Космология стала сейчас одной из самых популярных наук среди неспециалистов. Прошу не обижаться, к неспециалистам я отношу и себя. Такая популярность этой науки совсем не удивительна. Действительно, чего только в ней нет. Там и загадочные Черные Дыры, и Большой Взрыв, и много еще других удивительных и часто непонятных явлений и объектов. Многие даже относят космологию к физике, но это не так. Если рассматривать точные и естественные науки, то космология, будучи вполне самостоятельной наукой, ближе всего к математике. И по этому поводу я хотел написать несколько слов.
В одном из интернетных словарей я нашел такое определение: "Космология это наука, изучающая происхождение, эволюцию и структуру Вселенной, как целого". Здесь все правильно, так оно и есть. Самое забавное, что космология произошла и до сих пор опирается на абсолютно физическую "Теорию относительности" Эйнштейна. В чем же тогда разница между физикой и космологией, если теория относительности - это физика, а то, что на ней выросло - уже нет? Давайте попробуем разобраться вместе. Но, прошу прощения, быстро не получится. Когда я писал, то все время сбивался на более или менее лирические отступления. В результате, не смотря на вполне приличную длину текста, все получилось конспективно и схематично так, что, если вдруг кого-нибудь что-нибудь заинтересует, спрашивайте в комментариях -- отвечу, если смогу.
Начнем с того, что такое физика. В самых общих словах физика - эта наука, изучающая явления окружающей нас неживой природы. В этом определении я бы хотел подчеркнуть, что физика изучает явления, которые действительно происходят. Если кто-нибудь придумал какое-нибудь явление и описал его в физических терминах - это не физика. Именно поэтому в физике опыт или, как мы говорим, эксперимент является первичным. И это понятно - в первую очередь явление должно быть обнаружено. После этого другие физики, теоретики, пытаются создать теорию этого явления. Иногда им это даже удается. Бывают и случаи, когда данная теория предсказывает другие явления, которые еще никем и никогда не наблюдались. Тогда мы, экспериментаторы, опять беремся за дело и пытаемся это предсказанное явление обнаружить. Если все оказалось так, как сказали теоретики, значит теория правильная, а, если нет, то уж извините. Бывает ведь, что и теоретики ошибаются.
Перейдем к теории относительности. В чем величие этой теории и ее автора? В позапрошлом веке многие физики и другие люди думали, что свет распространяется в некоторой универсальной мировой среде - эфире. Чтобы это проверить, Альберт Майкельсон поставил свой знаменитый эксперимент, который продемонстрировал, что никакого такого эфира нет. Эйнштейн пошел несколько дальше простых выводов этого сравнительно простого опыта и предположил, что свет может распространяться в пустоте и его скорость не зависит от скорости источника по той причине, что скорость света представляет собой максимально возможную скорость, для любых объектов и взаимодействий. Основываясь на этом, по сути, единственном предположении, ему удалось построить очень сложную, но исключительно красивую теорию, которая предсказала великое множество различных и абсолютно неожиданных явлений и эффектов и все, что мы были в состоянии проверить, подтвердилось. Подтвердился, конечно же, и факт, что скорость света в пустоте не зависит от скорости источника света.
Совпадение всех предсказанных теорией относительности явлений с экспериментами однозначно доказывает правильность этой теории и, если вы где-нибудь прочитаете, что кто-то доказал неправильность теории относительности, то это может рассматриваться только, как недостаточная грамотность этого конкретного индивидуума.
