миссий на Луну и Марс.

— Какие планеты Солнечной системы являются лучшими кандидатами для колонизации?

— Со многих точек зрения из всех планет Солнечной системы наиболее похожи на Землю Марс и Венера, обе эти планеты, наряду с Землей, находятся в так называемой «зоне обитаемости». Есть предположения, что Марс на ранних этапах своей истории имел среду, похожую на современную Землю — густую атмосферу и много воды, которые потерял за период в несколько сотен миллионов лет. Из-за сходства и близости к Земле Марс может оказаться наиболее целесообразным и эффективным объектом для терраформирования среди всех космических тел в Солнечной системе.

Читайте также

Рецепт изготовления звезды (и ее срок годности). Отрывок из книги о гравитационных волнах

На Венере обстановка крайне далека от благоприятной с точки зрения человека. Из-за сильного парникового эффекта средняя температура на поверхности Венеры еще выше, чем на Меркурии, который ближе к Солнцу, — она составляет примерно +470°С (при -63°С на Марсе). А венерианское атмосферное давление на поверхности в 90 раз превышает земное — его можно сравнить с давлением в океане на глубине 1 км. Кроме того, атмосфера на поверхности Венеры на 97% состоит из углекислого газа. На Венере нет воды, даже в виде пара, зато есть облака из серной кислоты, которые делают невозможным наблюдение поверхности в видимом свете, а заодно и блокируют поступление солнечной энергии. То есть Венера — это «сестра» Земли, пережившая парниковую катастрофу, о которой так много сегодня говорят. Ее изучение автоматическими аппаратами дает нам ключи к познанию механизмов эволюции нашей планеты и помогает тем самым избежать судьбы «соседки».

Преимущество Венеры — это плотная атмосфера, близкая по составу к земной, которая служит надежным щитом от ключевых проблем освоения Марса: космической радиации и метеоритов. Также до Венеры легче добраться: она ближе и «пусковые окна» случаются чаще. Но потенциально «привлекательные» для колонизации условия на Венере находятся только на высоте 50-65 км: здесь атмосфера планеты наиболее похожа на земную по температуре, давлению и газовому составу.

Исследования Солнца показывают, что оно в данный момент нагревается, и температура на Венере и Марсе медленно растет, в том числе поэтому сегодня Марс выглядит, пожалуй, наиболее предпочтительным с точки зрения перспективы терраформирования и колонизации.

— Можно ли в сегодняшних условиях в тропиках Марса высадить земную флору?

— На поверхности Марса содержится грунт, насыщенный перхлоратами, которые являются ядовитыми для земной флоры. Таким образом, свободно расти земные растения на поверхности Марса не смогут, понадобилась бы определенная подготовка почвы. Помимо этого, важными факторами являются температурный режим, состав атмосферы, радиационный фон и другие параметры, которые также пришлось бы поддерживать искусственно в изолированных помещениях.

— Есть ли на сегодняшний день жизнь на Марсе, что об этом могут сказать имеющиеся данные? Была ли жизнь на Марсе или Венере в прошлом?

— Все проведенные на Марсе и Венере исследования наличия признаков жизни пока не дали положительного результата. Возможно, свет на этот вопрос прольет следующий этап совместной российско-европейской миссии «ЭкзоМарс», запуск которой запланирован на 2022 год. Программа предполагает посадку на Марс ровера, оснащенного бурильным устройством, позволяющим проникать в подповерхностный слой Марса, а также миниатюрной лабораторией для поиска следов жизни.

Читайте также

Роскосмос поручил сформировать программу исследования Венеры

Венера на данный момент является наряду с Марсом самой исследованной планетой Солнечной системы. В ходе нескольких орбитальных миссий и спусков станций на поверхность планеты (советский аппарат «Венера 13» до сих пор остается самым успешным за всю историю — он продержался 157 минут) удалось получить подробные сведения о венерианском климате, почве и составе атмосферы. Вообще, Советский Союз достиг таких успехов в исследовании Венеры, причем с огромным «отрывом» от конкурентов — США, что те Венеру даже называли «советской планетой».

Лично для меня по уже отмеченным сегодня обстоятельствам «научный» фаворит — разрабатываемая нами сегодня миссия на Венеру. Не так давно ученые Российской академии наук, анализируя снимки Венеры, полученные еще советскими экспедициями, заявили, что обнаружили на них объекты, которые меняли свое местоположение и даже потенциально могут быть живыми. Не берусь обсуждать именно эту статью, но, как известно «практика — критерий истины», и насколько догадки ученых верны, нам еще только предстоит узнать.

Беседовал Дмитрий Решетников 

10 сумасбродных теорий о природе нашей Вселенной / Хабр

Почему наша Вселенная именно такая? Учёные перебрали уже множество способов объяснить природу нашего мира, поэтому в процессе родилось несколько довольно безумных идей.

Почему наша Вселенная именно такая? За много лет учёные перебрали уже множество способов объяснить природу нашего мира и предсказать его будущее. Вот несколько их самых странных идей.

1. Космология бран

Мы принимаем трёхмерность Вселенной как нечто само собой разумеющееся – ведь мы можем двигаться только в одном из трёх перпендикулярных направлений. Однако некоторые теории говорят о наличии ещё одного пространственного измерения, которое мы не способны воспринимать напрямую, существующего ещё в одном перпендикулярном направлении. Это пространство высших измерений называется «балк», а наша Вселенная в таком случае – это трёхмерная мембрана, или «брана», плавающая внутри него.

Звучит сложно, однако космология бран решает сразу несколько проблем физики. К примеру, физики-теоретики Лиза Рэндал из Гарварда и Раман Сандрам из Мэрилендского университета предложили вариант космологии бран, объясняющий асимметрию субатомных частиц существованием других бран, параллельных нашей. Однако теория не просто должна объяснять известные нам факты – она должна делать предсказания, которые можно было бы проверить экспериментально. В случае с моделью Рэндал-Сандрама можно было бы измерить гравитационные волны, испускаемые чёрными дырами, связывающими разные браны между собой.

