yokling

Философы обсуждали природу «небытия», «ничего», «ничто», «пустоты» тысячи лет, но что может современная наука об этом рассказать? На этот вопрос ответит Мартин Рис, астроном Королевского общества и почетный профессор космологии и астрофизики Кембриджского университета. Он объясняет, что когда физики обсуждают «ничто», они имеют в виду пустое пространство (вакуум). Это может показаться вполне заурядным, но эксперименты показывают, что пустое пространство на самом деле не пустое — в нем скрывается загадочная энергия, которая может рассказать нам что-то о судьбе вселенной.

Интервью с Мартином Рисом представил журнал The Conversation.

Пустое пространство — то же самое, что ничего?

Пустое пространство кажется нам ничем. По аналогии, вода может казаться «ничем» для рыбы — именно она остается, когда вы убираете все остальное, что плавает в море. Точно так же и пустое пространство оказывается довольно сложным на поверку.

Мы знаем, что Вселенная очень пустая. Средняя плотность пространства составляет примерно один атом на каждые десять кубических метров — среда гораздо более разреженная, чем любой вакуум, который мы можем получить на Земле. Но даже если убрать всю материю, пространство обладает своего рода эластичностью, которая (как было недавно подтверждено), позволяет гравитационным волнам — ряби самого пространства — распространятся по нему. Более того, мы узнали, что в самом пустом пространстве есть экзотический вид энергии.

Впервые мы узнали об этой энергии вакуума в 20 веке с появлением квантовой механики, которая объясняет поведение атомов и частиц на мельчайших масштабах. Из нее следует, что пустое пространство состоит из поля флуктуаций фоновой энергии — которая дает жизнь волнам и виртуальным частицам, то и дело появляющимся и исчезающим в никуда. Они даже могут создать крошечную силу. Но как насчет пустого пространства на больших масштабах?

Тот факт, что пустое пространство создает крупномасштабную силу, был обнаружен 20 лет назад. Астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это был сюрприз. О расширении было известно более 50 лет, но все думали, что расширение будет замедляться из-за гравитационного притяжения, которое галактики и другие структуры оказывают друг на друга. Поэтому для всех стало большим сюрпризом то, что замедление вследствие гравитации было смещено чем-то, что «расталкивало» расширение. Оказалось, что в самом пустом пространстве присутствует энергия, которая создает своего рода отталкивание, которое перевешивает притяжение гравитации на этих больших масштабах. Это явление — темная энергия — самое невероятное проявление того факта, что пустое пространство не лишено морщин и не является пустым. Более того, этот факт определяет дальнейшую судьбу нашей Вселенной.

Существует ли предел тому, что мы можем узнать? В масштабах, в триллион триллионов раз меньше атома, квантовые флуктуации пространства-времени могут родить не только виртуальные частицы, но и виртуальные черные дыры. Это в пределах, которые мы наблюдать не можем и для понимания которых хотя бы гипотетического нам нужно совместить теории гравитации с квантовой механикой — а это невероятно сложно.

Существует несколько теорий, направленных на то, чтобы понять это, среди которых самая известная — это теория струн. Но ни одна из этих теорий пока не связана с реальным миром — поэтому они все еще являются беспочвенными. Я думаю, что практически каждый признает, что пространство само по себе обладает сложной структурой на крошечных масштабах, где встречаются гравитационные и квантовые эффекты.

Мы знаем, что у нашей Вселенной есть три пространственных измерения: вы можете двигаться налево и направо, вперед и назад, вверх и вниз. Время — это как бы четвертое измерение. Однако есть сильное подозрение, что если вы увеличите крошечную точку в пространстве до тех пор, пока не пощупаете этот крошечный масштаб, вы обнаружите, что она будет плотно сжатым оригами из пяти дополнительных измерений, которых мы не видим. Как если бы вы смотрели на шланг издалека и думали, что это просто линия. Подходя ближе, вы бы увидели, что одно измерение является по сути тремя. Теория струн включает сложную математику — так же как и конкурирующие теории. Но это именно та теория, которая нам понадобится, если мы захотим понять на самом глубоком уровне самое близкое к пустоте, что можно вообразить: пустое пространство, очевидно.

