"Млечный Путь, Xxi век", No 3 (40), 2022 - Леонид Александрович Ашкинази
В конце концов, мы нашли доказательства того, что наша собственная система "изгнала" газового гиганта. Если нет планет-изгоев, подобных Земле, то эта гипотеза не может быть реализована. Но все же к ней стоит отнестись серьезно. Такие организации, как NASA и SETI, регулярно сканируют звезды, чтобы увидеть, есть ли у них техносигнатуры. Это следы искусственных радиоволн и искусственного освещения, которые говорят нам, что в звездной системе или экзопланете есть развитая цивилизация. К сожалению, ученым еще предстоит найти такие контрольные признаки присутствия инопланетян, но, может быть, если бы они направили свои сверхчувствительные телескопы на планеты-изгои, им повезет больше?
Мы не можем ограничить наш поиск экзопланетами, похожими на Землю, поскольку это означало бы, что мы случайно пропустим огромное количество потенциально пригодных для жизни мест. Так что, кто знает, однажды мы сможем найти космических автостопщиков, едущих на бродячей планете к новому дому. Будем надеяться, что они дружелюбны или, если нет, готовы избегать нашего приятного уголка космоса.
***
Происхождение Вселенной и тайна гравитационных сингулярностей
Начало Вселенной было огромным вопросом в научном сообществе в начале ХХ века, пока бельгийский физик и священник Жорж Леметр не представил наиболее последовательное объяснение начала Вселенной, известного как Большой взрыв. В отличие от названия, Большой взрыв на самом деле не был взрывом. Это было просто расширение пространства. Через одну миллионную триллионных долей секунды так называемый взрыв имел фазу, называемую фазой Планка. Физические теории известной Вселенной не сработали, но мы подойдем к этому позже.
Давайте сначала попробуем понять период после эпохи Планка. Гипотетически на самой ранней стадии Большого взрыва известные фундаментальные силы природы были объединены в одну силу (кроме гравитации). Затем началась инфляционная фаза, когда Вселенная начала экспоненциально расширяться. Почти невозможно понять оценку расширения пространства между 10-36 и 10-32 секундами Большого взрыва. Именно в этот момент сильное взаимодействие отделилось от остальных трех фундаментальных сил, и осталось пространство с высокой плотностью энергии, с электрослабыми взаимодействиями.
Электрослабые взаимодействия означают комбинированную форму электромагнитных и слабых ядерных сил. С расширением температура Вселенной уменьшилась и стала достаточной для образования кварк-глюонной плазмы. Вплоть до первой секунды Большого взрыва во Вселенной происходило образование адронов путем объединения кварков. Примерно в этой фазе частицы и их античастицы аннигилировали, образуя только материю Вселенной.
Подсчитано, что на каждый миллиард и одну частицу материи приходится один миллиард частиц антиматерии, и из этой дополнительной частицы возникла вся материя Вселенной, которую мы видим сегодня. В космологии она называется барионной асимметрией или процессом бариогенеза и до сих пор является одной из важнейших нерешенных проблем физики.
Возможно, у нас есть другая Вселенная, полностью состоящая из частиц антиматерии.
Законы физики продолжают требовать в нескольких случаях теории множественных вселенных. Возвращаясь к Большому взрыву, эра нуклеосинтеза началась, когда протоны и нейтроны соединились вместе, образуя первые ядра атома, а именно водорода, гелия-4 и т. д. Вселенная была непрозрачна, поскольку температура была слишком высока, чтобы электроны могли связываться с ядрами, и нет свободных фотонов.
Фотоны во время этой фазы ранней Вселенной находились в тепловом равновесии с частицами материи. Вселенная еще больше расширилась и остыла. Когда Вселенной было около трехсот восьмидесяти тысяч лет, наступила эра рекомбинации, когда условия были достаточно подходящими, чтобы электроны соединились с ядрами и образовали нейтральные атомы. Именно во время этой фазы испускалось космическое микроволновое фоновое излучение. Реликтовое излучение является одним из самых убедительных доказательств теории большого взрыва о происхождении Вселенной.
За открытием космического микроволнового фонового излучения стоит чрезвычайно увлекательная история. Это было случайное открытие и одно из самых глубоких в истории астрофизики и космологии. В 1964 году Роберт Уилсон и Арно Пензиас подумали, что неожиданные звуки в их приемнике были результатом голубиного помета, и дуэт ученых часами чистил голубиный помет. К счастью, шумы продолжались, и после совместного анализа астрофизиков из Принстона, включая Боба Дике, Джима Пиблза, Дэвида Уилкинсона и дуэта Пензиаса и Уилсона, открытие реликтового излучения было подтверждено.
Теоретическое предсказание излучения, сделанное Принстонской командой, совпало с данными, полученными учеными из Bell Labs, что привело к научному открытию.
Анализ реликтового излучения сыграл большую роль в определении физических условий в ранней Вселенной, включая состав и возраст. Данные 2013 года, отправленные спутником Planck (запущенным в 2009 году), помогли нам найти больше информации о содержании темного вещества и темной энергии. Большинство фаз ранней Вселенной понятны и могут быть поняты с помощью законов физики. От образования первого кварка до эры рекомбинации и производства космического микроволнового фонового излучения все очень хорошо согласуется с экспериментальными данными и расчетными предположениями.
Чего мы, однако, не понимаем ясно, так это природы плотной формы материи, в которой законы физики нарушаются. В научных терминах это называется гравитационной сингулярностью. Аналогичное состояние можно найти в центре черной дыры. Законы физики не работают в этих областях пространства. Мы понимаем гравитацию в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, а для сверхплотных областей математические уравнения просто не работают. Решения становятся неполными.
Гравитационные сингулярности - это единственные известные на сегодняшний день места в космосе, где, кажется, сочетаются две основы современной физики: общая теория относительности и квантовая механика. Какими бы сложными ни были математические решения, они могут стать отличным источником для изучения и, возможно, нахождения единой теории всего.
В течение нескольких десятилетий физики и космологи пытались объединить квантовую механику с общей теорией относительности, но безуспешно. Иногда математика не подходит, а иногда экспериментальные данные, требуемые теорией, почти невозможно получить с помощью технологий, которые у нас есть сегодня. Наиболее многообещающими теориями гравитации, которые мы разработали до сих пор, являются теория суперструн и петлевая квантовая гравитация. Но у этих теорий есть свои ограничения. Возможно, полноценная теория квантовой гравитации могла бы помочь нам понять самые загадочные уголки Вселенной.
Комментарии
1
Третья часть повести "300". Две первые части были опубликованы в номерах 1(34) за 2021
