Сергей Парновский - Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Вопрос: Если человек, упавший в черную дыру, посветит фонариком наружу вдоль радиуса, сможет ли этот свет увеличить свою радиальную координату?

Ответ: Воспользуемся следующей аналогией: человек, который выпал из летящего самолета во время падения, бросил свои ключи вверх. Могут ли эти ключи взлететь? Это довольно трудно себе представить. Они также будут падать вниз, но медленнее, и ударятся о землю вскоре после их владельца. То же самое будет происходить со светом – он все равно попадет в центральную особенность, но немного позже, чем человек с фонариком. При этом, с точки зрения падающих, свет фонарика и связка ключей будут от них удаляться. Вспомнив, что границы светового конуса представляют собой траекторию света, мы можем понять этот процесс из рис. 6.2.

Вопрос: Как кто-то может упасть в центральную сингулярность, если время останавливается на горизонте событий?

Ответ: На самом деле время не останавливается на горизонте событий. Так кажется внешнему наблюдателю, но свободно падающий наблюдатель не заметит ничего необычного при пересечении горизонта событий, если не считать того, что его разорвет на мелкие кусочки, но это может произойти в разных местах в зависимости от массы черной дыры.

В этой книге мы рассказали об основах космологии. Мы объяснили основные факты, теории и проблемы, их историческое развитие и использовали некоторые не очень сложные вычисления, чтобы их описать. Давайте подведем наиболее важные итоги того, о чем здесь написано.

Сейчас мы верим, что эволюция Вселенной описывается ΛCDM-моделью с дополнительной инфляционной стадией. Перечислим основные моменты:

• Вселенная имеет конечный возраст 13,8 млрд лет;

• она родилась при Большом взрыве, точная природа которого неизвестна;

• через мельчайшую долю секунды после Большого взрыва Вселенная вступила в стадию инфляционного раздувания, которая также продолжалась малую долю секунды;

• точная природа инфляции неизвестна;

• инфляция сделала Вселенную очень однородной и пространственно плоской, а также удалила любые экзотические объекты из наблюдаемой части Вселенной;

• наблюдаемая часть Вселенной ограничена космологическим горизонтом, размеры которого равны расстоянию, на которое смог распространиться свет после Большого взрыва (около 40 млрд св. лет);

• самое дальнее из того, что мы можем увидеть, – это реликтовое или космическое микроволновое фоновое излучение, представляющее собой тепловое излучение, испущенное через 380 000 лет после Большого взрыва, которое за прошедшее с тех пор время остыло до температуры примерно 2,7 К;

• это подтверждает, что ранняя Вселенная была очень горячей;

• крошечные флуктуации, существовавшие тогда, выросли и образовали известные нам крупномасштабные структуры от звездных систем до сверхскоплений галактик;

• из того, как формировались эти структуры и как они ведут себя, мы знаем, что есть нечто, называемое темной материей, что взаимодействует с обычной материей гравитационно, но не участвует в сильных и электромагнитных взаимодействиях;

• мы не знаем, из чего состоит эта темная материя, но почти уверены, что это какие-то массивные частицы, движущиеся значительно медленнее скорости света;

• все попытки обнаружения частиц темной материи (в надежде, что они участвуют также в слабых взаимодействиях) пока не увенчались успехом [96] Есть еще слабая вероятность того, что сезонные колебания, зафиксированные установкой DAMA/LIBRA, действительно вызваны темной материей, а не другими причинами. Космологическое сообщество настроено весьма скептически на этот счет; см., например, (Aprile et al., 2017). ;

• в результате исследования формирования структур, весьма отдаленных вспышек сверхновых типа Ia и спектра флуктуаций реликтового излучения мы знаем, что в какой-то момент расширение Вселенной начало ускоряться;

• мы считаем, что причиной этого является нечто, называемое темной энергией, действующее подобно космологической постоянной или довольно близко к ней, т. е. гравитационно отталкивающее другую материю;

• у нас нет ни малейшего представления о природе темной энергии;

• темная материя и темная энергия в сумме составляют 95 % массы/энергии во Вселенной;

• доля темной энергии постоянно растет;

• Вселенная будет либо вечно продолжать ускоренно расширяться, либо будет разорвана темной энергией через конечное время в очень далеком будущем;

• нет никаких шансов, что Вселенная начнет сжиматься.

Эта теория согласуется со всеми известными наблюдениями и экспериментами, и нет никаких очевидных данных, которые могут ее опровергнуть. Тем не менее есть группы людей, выступающих против по меньшей мере одного из пунктов в этом списке; многие из них – профессиональные космологи.

ΛCDM-модель основана на ОТО, хотя мы показали, что большинство результатов могут быть получены из ньютоновской физики с небольшой модификацией закона всемирного тяготения, заимствованной из ОТО. Она также тесно связана с общепринятой стандартной моделью в физике элементарных частиц.

Если вы получили удовольствие, читая эту книгу, и хотели бы узнать больше о космологии, мы подготовили для вас список литературы в разделе «Для дальнейшего чтения». Приведем краткое описание этих книг. Некоторые из них написаны на английском языке.

Книга Айзека Азимова (1969) является одним из лучших, хотя несколько устаревшим, введением в астрономию. Многие явления были обнаружены или объяснены за полвека, прошедшие после ее написания, но мы рекомендуем ее из-за отличного стиля и глубины изложения. Для ее чтения не нужны предварительные знания.

Книга Германа Бонди (1972) представляет собой классический вводный курс специальной теории относительности с некоторыми упоминаниями общей теории относительности, обе части небольшие и занимательно написаны.

Книга Стивена Хокинга (1990) является мировым бестселлером по космологии, подчеркивая более философские аспекты этой науки.

Книга Эндрю Лиддла (2003) имеет минимальное число уравнений, но эти уравнения не только космологические. Если вам понравилась математическая часть нашей книги, мы рекомендуем прочитать эту книгу следующей.

Книга Андрея Линде (1990) представляет собой всеобъемлющий обзор инфляционной космологии. Естественно, в ней нет никаких упоминаний о темной энергии, которая была обнаружена впоследствии. Книга рассчитана на студентов старших курсов и требует продвинутых знаний математики и физики.

Книга Майкла Роуэн-Робинсона (2008) является хорошим учебником по наблюдательной космологии, рассчитанным на студентов, и требует средних знаний математики и физики. В дополнение к космологии как таковой она охватывает большинство связанных с ней областей.