В рамках нашего нынешнего понимания, как мы можем объяснить, что вся наша вселенная расширяется из ничего? Неужели она могла начаться с небольшой флуктуации энергии вакуума?

Некоторые таинственные переходы или колебания могли внезапно привести к тому, что часть пространства начала расширяться — так полагают некоторые теоретики. Флуктуации, присущие квантовой теории, могли бы встряхнуть всю Вселенную, если бы она была сжата до достаточно малых масштабов. Это должно было произойти в течение примерно 10-44 секунд — это планковское время. На этих масштабах время и пространство переплетены, поэтому идея тикающих часов не имеет смысла. Мы можем экстраполировать нашу вселенную с высокой степенью уверенности обратно до наносекунды и с высокой долей вероятности вернемся ближе к планковскому времени. Но после этого наши догадки уже не имеют силы — физика на этом масштабе заменяется какой-то другой, более сложной теорией.

Если может ли быть так, что флуктуация в некой случайной части пустого пространства дала жизнь вселенной, почему то же самое не может произойти с другой частью пустого пространства — и дать жизнь параллельным вселенным в бесконечной мультивселенной?

Идея о том, что наш Большой Взрыв — не единственный, и что то, что мы видим в наши телескопы — это крошечная часть физической реальности, весьма популярна среди физиков. И существует много версий цикличной вселенной. Всего 50 лет назад появились мощные доказательства того, что Большой Взрыв вообще произошел. Но с тех пор ходят предположения, что он мог быть лишь эпизодом в цикличной вселенной. Также есть тенденция к пониманию того, что физическая реальность — это намного больше, чем объем пространства и времени, который мы можем пощупать, даже при помощи мощнейших телескопов.

Поэтому мы понятия не имеем, был Большой Взрыв один или их было много — существуют сценарии, предсказывающие множество Больших Взрывов, и сценарии, предсказывающие один. Думаю, мы должны изучить их все.

Какой конец ждет Вселенную?

Самый простой прогноз на далекое будущее — вселенная продолжит расширяться все быстрее и быстрее, становясь все более холодной и пустой. Частицы в ней могут распадаться, бесконечно растворяясь в пустоте. Мы можем оказаться в огромном объеме пространства, но оно будет даже более пустым, чем космос сейчас. Это один из сценариев. Есть и другие, которые прогнозируют «разворот» направления темной энергии, от отталкивания до притяжения, в результате которого нас ждет сжатие в плотную точку.

Есть еще идея Роджера Пенроуза о том, что вселенная продолжит расширяться, становясь все более разбавленной, но каким-то образом — когда в ней не будет ничего кроме фотонов, частиц света — объекты в ней перекалибруются и пространство станет в некотором роде генератором нового Большого Взрыва. Это будет весьма экзотическая версия старой цикличной вселенной — но, пожалуйста, не просите меня объяснять идеи Пенроуза.

Насколько вы уверены в том, что наука однажды раскроет тайну того, что такое это «ничто»? Даже если бы мы могли доказать, что Вселенная появилась из странной флуктуации в вакуумном поле, разве нам не стоило бы задать вопрос, откуда взялось это вакуумное поле?

Наука пытается дать ответы, но каждый раз, когда мы их находим, появляются новые вопросы — у нас никогда не будет полной картины. Когда я начал заниматься исследованиями в конце 1960-х, были сомнения в том, что Большой Взрыв вообще был. Теперь сомнений уже нет и мы можем сказать с точностью примерно в 2%, что вселенная была такой же все 13,8 миллиардов лет, до самой первой наносекунды. Это большой прогресс. Нелепо оптимистично полагать, что в следующие 50 лет мы разберемся в сложных вопросах о том, что происходит в квантовую или «инфляционную» эпоху.

