Люси Хокинг - Джордж и Большой взрыв
Но если бы мы могли как следует всмотреться, то разглядели бы крошечную рябь в пространстве-времени и гравитации — гравитационные волны.
Словом, нам может показаться, что, выкачав из комнаты, молекулы воздуха, мы полностью её опустошили, но на самом деле это не так!
Если добавить в вакуумное состояние энергию (физики сказали бы — возбудить вакуум), то в нём появятся частицы (и античастицы). Считается, что такой вакуум — состояние с минимальной энергией. Могут быть и другие вакуумные состояния, с другой энергией — если их возбудить, они породят знакомые нам виды частиц. Возможно, что, в ранней Вселенной, когда температура была намного выше, пространство в течение некоторого времени существовало в состоянии ложного вакуума, с более высокой энергией, и его частицы сегодня показались бы экзотическими. Когда же температура снизилась, этот ложный вакуум должен был прийти в состояние нынешнего вакуума с низкой энергией. Истинный вакуум — это вакуум, действительно обладающий минимальной возможной энергией.
Нет ни малейшего основания полагать, что какой бы то ни было земной эксперимент способен ввергнуть нас в состояние какого-то иного вакуума!
Пространство-время и относительность
Четырёхмерное пространство-время
Когда мы хотим отправиться в какое-то место на Земле, мы обычно представляем себе это место в двух измерениях — север-юг и восток-запад. По этому принципу устроены географические карты. Мы постоянно пользуемся двумерными направлениями. Как куда-нибудь дойти или доехать? Вперёд или назад, влево или вправо. Это потому, что поверхность Земли двумерна.
А вот пилот самолёта, выбирая направление, не привязан к поверхности Земли! Самолёт может лететь ещё и вверх или вниз; следовательно, к его положению относительно поверхности Земли добавляется ещё и высота над этой поверхностью, то есть к двум измерениям добавляется третье. Когда лётчик ведёт самолёт, направление «на север», или «на восток», или «вверх» будет зависеть от местонахождения самолёта. «Вверх», например, означает «дальше от центра Земли», поэтому «вверх» над Австралией и «вверх» над Великобританией — это совершенно разные направления!
То же можно сказать и про командира космического корабля далеко-далеко от Земли. Командир корабля может перемещаться в трёх измерениях куда пожелает — но этих направлений всегда будет три, потому что космическое пространство, в котором существуем мы, наша Земля, наше Солнце, звёзды и все галактики, — это пространство трёхмерно.
И, конечно же, когда хочешь куда-то попасть, например на день рожденья друга или на футбольный матч, то мало знать, где состоится это мероприятие, — надо ещё знать, когда. Таким образом, любое событие в истории Вселенной должно иметь четыре координаты: три пространственных и одну временную. Поэтому, описывая Вселенную и всё, что в ней происходит, мы оперируем понятием четырёхмерного пространства-времени.
Относительность
Частная теория относительности Эйнштейна гласит, что законы природы, в том числе скорость света, должны быть одними и теми же вне зависимости от того, с какой скоростью движется наблюдатель. Легко убедиться, что два человека, которые перемещаются относительно друг друга, придут к разным выводам о расстоянии между двумя событиями: например, два события, которые происходят в одном и том же реактивном самолёте, для наблюдателя на Земле будут разделены расстоянием, которое преодолел самолёт в промежутке между этими событиями. Поэтому если наблюдатель в самолёте и наблюдатель на Земле решат измерить скорость светового сигнала, летящего из хвоста самолёта к его носу, то расстояние, пройденное светом с момента подачи сигнала до момента его поступления в нос самолёта, получится у них разным. А поскольку скорость — это расстояние, делённое на время, они также разойдутся в вопросе о том, сколько времени прошло между подачей и приёмом сигнала, — если эти наблюдатели сходятся в вопросе о скорости света (а в нём, согласно теории Эйнштейна, они как раз сходятся!).
Отсюда следует, что время, вопреки мнению Ньютона, не абсолютно: то есть нельзя обозначить время события таким образом, чтобы все с этим согласились. Наоборот, у каждого наблюдателя должна быть собственная мера времени, и два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, получат разные оценки времени.
