Примечания книги Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики. Автор книги Кэти Мак

1

Однако в вопросе распределения этих наград религии расходятся. (Здесь и далее – прим. автора, если не указано иное.)

2

Эта точка зрения также поддерживается, хоть и не получает исчерпывающего философского осмысления, в классическом сериале начала 2000-х годов «Звездный крейсер “Галактика”».

3

Для этого мы заставляем его подпрыгивать. В самом деле. Сначала мы охлаждаем нейтроны практически до абсолютного нуля, потом замедляем, а затем заставляем их подпрыгивать, подобно шарику для пинг-понга на ракетке. В результате мы узнаем кое-что и о таинственной темной энергии, которая заставляет нашу Вселенную расширяться все быстрее и быстрее. Да, физика – удивительная наука.

4

Теоретики струн создают множество таких теорий. (Теория струн – это общий термин для теорий, которые пытаются по-новому объединить физику гравитации и элементарных частиц, однако большая часть работы, направленной на ее развитие, в настоящее время основывается, скорее, на математических аналогах, нежели на том, что имеет отношение к «реальному» миру.) Иногда в ходе лекции по теории струн мне приходится сдерживать себя, чтобы не поднять руку и не сказать о том, что ни одно из представленных вычислений не имеет отношения к нашей Вселенной, на тот случай, если кто-то из присутствующих ощущал такое же замешательство, какое испытала я, начав посещать лекции, посвященные данной теме.

5

Это одна из самых забавных вещей, над которыми я когда-либо работала, результатом чего и стала эта книга. Не могу точно сказать, почему мне так нравится данная тема. Не исключено, что это плохой знак.

6

А поскольку речь идет о Вселенной, выражение «обо всем» следует понимать буквально.

7

Потерпите до главы 4, в которой мы подробно поговорим о «больцмановском мозге».

8

Технически он называется «пузырем истинного вакуума», что, надо признать, звучит не менее зловеще.

9

Еще один спойлер: шансы невелики.

10

Научная фантастика предпочитает игнорировать этот факт. В одном из ранних эпизодов сериала «Звездный путь: следующее поколение» герои случайно преодолевают миллиард световых лет за несколько секунд и оказываются в некой бездне, наполненной мерцающей голубой энергией, которую, существуй она в реальности, мы могли бы увидеть в телескоп.

11

За это мы должны благодарить относительность. Согласно специальной теории относительности, время для нас замедляется, когда мы движемся быстро. Общая теория относительности говорит о том, что оно замедляется вблизи массивного объекта.

12

Когда Док Браун из фильма «Назад в будущее» сказал: «Ты забываешь про четвертое измерение!», он имел в виду именно таких людей.

13

Несмотря на кажущуюся легкомысленность этого заявления, в нем заключена довольно важная идея. До сих пор мы, физики, в основном занимались описанием Вселенной с помощью математических конструкций, которые называются моделями, а также проведением экспериментов и наблюдений с целью проверки и уточнения этих моделей вплоть до нахождения той, которая лучше всего соответствует результатам наблюдений. Затем мы пытаемся сломать эту модель. Дело не в том, что мы верим, будто математика является чем-то фундаментальным для Вселенной, а в том, что у нас просто нет другого осмысленного подхода к решению подобных задач.

14

«ВСЯ наша Вселенная находилась в горячем плотном состоянии, а затем почти 14 миллиардов лет назад она начала расширяться…» Да, участники группы Barenaked Ladles все правильно поняли: начало заглавной песни для сериала «Теория Большого взрыва» на самом деле очень хорошее изложение самой теории.

15

Разумеется, это было еще задолго до появления понятия «год», поскольку отсутствовала планета, вращающаяся вокруг звезды и определяющая эту единицу измерения. Однако для удобства мы можем использовать собственные единицы для отсчета времени, прошедшего с момента зарождения Вселенной.

16

К сожалению, это расследование не очень хорошо закончилось для голубей, которые, как позже выяснилось, были совершенно ни при чем.

17

Не зная об этом ничего, кроме истории с голубями, несколько лет назад я столкнулась Бернардом Берком в Массачусетском технологическом институте, и мы разговорились. Слушая его рассказ о какой-то из прошлых работ, я вдруг поняла, что он говорит о своей телефонной беседе с самим Пензиасом и между делом сообщает о том, что он фактически послужил катализатором для одного из важнейших открытий в истории физики. Что-то подобное произошло со мной на конференции несколько лет назад, когда я встретила Тома Киббла, который сформулировал большую часть теории, имеющей отношение к бозону Хиггса. Мораль истории: слушайте заслуженных профессоров; возможно, они незаметно революционизировали вашу область исследований.