Пойдем дальше. Многое, предсказанное теорией относительности, подтвердилось, но она предсказывает гораздо больше, чем человечество в состоянии было проверить. В частности, Эйнштейн написал уравнения, описывающие ни больше, ни меньше, как эволюцию Вселенной. Эти уравнения исключительно сложны и имеют бесчисленное множество решений. Уже почти 100 лет прошло с тех пор, как эти уравнения были написаны, а их все продолжают и продолжают решать. Вот эта деятельность и получила название космологии. В отличие от физики, в космологии не бывает экспериментаторов - одни теоретики. Их задача найти такие решения уравнений Эйнштейна, которые как можно лучше согласуются с тем, что мы можем наблюдать в окружающем нас мире. Если правильное решение найдено, то по нему можно ходить взад и вперед по времени и таким образом узнать то, что было раньше, и, что нас ждет в будущем. Но решений, как я сказал, много и, в зависимости от сделанных предположений, результаты получаются разные, а, какие предположения правильные, никто в точности не знает. Вот и образовалась целая новая наука и, если кто-нибудь хочет быть успешным на этом поприще он, прежде всего, должен быть хорошим математиком. Такие есть и их не так уж мало. В качестве своей специализации они пишут "общая теория относительности и космология". В чем же их отличие от физиков-теоретиков?
Начнем с физиков-теоретиков. Как они работают? Вот, нашел физик-теоретик правильное решение некоторого правильного уравнения и хочет этому радоваться. Но не тут-то было. Не оказалось, понимаете ли, объекта, который этому решению соответствует и все, точка. Никого эта теория не интересует. Может быть, кто-нибудь когда-нибудь такой объект и обнаружит, но про эту теорию и теоретика, ее сделавшего, к тому времени все уже давно забудут. Поэтому все физики, даже теоретики, очень заботятся о выборе реальных объектов.
В космологии дела обстоят иначе. Космологические теории проверяются не опытом, а другими теоретическими расчетами. Космологам достаточно не сделать ошибки в вычислениях. Это придает им некоторую свободу и легкомысленность в выражениях особенно, когда речь идет о знакомой им только понаслышке физике. Возьмем, например, одного из самых известных специалистов в области общей теории относительности и космологии Стивена Хокинга. Что стоит его выражение "фотон сам себе античастица"? Для физика эта фраза - ерунда на постном масле и может восприниматься либо, как неудачная шутка, либо, как глупость и полное неуважение к читателю. Почему?
Отступление 1. Что же такое античастица?
Вопрос, который легче задать, чем ответить. Что мы об этом знаем? Мы знаем, что практически для каждой, так называемой, элементарной частицы существует своя античастица, которая выглядит практически так же, как и сама частица, но, если частицу поместить рядом со своей античастицей, то они обе исчезнут - аннигилируют, т.е. вся их масса превратиться в энергию двух, образовавшихся при этом, фотонов. Так, кстати, очень легко проверить знаменитое соотношение Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии - E = m*c^2. Процесс аннигиляции, пожалуй, единственный надежный способ отличить античастицу от частицы просто похожей, но посторонней. Про античастицы известно многое. Известно, что большинство характеристик частиц и их античастиц с точностью измерений совпадает. Это относится и к их массе (которая, конечно же, положительна), и к спину (такая квантовая характеристика частицы, которая несколько напоминает вращение вокруг собственной оси). Исключение составляет электрический заряд (если он не равен нулю), который у частиц и античастиц всегда противоположен.
Ужасно интересна история открытия античастиц. Первая из известных античастиц, антиэлектрон (позитрон), был предсказан теоретически (!) Полем Дираком, а уже потом обнаружен экспериментально. В этой истории есть солидная доля фантастичности, и я напишу здесь об этом несколько слов. Поклонников Дирака прошу на меня не обижаться, он, безусловно, был одних из величайших физиков-теоретиков, и я отношусь к нему с глубочайшим уважением, несмотря даже на то, что он всю свою жизнь верил в существования магнитных монополей (а вы мне скажите, кто здесь, на этой планете, без странностей?).
