Почему небо темное. Как устроена Вселенная
Шрифт:
Представим себе, что скалярное поле неоднородно и его плотность случайным образом меняется, тогда в тех областях, где поле большое, начинается инфляция и возникают, по словам А. Линде, «острова в первичном хаосе» — другие вселенные. Следовательно, в таком варианте инфляционной теории мы естественным образом приходим к картине Мультивселенной, в которой наша Вселенная — лишь одна из многих. Вот как об этом написал сам автор модели хаотической инфляции Андрей Линде: «В результате квантовых скачков скалярных полей вселенная оказывается разделенной на бесконечное множество экспоненциально больших областей с различными законами физики при малых энергиях. Каждая из этих областей настолько велика, что практически может рассматриваться как отдельная вселенная: существа, ее населяющие, будут жить экспоненциально далеко от ее границ, и потому никогда ничего не узнают о существовании других „вселенных“ с другими свойствами».
Итак, из приведенного выше упрощенного описания следует,
Однако не является ли введение этого поля неким произволом и не подобраны ли его свойства искусственным образом так, чтобы объяснить рождение вселенных? Даже если это и так, ничего плохого в этом нет, так как гипотеза о скалярном поле позволяет единообразным образом объяснить очень широкий круг явлений. Однако скалярные поля известны в физике уже давно — они естественным образом возникают «на кончике пера» теоретиков. Например, один из столпов Стандартной модели физики элементарных частиц — модель Вайнберга-Салама — основывается на существовании особого скалярного поля, поля Хиггса, которое отвечает за появление массы у фундаментальных частиц, таких как кварки и электроны. Механизм появления массы можно представить, например, как движение пловца в бассейне — вода (поле Хиггса) сопротивляется движению пловца, и это сопротивление ощущается как масса. Важное уточнение — поле Хиггса, в отличие от воды, сопротивляется только ускоренному движению. Частица, двигающаяся через это поле с постоянной скоростью, не тормозится, торможение начнется лишь при попытке ускорить или замедлить ее движение. Те частицы, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса, являются тяжелыми, слабовзаимодействующие — легкими. Фотон проходит через это поле без сопротивления, и он не имеет массы. Бозоном Хиггса (или просто частицей Хиггса) называют квант поля Хиггса [34] .
34
Известный американский физик Брайан Грин предложил следующую метафору: «Если мы сравним массу частицы со степенью известности личности, то океан Хиггса будет подобен толпе папарацци: неизвестные персоны проходят через толпящихся фотографов с легкостью, но видные политики и кинозвезды проталкиваются с большим трудом». Папарацци в этом сравнении играют роль бозонов Хиггса.
Стандартная модель успешно подтверждена множеством экспериментов и единственное оставшееся неподтвержденным предсказание — существование бозона Хиггса — в скором времени может быть проверено на Большом адронном коллайдере. Так что обнаружение бозона Хиггса даст, пусть и косвенный, аргумент в пользу теории инфляции!
Еще один независимый взгляд на Мультивселенную возник из активно развиваемой в последние десятилетия теории струн. Согласно этой теории, элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий крошечных (размером ~ 10– 33 см) одномерных струн. Все известные элементарные частицы интерпретируются как различные режимы их колебаний. Продольные размеры струн очень малы и поэтому на масштабах, превышающих планковский, они выглядят как точечные объекты. Теория струн очень сложна и пока что не является полноценной, непротиворечивой и законченной теорией, а представляет собой отдельные фрагменты будущего подхода, который, как многие надеются, когда-нибудь сможет стать единой теорией всех известных физических взаимодействий.
Одним из результатов теории струн является предсказание существования огромного количества (по некоторым, конечно, очень грубым оценкам, ~ 10500) различных типов вакуумов (см. раздел 2.6), поддерживающих совершенно разные частицы, взаимодействия, значения фундаментальных постоянных и даже разное количество пространственных измерений. Эта совокупность вакуумов получила название струнного ландшафта. Объединение ландшафта с инфляционной космологией породило представление о Мультивселенной, состоящей из вселенных — раздувающихся «пузырьков» — со всеми возможными типами вакуумов. Мы живем в одном из редких пузырьков, в нашей Вселенной, где физические законы оказались благоприятны для возникновения жизни.
Возможное существование немыслимого, невообразимого, почти бесконечного набора разнообразных вселенных возродило старую идею о существовании «клонов» Вселенной и земной цивилизации.