18

В процессе написания этой книги я получила радостную новость о том, что Пиблс был награжден Нобелевской премией 2019 года за вклад в развитие теоретической стороны этого открытия. Так что, возможно, в мире все-таки есть какая-то справедливость. Правда, на голубей она не распространяется.

19

Проницательный читатель помнит, что на самом деле это человеческий организм ощущает инфракрасный свет как тепло. (Прим. ред.)

20

«Абсолютно черным телом» называется гипотетический объект, который поглощает весь падающий на него свет и излучает его в виде тепла. Разумеется, в природе не существует таких идеальных объектов; все тела отражают немного света, а часть его поглощается без переизлучения. Однако большинство материалов при нагревании начинают светиться, и характер этого свечения примерно соответствует форме кривой излучения черного тела.

21

Весь свет находится в микроволновой части спектра, поэтому «красные» области соответствуют низкочастотному микроволновому излучению, а «синие» – высокочастотному микроволновому излучению, однако при составлении карт мы используем именно цвета, например красный и синий, которые способен различать человеческий глаз.

22

Единица названа в честь Макса Планка, одного из создателей квантовой теории. Существуют также такие единицы, как планковская энергия, длина и масса, определяемые через различные комбинации фундаментальных констант, одной из которых является постоянная Планка, имеющая первоочередное значение для всего, что обладает квантовой природой. Если вы обнаружите в своих уравнениях постоянную Планка, готовьтесь к появлению различных странностей.

23

В этом упрощенном объяснении есть один нюанс, который не дает мне покоя. С одной стороны, я говорю, что эти области никогда не взаимодействовали друг с другом, однако я также заявляю, что Вселенная началась с сингулярности, где, как можно предположить, расстояния между всеми объектами были равны нулю. Причина, по которой это не решает проблему, заключается в следующем. Возьмите две точки, которые в настоящее время находятся на противоположных сторонах небосвода. Предположим, что в нулевое время расстояние между ними равнялось нулю. Проблема заключается в том, что во все последующие моменты времени эти области не взаимодействовали между собой и не могли обмениваться информацией (например, лучами света, несущими информацию о температуре). «А как насчет самого нулевого момента?» – спросите вы. Несмотря на то что мы можем обозначить первый момент как нулевой, речь буквально идет о нулевом времени, поскольку само время началось с сингулярности. Так что до этого момента у этих точек не было времени для обмена информацией (потому что не было самого времени), и каждый последующий момент имеет ту же проблему, связанную со слишком большой их удаленностью для обмена информацией.

24

Проницательный читатель, конечно же, замечает разницу в значении этого термина в физике и биологии. (Прим. ред.)

25

Сегодня мы обнаруживаем антиматерию в некоторых видах взаимодействия частиц, однако в основном мы замечаем ее тогда, когда частица встречает свою античастицу и происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) с выделением энергии.

26

Кроме того, они дают нам подсказку относительно возможного конца времен: результаты недавних открытий говорят о том, что Вселенная может погибнуть в любой момент совершенно неожиданным образом. Однако обо всем этом мы поговорим далее в книге; давайте не будем забегать вперед. Скорее всего, нам все-таки удастся дожить до главы 6.

27

На первый взгляд может показаться, что быть центром собственной Вселенной очень весело. Но это лишь до тех пор, пока вы не учтете тот факт, что все, что вас окружает, пытается как можно скорее вас покинуть.

28

Иногда мы испытываем похожие трудности при попытке отличить «маленькие» объекты от «удаленных».

29

В астрономическом сообществе его часто называют просто «Законом Хаббла», однако в 2018 году Международный астрономический союз принял решение официально признать вклад Леметра, добавив в название закона его фамилию. И я, сама будучи теоретиком, это одобряю.

30

В «ближайшей» части Вселенной, где скорости удаления объектов относительно малы, эта задача сводится к простому делению: скорость, деленная на постоянную Хаббла, равна расстоянию. В случае с более удаленными объектами все несколько осложняется тем фактом, что постоянная Хаббла на самом деле не одинакова на всем протяжении космического времени, а при очень высоких скоростях пропорциональность не является строгой. В целом можно с уверенностью предположить, что если что-то в космологии звучит предельно просто, то это некое приближение, особый случай, или Теория всего, которую мы искали на протяжении всей своей жизни. (На третий вариант я бы не ставила.)

31

Технически мяч и Земля притягивают друг друга, поскольку гравитация действует в обе стороны, однако воздействие, которое оказывает на Землю гравитационное поле мяча, не то чтобы сильное.