Но, конечно, возникает другой вопрос: насколько наука будет постижима для человеческого мозга? Может оказаться так, что математика теории струн в некотором смысле является верным описанием реальности, но мы никогда не сможем понять ее достаточно хорошо, чтобы проверить на фоне любого подлинного наблюдения. Тогда нам, возможно, придется ждать появления каких-нибудь пост-людей, чтобы получить более полное понимание.

Источник https://hi-news.ru/space/chto-takoe-nichego-rasskazyvaet-ast...

На рисунке представлена Туманность Киля. (Остаток после взрыва сверхновой).

Обратимся к явлению сверхновой звезды — одному из самых грандиозных космических явлений. Коротко говоря, сверхновая — это настоящий взрыв звезды, когда большая часть ее массы (или даже вся) сбрасывается со скоростью до 10 тысяч км/с в пространство, а оставшаяся центральная часть схлопывается (коллапсирует) в сверхплотную нейтронную звезду или даже в Черную дыру. Сверхновые играют фундаментальную роль в эволюции звезд, являясь «финалом» жизни звезд с массами более 8-10 солнечных масс, рождая нейтронные звезды и Черные дыры и обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими элементами (практически все химические элементы тяжелее кислорода когда-то образовались при взрыве какой-нибудь массивной звезды).

Не в этом ли разгадка извечной тяги человечества к звездам? Ведь в мельчайшей клетке живой материи есть атомы железа, каждый из которых был синтезирован при гибели массивной звезды, и в этом смысле люди сродни тому снеговику из сказки Г.-Х. Андерсена, который испытывал необъяснимую любовь к жаркой печке, потому что основой его была кочерга…). По своим наблюдаемым характеристикам сверхновые принято разделять на 2 широких класса — сверхновые 1-го и 2-го типа.

В спектрах сверхновых 1-го типа нет линий водорода, зависимость их блеска от времени (т.н. кривая блеска) почти не меняется от сверхновой к сверхновой, светимость в максимуме блеска примерно одинакова. Сверхновые 2-го типа, напротив, имеют богатый водородными линиями оптический спектр, формы их кривых блеска весьма разнообразны, блеск в максимуме сильно различается у разных сверхновых. Чтобы дополнить картину различий между этими типами сверхновых, укажем, что только сверхновые 1-го типа вспыхивают в эллиптических галактиках (т.е. галактиках без спиральной структуры с пониженным темпом звездообразования, основной состав которых — маломассивные красные звезды), в то время как в спиральных галактиках (к числу которых принадлежит и наша галактика Млечный Путь) встречаются оба типа сверхновых, причем установлено, что сверхновые 2-го типа концентрируются к спиральным рукавам галактик, где идет активный процесс звездообразования и много молодых массивных звезд.

Эти феноменологические особенности наводят на мысль о различной природе двух типов сверхновых. Сейчас надежно установлено, что при взрыве любой сверхновой освобождается всегда примерно одно и то же (гигантское!) количество энергии 1053 эрг, что соответствует энергии связи образующегося компактного остатка (напомним, что энергия связи звезды соответствует такому количеству энергии, которое нужно затратить, чтобы «распылить» вещество звезды на бесконечно удаленное расстояние). Основная энергия взрыва уносится не фотонами, а нейтрино — релятивистской частицей с очень малой массой или вообще без массы (этот вопрос активно исследуется последние 10-20 лет на самых мощных ускорителях элементарных частиц), так как большая плотность звездных недр не позволяет фотонам свободно покидать звезду, а нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом (как говорят, имеют очень малое сечение взаимодействия) и для них недра звезды вполне «прозрачны».

Окончательной самосогласованной теории взрыва сверхновых с образованием компактного остатка и сбросом внешней оболочки не существует ввиду крайней сложности учета всех физических процессов, происходящих при вспышке сверхновой. Однако все данные говорят о том, что сверхновые 2-го типа являются следствием коллапса ядра звезды, в котором происходило термоядерное превращение сначала водорода в гелий, затем гелия в углерод и так далее до образования изотопов элементов «железного пика» — железа, кобальта и никеля, атомные ядра которых имеют максимальную энергию связи в расчете на одну частицу (ясно, что присоединение новых частиц к ядру, например железа, будет требовать затрат энергии, а потому термоядерное горение и «останавливается» на элементах железного пика).