Одной из важнейших характеристик элементарных частиц является спин. Спин, как я уже писал, это что-то вроде вращения вокруг собственной оси. Отсюда и название. Практически у всех элементарных частиц спин равен 1/2. Если мы рассмотрим более сложное образование, например, атомное ядро, то здесь определяющим является суммарный спин всех, входящих в него, протонов и нейтронов. Такой суммарный спин может быть целым (1, 2, 3 и т.д.) или полуцелым (1/2, 3/2, 5/2 ...). У частиц с разными спинами все разное: и свойства, и поведение. Частицы с целым спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (видите, он не только теорией относительности знаменит), а с полуцелым - Ферми-Дирака.
Вернемся теперь к электронам. Чтобы описать их поведение, Дирак вывел свое знаменитое уравнение Дирака. И действительно это уравнение очень хорошо описывало многие свойства электронов. Но, у этого уравнения, кроме обычных решений, которые описывали поведение окружающих нас электронов, были еще и решения с отрицательной энергией. Здесь, разумеется, идет речь о потенциальной энергии (отрицательной кинетической энергии не бывает). Надо сказать, что часто случается, когда уравнения, наряду с так называемыми физическими решениями, имеют еще решения, которые ни к чему реальному не относятся. Физики давно к этому привыкли и научились просто не обращать на них внимания. Но здесь было по-другому. Дирак прекрасно понимал, какое замечательное уравнение он написал, и был совершенно уверен, что все его решения чему-нибудь да соответствуют. Вот он и предположил, что каждому решению с отрицательной энергией соответствует свой электрон, т.е. все эти решения (или, как говорят, уровни энергии) заняты. Именно потому мы этих электронов и не видим - они везде и распределены совершенно однородно в пространстве, а перемещаться они никак не могут, как раз потому, что все возможные уровни уже заняты другими электронами. Это такое свойство, присущее только частицам с полуцелым спином. Что же будет, если мы вытащим один электрончик из этого окружающего нас электронного океана. Ну, во-первых, у нас в руках появится электрон, а, во-вторых, в электронном океане появится дырка (отсутствие электрона). Надо сказать, что эта дырка уже может двигаться. На самом деле двигаются, конечно, электроны, перепрыгивая на образовавшееся вакантное место, но мы будем иметь впечатление, что перемещается некоторая частица с противоположным электрону зарядом. Вот это отсутствие электрона Дирак и назвал антиэлектроном. Действительно, если по тем или иным причинам электрон окажется рядом с дыркой, то он сразу прыгнет на это вакантное место, и мы потеряем их обоих - аннигиляция. Кроме того, энергия электрона, которая до этой аннигиляции была положительна, станет отрицательной, а соответствующая разность энергий выделится в виде излучения.
Прошло время. Антиэлектрон открыли. Все так и оказалось. Поместишь его рядом с электроном - оба исчезают, энергия выделяется. Значит у Дирака все вроде бы правильно. Тут-то и начинается самое интересное. Прошло еще некоторое время, и экспериментаторы открыли еще и антипротоны, и антинейтроны и многие другие античастицы. Здорово, скажите вы. Конечно, здорово, но есть одно "но". Это значит, что вокруг нас не одинокое электронное море, но и невидимые океаны разных других частиц. Может ли такое быть? Да, может. Можем ли мы быть уверены, что так оно и есть? Нет, не можем. Но это не космология. Это физика. Это наверняка будет проверено экспериментально. Не уверен, правда, что это случится еще при моей жизни. Уж очень это все трудно сделать.
Что же с фотонами? Прежде всего, фотон ни в коей мере не является элементарной частицей. Фотон - это квант электромагнитного поля и, хуже того, он является бозоном (так называются частицы с целым спином, подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна). Что же будет с двумя фотонами, которые неожиданно встретились в пространстве? Да ничего не будет, полетят себе дальше, как ни в чем не бывало, даже не поздороваются. В такой ситуации абсолютно бессмысленно говорить, что это они проаннигилировали и в результате превратились сами в себя. Так можно сказать только, если тебе совсем уж нечего делать или очень хочется запудрить кому-нибудь мозги. Очень, надо сказать, типично для теоретиков.
