Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Начало цикла бесед о новых представлениях ученых о космосе


Ирина Лагунина: В последнее десятилетие наука о вселенной, как целом, Космология, значительно продвинулась в понимании того, как возникал наш мир. В нескольких программах мы расскажем о новых представлениях ученых о космосе. О первых научных результатах, которые привели к теории расширяющейся вселенной, рассказывает доктор физико-математических наук, профессор Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, заведующий кафедрой космологии Вячеслав Муханов. С ним беседует Александр Костинский.



Александр Костинский: Вячеслав, давайте мы поговорим о поразительных результатах, которые были получены в течение последних лет с помощью исследований такого важного феномена, как реликтовое излучение. Начнем, наверное, с самого начала. Замечательный астроном Хаббл обнаружил, что все линии в спектрах звезд сдвинуты в красную сторону.



Вячеслав Муханов: Это не спектры звезд - это спектры галактик. И более того, это открытие было сделано после того, как люди поняли, что такое галактики. Вначале это были какие-то туманности, а в 20 годах опять же Хаббл обнаружил, что все эти туманности или пятна на фотографиях подобны нашей галактике, каждая из них состоит из десятков, сотен миллиардов звезд вроде нашей галактики. Просто они находятся очень далеко. И когда наблюдают очень удаленные галактики, видят что спектры, которые очень обусловлены тем, что различные элементы излучают в линиях, они сдвинуты, и это все можно объяснить так называемым доплеровским смещением.



Александр Костинский: Как бы линия передвигается в красную сторону, она становится длиннее.



Вячеслав Муханов: Точно так же как поезд, который к нам приходит, вначале свистит очень сильно, а когда удаляется, звук сильно изменяется - вот такой точно эффект.



Александр Костинский: По этому же эффекту удалось выяснить, что Вселенная не стабильна, и она расширяется.



Вячеслав Муханов: Это означает, что все галактики, скопления звезд убегают друг от друга с огромной скоростью. Что значит с огромной скоростью? Если взять какую-то галактику, которая находится от нас на расстоянии три миллиона световых лет, то она от нас убегает со скоростью где-то 70 километров в секунду. Наиболее удаленные от нас галактики убегают со скоростью, которая не очень сильно отличается от скорости света.



Александр Костинский: И там уже простая формула, которую вывел Хаббл, неприменима, надо применять эйнштейновскую формулу.



Вячеслав Муханов: Хаббл, во-первых, рассматривал не такие удаленные галактики. Там можно все описать с помощью ньютоновской теории. Для того, чтобы всю Вселенную описать непротиворечивым образом, это обязательно надо использовать эйнштейновскую общую теорию относительности. Когда говорят, что эйнштейновская теория относительности подтверждена тремя эффектами - это, конечно, все неправда. Потому что космология с ее многочисленными экспериментами – это прямое экспериментальное подтверждение эйнштейновской общей теории относительности.



Александр Костинский: То есть общая теория относительности Эйнштейна - это новая современная по отношению к Ньютону теория гравитации.



Вячеслав Муханов: Это теория гравитации, которая описывает гравитацию без гравитации. Она описывает все гравитационные эффекты искривлением опять же не пространства, а искривлением пространства времени. Потому что Риман пытался описать гравитацию с помощью искривления пространства, но не преуспел. И то, что Эйнштейн сделал по сравнению с Риманом, он предложил описать гравитацию с помощью теории, когда искривлено и пространство, и время одновременно.



Александр Костинский: И вот когда выяснилось, что эта Вселенная разлетается, и это был поразительный результат, который первым получил теоретически советский российский ученый Фридман.



Вячеслав Муханов: Александр Фридман. В 22 году он первую работу написал, а вторую работу в 24 году. Потому что до этого, до Фридмана в головах ученых, включая Эйнштейна, было такое представление, что Вселенная должна быть статической, неизменной и вечной. В частности, Эйнштейн изменил свои уравнения для того, чтобы каким-то образом соответствовало его философским идеям до Фридмана. Потому что Эйнштейн пытался описать всю Вселенную в целом в 16 году. И он не нашел никаких статических решений, которые бы описывали Вселенную, которая изменяется, поэтому он изменил уравнение, дописав туда так называемую космологическую постоянную. Потом говорил, и он дописал этот специальный член, который дописывал не гравитацию, а антигравитацию. Поэтому когда Фридман нашел решение уравнений Эйнштейна, описывающие расширяющуюся Вселенную, Эйнштейн не поверил и, более того, он написал работу, где написал, что Фридман сделал ошибку. Только после беседы с Эренфестом, который передал или объяснил Эйнштейну работу Фридмана, Эйнштейн признал свою ошибку и опубликовал короткую статью, что он был неправ и что Фридман действительно нашел правильное решение. Более того, в 32 году Эйнштейн вместе с де Ситтером тоже предложил картину Вселенной, которая была частным случаем модели, предложенной Фридманом.



Александр Костинский: Итак, Вселенная стала расширяющейся и возник довольно сложный вопрос, что она должна быть более или менее однородна. Почему она неоднородна на больших масштабах? И вот как я понимаю, те работы, которые вы делали, в частности, связаны с объяснением, которое было получено из реликтового излучения. Что такое реликтовое излучение?