Что же заставляет центральные части массивной звезды терять устойчивость и коллапсировать, как только железное ядро станет достаточно массивным (около 1.5 масс Солнца)?

В настоящее время известны два основных фактора, приводящие к коллапсу. Во-первых, это «развал» ядер железа на 13 альфа-частиц (ядер гелия) с выделением фотонов (т.н. фотодиссоциация железа), и

во-вторых, захват электронов протонами с образованием нейтронов (т.н. нейтронизация вещества).

Оба процесса становятся возможными при больших плотностях (свыше 1 тонны в куб. см), устанавливающихся в центре звездных недр в конце эволюции, и оба они эффективно снижают «упругость» вещества, которая фактически и противостоит сдавливающему действию сил притяжения. При этом в ходе нейтронизации вещества выделяется большое количество нейтрино, уносящее основную энергию, запасенную в коллапсирующем ядре. В отличие от процесса катастрофического коллапса ядра, разработанного достаточно детально, сброс оболочки звезд (собственно взрыв) не так-то просто получить. По-видимому, существенную роль в этом процессе играет нейтрино.

Как показывают расчеты, проведенные на суперкомпьютерах, плотность вблизи ядра настолько высока, что даже слабовзаимодействующие с веществом нейтрино оказываются на какое-то время «запертыми» внешними слоями звезды. Но гравитационные силы притягивают оболочку к ядру и возникает ситуация, похожая на ту, которая получается при попытке налить более плотную жидкость, например, воду, поверх менее плотной (например, керосина или масла) — из опыта хорошо известно, что легкая жидкость стремится «всплыть» из-под тяжелой (в этом проявляется так называемая неустойчивость Рэлея-Тэйлора). Этот механизм приводит к возникновению гигантских конвективных движений и в конце концов импульс нейтрино передается вышележащей оболочке, которая сбрасывается в окружающее звезду пространство. Интересно отметить, что, возможно, именно эти нейтринные конвективные движения приводят к нарушению сферической симметрии взрыва сверхновой (иными словами, появляется направление, вдоль которого преимущественно выбрасывается вещество) — и тогда образующийся остаток получает импульс отдачи и начинает двигаться в пространстве по инерции со скоростью до тысячи км/с (столь большие пространственные скорости наблюдаются у молодых нейтронных звезд — радиопульсаров). Описанная схематическая картина взрыва сверхновой 2-го типа позволяет объяснить основные наблюдательные особенности этого грандиозного явления. Более того, теоретические предсказания этой модели (особенно касающиеся полной энергии и спектра нейтринной вспышки) оказались в отличном согласии с зарегистрированным нейтринным импульсом, пришедшим 23 февраля 1987 г. от сверхновой в Большом Магеллановом Облаке.

Теперь несколько слов о сверхновых 1-го типа. Отсутствие свечения водорода в их спектрах говорит о том, что взрыв произошел в звезде, лишенной водородной оболочки. Как сейчас полагают, это может быть звезда типа Вольфа-Райе (фактически это богатые гелием, углеродом и кислородом ядра звезд, у которых давление света «сдуло» верхнюю водородную оболочку, или же, если такая массивная звезда входила в состав тесной двойной системы, эта оболочка «перетекла» на соседнюю звезду под действием мощных приливных сил), у которой коллапсирует проэволюционировавшее ядро (т.н. сверхновые типа 1b), или взрывающийся белый карлик.