Однажды перед Теоретиком поставили практическую задачу. Как вытащить из доски забитый по шляпку гвоздь, если в вашем распоряжении молоток, стамеска и клещи. Теоретик был малый не промах и подробно описал все необходимые действия. Тогда ему задали вторую задачу. Как вытащить гвоздь, вбитый наполовину? Очень просто - ответил тот. Забиваем его по шляпку и тем самым сводим задачу к предыдущей.
Опять космология
Давайте теперь вернемся к космологии. Это безумно интересная наука. Чего там только нет: и то, как наша Вселенная появилась, и то, что с ней потом будет. Теперь уже каждый знает, что Вселенная появилась в результате Большого взрыва и, очень может быть, что она потом опять схлопнется. Возникает естественный вопрос, а, что было до этого самого взрыва, когда еще ничего не было. Некоторые даже думают, что это Господь Бог запалил бикфордов шнур (в те невообразимо древние времена никаких электронных взрывателей, разумеется, еще не было). По поводу нашего Господа космология ничего сказать не может, а ответ на вопрос, что было до большого взрыва, дает прямой, но очень странный: "никогда не было ДО большого взрыва, всегда было ПОСЛЕ". Не думайте, я совсем не шучу. Хоть в голове такой ответ не очень укладывается, это единственный ответ, который может дать космология.
Отступление 2. Черные дыры.
Интересная еще штука "черные дыры". Про них, конечно же, все слышали, и они находятся как раз посередине между физикой (астрофизикой) и космологией. Что же такое черная дыра? Давайте возьмем сначала просто большую звезду и посмотрим, что с ней происходит с течением времени. Надо сказать, что звезды с течением времени стареют, водород, который они используют в качестве горючего, расходуется и они, в конце концов, остывают, переходя из одного звездного класса в другой. Эти звездные классы обозначаются заглавными латинскими буквами, причем в очень своеобразном порядке: O, B, A, F, G, K, M. Температура поверхности звезды понижается с 50000 градусов, для звезд класса О, до 3000 - для класса М. Чтобы запомнить эту довольно дурацкую последовательность букв, придумали очень неплохую фразу: "Oh Be A Fine Girl, Kiss Me!".
Пока звезда горячая, давление, создаваемое тепловым движением и излучением, несколько компенсирует силу тяжести и звезда большая. По мере остывания тепловое движение и излучение уменьшаются, и силы тяготения приводят к тому, что размер звезды уменьшается и, в конце концов, она делается маленькая, холодная и вся ее громадная масса собирается в сравнительно небольшом объеме. Сила тяжести на поверхности такого образования может быть очень и очень велика. Как известно, чем больше сила тяжести, тем больше становится скорость, необходимая любому объекту, чтобы улететь - так называемая вторая космическая скорость. Может так случиться, что эта вторая космическая скорость окажется больше скорости света. Тогда ничего, даже свет не сможет покинуть эту нашу остывшую звезду и она превратиться в черную дыру. Сейчас уже накоплено достаточно различных астрономических наблюдений, чтобы быть уверенным, что такие черные дыры существуют.
Я сейчас описал ситуацию с точки зрения обычно "ньтоновской" механики. Тот же самый ответ получается, если использовать общую теорию относительности Эйнштейна. Только тогда мы будем говорить уже не о космических скоростях, а об искривлении пространства под действием гравитационного поля. Такая универсальность результата не перестает восхищать меня в физике. Чтобы разобраться в том или ином явлении, вы можете использовать совершенно различные подходы, но, если вы нигде не ошиблись, ответ будет один и тот же. Часто бывает очень важно выбрать такой подход, в котором данная конкретная проблема решается проще и вероятность ошибки соответственно меньше. Меня иногда спрашивают: "Почему вы считаете, что мой вечный двигатель не будет работать? Я же все правильно и согласно законам вашей физики посчитал. Найдите сначала у меня ошибку, а уж потом говорите. Но он же наворотил там столько разных шкивов, шестеренок и прочей дребедени, что сам черт не разберется, и, конечно же, ошибся. А, если и найдешь такому ошибку, то он сразу вставит туда еще три-четыре передаточных механизма и спросит - А теперь?