32

Возможно, вы спросите, нельзя ли просто измерить скорость расширения сейчас и через десять лет, и посмотреть, как она изменилась за это время. К сожалению, текущий уровень технологий не позволяет проводить столь точные измерения, однако в ближайшие десятилетия мы, вероятно, сможем провести такое сравнение.

33

А также другие незначительные объекты, вроде планет и людей, которыми в ходе нашего обсуждения вполне можно пренебречь.

34

Как поется в песне легендарной группы D: Ream, «дальше будет только лучше» (things can only get better).

35

Наше нынешнее понимание не говорит о невозможности сжатия Вселенной. Если темная энергия, о которой мы поговорим в следующей главе, обладает особенно странными и неожиданными свойствами, она может обратить процесс расширения пространства вспять. Однако полученные до сих пор данные на это не указывают.

36

Как ни странно, мы до сих пор точно не знаем, какой из этих механизмов является основным. Мы просто наблюдаем взрыв звезды и знаем, что в этом замешан, по крайней мере, один белый карлик.

37

Надо признать, у этого парня было очень много хороших идей.

38

Вы понимаете, что излишне требовательны, когда вам мало простого спасения Вселенной.

39

Если бы вы находились в другой галактике в совершенно иной части Вселенной, ваша наблюдаемая Вселенная также была бы ограничена сферой с радиусом в 45 миллиардов световых лет. Понятие «наблюдаемой Вселенной» крайне субъективно.

40

Как уже говорилось в главе 2, однозначно определить «настоящий момент» довольно проблематично.

41

Коэффициент увеличения относительного размера Вселенной равен 1 плюс значение красного смещения, поэтому можно сказать, что близлежащий объект с нулевым красным смещением находится во вселенной такого же размера, как и наша.

42

Радиус Хаббла не является горизонтом в физическом смысле этого слова. Горизонт частиц – другое дело; это предел, дальше которого мы в принципе не способны заглянуть. Радиус Хаббла – это просто расстояние, на котором текущая скорость расширения пространства равна скорости света. Однако это расстояние со временем меняется, позволяя объектам пересекать границу сферы. Иногда люди называют ее горизонтом, но многие космологи этого не одобряют.

43

Остальные законы термодинамики несколько менее интересны, хотя их нумерация и начинается с нуля. Вот они: 0) Если одно тело находится в тепловом равновесии с другим, а третье находится в равновесии со вторым, то все они находятся в тепловом равновесии друг с другом. 1) Энергия сохраняется, а вечный двигатель создать невозможно (к сожалению). 2) По мере приближения температуры системы к абсолютному нулю, ее энтропия стремится к некоторой постоянной величине.

44

Речь идет не о материальной поверхности, а, скорее, о сфере в пространстве, ограниченной так называемым радиусом Шварцшильда, который представляет собой расстояние от сингулярности до горизонта событий. Радиус Шварцшильда напрямую зависит от массы черной дыры.

45

Реальные частицы не могут иметь отрицательную энергию. Здесь речь идет о виртуальных частицах, которые представляют собой нечто совершенно иное, и их не следует путать с такими отрицательно заряженными частицами, как электроны.

46

Фамилия Дайсона может показаться вам знакомой, если вы слышали о научно-фантастической концепции «сферы Дайсона» – огромной сферы, построенной вокруг звезды, чтобы захватить сто процентов ее излучения для целей развития передовой инопланетной цивилизации. Поиск сфер Дайсона по их ожидаемому инфракрасному излучению до сих пор не дал результатов.

47

Ну хоть в чем-то же он должен был ошибиться.

48

Объясняя выбор термина «фантомная» в своей статье 1999 года, где впервые упоминается эта идея, Колдуэлл писал: «Фантом – это нечто, воспринимаемое зрением или другими органами чувств, но не имеющее телесного воплощения, – подходящее определение для формы энергии, описываемой в терминах неортодоксальной физики».

49

Новейший из таких телескопов под названием Gaia создает удивительно подробные звездные карты нашей галактики и уже позволяет получить более подробное представление об истории космоса. Информацию о нашей возможной судьбе нам еще только предстоит получить.

50

Когда опасность представляет само пространство, лучше находиться в конструкции, в которой как можно меньше места.

51

Если вы спросите моих коллег, они скажут, что стремятся постичь природу темной энергии потому, что она может многое рассказать нам о фундаментальной физике и нашей космологической модели. Но я-то знаю, что в действительности ими движет страх.

