Люси Хокинг - Джордж и Большой взрыв

Относительность

Частная теория относительности Эйнштейна гласит, что законы природы, в том числе скорость света, должны быть одними и теми же вне зависимости от того, с какой скоростью движется наблюдатель. Легко убедиться, что два человека, которые перемещаются относительно друг друга, придут к разным выводам о расстоянии между двумя событиями: например, два события, которые происходят в одном и том же реактивном самолёте, для наблюдателя на Земле будут разделены расстоянием, которое преодолел самолёт в промежутке между этими событиями. Поэтому если наблюдатель в самолёте и наблюдатель на Земле решат измерить скорость светового сигнала, летящего из хвоста самолёта к его носу, то расстояние, пройденное светом с момента подачи сигнала до момента его поступления в нос самолёта, получится у них разным. А поскольку скорость — это расстояние, делённое на время, они также разойдутся в вопросе о том, сколько времени прошло между подачей и приёмом сигнала, — если эти наблюдатели сходятся в вопросе о скорости света (а в нём, согласно теории Эйнштейна, они как раз сходятся!).

Отсюда следует, что время, вопреки мнению Ньютона, не абсолютно: то есть нельзя обозначить время события таким образом, чтобы все с этим согласились. Наоборот, у каждого наблюдателя должна быть собственная мера времени, и два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, получат разные оценки времени.

Для проверки этой теории в кругосветный полёт были отправлены очень точные атомные часы. По возвращении оказалось, что они чуть-чуть отстали от таких же часов, остававшихся на Земле и находившихся всё время в одном и том же месте. Это означает, что если постоянно летать вокруг Земли, то можно продлить себе жизнь!

Однако этот эффект очень незначителен (примерно 0,000002 секунды за один оборот), и его запросто можно свести на нет, если постоянно питаться той едой, которой кормят в самолётах!

Галактика Андромеда (она же Туманность Андромеды, она же М31) — ближайшая к нашему Млечному Пути большая галактика. Млечный Путь и Андромеда — крупнейшие в Местной группе галактик, которая состоит как минимум из 40 соседних галактик, притягивающихся друг к другу.

На самом деле галактика Андромеда, расположенная на расстоянии 2,5 миллиона световых лет от нас, — не самая близкая к нам галактика (это звание скорее принадлежит карликовой галактике в созвездии Большой Пёс), но ближайшая из сравнимых с нашей по размеру и массе.

Современные расчёты позволяют предположить, что Млечный Путь (включая тёмную материю) обладает большей массой, зато в Андромеде больше звёзд.

Как и Млечный Путь, Андромеда — спиральная галактика.

В центре Андромеды, как и в центре нашей Галактики, находится сверхмассивная чёрная дыра.

Как и наша Галактика, Андромеда имеет несколько (как минимум четырнадцать) спутников — карликовых галактик, обращающихся вокруг неё по орбитам.

В отличие от большинства галактик, Андромеда относится к объектам, свет которых имеет синее смещение. Причина в том, что расширение Вселенной, из-за которого галактики удаляются друг от друга, преодолевается притяжением между двумя нашими галактиками: Туманность Андромеды притягивается к Млечному Пути и со скоростью около 300 км/с летит к нам. Мы можем столкнуться с ней примерно через 4,5 миллиарда лет и постепенно слиться, а можем и разминуться. Столкновения между галактиками не считаются чем-то необычным: так, карликовая галактика в Большом Псе, по-видимому, уже сейчас сливается с Млечным Путём!

Чтобы применить общую теорию относительности к Вселенной в целом, мы обычно делаем следующие допущения:

• все места в пространстве ведут себя одинаково (однородность)

• и все направления в пространстве имеют одинаковые свойства (изотропность) .

Отсюда мы получаем картину Вселенной, которая:

• обладает однородностью пространства

• начинается с Большого взрыва

• и затем равномерно расширяется во всех направлениях.

Эту картину убедительно подтверждают астрономические наблюдения — то, что мы видим в космосе с помощью наземных и космических телескопов.

Поскольку одни и те же законы физики применимы повсеместно, мы предполагаем, что все галактики образуются сходным образом. Следовательно, звёзды, планеты, астероиды, кометы в дальних галактиках должны быть похожи на звёзды, планеты, астероиды и кометы нашего Млечного Пути.

И всё же Вселенная не может быть полностью однородна в пространстве, иначе как бы в ней появились галактики, звёзды и звёздные системы, планеты и люди? Чтобы понять, как возникли и начали сжиматься первые облака газа и тёмной материи, необходимо допустить мельчайшую рябь в этой однородности.

Откуда взялась эта изначальная рябь, пока не до конца понятно. Согласно лучшей на данный момент теории, она произошла от мельчайших квантовых колебаний, которые усилились в ходе стремительного расширения — инфляции, — происшедшего за крошечную долю самой первой секунды после Большого взрыва.

Если бы не взаимодействия, то частицы после столкновений в таких устройствах, как Большой адронный коллайдер, выходили бы из них точно такими же, какими туда входили. Взаимодействия же позволяют элементарным частицам при столкновениях влиять друг на друга (вплоть до превращения в другие частицы!) путём излучения и поглощения особых частиц — калибровочных бозонов, действующих как переносчики фундаментальных взаимодействий.

Физики изображают столкновения частиц с помощью диаграмм Фейнмана. Это схемы, показывающие, как частицы при столкновении могут вести себя по отношению друг к другу. Каждая диаграмма Фейнмана — лишь часть описания поведения частиц при столкновении; чтобы получить полную картину столкновения, диаграммы нужно собрать воедино.

Вот простейшая диаграмма, на которой два электрона приближаются друг к другу, обмениваются одним-единственным фотоном и затем продолжают свой путь. Стрелочками указано направление времени — слева направо, волнистая линия — это фотон, прямыми линиями обозначены электроны (е) . Эта диаграмма включает в себя все случаи, когда фотон движется вверх и вниз или вниз и вверх (поэтому волнистая линия расположена вертикально):

Более сложные процессы описываются более сложными диаграммами Фейнмана, включающими в себя более одной виртуальной частицы. Вот, например, диаграмма с двумя виртуальными фотонами и двумя виртуальными электронами: