Космос для не космонавтов - Денис Игоревич Юшин
Данное изображение HUDF в высоком разрешении содержит галактики самых разных размеров, форм, цветов и возрастов. Самые маленькие и самые красные галактики, которых на снимке около 10000, – это одни из самых удалённых галактик, когда-либо запечатленных оптическим телескопом. Вероятно, они возникли вскоре после Большого взрыва. © NASA
Таким образом, изображение Hubble Deep Field было собрано из 342 отдельных снимков. Его построение проводили с 18 по 28 декабря 1995 года. В этой невероятно маленькой космической области практически все 3000 объектов (за исключением нескольких звёзд с переднего плана Млечного Пути) – это галактики.
С 24 сентября 2003 до 16 января 2004 года с телескопа получили более качественные изображения, которые объединили в Hubble Ultra-Deep Field (HUDF). На этом изображении около десяти тысяч галактик, но «понимание о пустоте изменил» именно Hubble Deep Field (HDF).
Ещё несколько слов о пустоте
Уверен, вы довольно часто сталкивались с утверждением, что «всё вокруг состоит из пустоты». Но можете ли вы представить себе абсолютною пустоту? И существует ли вообще абсолютная пустота (Мигдал, 1986)? Уже даже в межзвёздном пространстве – такой вакуум, какого физики не могут достичь в лабораторных условиях ввиду того, что невозможно до такой степени выкачать вещество из камеры.
Но это ещё далеко не абсолютная пустота. Давайте пойдём дальше – в межгалактическое пространство. Здесь вещества ещё меньше, но это по-прежнему не абсолютно пустое пространство, которого мы хотим достичь. Поэтому двинемся в область между скоплениями галактик. Казалось бы, вот она – пугающая беспросветная пустота. Но даже здесь на каждый кубический метр пространства найдётся хотя бы один атом. Правда, этот атом за миллиарды лет может ни разу не столкнуться ни с одним другим. Что ж, пусть это и будет той самой пустотой. Во всяком случае, здесь мы можем представить, что этого одинокого атома просто нет.
Но знаете, что самое интересное? Даже если вы возьмёте часть пространства, в котором точно нет ни одного атома, оно не будет пустым. Понятие пустоты в физике вообще, как выясняется, довольно условно. Как только дело доходит до «абсолютного ничто», в свои права вступает квантовая механика. Физики называют это явление минимальным состоянием энергии.
Даже в самом «пустом» пространстве постоянно рождаются и умирают так называемые виртуальные частицы. Проблема этих частиц заключается в том, что они не способны «закрепиться» в физической Вселенной, так как их свойства далеки от «физического идеала» – они не могут набрать достаточно массы и энергии. Всё, что только можно было «взять» из этой пустоты, чтобы попытаться стать веществом, эти виртуальные частицы «взяли», но этого оказалось мало.
Привычным нам частицам (Estia J. Eichten) просто «повезло» иметь свойства, соответствующие законам физики, то есть разница между реальными и виртуальными частицами исключительно количественная. Российский астроном Владимир Сурдин однажды довольно поэтично назвал это явление «кипящей пустотой».
Откуда в абсолютной пустоте могут появляться частицы?
При всей своей математической точности квантовая механика довольно плохо описывает суть материи в попытке скрестить классическую (макроскопическую) картину мира с микроскопической. «Кипящая пустота» – абсолютно непонятное человеческому сознанию состояние.
Но существует теория, которая может значительно упростить восприятие Вселенной. Речь идёт о квантовой теории поля, которая исключает классические представления о реальности. Она гласит, что пространство состоит из квантовых полей, а отдельных частиц (как реальных, так и виртуальных) не существует. То, что нам кажется частицами, представляет собой просто возмущения этих полей.
Таким образом, квантовая теория поля говорит нам, что пустоты вообще не существует, так как квантовые поля – это монолитные структуры. Они заполняют собой всё пространство и имеют в каждой своей точке ненулевую энергию. Колебания этих полей и создают иллюзию рождения частиц.
Поэтому и видимое вещество, и виртуальные частицы, да и вообще всё во Вселенной – лишь рябь квантовых полей. Самая понятная аналогия, которую я встречал, звучит так:
«Считать, что между частицами ничего нет, – всё равно что смотреть на горные вершины и думать, что между ними бесконечная пустота, только потому, что пелена облаков скрывает поверхность под ними».
Существует идея, что такое «кипение» и привело к рождению нашей Вселенной. Вакуум той эпохи имел энергию, несколько бóльшую, чем в наше время. Её оказалось достаточно для того, чтобы в какой-то момент сконцентрироваться и запустить цепную реакцию по созданию вещества и излучения.
Получается, всё, что сейчас существует, включая нас, людей, может быть результатом «выкипания» первичного вакуума. Таким образом, Вселенная постоянно активна и пытается создавать вещество из того, что нам кажется абсолютной пустотой. Разве это не потрясающе?
Как родилась Вселенная?
Самые интересные факты о большом взрыве
Теория Большого взрыва описывает рождение и последующее охлаждение Вселенной при расширении из первоначально крайне плотного и горячего состояния. Космологи уже десятки лет дискутируют о том, что же произошло в те доли секунды, которые «запустили» рождение нашей Вселенной.
Сам термин «Большой взрыв» не очень-то подходит в качестве описания тому, что происходило. Он вызывает путаницу, которая выливается в регулярные дискуссии между людьми, не совсем посвящёнными в тему. Образ взрыва никак не соотносится с тем, что в расширяющейся Вселенной нет ни центра, ни края, а галактики, независимо от массы, отдаляются одинаково. Впервые этот термин употребил в качестве насмешки астроном Фред Хойл, который был сторонником теории о вечной и неизменной Вселенной.
После рождения Вселенной следующие примерно 380 000 лет всё пространство заполняло облако плазмы. Дальнейшее охлаждение этого облака позволило электронам и протонам объединиться, создав нейтральные атомы водорода, что привело к его рассеиванию. Свет, испускаемый во время этого процесса, растянувшись в микроволны, является теперь самым ранним наблюдаемым явлением во Вселенной и называется реликтовым излучением (космическое микроволновое фоновое излучение).
Распределение реликтового излучения в наблюдаемой Вселенной
Фиксация фонового излучения породила новые дискуссии. Дело в том, что общая теория относительности (ОТО) предполагала сингулярность – начальную точку с неограниченными температурой и плотностью. Колебания таких температуры и плотности должны были породить области с различными свойствами. Температура же реликтового излучения тем временем колеблется в пределах всего долей градуса. Кроме того, кривизна пространства-времени выглядит, если можно так выразиться, довольно плоской, что подразумевает практически идеальный баланс вещества и кривизны в начальном состоянии.
В 1980-х годах Алан Гут предложил теорию, которая до сих пор является одной из самых популярных в среде
