Подобное упрощение облегчает использовании математики при построении рабочей модели космоса. Но наш ограниченный горизонт не дает с полной уверенностью сказать, что это действительно универсальный и достоверный принцип. Открытие более крупных структур, таких как Великая стена «Геркулес – Северная Корона», которая представляет собой огромную суперструктуру из галактик в виде арки размером более 10 млрд световых лет (обнаружена в 2013 году), подвергает сомнению этот принцип.
Специальная теория относительности
Как выяснил Эйнштейн, принцип постоянства скорости света имеет некоторые странные следствия. Повседневный опыт подсказывает нам, что если два автомобиля сближаются со скоростью 100 км/час, в момент столкновения их скорости суммируются до 200 км/час. А теперь представьте себе, что вы сидите в одном из двух космических кораблей, каждый из которых летит со скоростью, составляющей 90 % от скорости света c. Корабли летят навстречу друг другу. С какой скоростью к вам будет приближаться второй корабль с вашей точки зрения?
Точная цифра в данном случае не имеет значения
[6], но она не может быть больше c. В специальной теории относительности Эйнштейна, разработанной им в 1905 году, пространство и время пришлось деформировать, чтобы примирить теорию с постулатом о предельной скорости света. Движущиеся часы тикают медленнее, и движущиеся линейки становятся короче – исчезает объективное мерило времени и пространства, и вы действительно будете стареть медленнее в летящем с большой скоростью космическом корабле. В нашей обычной жизни с ее обычными скоростями этими эффектами деформации можно пренебречь. Но при скоростях, близких к скорости света, они становятся весьма значительными и делают неизбежным тот факт, что никакое тело не может преодолеть некоторое пространство быстрее, чем луч света.
Общая теория относительности
Как Эйнштейн «деформировал» теорию гравитации
Если движение деформирует пространство и время (см. выше «Специальная теория относительности»), то же самое делает ускорение, а ускорение может возникать вследствие гравитации. Таков урок, преподнесенный Эйнштейном в его общей теории относительности 1916 года, задавшей магистральное направление современной физике и совмещающей специальную теорию относительности с принципом эквивалентности в одну рабочую теорию гравитации. Массивные тела изгибают пространство и время вокруг себя, заставляя объекты ускоряться по направлению к ним. Общая теория относительности предлагает концептуальную схему для объяснения вселенского «закулисья» большого масштаба, а космологическая модель требует дополнительной информации о распределении материи.
Гравитационные волны
Эти морщины в пространстве-времени оставались последним неподтвержденным предсказанием общей теории относительности, пока их не обнаружили в сентябре 2015 года. Обнаружение сигнала от слияния двух массивных черных дыр явилось триумфальным аккордом в кропотливой работе, проведенной в рамках усовершенствованного эксперимента LIGO.
E = MC2
Это самое знаменитое уравнение физики проистекает из специальной теории относительности и утверждает, что масса является концентрированной формой энергии и связана с ней посредством постоянной скорости света. Поэтому, если столкнуть частицы с очень высокими энергиями, как это происходит в Большом адронном коллайдере, то можно создать другие, более массивные частицы. Это тот путь открытий, который в конце концов привел к рождению стандартной модели элементарных частиц.
Стандартная космологическая модель
Когда Эйнштейн впервые применил общую теорию относительности для построения модели космоса, он следовал традиционным представлениям своего времени, предполагая, что Вселенная является стационарной, т. е. она не расширяется и не сжимается. Однако наблюдения, проведенные в 1920-е годы, показали наличие красного смещения в спектрах далеких галактик, что свидетельствовало о том, что эти галактики удаляются от нас. Затем к теории Эйнштейна был добавлен упрощающий космологический принцип, предполагающий, что вещество во Вселенной распределено однородно, и построены модели расширяющейся Вселенной. Так было положено начало сегодняшней стандартной космологической модели. Она описывает Вселенную, которая возникла в горячем, плотном, бесконечно малом всплеске Большого взрыва около 13,8 миллиарда лет назад и преподносит нам сюрпризы, до сих пор не поддающиеся объяснению.
Космический микроволновый фон (КМФ)
Открытое случайно в 1964 году в виде фонового шипения в гигантском радиометре
[7], это холодное море излучения рассматривается теперь как решающее доказательство Большого взрыва. Самый древний свет во Вселенной, он отправился в путь через 380 тысяч лет после Большого взрыва. К этому времени космос уже достаточно остыл и сформировались первые атомы, а фотоны начали летать свободно. Различные космические зонды, исследующие это излучение, в том числе запущенная в 2009 году обсерватория «Планк», составили подробную карту вариаций КМФ и предоставили нам информацию о самых ранних годах жизни Вселенной и о ее сегодняшнем состоянии.
Проблемы
Проблема 1: Темная материя
Количество видимого вещества в галактиках не способно объяснить их слишком быстрое вращение.
Земля вращается вокруг Солнца со скоростью, определяемой ее расстоянием до Солнца, солнечной массой и гравитационной постоянной, которая является универсальной константой природы. Для того чтобы найти эту скорость, общая теория относительности не понадобится: достаточно одних старых добрых школьных законов Ньютона. Те же законы можно применить к далеким галактикам, которые вращаются вокруг общего центра масс.
В 1930-е годы астроном Фриц Цвикки, однако, обнаружил, что внешние области скопления галактик Волос Вероники вращаются гораздо быстрее, чем это позволяет видимая масса скопления. В 1970-е годы Вера Рубин наблюдала группу спиральных галактик, похожих на Млечный Путь, и подтвердила, что в них существует аналогичное несоответствие. По ее оценкам, на одну часть видимой материи в этих галактиках должно приходиться шесть частей невидимой материи.
Темная материя должна воздействовать на движение через гравитацию, но вряд ли через другие силы природы. Стандартная модель физики элементарных частиц не располагает частицами, которые удовлетворяли бы нужным требованиям. Попытки обнаружить частицы темной материи вне этой стандартной модели или создать их в результате столкновений высокоэнергетических частиц до сих пор успехом не увенчались.