2. Большой шлепок

В далёком будущем галактики так сильно разлетятся друг от друга, что свет от одной из них никогда не дойдёт до другой. Когда постареют и умрут все звёзды, настанет время, в котором не будет ни света, ни тепла. Вселенная будет тёмной, холодной и пустой. Звучит, как конец всего – но по одной из теорий это будет начало следующей Вселенной в бесконечно повторяющемся цикле. Помните космологию бран? Так вот, это произойдёт, когда одна холодная пустая брана сталкивается с другой – а это рано или поздно случится. Космологи Нил Турок и Пол Стейнхардт считают, что в таком столкновении появится столько энергии, что она сможет породить новую Вселенную. Они назвали это «экпиротической» теорией, хотя физик Митио Каку придумал ей другой, запоминающийся термин – «Большой шлепок».

3. Заполненный плазмой космос

Множество учёных придерживается теории Большого взрыва, а поддерживают её два главных наблюдения: расширение Вселенной и реликтовое излучение. Сразу после Большого взрыва Вселенная была гораздо меньше и горячее сегодняшней, и заполнена сияющей плазмой, похожей на внутренности нашего Солнца. Конец этой сверхгорячей фазы мы всё ещё наблюдаем в виде моря излучения, заполняющего весь космос. Миллиарды лет расширения Вселенной охладили это излучение до -270°C, однако радиотелескопы всё равно его обнаруживают.

Реликтовое излучение по всем направлениям выглядит практически одинаково, чего нельзя объяснить другими теориями, кроме постоянного расширения Вселенной. Многие учёные считают, что Вселенная претерпела краткий период чрезвычайно быстрой «инфляции» в первую долю секунды после Большого взрыва, быстро раздувшись от субатомных размеров до нескольких световых лет.

4. Голографическая Вселенная

Представьте себе двумерную голограмму, защищающую документ от подделок. Это двумерный объект, в котором закодировано трёхмерное изображение. Согласно одной из теорий вся трёхмерная Вселенная может быть закодирована на её двумерной границе. Это не так круто, как жить в симуляции, но зато эту теорию можно проверить – в работе 2017 года было показано, что она соответствует наблюдаемым закономерностям реликтового излучения.

5. Стационарная Вселенная

Пока наилучшей нашей догадкой о зарождении Вселенной является Большой взрыв. В прошлом она была плотнее, а в будущем станет разреженнее. Не всем учёным это понравилось, поэтому они придумали, как можно сохранить плотность даже в расширяющейся Вселенной. Для этого необходимо постоянно создавать материю со скоростью в три атома водорода на кубический метр за миллион лет. Но эта модель потеряла популярность после открытия реликтового излучения, объяснить которое просто у неё не получилось.

6. Мультивселенная

В общепринятой картине Большого взрыва для объяснения однородности реликтового излучения необходимо постулировать всплеск сверхбыстрого расширения Вселенной на ранней стадии существования, инфляцию. Некоторые учёные считают, что когда Вселенная выпала из фазы инфляции, она была всего лишь небольшим пузырьком в огромном море расширяющегося пространства. По этой теории «вечной инфляции», предложенной Полом Стейнхардтом, в других местах инфляционного моря постоянно появляются другие пузыри-вселенные, и весь этот набор представляет собой «мультивселенную».

Что ещё страннее, нет причин, по которым в других вселенных должны быть такие же законы физики, что и в нашей – в некоторых может быть более сильная гравитация, или другая скорость света. Хотя наблюдать напрямую другие вселенные мы не можем, одна из них в принципе может столкнуться с нашей. Некоторые учёные даже предположили, что «холодное пятно» в реликтовом излучении – это след одного из таких столкновений.

7. Мы ошиблись с гравитацией

Теории вселенной полагаются на точное понимание гравитации – единственное из взаимодействий, имеющее значение на больших масштабах. Однако некоторые астрономические наблюдения одна лишь гравитация не объясняет. Если измерить скорость звёзд, расположенных на краю галактики, окажется, что они двигаются слишком быстро для того, чтобы оставаться на орбите – если к центру галактики их притягивала бы одна лишь гравитация. Также и скопления галактик удерживает вместе, судя по всему, более сильное взаимодействие, чем одна только гравитация всей видимой материи.

Этому есть два объяснения. Большинство учёных склоняются к тому, что во Вселенной существует невидимая тёмная материя, обеспечивающая недостающую гравитацию. Диссидентской альтернативой этому является мнение о том, что мы неправильно понимаем гравитацию, и должны заменить её теорию «модифицированной ньютоновской динамикой» (МОНД). Такое предложение было сделано в 2002 году в журнале Annual Review of Astronomy and Astrophysics. МОНД и тёмная материя соответствуют наблюдениям, но их ещё предстоит доказать. Требуется провести больше экспериментов.

8. Сверхтекучее пространство-время

Даже если у пространства есть всего три измерения, есть и четвёртое – в виде времени. Поэтому мы можем представить себе Вселенную, существующую в четырёхмерном пространстве-времени. По некоторым теориям, например, по предложенной Стефано Либерати из Международной школы передовых исследований и Лукой Маччионе из Университета Людвига Максимилиана, и опубликованной в журнале Physics Review Letters, это не просто абстрактная система отсчёта, содержащая такие физические объекты, как звёзды и галактики. Оно само по себе является физической субстанцией, чем-то вроде океана. И как вода состоит из молекул, пространство-время по этой теории на более глубоком уровне реальности состоит из микроскопических частиц, до которых могут дотянуться наши инструменты.