Как может взорваться звезда белый карлик? Ведь это очень плотная звезда, в которой не идут ядерные реакции, а силам гравитации противостоит давление плотного газа, состоящего из электронов и ионов, которое вызвано существенно квантовыми свойствами электронов (т.н. вырожденный электронный газ). Причина здесь та же, что и при коллапсе ядер массивных звезд — уменьшение упругости вещества звезды при повышении ее плотности. Это опять же связано со «вдавливанием» электронов в протоны с образованием нейтронов, а также с некоторыми релятивистскими эффектами, которые мы здесь не будем рассматривать.

Как же можно повысить плотность белого карлика? Это невозможно, если он одиночный. Но если белый карлик входит в состав достаточно тесной двойной системы, то под действием гравитационных сил газ с соседней звезды может перетекать на белый карлик (вспомните случай новых звезд!), и при некоторых условиях масса (а значит и плотность) его будет постепенно возрастать, что в конечном счете и приведет к коллапсу и взрыву.

Другой возможный вариант более экзотичен, но не менее реален — это столкновение двух белых карликов. Как такое возможно, спросит внимательный читатель, ведь вероятность столкнуться двум белым карликам в пространстве ничтожна, т.к. ничтожно число звезд в единице объема (от силы несколько звезд в 100-1000 парсеках). И здесь (в который уж раз!) «виноваты» оказываются двойные звезды, но теперь уже состоящие из двух белых карликов. Не вдаваясь в детали их образования и эволюции, заметим только, что, как следует из общей теории относительности А.Эйнштейна, две любые массы, обращающиеся по орбите вокруг друг друга, рано или поздно должны столкнуться из-за постоянного, хотя и весьма незначительного уноса энергии из такой системы волнами тяготения — гравитационными волнами (например, Земля и Солнце, живи они бесконечно долго, столкнулись бы из-за этого эффекта, правда через колоссальное время, на много порядков превосходящее возраст Вселенной).

Оказывается, в случае двойных систем с массами звезд около солнечной (2*10↑30 кг) их «слияние» должно произойти за время, меньшее возраста Вселенной (примерно 10 миллиардов лет).

Как показывают оценки, в типичной галактике такие двойные белые карлики могут сливаться раз в несколько сотен лет. Гигантская энергия, освобождаемая при этом катастрофическом процессе, вполне достаточна для объяснения явления Сверхновой типа 1а. Кстати, примерная одинаковость масс белых карликов делает все такие слияния «похожими» друг на друга, поэтому сверхновые типа 1а по своим характеристикам должны выглядеть одинаково вне зависимости когда и в какой галактике произошло это событие. Это свойство сверхновых типа 1а в настоящее время используется учеными для получения независимой оценки важнейшего космологического параметра — постоянной Хаббла, которая является количественной мерой скорости расширения Вселенной.

Мы рассказали лишь о наиболее грандиозных взрывах звезд, происходящих во Вселенной и наблюдаемых в оптическом диапазоне. Мы отмечали выше, что в случае Сверхновых звезд основная энергия взрыва уносится нейтрино, а не светом, поэтому исследование неба методами нейтринной астрономии имеет интереснейшие перспективы и позволит в будущем «заглянуть» в самое «пекло» сверхновой, скрытое огромными толщами непрозрачного для света вещества.

Еще более удивительные открытия сулит гравитационно-волновая астрономия, которая в недалеком будущем расскажет нам о грандиозных явлениях слияния двойных белых карликов, нейтронных звезд и Черных дыр.