Вячеслав Муханов: Тогда давайте вернемся на шаг назад. Если Вселенная сейчас расширяется, то вначале она была очень маленькой или очень плотной. Естественно, если что-то сжимать очень сильно и очень быстро, оно становится горячим. Поэтому после того, как фридмановская концепция в каком-то смысле была подтверждена наблюдениями Хаббла, стало ясно, что Вселенная в какой-то момент должна была быть произведена. В какой-то момент она взорвалась, потому что если что-то начало расширяться, то поскольку гравитация притягивающая сила, она только замедляет расширение. Поэтому в этот момент, когда было осознано, что Вселенная расширяется, во-первых, стало возможным посчитать, сколько времени назад она была создана, и даже в работах Фридмана есть оценки, что Вселенная была создана 10 миллиард лет назад.



Александр Костинский: Он не сильно ошибся.



Вячеслав Муханов: 13,7 сейчас. Это была оценка Фридмана. После наблюдения Хаббла, который сделал ошибку в 10 раз в хаббловской постоянной, измеряя ее, возраст Вселенной получился необыкновенно маленьким, не 10 миллиардов, а один миллиард. Это находилось в течение длительного времени в противоречии с геофизикой. После этого естественно люди сделали более точные наблюдения и обнаружили, что хаббловская постоянная не 500 километров в секунду на мегапарсек, а между 50 и 100. И тогда стало ясно, что Вселенная была создана между 10 и 15 миллиардами лет назад. Такая концепция или идея существовала до 60 годов. Еще вначале нужно было придать огромные скорости материи для того, чтобы она начала расширяться, потому что гравитация не может придать огромные скорости материи так, чтобы материя взрывалась в первый момент времени, наоборот гравитация тормозит это расширение, притягивает. Это было названо гипотезой Большого взрыва. Естественно, на больших масштабах люди предполагали, что Вселенная однородна и изотропна, если взять огромные масштабы, гораздо большие, чем галактики, количество вещества в одном месте не должно сильно отличаться от количества в другом. Огромные кубики если вырезать, то количество материи в кубиках должно быть одно и то же. Естественно, всегда существовал вопрос, что в больших масштабах мы можем Вселенную так описать, а в маленьких масштабах, почему образовались галактики и почему образовались скопления галактик, звезды, планеты и в конце концов образовалась жизнь, в конечном итоге.



Александр Костинский: То есть если мы возвращаемся назад, в рождение Вселенной, то она должна быть вся однородной.



Вячеслав Муханов: Она должна была быть вся однородной, но надо было создать маленькие неоднородности, которые потом бы развились в то, что мы видим. Вначале из-за гравитации, из-за того, что гравитация притягивает, эти неоднородности, маленькие неоднородности, которые создали, она стремится вырасти, стать все больше, больше и больше. И если начать с маленьких неоднородностей, то со временем эта маленькая неоднородность может развиться в галактику, в скопление галактик. После чего в этой неоднородности образуются еще неоднородности, которые производят звезды, планеты и так далее.



Александр Костинский: Но откуда-то их надо было взять изначально.



Вячеслав Муханов: Откуда-то их надо было взять изначально, было абсолютно неясно, откуда их взять изначально. И поэтому начальный спектр, то, что называют или как величина неоднородности зависит от масштаба, обычно постулировался. И люди всегда пытались подогнать с помощью того, что наблюдаем, постулируя первоначальный спектр неоднородностей. В этом смысле они пытались просчитать обратную задачу, взяв состояние Вселенной сейчас, они пытались пересчитать в прошлое и сказать, что было в прошлом. Было непонятно, откуда они взялись, это было то, что я называю космическая археология - это была не физика. Потому что физика все время стремится объяснить фундаментальным образом и предсказать.



Александр Костинский: В 60 годы американцы открывают так называемое реликтовое излучение. Это излучение в области СВЧ несколько сантиметров и оно было равномерно. Они в действительности настраивали аппаратуру и никак не могли разобраться, почему у них все время есть фон, от которого они не могут отстроиться. И первоначально им показалось, что излучение однородно. Оказывается, это реликтовое излучение, если я не ошибаюсь, Гамов предсказывал.



Вячеслав Муханов: Гамов рассмотрел проблему образования элементов во Вселенной. Если мы посмотрим, из чего состоит большинство вещества во Вселенной, видимого вещества, мы видим, что приблизительно 75% этого вещества - это нормальный водород, 25% - это гелий, гелий-4 и металлы, все, что мы видим на земле, составляет незначительное количество. Как можно было произвести гелий? Точно так же, как в термоядерной бомбе. Но если бы мы думали, что гелий взрывается или производится в звездах и посчитали бы, то было бы не больше полпроцента, либо все звезды должны гореть в сто раз ярче, чтобы его произвести. Поэтому Гамов предложил образовать этот гелий в ранней Вселенной, когда Вселенная была и без того горячей. Гамов, исходя из этих предположений, предложил, что, наверное, от взрыва должно что-то остаться, реликтовое излучение. Мало того, он предсказал его температуру. Он предсказал с той точностью, с которой не могло быть.



Александр Костинский: Но слава богу, потому что те люди, американцы, которые открыли излучение, оно было около трех градусов.



Вячеслав Муханов: Оно было 2,7, и оно померено с огромной точностью, температура. Это излучение было открыто в 64 году Пензиасом и Вильсоном, которые получили Нобелевскую премию в 79 году. Это, пожалуй, был второй шаг на пути становления космологии как физической теории, а не метафизической, как лучше сказать, это стало «нейчерел сайнс», а не «нейчерел философи» в этот момент.


XS
SM
MD
LG