По этой теории пространство-время представляет собой сверхжидкость с нулевой вязкостью. Одно из странных свойств таких жидкостей заключается в том, что их нельзя заставить вращаться как единое целое – как делает обычная жидкость, если её помешать. Сверхтекучие жидкости разбиваются на крохотные водовороты – и, возможно, в нашем пространстве-времени именно так образовывались галактики.

9. Теория симуляции

Пока что все теории исходили от учёных – но вот вам одна от философов. Если вся информация о Вселенной поступает в наш мозг посредством наших чувств и данных с научных инструментов, как доказать, что всё это – не хитроумная иллюзия? Вся Вселенная может оказаться сверхсложной компьютерной симуляцией. Эту идею популяризовали фильмы про «Матрицу», однако некоторые философы относятся к ней очень серьёзно. Однако эта теория не может называться научной, потому что её нельзя ни доказать, ни опровергнуть.

10. Эгоизм космических масштабов

В законах физики содержится набор фундаментальных констант, определяющих силу гравитации, электромагнетизма и субатомных сил. Насколько нам известно, они могут иметь любые величины – однако если бы они хоть немного отличались от известных нам, Вселенная была бы совершенно другой. И, что важнее для нас, жизнь в известном нам виде тоже не могла бы существовать. Некоторые люди считают это свидетельством того, что Вселенную осознанно разработали так, чтобы в ней могла развиться жизнь, похожая на человека – т. н. эгоцентричная антропная теория, которую Ник Бустрём предложил в своей книге «Антропная предвзятость».

почему во Вселенной происходит то, что в ней происходит

Дожили бы динозавры до наших дней, если бы понимали теорию хаоса? Что такое тонкая настройка и почему без нее не было бы не только человечества, но и известной нам Вселенной? Может ли черная дыра на поверку оказаться слипшимся сгустком с упругими внутренностями — и почему обитателями этого нутра рискуем оказаться мы с вами? Об этом и многом другом можно узнать из книги британского математика Иэна Стюарта, вошедшей в длинный список премии «Просветитель. Перевод-2021». Дмитрий Борисов изучил ее в рамках совместного проекта «Горького» и «Просветителя».

Иэн Стюарт. Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную. М.: Альпина нон-фикшн, 2018. Перевод с английского Натальи Лисовой

На фоне космоса снимается семейство

Британский популяризатор науки, автор более 20 научно-популярных книг по математике Иэн Стюарт написал работу с названием «Математика космоса», в которой собственно расчеты и формулы присутствуют в очень деликатной дозировке. Несмотря на то что в таком подходе чувствуется забота о читателе с любым бэкграундом, слишком легкой для восприятия книгу назвать тоже нельзя — так что будем считать это вступительное слово чем-то вроде пятиминутки смирения.

С таким настроением и начнем рассказ о книге, описав несколько ключевых и наиболее занимательных сюжетов из нее.

Вот первый.

В 1990 году американский зонд Voyager-1 сфотографировал Землю с задворок Солнечной системы (примерно 6 млрд км от нашей планеты). А также Венеру, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Так появился знаменитый «семейный портрет», сделанный путем сопоставления 60 снимков — по принципу мозаики.

Меркурий, Марс и Плутон в кадр не попали (кто-то был слишком тусклым, кого-то не удалось зафиксировать из-за чрезвычайно малых размеров и ярких солнечных лучей).

На отдельной фотографии, вошедшей в историю под названием Pale Blue Dot, представлена Земля, и она выглядит именно так — как точка. Иэн Стюарт пишет, что этот размер сопоставим с одним пикселем, а научный редактор русского издания «Математики космоса» Анатолий Засов уточняет, ссылаясь на данные NASA, что не целый пиксель, а лишь 12% от него.

Другие планеты на историческом снимке тоже кажутся точками. И это уже в сопоставлении с просторами наших родных пенатов — Солнечной системы. Вблизи, разумеется, все выглядят внушительнее.

В 2020 году — к 30-летию фотосессии — снимок обновили. Наша планета стала выглядеть для нас еще более родной (во всяком случае, солнечный луч, окружающий Землю, на обновленном снимке белый — такой же, каким его видим мы).

Зонд Voyager-1 вместе с его коллегой Voyager-2 NASA отправило в безвозвратное космическое путешествие еще в 1977 году. В то время планеты Солнечной системы выстроились особенно удачно (готовились к фотосессии) — так, чтобы к ним было легче приблизиться. Таким образом Voyager-1 побывал в гостях у Юпитера и Сатурна, а Voyager-2 у Урана и Нептуна. А мы теперь можем разглядывать сделанные ими снимки уже на близком расстоянии от планет. И наслаждаться.

Выполнив эту работу, зонды нацелились в межзвездное пространство — в область за гелиопаузой, где стихает солнечный ветер. Первым улетел, чтобы никогда не вернуться, Voyager-1 (с 2012 года его нет с нами). Когда «Математика космоса» готовилась к выходу на языке оригинала (пять лет назад), Voyager-2 до переходной зоны еще не добрался. Не сделал он этого и на момент подготовки русского издания книги в конце 2017 года. Это случилось аккурат через год — в декабре 2018-го. Сегодня мы можем наблюдать за Voyager-2 в «прямом эфире» (спасибо, Билл Гейтс, за твой чудесный интернет). У зонда должно хватить солярки примерно до 2025 года.

У черных дыр появился конкурент?

Все это дает нам повод еще раз отметить, как все быстро может течь и меняться. Так, в главе о черных дырах Иэн Стюарт пишет: «Эйнштейновы уравнения поля имеют решения, соответствующие черным дырам, но это не гарантия того, что они существуют в природе. Может быть, неизвестные нам законы физики не допускают существования черных дыр. <…> Неплохо бы найти хоть какие-то наблюдательные свидетельства того, что черные дыры существуют в реальности».

В 2019 году человечеству представили первую «фотографию черной дыры» из центра эллиптической галактики Messier 87, располагающуюся примерно в 54 млн световых лет от Земли (на самом деле это фото не дыры, а ее «тени» — то есть света падающего на дыру вещества; саму черную дыру невозможно зафиксировать). Фотографию сделали с помощью сети радиотелескопов международного проекта Event Horizon Telescope, установленных по всей земле и объединенных в единый виртуальный радиотелескоп «размером с Землю».

Весной 2021 года снимок улучшили и рассказали дополнительные подробности — в частности, о магнитном поле космического объекта. Этим же летом появилась новость о том, что астрономам впервые удалось увидеть исчезновение короны черной дыры (уже другой, из центра галактики I Zwicky 1 в 800 млн световых лет от нас).

Иэн Стюарт рассказывает об альтернативных теориях космологов — Эмиль Моттол из Национальной лаборатории Нью-Мексико и Пауль Мазур из Университета Южной Каролины предположили, что коллапсирующие звезды не становятся черными дырами, а превращаются в гравастары — гипотетические сгустки чрезвычайно плотного вещества, находящегося в квантовом состоянии, схожим с гигантским «суператомом». При таких делах горизонт событий становится тонкой оболочкой гравитационной энергии, похожей на ударную волну в пространстве-времени. Эта оболочка оказывает отрицательное (то есть направленное наружу) давление. Поэтому вещество, упавшее внутрь, развернется и поднимется обратно к оболочке. А находящееся снаружи вещество будет все так же всасываться внутрь.

Если фантазировать в этом направлении дальше, то можно представить гравастар размером с Вселенную. Ее нутро так же испытывало бы отрицательное давление и разгоняло бы вещество от центра. Стюарт пишет, что этот разгон примерно соответствует ускоренному расширению Вселенной, которое обычно относят на счет темной энергии. Можно пойти еще дальше и представить, что наша Вселенная — это внутренности исполинского гравастара.

Хотя эта гипотеза и спорна, «с математической точки зрения гравастары имеют смысл: это стабильные решения эйнштейновских уравнений поля. Они помогают обойти информационный парадокс. Физически они заметно отличаются от черных дыр, хотя снаружи и выглядят одинаково: как внешняя метрика Шварцшильда».

Хозяйке на заметку: если оставаться в рамках теории черных дыр, то не лишним будет изучить развертку Нобелевского лауреата Роджера Пенроуза, где он он пальцах объяснил, какие грандиозные события происходят рядом с черными и белыми дырами (если из ЧД ничего не может выйти, в БД ничего не может войти), а также червоточинами (они же кротовые норы).

У динозавров не было космической программы

Было время, когда самыми эффективными менеджерами на суше и на море были динозавры. Это продолжалось очень долго — считается, что они появились около 231 млн лет назад в триасском периоде, а исчезли 65 млн лет назад в конце мелового периода. «Современному» человеку около 2 млн лет (но с динозаврами его некорректно сравнивать, поскольку последних было множество видов и некоторые из них существовали всего несколько миллионов лет).

Потом динозавры очень быстро вымерли (а вместе с ними мозазавры, плезиозавры, аммониты, большинство сумчатых, половина разновидностей планктона, многие рыбы, а также другие виды). В 2013 году Пол Ренн из Университета Беркли в Калифорнии установил, что столкновение Земли с астероидом или кометой, ставшее фатальным для динозавров, произошло 66,043 млн лет назад +/-11 000 лет. Их вымирание проходило в пределах 33 000 лет от этой даты. Вот что значит «очень быстро» в свете таких перспектив. Иэн Стюарт пишет, что колоссальное количество биологических видов вымерло «буквально за геологическое мгновение».

Конец могущества «динозаврова царства» стал стимулом для взрывной волны эволюции млекопитающих (исчез главный конкурент), которые сосуществовали с динозаврами еще в период заката их господства. Динозавры успели, правда, оставить потомков: из подотряда тероподов в юрском периоде развились птицы — пусть и очень гордые, но маленькие по сравнению со своими предками существа.

Ученые сходятся, повторимся, что причина вымирания динозавров — столкновение с астероидом или кометой, оставившей неизгладимый след на юкатанском побережье Мексики — кратер Чиксулуб (переводится как «демон клещей»). Есть, правда, еще версия, что динозавры вымерли из-за массивного излияния вулканической магмы, сформировавшего траппы плато Декан в Индии, в результате которого в атмосферу должны были попасть колоссальные объемы вредоносных газов.

Но основная версия сохраняется — это был краш-тест из космоса, к которому никто не был готов.

«У динозавров не было космической программы, в результате их нет здесь и они не могут обсуждать эту проблему. Мы здесь, и у нас есть возможность что-то с этим сделать», — писал Нил Де Грасс Тайсон в «Космических хрониках». Посмотрим, что человечество сделает с климатическим кризисом, раз такое умное.

Относительно того, была ли это комета или астероид, определенности нет. Зато единственное, что удалось установить — хаотический механизм, «посредством которого астероид может быть выброшен из пояса и в конце концов столкнуться с Землей. Главным действующим лицом здесь является Юпитер, а Марс ему умело ассистирует».

В поясе астероидов есть «люки», они же щели Кирквуда (по имени обнаружившего их в XIX веке американского астронома Дэниела Кирквуда). Это области, где астероидов крайне мало — практически нет. Щели коррелируют с орбитами, состоящими в резонансе с Юпитером. В 1983 году Джек Уиздом из Массачусетского технологического института, занимающийся изучением динамики Солнечной системы, исследовал структуру люка Кирквуда, пытаясь разобраться в математическом механизме, изгоняющем астероиды с такой орбиты. Само явление резонанса основано на существовании периодической орбиты, на которой астероид делает целое число оборотов за то время, пока Юпитер совершает другое целое число оборотов по своей орбите. Математики и физики к тому времени уже установили тесную связь между резонансом и хаосом. И в середине XX века частично решили эту задачу — появилась теория КАМ, названная по первым буквам фамилий ее авторов: математиков Андрея Колмогорова, Владимира Арнольда и Юргена Мозера. Согласно этой теории, орбиты, близкие к периодическим, бывают двух типов. Одни из них квазипериодичны — они «крутятся» вокруг основной орбиты. Другие — хаотичны. Квазипериодические орбиты закручиваются чрезвычайно замысловато в сложной форме плетения, а прорехи заполняют хаотические орбиты. Все это определяется гомоклиническим плетением Пуанкаре, называемом также рельефным отпечатком хаоса.