Хватит с изобретателями, вернемся к нашим дырам. Из них ничего не вылетает, но они с удовольствием затягивают в себя любое пролетающее мимо тело. Это-то совершенно ясно и без каких-либо специальных знаний, но, если вы хотите деталей, то без теории относительности не обойтись. Представим себе космический корабль (лучше беспилотный), который оказался в окрестностях такой черной дыры. Конечно же, он будет захвачен и съеден черной дырой и все это произойдет довольно быстро для самого корабля. Но, если мы наблюдаем все это со стороны, то увидим совершенно другую картину. Мы увидим, что скорость нашего корабля вдруг начала замедляться. С каждым часом, с каждым годом, с каждым тысячелетием он движется все медленнее и медленнее и даже через многие миллионы лет он, с нашей точки зрения, так и не достигнет этой черной дыры. Все дело в том, что сильное гравитационное поле замедляет время, а напряженность гравитационного поля при приближении к так называемому гравитационному радиусу черной звезды столь велика, что время там практически останавливается.
Опять космология.
Все, что я пока написал о черных дырах, это физика. Космология, как мы знаем, отдельными объектами даже такими необычными, как черные дыры, не занимается. Где же здесь начинается космология? А космология начинается дальше. Как выяснилось, очень может быть, что черные дыры соединяют нас с другими, никак больше с нами не связанными, Вселенными или, даже, "Антивселенными", играя роль своеобразного соединительного туннеля. Во всяком случае, такая возможность не противоречит никаким известным нам до сих пор уравнением и законам физики. Связь эта, как вы сами понимаете, весьма своеобразная. Ведь, поскольку из черной дыры нельзя выйти, то и пробраться в другую вселенную нам, таким образом, не удастся. Можно, конечно, вообразить себе встречу двух представителей разных вселенных прямо там, на черной дыре. Но поговорить вряд ли удастся. Под действие чудовищной силы тяжести все, из чего мы состоим, развалится не только на отдельные атомы, но, скорее всего, на отдельные протоны и нейтроны с небольшим облачком электронов сверху.
Остановлюсь теперь еще немного на том, что может и не может быть в космологии. Еще раз повторюсь космология, как наука, гораздо ближе к математике, чем к физике. Вот, например, типичное название статьи по космологии: "Оn the problem of the singularities in the general cosmological solution of the Einstein equations." Приблизительный перевод - "Проблема особых точек в общем космологическом решении уравнений Эйнштейна." А, откроешь такую статью, плохо может сделаться от изобилия чудовищно сложных формул и уравнений. Но, хоть космология и близка к математике, она ни в коей мере не противоречит и не может противоречить известным нам физическим законам. Не содержит она и ничего к нашей физике дополнительного. Даже, если очень хочется, нельзя ввести в космологию ничего нам неизвестного. Хотите, например, скорости, превышающие скорость света, будьте любезны обнаружить это сначала в лаборатории.
А был ли действительно большой взрыв? Схлопнется ли наша Вселенная или будет всегда расширяться? Со сколькими еще другими Вселенными мы еще связаны через черные дыры? Однозначные ответы на эти вопросы не появятся в обозримом будущем, если когда-нибудь. Не физика это, нет способа проверить все эти и многие другие результаты. Какие-нибудь идеи, из существующих сейчас в космологии, могут закрыться, но обязательно появится что-нибудь новое и, наверняка, захватывающе интересное.
Вот, пожалуй, и все, что я хотел написать, Мог, правда и упустить что-нибудь интересное :)).