52

Так мы и делаем. Это называется лазерной локацией Луны, а возможно это благодаря тому, что астронавты программы «Аполлон» оставили там специальный отражатель. С помощью этого удобного инструмента мы можем не только определять точное расстояние до Луны (забавный факт: она удаляется от Земли со скоростью около 4 см в год), но и исследовать действие гравитации путем очень внимательного наблюдения за орбитой.

53

В то время ее не называли астрономом. Она была одной из женщин-«вычислителей», которые выполняли малооплачиваемую работу, изучая астрономические фотопластинки и производя огромное количество расчетов, имевших огромное значение для астрофизики. Эдвин Хаббл, использовавший ее открытие для измерения размера и скорости расширения Вселенной, позднее сказал, что она заслужила Нобелевскую премию. К сожалению, при жизни помимо уважения со стороны коллег она не получила практически никакого признания.

54

Я предпочитаю думать о ярких цефеидах как об огромных ленивых сенбернарах, а о тусклых – как о подвижных и задорных собаках породы чихуа-хуа.

55

Во всяком случае, по меркам звезд.

56

По текущим оценкам, радиус Солнца уже увеличивается примерно на 1 дюйм в год. Но в то же время орбита Земли расширяется, так что мы удаляемся от Солнца примерно на 15 сантиметров в год (здесь я не буду извиняться за смешение единиц измерения), поэтому пока не похоже, чтобы поверхность Солнца приближалась к нам.

57

Сверхновая 1006, вспышку которой наблюдали в период с 30 апреля по 1 мая 1006 года, вероятно, относилась к типу Ia и была вызвана столкновением двух белых карликов, случившимся на расстоянии около 7000 световых лет в нашей галактике. Ее остаток, напоминающий разноцветный клубок дыма, можно увидеть и сегодня.

58

Имя Эддингтона может показаться вам знакомым, поскольку в 1919 году он организовал экспедицию для наблюдения солнечного затмения, в ходе которой были получены первые доказательства общей теории относительности Эйнштейна. Наблюдения показали, что свет звезд, проходя рядом с Солнцем, отклоняется из-за искривления пространства, обусловленного его массой. (Такое наблюдение можно провести только во время солнечного затмения). Известный в то время заголовок гласил: «ЛУЧИ ОТ НЕБЕСНЫХ СВЕТИЛ ИСКРИВЛЯЮТСЯ – МУЖЧИНЫ НАУКИ ВЗВОЛНОВАНЫ РЕЗУЛЬТАТАМИ НАБЛЮДЕНИЯ ЗАТМЕНИЯ». Женщин науки они, по-видимому, не особенно впечатлили.

59

Если бы сверхновые типа Ia производили золото, получился бы отличный каламбур. Однако, несмотря на то что во время их взрыва могут образовываться другие элементы (например, внушительное количество никеля), необходимые для образования золота экстремальные температуры и давление в основном достигаются лишь при столкновении нейтронных звезд. Увы.

60

Существует шесть «ароматов», или «сортов», кварков, которые имеют разные массы и заряды: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Свои названия они получили в 1960-х годах.

61

В книге Курта Воннегута «Колыбель для кошки» рассказывается о создании новой формы вещества под названием «лед-девять», которая более стабильна по сравнению с жидкой водой. Соприкоснувшись с частицей льда-девять, вода и сама превращается в это вещество, что создает угрозу существованию жизни на Земле.

62

Поверьте, я знаю, о чем говорю.

63

Это возможно благодаря так называемому эффекту Аскарьяна, при котором нейтрино сверхвысокой энергии, проходя сквозь лунный реголит, создают всплеск радиоволн, которые, как мы надеемся, можно зафиксировать с помощью радиотелескопов. До сих пор наши телескопы были недостаточно чувствительны, но инструменты следующего поколения, вероятно, позволят нам уловить эти сигналы.

64

Эта часть книги писалась в штате Северная Каролина в августе.

65

Если бы два человека одновременно потянулись к тарелкам с хлебом, находящимся на противоположной от них стороне стола, физики назвали бы такую ситуацию топологическим дефектом. В данном конкретном случае речь идет о доменной стенке, которая, если начнет доминировать во Вселенной, может привести к Большому сжатию. Вот почему я всегда жду, пока другие возьмут хлеб, прежде чем потянуться к тарелке.

66

В главе 2 мы обсуждали этот переход и его значение для ранней Вселенной.

67

Разумеется, у поля Хиггса нет никаких предпочтений; оно просто ведет себя в соответствии со своим потенциалом. Однако то, как оно спустилось бы в состояние истинного вакуума, появись у него такая возможность, определенно создало бы впечатление, будто оно сделало это с особым энтузиазмом.