«По существу, хаос придает любому астероиду, пытающемуся существовать в щели, встряску, и отправляет его к Марсу , который уже непосредственно выпинывает его прочь. Юпитер подает угловой, Марс забивает. И иногда… всего лишь иногда… Марс выпинывает астероид в нашем направлении. И если удар попадает в цель… Динозавры проигрывают, один — ноль в пользу Марса».

Септиллион расчетов

Вообще же моделирование космического столкновения — сложнейшая вычислительная задача. Поскольку сталкивающиеся тела могут быть твердыми, жидкими или газообразными, при каждом из таких вариантов применяются разные методики расчетов.

Например, существует теория, согласно которой Луна сформировалась в результате столкновения Земли с гипотетической планетой Тейей. Чтобы рассчитать это гипотетическое столкновение, нужно учесть множество реальных нюансов. В столкновении задействованы по крайней мере четыре типа вещества — кора и мантия Тейи, то же — у Земли. Породы, в каком бы состоянии они ни были, могут дробиться на куски и сталкиваться. Их движение определяется «условиями свободного края». Это означает, что жидкостная динамика имеет место не в замкнутой области пространства с фиксированными стенами. Жидкость же, наоборот, сама «решает», где пройдет ее граница. Ее местоположение меняется по мере того, как жидкость движется. Вода, как говорится, дорогу себе всегда найдет — в этом причина того, что даже небольшая водопроводная течь довольно скоро доберется до соседей снизу.

Чтобы начать такие расчеты, используют метод решетки, известный как гидродинамика сглаженных частиц. Жидкость разбивается на соседние «частицы» — крохотные области. Затем смотрят, как частицы отзываются на действующие силы в динамике. Если соседние частицы движутся примерно с одинаковой скоростью и в одном направлении, они находятся в одной капле и останутся в ней. Но если они движутся в разных направлениях и с существенно разными скоростями, то капля разбивается на более мелкие. Математика добивается такого эффекта, «сглаживая» каждую частицу и превращая ее в своего рода «шарик», а затем накладывает эти «шарики» друг на друга.

Так вот, чтобы смоделировать планетарное столкновение реалистично, надо взять очень много таких «шариков» — например, миллион. Чтобы определить состояние каждого «шарика» при таком их количестве, требуется шесть чисел: три для координат в пространстве, еще три для компонента скорости. Это шесть миллионов чисел — только чтобы определить состояние системы в произвольный момент. Чтобы предсказать будущее движение системы, используют дифференциальные уравнения, определяющие состояние системы на крохотный шаг вперед. При маленьком шаге по времени — скажем, на секунду — результат получится очень близким к реальному состоянию системы в будущем. Поэтому придется вычислить сумму для шести миллионов чисел. То есть придется получить шесть миллионов сумм для шести миллионов чисел — по одному суммированию на каждое число, необходимое для описания будущего состояния. Сложность расчетов составит шесть миллионов, умноженные на шесть миллионов — 36 триллионов. Посчитав все это, мы узнаем лишь, каким будет следующее состояние — через секунду после нынешнего. Проделаем все это еще раз — узнаем, что произойдет через две секунды.

Чтобы выяснить, что произойдет через тысячу лет, нужно просчитать период в ~ 30 млрд секунд. Сложность расчетов при этом составит 30 млрд, умноженные на 26 трлн — около 10²⁴ . Или один септиллион.

Разумеется, такими вычислениями занимаются компьютеры. А также существует способ сделать некоторые упрощения, сокращающие гигантские числа (например, сложность снижается с 36 трлн до 1,6 млрд).

Но и этого мало.

«Мало провести расчет один раз. Мы не знаем ни массы прилетевшего тела, ни его скорости, ни направления, с которого оно подлетает к Земле. Каждый вариант требует нового расчета. Именно это сильнее всего ограничивало исследователей в ранних попытках, поскольку компьютеры тогда считали намного медленнее. Время на суперкомпьютере тоже стоило дорого, так что исследовательских грантов хватало лишь на небольшое число прогонов».

Тонкая настройка

И в качестве завершения два слова о фундаментальном вопросе космологии — тонкой настройке Вселенной. Иэн Стюарт напоминает, что физические законы зависят от ряда фундаментальных констант, таких как скорость света, постоянная Планка в квантовой теории и постоянная тонкой структуры, определяющая значение электромагнитной силы. Каждая константа имеет вполне конкретное численное значение, измеренное учеными. К примеру, постоянная тонкой структуры равна приблизительно 0,00729735.

«Если постоянная тонкой структуры была бы чуть больше или чуть меньше, атомы имели бы другую структуру и, возможно, вообще потеряли бы стабильность. Так что на свете не было бы ни людей, ни планеты, на которой они могли бы жить, ни атомов, из которых можно было бы составить то и другое. По мнению многих космологов и физиков, значения констант, при которых существование человека возможно в принципе, не должны отклоняться больше чем на несколько процентов от их значений в этой Вселенной. Шанс на то, что это условие будет выполнено хотя бы для одной константы, примерно соответствует шансу выбросить монетку орлом шесть раз подряд. Поскольку таких констант по крайней мере 26, шанс на то, что все константы нашей Вселенной имеют те значения, которые имеют, и таким образом делают ее пригодной для существования жизни, соответствует шансу выбросить монетку орлом 156 раз подряд. Вероятность этого примерно равна 10^-47 , или

0, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01.