Для проверки этой теории в кругосветный полёт были отправлены очень точные атомные часы. По возвращении оказалось, что они чуть-чуть отстали от таких же часов, остававшихся на Земле и находившихся всё время в одном и том же месте. Это означает, что если постоянно летать вокруг Земли, то можно продлить себе жизнь!
Однако этот эффект очень незначителен (примерно 0,000002 секунды за один оборот), и его запросто можно свести на нет, если постоянно питаться той едой, которой кормят в самолётах!
Галактика Андромеда
Галактика Андромеда (она же Туманность Андромеды, она же М31) — ближайшая к нашему Млечному Пути большая галактика. Млечный Путь и Андромеда — крупнейшие в Местной группе галактик, которая состоит как минимум из 40 соседних галактик, притягивающихся друг к другу.
На самом деле галактика Андромеда, расположенная на расстоянии 2,5 миллиона световых лет от нас, — не самая близкая к нам галактика (это звание скорее принадлежит карликовой галактике в созвездии Большой Пёс), но ближайшая из сравнимых с нашей по размеру и массе.
Современные расчёты позволяют предположить, что Млечный Путь (включая тёмную материю) обладает большей массой, зато в Андромеде больше звёзд.
Как и Млечный Путь, Андромеда — спиральная галактика.
В центре Андромеды, как и в центре нашей Галактики, находится сверхмассивная чёрная дыра.
Как и наша Галактика, Андромеда имеет несколько (как минимум четырнадцать) спутников — карликовых галактик, обращающихся вокруг неё по орбитам.
В отличие от большинства галактик, Андромеда относится к объектам, свет которых имеет синее смещение. Причина в том, что расширение Вселенной, из-за которого галактики удаляются друг от друга, преодолевается притяжением между двумя нашими галактиками: Туманность Андромеды притягивается к Млечному Пути и со скоростью около 300 км/с летит к нам. Мы можем столкнуться с ней примерно через 4,5 миллиарда лет и постепенно слиться, а можем и разминуться. Столкновения между галактиками не считаются чем-то необычным: так, карликовая галактика в Большом Псе, по-видимому, уже сейчас сливается с Млечным Путём!
Однородность пространства
Чтобы применить общую теорию относительности к Вселенной в целом, мы обычно делаем следующие допущения:
• все места в пространстве ведут себя одинаково (однородность)
• и все направления в пространстве имеют одинаковые свойства (изотропность).
Отсюда мы получаем картину Вселенной, которая:
• обладает однородностью пространства
• начинается с Большого взрыва
• и затем равномерно расширяется во всех направлениях.
Эту картину убедительно подтверждают астрономические наблюдения — то, что мы видим в космосе с помощью наземных и космических телескопов.
Поскольку одни и те же законы физики применимы повсеместно, мы предполагаем, что все галактики образуются сходным образом. Следовательно, звёзды, планеты, астероиды, кометы в дальних галактиках должны быть похожи на звёзды, планеты, астероиды и кометы нашего Млечного Пути.
И всё же Вселенная не может быть полностью однородна в пространстве, иначе как бы в ней появились галактики, звёзды и звёздные системы, планеты и люди? Чтобы понять, как возникли и начали сжиматься первые облака газа и тёмной материи, необходимо допустить мельчайшую рябь в этой однородности.
Откуда взялась эта изначальная рябь, пока не до конца понятно. Согласно лучшей на данный момент теории, она произошла от мельчайших квантовых колебаний, которые усилились в ходе стремительного расширения — инфляции, — происшедшего за крошечную долю самой первой секунды после Большого взрыва.
Столкновения частиц
Если бы не взаимодействия, то частицы после столкновений в таких устройствах, как Большой адронный коллайдер, выходили бы из них точно такими же, какими туда входили. Взаимодействия же позволяют элементарным частицам при столкновениях влиять друг на друга (вплоть до превращения в другие частицы!) путём излучения и поглощения особых частиц — калибровочных бозонов, действующих как переносчики фундаментальных взаимодействий.