68

В данном случае «некоторые из нас» – это, в частности, я и мой коллега Роберт Макнис, вместе с которым в 2018 году мы написали статью для журнала Physical Review D. Это было весело.

69

Это описание остается одним из самых прекрасных примеров физической поэзии, которые я когда-либо видела в научном журнале.

70

«Простота» в данном случае вопрос перспективы. Работа с уравнениями общей теории относительности требует глубокого понимания дифференциальной геометрии, которая обычно изучается на старших курсах физических или математических факультетов. Однако если вы их выпускник, то эти уравнения могут показаться вам столь же изящными и прозрачными, как тонкое стекло.

71

Теория инфляции представляет собой тот случай, когда первая версия теории остается полезной, несмотря на ее кардинальную переработку. Исходная версия инфляционной модели считается гениальной догадкой, несмотря на то, что, в конце концов, она оказалась полным провалом. Она вообще не работала и в течение года была полностью пересмотрена другими физиками. Однако правота ее создателей заключалась в предложенном ими общем классе решений, послуживших основой для блестящих прорывов, которые наконец сделали теорию Большого взрыва работоспособной. Обновленная версия, которая иногда называется «новой инфляцией», легла в основу теории инфляции, используемой сегодня.

72

Мы любим давать частицам и полям названия с суффиксом «он».

73

В официальной литературе такая брана называется «браной конца мира» (end-of-the-world brane), что кажется вполне уместным, учитывая ее расположение на границе пространства.

74

Термин «мир на бране» (braneworld) применяется к моделям, которые предполагают, что пространство имеет большее количество измерений, а наша наблюдаемая Вселенная существует на трехмерной бране в многомерном пространстве. Это напоминает своеобразную мультивселенную, однако обычно, когда мы говорим о мультивселенной, мы имеем в виду нечто иное, например области трехмерного пространства, в которых действуют другие законы физики, или даже многомировую интерпретацию квантовой механики, представляющей собой нечто совершенно иное. Любая модель, которая допускает существование чего-то, выходящего за пределы наблюдаемого космоса, является своеобразной теорией мультивселенной.

75

Понятия «циклическая» и «отскакивающая» в данном случае более или менее взаимозаменяемы, однако модель отскакивающей Вселенной не обязательно должна быть циклической в том смысле, что она может предполагать лишь один «отскок», знаменующий переход от некоторого предшествующего Большому взрыву этапа к нашей нынешней Вселенной, которая затем просто умирает, не порождая новую.

76

Вторая серия экспериментов по исследованию реликтового излучения (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization).

77

Технически в некоторых моделях экпиротической Вселенной на фазе медленного сжатия можно было бы допустить возникновение крошечных первичных гравитационных волн. Однако они оказались бы слишком слабы для того, чтобы их вообще можно было обнаружить.

78

Насколько мне известно, идея существования материи на скрытой бране обсуждается в литературе, в отличие от возможности обнаружения столкновений черных дыр по другую сторону балка. Возможно, эта тема является слишком спекулятивной для серьезного исследования. Но, по-моему, это было бы весело.

79

К сожалению, единственная допускающая это модель открытой Вселенной не предусматривает космологической постоянной, так что текущие данные, похоже, загасили даже эту крошечную искру надежды.

80

Удивительно, но сам Дайсон так и не решился опубликовать свою статью. Это сделал его друг, который без его разрешения направил работу в журнал Reviews of Modern Physics. Недавно Дайсон сказал мне, что не считал статью подходящей для этого журнала. «Как обычно, это дело вкуса», – добавил он.

81

«Видишь вон ту звезду? Она взорвется через год. Плюс-минус четыре месяца». (Адаптировано из работы Трева и др. (Treu et al.) 2016, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal.)

82

Ну, спасибо, Хосе Рамон Эспиноза, мадридский теоретик и научный сотрудник ЦЕРН.

83

Вероятно, около 10¹⁵, просто мне не нравится слово «квадриллион».

84

Эспиноза подчеркнул, что такой подход является особенно нежелательным и «ничему не сможет нас научить просто потому, что мы даже не заметим его появления».

85

Шон Кэрролл еще сказал мне, что, если его интерпретация квантовой механики верна, то в параллельных Вселенных существует множество копий нас с вами, которые прямо сейчас подвергаются последствиям распада вакуума. Так что к этому человеку, наверное, все-таки не стоит обращаться за помощью в преодолении экзистенциального кризиса.