Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Для полноты отметьте, что все объяснения ускоренного пространственного расширения, воспринимаемые всерьез, указывают на гравитацию. Но делают это они, в широком смысле, двумя разными способами. Либо поведение силы тяготения на космологических расстояниях отличается от того, что мы ожидаем увидеть на основании описаний Ньютона и Эйнштейна, либо источники тяготения отличаются от того, что мы ожидаем увидеть на основании традиционных представлений о веществе и энергии. Хотя оба подхода имеют право на существование, второй получил более полное развитие и нашел более широкое применение (при объяснении не только ускоренного расширения пространства, но и деталей в наблюдаемом реликтовом космическом излучении), так что именно этому подходу мы и будем следовать.

Плотность темной энергии составляет примерно 5 х 10 –10джоулей на кубический метр, или примерно 5 х 10 –10ватт-секунд на кубический метр. Для горения лампочки 100 Вт в течение одной секунды требуется в 2 х 10 11раз больше энергии, чем содержится темной энергии в одном кубическом сантиметре. Таким образом, этой энергии хватит на горение лампочки 100 Вт на протяжении около 5 х 10 –12секунды, или пяти триллионных долей секунды.

Если величина темной энергии не меняется во времени, то сама эта энергия идентична космологической постоянной Эйнштейна — отчаянному средству, которое Эйнштейн ввел в свои расчеты в 1917 г., когда понял, что уравнения общей теории относительности не в состоянии объяснить общепринятое мнение о том, что на больших масштабах Вселенная статична. Проблема, с которой столкнулся Эйнштейн, состояла в том, что статика требует равновесия, но гравитация, судя по всему, работает только в одном направлении. При отсутствии уравновешивающей силы статичная Вселенная казалась невозможной. К счастью, затем Эйнштейн понял, что с введением одного нового члена — той самой космологической постоянной — в уравнения общая теория относительности разрешает также отталкивающую гравитацию, которая способна уравновесить обычную притягивающую гравитацию и делает статичную Вселенную возможной. (Эйнштейн не учел, что такое равновесие неустойчиво — небольшое изменение размеров статичной Вселенной, ее увеличение или уменьшение, привело бы к нарушению баланса и, соответственно, ее расширению или сжатию.) Однако всего через десять с небольшим лет Эйнштейн узнал, что Вселенная расширяется. Осознав это, Эйнштейн совершил знаменитый шаг — исключил космологическую постоянную из своих уравнений. Но Эйнштейн выпустил джинна отталкивающей гравитации из бутылки общей теории относительности. Со временем отталкивающей гравитации суждено было сослужить космологии большую службу, обеспечив распирающее давление в момент Большого взрыва, а после этого предложив объяснение ускоренного расширения пространства. Как говорили многие, из всего этого видно, что даже неудачные идеи Эйнштейна хороши.

Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski, and Nevin N. Weinberg, "Phantom Energy and Cosmic Doomsday", Physical Review Letters 91 (2003): 071301. Abraham Loeb, "Cosmology with hypervelocity stars," Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 04 (2011): 023.

Энергия внутри Земли — тоже остаток тепла, произведенного, когда гравитационное притяжение смяло облако пыли и газа в нарождающуюся планету. Кроме того, тепло вырабатывается при вращении Земли, потому что при движении возникают напряжения в глубоких геологических слоях, которым для поддержания вращения с общей скоростью необходимо постоянное воздействие. [Это связано с приливным воздействием Луны и Солнца. — Прим. науч. ред.] Fred C. Adams and Gregory Laughlin, "A dying universe: The long-term fate and evolution of astrophysical objects", Reviews of Modern Physics 69 (1997): 337-72; Fred C. Adams and Greg Laughlin, The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity (New York: Free Press, 1999), 5052. Аналогичные соображения применимы к планетам и спутникам, которые всегда располагались слишком далеко от своей звезды, чтобы на их поверхности сложились условия, благоприятные для возникновения жизни. Внутренние процессы в таких телах, их астрогеология, способны вырабатывать энергию, достаточную для поддержания жизни глубоко под поверхностью. Первый кандидат в эту категорию — спутник Сатурна Энцелад. Он находится так далеко от Солнца, что его ледяная поверхность — неподходящий дом для жизни. Но разнонаправленные гравитационные силы, обусловленные притяжением Сатурна и других его спутников, слегка растягивают Энцелад в одном направлении и сжимают в другом, создают напряжения и деформации, которые разогревают его изнутри, плавят лед и, возможно, обеспечивают существование некоторого объема жидкой воды. Нельзя исключить, что когда-нибудь мы просверлим маленькое отверстие в ледяной корке Энцелада, спустим туда зонд — и окажемся лицом к лицу с аборигенным, хотя и водным, обитателем Энцелада.

