Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Исследуя Вселенную

Присмотревшись к ближнему пространству, перейдем к исследованию космоса. Телескоп — основной инструмент, который поможет нам на этом амбициозном пути.

Кроме привычных оптических моделей, астрономы используют телескопы, которые собирают «свет» из других частей электромагнитного спектра, включая радиоволны, микроволновое радиоизлучение, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, рентгеновские и гамма-лучи. Небо осматривают и более экзотические «глаза», не основанные на электромагнитном спектре. Замечательный факт — недавно к ним добавились детекторы гравитационных волн. В последних главах я расскажу о них подробнее.

Для начала я приведу удивительно простые выводы, сделанные из исследования космоса, а затем расскажу, как астрономы к ним пришли. Это несколько сложнее, но в нашем контексте все еще восхитительно просто.

Первый и наиболее фундаментальный результат: мы убедились, что материя везде одинакова. Более того, на нее везде действуют одни и те же законы.

Второе: мы обнаружили иерархическую структуру материи. Куда бы мы ни посмотрели, везде видны звезды. Обычно они стремятся собираться в галактики, содержащие от нескольких миллионов до нескольких миллиардов звезд. У нашей звезды, Солнца, есть «свита» из планет и лун, а также комет, астероидов, красивых колец Сатурна и всякого космического мусора. Юпитер — самая большая планета, вес которой порядка одной тысячной веса Солнца, тогда как вес Земли — примерно три миллионных веса Солнца. Хотя масса планет и лун весьма скромна, эти небесные объекты особенно дороги нашему сердцу. Ведь на одной из планет мы живем, а возможно, кто-нибудь живет и на других — если не в нашей Солнечной системе, то где-то еще. Астрономы давно предполагали, что планеты есть и у других звезд, но только недавно появилась аппаратура, помогающая их обнаружить. Уже открыты сотни планет вне Солнечной системы, и поступают сообщения о все новых и новых открытиях.

И наконец, третье: выяснилось, что вещество почти однородно распределено по пространству. По всем направлениям и на всех расстояниях мы обнаруживаем примерно одинаковую плотность галактик.

Ниже мы уточним и несколько расширим эти три фундаментальных вывода — главным образом, чтобы рассказать о Большом взрыве, темной материи и темной энергии. Но основная идея не меняется: одинаковая и одинаково организованная материя в невероятном изобилии распределена по всей видимой Вселенной.

Вероятно, теперь вам хочется узнать, как астрономы пришли к столь многообещающим выводам. Постараемся разобраться в этом, опираясь на некоторые методы определения размеров и расстояний.

Не сразу понятно, как измеряются расстояния до очень далеких объектов. Очевидно, что на небе нельзя приложить линейку или растянуть рулетку, не получится и снять показания с радиомаяков. Вместо этого астрономы используют бутстрап-метод [14], известный как шкала расстояний . Слово «шкала» происходит от латинского scala , что в переводе означает «лестница». Поднимаясь по ступенькам астрономической лестницы, мы переходим ко все б о льшим расстояниям. Знания, приобретенные на одной ступеньке этой лестницы, готовят нас к переходу на следующую.

Начнем с изучения расстояний в непосредственной близости от Земли. С помощью похожих на систему GPS приборов — тех, которые отражают падающий на них свет (или радиосигналы) и измеряют время прохождения сигнала, — можно получить данные о расстояниях на Земле и расстояниях от нее до других объектов Солнечной системы. Для этого есть несколько изощренных, хотя и не очень точных методов, придуманных еще древними греками. Для наших целей достаточно сказать, что все они дают согласованные результаты. Сама Земля — почти идеальная сфера, радиус которой примерно 6400 километров. Сейчас, во времена воздушных путешествий, представить себе такое расстояние легко. Оно приблизительно равно расстоянию между Нью-Йорком и Стокгольмом или чуть больше расстояния между Нью-Йорком и Шанхаем.

Расстояния можно определять и по-другому — а именно через время, за которое световой луч их проходит. Для расстояния, равного радиусу Земли, это время составляет примерно одну пятидесятую секунды. Так что можно сказать, что радиус Земли равен одной пятидесятой световой секунды. Этот способ измерения очень подходит для астрономии и космологии и широко используется в этих науках.

На более высоких ступеньках астрономической лестницы-шкалы расстояния удобнее измерять не в световых секундах, а в световых годах. Для сравнения сначала скажем, что радиус Земли составляет около одной миллиардной светового года. Не забывайте это крохотное число, когда мы продвинемся дальше в изучении мира. Скоро он расширится до сотен, миллионов и, наконец, миллиардов световых лет.

Следующее важное для нас расстояние — от Земли до Солнца. Оно равно примерно 150 миллионам километров, что составляет восемь световых минут или 15 миллионных светового года. Примечательно, что расстояние от Земли до Солнца примерно в 24 тысячи раз больше радиуса Земли. Это впечатляющее число указывает, что даже внутри Солнечной системы Земля, не говоря уже о человеке, действительно «всего лишь песчинка» [15].

Поскольку размер орбиты вращения Земли вокруг Солнца известен, с помощью геометрии Евклида можно сразу определить расстояния до сравнительно близких звезд. Благодаря движению Земли вокруг Солнца эти звезды за год заметно меняют положение на небе. Этот эффект известен как параллакс. Наше бинокулярное зрение использует параллакс для оценки расстояния до существенно более близких объектов, которые наши два глаза видят под разными углами. Космический телескоп, установленный на спутнике Hipparcos [16]и действовавший с 1989 по 1993 год, использовал параллакс для каталогизации расстояний примерно до сотни тысяч близких звезд.

По меркам межзвездного пространства наша Солнечная система — маленькое уютное гнездышко. Расстояние до Проксимы Центавра примерно в полмиллиона раз превосходит расстояние от Земли до Солнца.

Основной метод, позволяющий продвигаться вверх по лестнице космических расстояний, опирается на упомянутый выше факт: куда бы мы ни посмотрели, везде обнаружим однотипные объекты и материю. Если удается выявить класс объектов с одинаковой истинной яркостью, мы говорим, что эти объекты дают нам в руки «стандартную свечу». Когда расстояние до одной стандартной свечи известно, расстояние до любой другой мы можем определить, просто сравнивая их наблюдаемые яркости. Например, если один из источников света в два раза дальше другого, нам будет казаться , что его яркость в четыре раза меньше.