Поразительно, что это написано не фантастом, а известным физиком-теоретиком! Хотя, конечно, фантасты давно опередили космологов. Например, магистр Мальгрим, волшебник из повести Джона Пристли «31 июня», сформулировал это так: «Все, созданное воображением, должно существовать где-то во Вселенной». «Принцип Мальгрима» — конечно, очень сильное утверждение, однако современная космология, отчасти смыкаясь с фантастикой, неожиданно приходит к близкой картине мира.
Стивен Хокинг начал свою книгу «Краткая история времени» поучительным анекдотом. В конце публичного выступления астронома, рассказавшего о строении Вселенной, из зала звучит реплика, что все это неправда, а на самом деле наш мир покоится на спине огромной черепахи, которая стоит на спине другой черепахи, та — на следующей и так далее. Эта бесконечная последовательность черепах может до некоторой степени, чисто аллегорически, служить образом того, как человечество познает окружающий его мир. Это познание — чреда ударов по человеческому самолюбию, когда, ощупав очередную «черепаху», исследователи снова и снова начинают догадываться о существовании следующей. При этом место человека во Вселенной постепенно смещается на все более далекую периферию.
Библейская картина мира была построена вокруг человека. Человек находился в центре Вселенной — на Земле, вокруг которой обращались планеты, Солнце и Луна, а снаружи все это замыкалось сферой божественного. Коперник передвинул Землю из центра Солнечной системы, затем Диггес и Бруно убрали ограничивающую нашу планетную систему внешнюю сферу, сделав Солнце рядовой звездой среди множества подобных. Вильям Гершель открыл нашу Галактику в виде гигантского уплощенного скопления звезд. Солнце по Гершелю находилось вблизи центра Галактики. В XX веке, в первую очередь усилиями Хаббла, было доказано, что Галактика — рядовой объект среди множества других. Кроме того, Солнце было передвинуто на периферию нашей звездной системы. Окружающая Солнце планетная система тоже не уникальна — планеты присутствуют, по-видимому, у большинства звезд. И вот, на рубеже XX и XXI веков, начало формироваться представление, что очередная «черепаха» — наш заполненный галактиками расширяющийся пузырек пространства-времени — не последняя и за ее пределами уже маячит следующая — Мультивселенная. Удастся ли нам когда-нибудь найти и понять последнюю «черепаху», если она, конечно, существует?
Глава 3. Фон ночного неба
В предыдущей главе я описал несколько основных наблюдательных фактов, на которых базируется наше представление о Вселенной. Получившаяся картина Вселенной делает решение фотометрического парадокса почти тривиальным — наша Вселенная конечна во времени и в пространстве, содержит конечный запас энергии и, естественно, в таких условиях парадокс не может возникнуть. Однако темнота ночного неба сама по себе является важным космологическим наблюдательным фактом и содержит полезную информацию о Вселенной. Эта — самая короткая — глава посвящена подробному описанию фона ночного неба и тому, что можно из него извлечь.
3.1. Наблюдаемый фон
Иной фон не выносит переднего плана.
Поговорим теперь о наблюдаемом фоне ночного неба, то есть о том, что виднеется между звездами. Нашим глазам этот фон кажется совершенно темным, но на самом деле это, конечно, не так — фон и не пуст, и не темен.
Рассмотрим повнимательней какой-либо участок ночного неба. На рис. 45 показано изображение участка неба в направлении созвездия Большая Медведица (левый рисунок). Размер этой площадки примерно равен диаметру полной Луны и в этой области неба видна лишь россыпь неярких звезд. В центре изображения многоугольником выделена небольшая площадка, которую в декабре 1995 года наблюдал космический телескоп «Хаббл». Форма области соответствует полю зрения так называемой Широкоугольной и планетарной камеры космического телескопа. Наблюдения этого участка неба (он получил название Северного глубокого поля телескопа «Хаббл» или HDF-N) проводились почти непрерывно в течение двух недель. На итоговом изображении (средний рисунок) видно около 3000 галактик и всего лишь несколько звезд нашей Галактики. Это, конечно, не случайно. Целью наблюдений HDF-N было изучение далеких галактик, и поэтому область поля была выбрана далеко от плоскости Млечного Пути, где спроецированная плотность звезд относительно невелика.