Таким образом, нас, по идее, существовать не должно. Тем не менее… вот они мы. И это загадка».

Где конец космоса?

Существует множество теорий, которые рассматривают идеи, объясняющие конец Вселенной.

• Вселенная все еще расширяется, 13,8 миллиарда лет назад с момента Большого Взрыва, так что с технической точки зрения — границ нет.
• Трудно забыть один факт, который говорит о том, что ресурсы нашей вселенной конечны. Наше Солнце, когда оно израсходует весь водород, превратится в красного гиганта и станет таким большим, что его размер достигнет Земли и за ее пределами.
• Диаметр наблюдаемой Вселенной составляет 93 миллиарда световых лет, если мы возьмем Землю в качестве центральной точки измерения.

Людям обычно трудно смириться с тем, что их жизнь во многом конечна. Вы никогда не знаете точную дату истечения срока действия, но уверены, что однажды это произойдет. То же самое происходит, когда мы пытаемся понять концепции, выходящие далеко за рамки понятия времени, с точки зрения человека и смертного.

Бесконечность — это то, что так же сложно разобрать. Когда мы говорим о размере (и времени!) Вселенной, в которой мы живем, мы сталкиваемся с теми же проблемами. Где кончается Вселенная и есть ли у нее конец?

Понимание нашего пространственно-временного (дис)континуума

Во-первых, из доминирующих в настоящее время космологических теорий — да, у нашего космоса действительно есть срок годности. Существует множество теорий, которые рассматривают идеи, объясняющие конец Вселенной. Если вы хотите посмотреть на вещи в перспективе, то человечество никогда не станет свидетелем этого, по крайней мере, на этой планете или в этой вселенной.

Если — а это большое «если» — мы найдем другое место для жизни, такое, которое будет далеко от нашего Солнца (которое умрет через 5–7,5 миллиардов лет), тогда у нас может быть шанс стать свидетелем краха одной вселенной и потенциального создания других. Теория Большого Разрыва, например, предполагает, что через 22 миллиарда лет эта Вселенная разорвется на части, потому что общий гравитационный потенциал не сможет сдержать силу расширения Вселенной.

Вселенная расширяется вечно?

Теория Большого Разрыва, несмотря на то, что она объясняет конец времени и пространства в том виде, в каком мы их знаем, говорит нам нечто сверхкритическое о природе Вселенной. Эта особенность делает почти невозможным определение того, где заканчивается пространство. Вы догадались — это расширение. С того дня, как взорвалась вся плотная материя (не волнуйтесь, если вы не помните этого события, Большой Взрыв был 13,8 миллиардов лет назад), Вселенная начала расширяться.

С того дня, как вся плотная материя взорвалась, Вселенная начала расширяться.

Когда образовались звезды, планеты и галактики, они сразу же начали двигаться. Откуда вы спросите? Ну очевидно же — из центра взрыва. Проблема заключается в том, что мы не знаем, где находится центр, и был ли он вообще. Однако факт, о котором мы говорили, остается несомненным — галактики удаляются друг от друга.

Наблюдаемый Против. Ненаблюдаемая Вселенная

Мы знаем все это, потому что можем наблюдать космические явления и взаимодействия между такими массивными космическими образованиями с Земли. Это вторая важная вещь, которую нужно понять, если вы хотите обратиться к идее пространства и его границ. Телескопы, которые мы используем, ограничены в том, насколько далеко они позволяют нам видеть.

В настоящее время современные телескопы позволяют нам видеть вселенную, окружающую нас, в пределах 93 миллиардов световых лет в диаметре. Всякий раз, когда вы слышите, как кто-то говорит, насколько велика вселенная, он или она просто имеет в виду область, которую мы можем видеть. Это известно как наблюдаемая Вселенная: Земля является центральной точкой, и мы можем видеть галактики на расстоянии 46,5 миллиардов световых лет от нас, в любом направлении, куда мы смотрим.

Однако что лежит за галактиками, которых мы не видим? Существует ли другая вселенная, которая делает правдоподобными все теории мультивселенной? Или есть что-то кроме конечной точки расширения, которую мы в настоящее время даже не видим? Трудно сказать, потому что все это поднимает неопределенное количество вопросов, которые пытаются упорядочить космический хаос, в котором мы застряли. одинаково тяжело иметь дело с понятием «ничтожества» так же, как не могут усвоить себе «бесконечность»9.0011