Для демонстрации этого см. мою часть шоу The LateShow with Stephen Colbert, в котором роняют стопку мячиков; самый легкий из них при этом взлетает выше чем на десять метров вверх (наверняка это единственный рекорд из Книги рекордов Гиннесса, который когда-либо будет мне принадлежать). https://www.youtube.com/watch?v=75szwX09pg8Дайсон дает простую, самую грубую оценку скорости, с которой планеты выбрасываются из планетных систем, и скорости, с которой звезды выбрасываются из галактик: Freeman Dyson, "Time without end: Physics and biology in an open universe", Reviews of Modern Physics 51 (1979): 450. Адамс и Лофлен приводят более полные объяснения и расчеты, а также оригинальные исследования некоторых из этих процессов (к примеру, какие последствия вызовет пролет небольших звезд через нашу Солнечную систему). F. C. Adams and G. Laughlin, "A dying universe: The long-term fate and evolution of astrophysical objects", Reviews of Modern Physics 69 (1997): 343-47; Fred C. Adams and Greg Laughlin, The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity (New York: Free Press, 1999), 50–51.

Демонстрацию метафоры с резиновым листом, снятую с использованием эластичной ткани, и короткое обсуждение того, о чем пойдет речь в следующем абзаце в связи с гравитационными волнами и деградацией планетных орбит, см.: https://www.youtube.com/watch?v=uRijc-AN-F0R. A. Hulse and J. H. Taylor, "Discovery of a pulsar in a binary system", Astrophysical Journal 195 (1975): L51.

Возможность того, что медленно деградирующая орбита, вероятно, указывает на потерю энергии через гравитационное излучение, первым рассмотрел Роберт Вагонер: R. V. Wagoner, "Test for the existence of gravitational radiation", Astrophysical Journal 196 (1975): L63. J. H. Taylor, L. A. Fowler, and P. M. McCulloch, "Measurements of general relativistic effects in the binary pulsar PSR 1913+16", Nature 277 (1979): 437. Freeman Dyson, "Time without end: Physics and biology in an open universe", Reviews of Modern Physics 51 (1979): 451; Fred C. Adams and Gregory Laughlin, "A dying universe: The long-term fate and evolution of astrophysical objects", Reviews of Modern Physics 69 (1997): 344-47. Fred C. Adams and Gregory Laughlin, "A dying universe: The long-term fate and evolution of astrophysical objects", Reviews of Modern Physics 69 (1997): 347-49.

Изолированные нейтроны имеют короткое время жизни, равное примерно 15 минутам. Однако, поскольку нейтроны тяжелее протонов, в процессе их распада образуется протон (а также электрон и антинейтрино). Чтобы нейтрон в составе атома мог распасться, ядро атома должно иметь возможность вместить в себя получившийся протон, но это требование часто не может быть выполнено. Протоны, уже имеющиеся в ядре, заполняют собой все доступные квантовые ячейки, в каждой из которых, согласно Паули и его принципу запрета, не может находиться одновременно два одинаковых протона; в этом контексте стабильность нейтрона сильно повышается. Если протоны распадаются, они, будучи легче нейтронов, не образуют нейтронов, так что аналогичный стабилизирующий процесс не включается. Howard Georgi and Sheldon Glashow, "Unity of All Elementary-Particle Forces", Physical Review Letters 32, no. 8 (1974): 438.