Большинство из нас, кто живет сегодня, никогда не знали мира, в котором не существует космических полетов. Но еще до того, как мы ступили на поверхность Луны, запустили Международную космическую станцию, направили механических посланцев к другим планетам и даже за пределы Солнечной системы, у нас был «Звездный путь», который предложил общественности такие мечты, что ими грезят до сих пор. Вместо ракетного топлива, нам предложили корабли на антиматерии. Вместо посещения ближайших миров в нашей Солнечной системе, мы отправились к планетам возле далеких звезд. Вместо преодоления звукового барьера, мы прыгнули на световые годы в считанные дни. И среди разнообразных технологических достижений, с которыми нас познакомил «Звездный путь» — и возможностей цивилизации — пожалуй, изобретение варп-двигателя было самым великолепным.
Еще до создания «Звездного пути» человечество было поставлено перед фактом: для успешного освоения космоса нужно победить скорость света. Учитывая, что даже ближайшая звезда к нашему Солнцу— и ближайший потенциально обитаемый мир — более чем в четырех световых годах от нас, путешествие к любой другой звездной системе будет означать, что на Земле пройдут многие годы, даже если сам космический корабль воспользуется преимуществами специальной теории относительности и сократит время путешествия для экипажа. Согласно теории Эйнштейна, когда вы путешествуете на скорости, близкой к скорости света, расстояния по вашему курсу движения будут укорачиваться (сокращение длины), а скорость, с которой проходит время, будет удлиняться (замедление времени). Две этих идеи буквально противоречат здравому смыслу, но тем не менее хорошо изучены и подтверждены в рамках специальной теории относительности. Если бы путешествовать по Вселенной было несложно, члены экипажа, путешествующего на околосветовой скорости, оставался бы относительно молодым, а вот в пункте отправления и назначения прошли бы многие годы. Межзвездное путешествие растянется на поколения.

Но общая теория относительности предлагает возможный выход из этих тесных стен: благодаря податливости самого пространства-времени. Мы, возможно, не смогли бы путешествовать через само пространство на скорости большей, чем 299 792 458 м/с, но если бы мы могли сократить сами расстояния между двумя точками (или событиями), то мы не только могли бы добраться в пункт назначения очень быстро с точки зрения экипажа, но и с точки зрения наблюдателей там и тут. Варп-двигатель, предложенный 50 лет назад, предлагает уникальную реализацию такого решения: за счет искажения (сокращения) пространства по направлению движения звездолета.
Искажение пространства времени по направлению движения (перед) космического аппарата впервые взяли на вооружение фантасты 1960-х годов, подпоясавшись выдуманным механизмом. По их планам, варп-двигатель мог бы эффективно сократить путешествие от звезды к звезде, будучи ограниченным только тем, насколько можно сжать пространство перед кораблем, но можно ли его сделать в принципе? В 1994 году было показано, что решение в рамках ОТО позволяет привести пространство-время к такому поведению. Сжимая пространство перед аппаратом и удлиняя пространство позади на равный и противоположный показатель, можно создать «пузырь» пространства, в котором будет ваш космический аппарат. Мигель Алькубьерре показал, что такой варп-двигатель будет полностью соотносится с законами, управляющими поведение пространства-времени. 22 года назад, одним махом, физика перешла от фантастических путешествий с варп-скоростью — теперь этот двигатель называется в честь Алькубьерре — к теоретически возможным.

Чтобы двигатель Алькубьерре стал реальностью, нам необходимо решить множество практических вопросов, в настоящее время непреодолимых препятствий. Во-первых, по самым скромным расчетам расхода энергии, необходимой для деформации любой непустой части пространства таким образом, необходимо минимум 20 000 мегатонн тротилового эквивалента. Или тонна массы, преобразованная в чистую энергию по формуле Эйнштейна E = mc2. Во-вторых, двигатель Алькубьерры требует создания области пространства с энергией, которая меньше нулевой энергии самого пространства, что требует наличия отрицательной массы (или отрицательной энергии) в той или иной форме. Хотя это может показаться непреодолимым препятствием, поскольку только положительные массы и энергии, как известно, существуют в этой Вселенной, создание условий, аналогичных эффекту Казимира, когда параллельные проводящие пластины могут уменьшать эффективную нулевую энергию самого пространства, могло бы удовлетворить необходимым требованиям. Это решение предложил сам Алькубьерре.
Наконец, не существует известного способа начать путешествие на варп-скорости и закончить его, как только оно началось. Очевидно, чтобы управлять космическим аппаратом, нужно уметь и то и другое. Когда-нибудь, возможно, мы снова вернемся к чертежам и позволим себе покинуть эту галактику. А пока остается только мечтать.