Антония Чирьяк 16 июня 2020 г. в Знаете ли вы

The Space Review: Review: The End of Astronauts

Джефф Фауст Понедельник, 25 апреля 2022 г. Конец астронавтов: почему роботы — это будущее исследований Дональд Голдсмит и Мартин Рис Belknap Press, 2022 , твердый переплет, 192 стр., илл. ISBN 978-0-674-25772-6 25,95 долларов США На прошлой неделе комитет национальных академий выпустил десятилетний обзор планетарной науки и астробиологии, который составляется один раз в десятилетие и в котором излагаются приоритеты планетарных научных миссий для НАСА. В последнем отчете НАСА рекомендуется продолжить свою кампанию по возврату образцов с Марса, а также две новые флагманские миссии: одну на планету Уран, а другую на орбиту и посадку на спутнике Сатурна Энцеладе, у которого есть подповерхностный океан, который потенциально пригоден для жизни. Голдсмит и Рис утверждают, что ИИ может сократить разрыв между возможностями роботов и человека в освоении космоса. В отчете, посвященном роботизированным миссиям, также рассматривается потенциал исследования человеком, в частности Луны, в рамках программы NASA Artemis для поддержки планетарных целей. В нем было предостережение: «В настоящее время научные требования не определяют возможности Artemis. Однако, по мнению комитета , Artemis крайне важно поддерживать прорывную науку на десятилетнем уровне . [выделено в оригинале] Тем не менее, он одобрил одну миссию, которая сочетала в себе роботизированные и человеческие возможности: роботизированный марсоход Endurance-A, который преодолеет более 1000 километров через Южный полюс и бассейн Эйткен, собрав 100 килограммов образцов, которые будут доставлены в посадочный модуль Artemis для возвращения астронавтов на Землю. В течение последних нескольких десятилетий между сторонниками исследования космоса роботами и человеком существует перемирие, признающее, что они могут и должны работать вместе: роботы служат предшественниками и помощниками для более поздних миссий человека. Но в Конец астронавтов , Дональд Голдсмит и Мартин Риз — ветеран-писатель-ученый и британский королевский астроном соответственно — утверждают, что исследования за пределами околоземной орбиты должны быть оставлены роботам, что, безусловно, спорно, но не обязательно убедительно. Если это звучит как знакомый аргумент, это должно быть так: Рис, например, в прошлом скептически относился к преимуществам исследования космоса человеком. Авторы излагают стандартные аргументы против пилотируемых миссий, такие как стоимость и риск отправки людей на Луну, Марс или куда-либо еще. Роботизированные миссии стоят гораздо меньше, а их возможности росли на протяжении всей космической эры. В частности, Голдсмит и Рис утверждают, что искусственный интеллект (ИИ) может сократить разрыв между возможностями роботов и человека. Они утверждают, что будущие достижения в области искусственного интеллекта позволят роботизированным миссиям эффективно работать независимо, собирая и возвращая данные с минимальным вмешательством человека, что требуется сегодня и, таким образом, замедляет темпы миссий, таких как марсоходы. Однако они переигрывают с триумфом ИИ. Они цитируют статью 2012 года одного планетолога, Яна Кроуфорда, который изучил 18 различных навыков, связанных с исследованием, и обнаружил, что человек лучше в 13 из них, а в другом связан с роботами. Неважно: «Нынешние тенденции в области искусственного интеллекта предполагают, что из тринадцати категорий, признанных в 2012 году благоприятными для человека, люди останутся на первом месте только в паре из них двадцать-тридцать лет спустя: познание и принятие решений», — утверждают они, не предлагая какое-либо обоснование этого аргумента. Авторы пишут, например, что катастрофа Колумбии произошла в 2013 году (нет, 2003) и что бывший астронавт Скотт Келли теперь сенатор США (нет, это его брат-близнец Марк. ) Это важно, потому что прогресс в области искусственного интеллекта общего назначения отстает от прогнозов его надвигающегося господства на десятилетия, как и в случае с термоядерной энергией (авторы, на всякий случай, упоминают Луну как источник гелия-3 для термоядерной энергии, не упоминая об отсутствии реакторы, которые могут его использовать.) Такие приложения, как самоуправляемые автомобили — сложное, но узкое использование ИИ — не поспевают за заявлениями сторонников, включая Илона Маска, который признал в недавнем интервью на конференции TED, что работа Теслы на беспилотных автомобилях не достиг цели, которую он перед ней поставил. Учитывая ограниченное применение ИИ до сих пор в миссиях, таких как функция «AutoNav», позволяющая марсоходу «Настойчивость» дольше двигаться автономно, и длительные циклы разработки планетарных миссий, трудно представить, чтобы ИИ развивался так быстро, как предсказывают авторы, подрывая их дело. Есть также неряшливость с общей книгой. Много фактических ошибок, в основном мелких. Авторы пишут, например, что катастрофа Колумбии произошла в 2013 году (нет, 2003) и что бывший астронавт Скотт Келли теперь сенатор США (нет, это его брат-близнец Марк). В одной из первых глав они утверждают, что SpaceX доставляет грузы на Международную космическую станцию ​​по цене 1250 долларов за фунт, но в следующей главе говорится, что эта цифра составляет 8000 долларов за фунт. (Оба неверны: в отчете Управления генерального инспектора НАСА от 2018 года стоимость первоначальной серии грузовых контрактов для SpaceX и Northrop Grumman оценивалась в 63 200 долларов за килограмм или 28 700 долларов за фунт; возможно, авторы включили массу космический корабль в своих расчетах, за которые НАСА не платит.) В совокупности ошибки не придают читателю большой уверенности в аргументах, которые они приводят. Возможно, авторы ждали систему искусственного интеллекта для проверки фактов. Конечно, правительства не отправляют астронавтов в космос исключительно или даже в первую очередь для проведения исследований: это одно из многих обоснований, таких как геополитика и национальный престиж. Голдсмит и Риз, кажется, признают это, ожидая, что США и Китай высадят людей на Луну в следующем десятилетии или около того, а миссии на Марс, возможно, состоятся к 2040-м годам, но, возможно, позже. Солнечная система довольно большая. Многие из направлений, обозначенных в десятилетнем обзоре планетарной науки, остаются недоступными для исследователей-людей в течение неопределенного будущего: маловероятно, что кто-либо из современных читателей все еще будет жив, если люди однажды ступят на Энцелад или отправятся на орбиту вокруг Урана. Если люди уже отправляются в космос из-за престижа или прибыли, у них также есть место для исследований, работы с роботизированными аналогами и их дальнейшего развития. Джефф Фауст ([email protected]) — редактор и издатель The Space Review, а также старший штатный сотрудник SpaceNews. Он также управляет веб-сайтом Spacetoday.net. Взгляды и мнения, выраженные в этой статье, принадлежат только ее автору. Примечание: мы используем новую систему комментариев, которая может потребовать от вас создания новой учетной записи. Включите JavaScript, чтобы просматривать комментарии с помощью Disqus.

Что имеют в виду, когда говорят, что Вселенная расширяется?

Ежедневные тайны

Забавные научные факты из Библиотеки Конгресса

« Вернуться на страницу астрономии

Ответить

Когда ученые говорят о расширяющейся Вселенной, они имеют в виду, что она росла с самого начала, когда произошел Большой Взрыв.

