Как идеи мультивселенной, темной энергии и Большого взрыва поменяли мир за 100 лет

Космология, наука о свойствах и эволюции Вселенной, зародилась еще в древности. За последние сто лет эта область науки стала одной из самых динамично развивающихся, хотя и одной из самых сложных. Один из последних выпусков Philosophical Transactions of the Royal Society A посвящен настоящему и будущему математической космологии.

Авторы разделили историю развития космологии на четыре этапа.

Космология, начало: 1917-1960 годы

В первый период развития математической космологии появилось множество новых фундаментальных идей, которые до сих пор играют важную роль в формировании теоретической космологии. Вот некоторые из них:

• Космологическая постоянная и энергия вакуума;
• Однородность Вселенной;
• Неоднородные анизотропные космологические модели;
• Эволюция против устойчивого состояния Вселенной;
• Горячий Большой взрыв;
• Причинность и путешествие во времени;
• Локальная и глобальная структура.

Все представленные выше идеи столь же фундаментальны и важны в исследованиях теоретической космологии сегодня, как и на заре развития науки. Как отмечают авторы статьи, последующее развитие области в ближайшие десятилетия доказало: все эти новые и важные идеи «по-прежнему играют большую роль, но, в то же время, лишь малая часть сложной сети методов и направлений, составляющих математическую космологию сегодня».

Дата 8 февраля 1917 года считается рождением современной космологии. Именно тогда Эйнштейн продемонстрировал первое применение Общей теории относительности (ОТО) ко Вселенной. Он создал первую современную космологическую модель, в которой материя неподвижна. При этом, у нее есть конечный объем, зоть у нее и нет границ. Статичность Вселенной по Эйнштейну достигается за счет космологической постоянной. Вот что это значит.

Темная энергия противодействует гравитации, «отвечает» за расширение пространства. В отличие от обычной гравитации, которая возникает вокруг больших масс, темная энергия действует повсюду, поэтому ее связывают с самим пространством. Ученые даже посчитали, сколько этой «энергии отталкивания» содержится в кубометре пространства: 6×10⁻¹⁰ Джоулей на кубический метр. Космологическая постоянная — это величина той самой силы. Это энергия самого пространства-времени. Ее величина в любой точке Вселенной не меняется со временем.

Затем, прорыв в современной космологии совершил русский математик Александр Фридман. В 1922 году он нашел решение уравнений Эйнштейна, которые описывают динамически расширяющуюся Вселенную. Кроме того, теорию удалось экспериментально подтвердить. Это удалось британскому астроному Эдвину Хабблу. В 1929 году от открыл знаменитое красное смещение галактик.

Красное смещение — индикатор расширения Вселенной. Когда пространство расширяется, галактики «отлетают» друг от друга, но их координаты остаются прежними. Проще всего этот процесс можно понять, если представить, что пространство — это воздушный шарик, на который «приклеены» галактики. Он (как и пространство) расширяется, но положение галактик не меняется, метки «приклеены» к своим координатам.

Позднее, в 1947 году, на основе этих сведений Георгий Гамов (США) сформулировал теорию горячей Вселенной. Согласно этой космологической модели, ее эволюция началась с состояния плотной горячей плазмы. Вселенная состояла из элементарных частиц.

Спустя два года, в 1949 году, такой процесс рождения Вселенной стал известен как Большой взрыв. Считается, что этот термин был придуман британским астрономом Фредом Хойлом. Согласно этой модели, перед тем, как Вселенная начала расширяться, она находилась в сингулярном состоянии. Сегодня эти две концепции сочетают, но на деле они независимы.

Второй период: 1960–1980 годы

Новые идеи, возникшие в этот период и имеющие особое отношение к космологии, можно обобщить следующим образом:

• Геометрические расширения Общей теории относительности;
• Теоремы особенностей, глобальные методы;
• БХЛ-сингулярность;
• Вселенная Mixmaster;
• Физика элементарных частиц.

В конце 1970-х годов открытия в физике элементарных частиц привели к созданию моделей Великого объединения, которые оказали непосредственное влияние на космологию.