Галактика NGC 1512 в видимом свете Внешний . Фотография сделана космическим телескопом Хаббла Внешний

Галактики за пределами нашей галактики удаляются от нас, и те, которые находятся дальше всего, движутся быстрее всего. Это означает, что в какой бы галактике вы ни находились, все остальные галактики удаляются от вас.

Однако галактики не движутся в пространстве, они движутся в пространстве, потому что пространство тоже движется. Другими словами, у Вселенной нет центра; все отдаляется от всего остального. Если представить себе сетку пространства с галактикой через каждые миллион световых лет или около того, то по прошествии достаточного количества времени эта сетка растянется так, что галактики растянутся на каждые два миллиона световых лет и так далее, возможно, до бесконечности.

Карл Саган с планетами. Кастанеда, Эдуардо (фотограф). 1981. Отдел рукописей, Библиотека Конгресса.

Вселенная охватывает все сущее, от мельчайшего атома до самой большой галактики; с момента образования около 13,7 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва он расширялся и может быть бесконечным по своим масштабам. Та часть Вселенной, о которой мы знаем, называется наблюдаемой Вселенной, областью вокруг Земли, из которой свет успел достичь нас.

Одна известная аналогия, объясняющая расширяющуюся вселенную, представляет вселенную как буханку теста для хлеба с изюмом. По мере того, как хлеб поднимается и расширяется, изюм отдаляется друг от друга, но все еще остается в тесте. Что касается Вселенной, там могут быть изюминки, которые мы больше не можем видеть, потому что они удалились так быстро, что их свет так и не достиг Земли. К счастью, гравитация управляет вещами на локальном уровне и удерживает наши изюминки вместе.

Эдвин Хаббл с 48-дюймовым телескопом на горе Паломар. НАСА «История Хаббла». (Источник: Институт Карнеги в Вашингтоне).

Кто это придумал?

Американский астроном Эдвин Хаббл провел наблюдения в 1925 году, доказав, что существует прямая зависимость между скоростями далеких галактик и их расстоянием от Земли. Наблюдение, что галактики удаляются от Земли со скоростью, пропорциональной их расстоянию, традиционно известно как закон Хаббла, хотя следует отметить, что в 2018 году Международный астрономический союз (МАС) проголосовал за рекомендацию изменить название на Хаббла. – закон Лемэтра, в знак признания вклада Хаббла и бельгийского астронома Жоржа Леметра в развитие современной космологии.

Космический телескоп Хаббла был назван в честь Эдвина Хаббла, а единственное число, которое описывает скорость космического расширения, связывая видимые скорости удаления внешних галактик с расстоянием до них, называется постоянной Хаббла.

Буря турбулентных газов в туманности Омега/Лебедь (M17) Внешний . Фотография сделана космическим телескопом Хаббла Внешний

Итак, бесконечна ли Вселенная?

Возможно, проще объяснить начало Вселенной и теорию Большого Взрыва, чем говорить о том, чем она закончится. Возможно, что Вселенная будет существовать вечно, или она может быть уничтожена в обратном сценарии Большого Взрыва, но это будет так далеко в будущем, что оно может быть бесконечным. До недавнего времени космологи (ученые, изучающие Вселенную) предполагали, что скорость расширения Вселенной замедляется из-за действия гравитации. Однако текущие исследования показывают, что Вселенная может расширяться до вечности. Но исследования продолжаются, и новые исследования сверхновых в отдаленных галактиках и силы, называемой темной энергией, могут изменить возможные судьбы Вселенной.

Остаток сверхновой Кеплера в видимом, рентгеновском и инфракрасном свете Внешний . Фотография сделана космическим телескопом Хаббла Внешний

Опубликовано: 19.11.2019. Автор: Справочно-научный отдел Библиотеки Конгресса

.

Похожие сайты

• Астрономия: избранные интернет-ресурсы

  — Список веб-ссылок по астрономии, выбранных Научной справочной службой Библиотеки Конгресса.

• Любопытно об астрономии: космология и Большой взрыв

  Внешний

  — Представлены вопросы и ответы о космологии и Большом взрыве, а также ссылки и ссылки на соответствующую информацию.

• Закон Хаббла и расширяющаяся Вселенная

  Внешний

  , Нета А. Бахколл (Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)) — Введение и путеводитель по важным статьям о расширяющейся Вселенной Хаббла.

• LC Science Tracer Bullet: астрономия и астрофизика

  — Справочник, который помогает найти информацию об астрономии и астрофизике.

• Связь между расстоянием и лучевой скоростью среди внегалактических туманностей

  Внешний

  , Эдвин Хаббл (Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS))

• Справочник по науке. Астрономия для школ: Избранные учебные пособия

  — Руководство для преподавания астрономии.

• Научные бюллетени: расширяющаяся Вселенная

  Внешний

  — В этом видео из Американского музея естественной истории астрофизики рассказывают о расширяющейся Вселенной, а команда Фермилаборатории собирает камеру темной энергии.

Дополнительная литература

• Динвидди, Роберт и другие. Вселенная . Нью-Йорк, DK Pub., 2005. 512 стр.
• Фокс, Карен С. Теория большого взрыва: что это такое, откуда взялась и почему она работает . Нью-Йорк, Уайли, 2002 г. 206 стр.
• Харланд, Дэвид М.. Большой взрыв: взгляд из 21 века . Лондон, Нью-Йорк, Спрингер; Чичестер, инженер, совместно с Praxis Pub., c2003. 262 стр.
• Шиллинг, Говерт. Эволюционирующий космос . Cambridge, Eng., Нью-Йорк, Cambridge University Press, 2004. 135 стр.
• Научная информация о Вселенной и научные теории эволюции Вселенной: антология современной мысли . Под редакцией Рика Адэра. Нью-Йорк, паб Розен. Группа, 2006.