Если кратко, все силы, с которыми человечество сталкивается каждый день, можно свести к четырем категориям — гравитация, электромагнетизм, сильная и слабая силы. Суть теорий Великого объединения: как-то связать вместе сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Предполагается, что при чрезвычайно высоких энергиях они объединяются.

Так, физики Шелдон Глэшоу (да, в честь него назвали персонажа Шелдона Купера из сериала «Теория большого взрыва») и Стивен Вайнберг с Абдусом Саламом получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой, чтобы сформировать концепцию электрослабой силы. Физики, работающие над созданием теорией Великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное. Ранее его предсказывали модели, однако оно еще не наблюдалось.

Третий период: 1980–2000 годы

Новые идеи, возникшие в этот период:

• Инфляционная космология;
• Мультивселенная;
• Волновая функция Вселенной;
• Проблема космологической меры;
• Детские вселенные и червоточины;
• Вселенные Калуцы — Клейна;
• Струнная космология;
• Проблема космологической стабильности.

Именно в этом период появилась гипотеза, согласно которой, Вселенная, в которой мы живем, может быть не единственной из существующих. На самом деле есть бесконечное количество вселенных, и все они объединены в мультивселенную. Эта концепция может показаться немного безумной, но, если она верна, то есть альтернативный мир. Она похожа на ту, в которой мы живем. Несмотря на то, что физики утверждают, что мультивселенная — лишь выдумка, некоторые ученые пробуют ее доказать. Даже Стивен Хокинг пытался решить ее парадокс.

Есть теория, которая вписывается в гипотезу о существовании мультивселенной — хаотическая теория инфляции. Согласно ней, инфляция не случилась однажды и закончилась, а продолжается и развивается в разных регионах пространства. Кстати именно в «третий период» развития космологии и появилась гипотеза инфляции, которая меняет представление о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва. Примечательно, что она предполагает более ускоренное расширение, если сравнивать со стандартной моделью горячей Вселенной.

Четвертый период: с 2000 года по сегодняшний день

Как пишут авторы статьи, в течение последних 20 лет «вся область развития математической космологии “повзрослела” до неузнаваемости по сравнению, с ее образом 50-летней давности».

Вот основные идеи последних 20 лет:

• М-теория и космология;
• Браны и параллельные миры;
• Топологические проблемы и динамическая эволюция;
• Общность в космологии;
• Модели темной энергии.

Одна из самых популярных и изучаемых тем в космологии — темная энергия, основной компонент текущего ускорения Вселенной. Она стала объектом пристального внимания с 1998 года. Тогда две группы ученых, используя различные наборы данных и методы, обнаружили, что скорость расширения далеких сверхновых изгибается «вверх» относительно их расстояния. С тех пор это открытие оказало огромное влияние на космологию и подтвердило ожидания космологической постоянной — так называемой ΛCDM (модель Лямбда-CDM, англ. Lambda-Cold Dark Matter, холодной темной материи).

Сегодня модели темной энергии охватывают весь диапазон возможностей, от космологической постоянной до скалярных полей — так называемой квинтэссенции — и модифицированных теорий гравитации. Действительно удивительной особенностью этого гипотетического типа энергии является тот факт, что она объединяет огромный спектр модифицированных теорий гравитации и других экзотических форм энергии для поиска недостающего «звена» Вселенной.

Общее мнение ученых состоит в том, что она заполняет все пространство Вселенной и составляет 72% ее массы (энергии). По другим оценкам — 66,2%. Другой компонент оставшегося материала во Вселенной состоит из темной материи, доля которой составляет еще около 24%. А вот все видимые компоненты материи и излучения могут составлять лишь крохотные 4%. Как это произошло — пожалуй самая большая загадка Вселенной на сегодняшний день.

Читать далее:

Скоро на Землю обрушится магнитная буря

Создана навигационная система, которая точнее, чем GPS

Древний амулет переписал историю самого загадочного языка Европы

^{По материалам: 100 лет математической космологии: модели, теории и проблемы, часть А и часть B.}