Правда ли, что Вселенная слишком сложна и изучать её бесполезно: астрофизик развеивает популярные мифы

Многие обитатели нашей планеты не понимают, зачем нужно изучать галактики, которые находятся на расстоянии в десятки миллионов световых лет. Они считают, что гораздо продуктивнее было бы заняться земными проблемами — например, вопросами диагностики рака.

Правы ли эти прагматики и зачем вообще нужно изучать Вселенную, рассказал на форуме «Учёные против мифов» астрофизик Сергей Пилипенко. Организаторы форума — АНТРОПОГЕНЕЗ.РУ — выложили запись его лекции на своём YouTube‑канале, а Лайфхакер сделал конспект.

Сергей Пилипенко

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела теоретической астрофизики и космологии Астрокосмического центра ФИАН, автор 40 научных статей

О новых открытиях астрофизиков обычные люди слышат очень мало. Может быть, поэтому появляется так много мифов о Вселенной и её происхождении. А ещё — о беспомощности учёных перед огромным космосом. Постараемся отделить мифы от правды и поговорим о космологии — науке о Вселенной.

Миф 1. Вселенная слишком сложна, чтобы человек мог разобраться в её устройстве

С одной стороны, это утверждение звучит логично. Люди тысячи лет осваивали Землю и понятия не имели, что происходит вдали от родной планеты.

А потом они изобрели телескопы. И оказалось, что во Вселенной происходят взрывы, при которых выделяется больше энергии, чем способно отдать Солнце за десять миллиардов лет. И что Солнечная система — крошечная часть галактики, в которой больше 100 миллиардов звёзд. Таких галактик множество. Причём расположены они не хаотично, а образуют чёткую ячеистую структуру, которая издалека похожа на пену. А всё пространство космоса заполнено этой пеной из миллиардов галактик.

Более того, люди узнали, что Вселенная постоянно меняется и эволюционирует во времени. Например, сейчас она расширяется. Кажется, что сложно сформулировать законы, которые определяют существование и развитие огромных космических миров. Но на самом деле это не так.

Законы природы, которые мы знаем здесь, на Земле, так же действуют и в других местах Вселенной, других галактиках. И так же они действовали в далёком прошлом этой Вселенной. Это не просто голословное утверждение, в которое надо поверить. Это факт, который можно проверить экспериментально.

Сергей Пилипенко

Есть несколько способов доказать, что физические законы едины для всей Вселенной. Рассмотрим два из них:

1. Сравним скорость хода часов, которые работают на разных физических принципах. Возьмём старые ходики с качающимся маятником. Период его колебания зависит от силы тяготения. То есть здесь главная действующая сила — гравитация. В наручных часах, механических и электронно-механических, тоже есть маятник. Но он колеблется за счёт воздействия пружины. Здесь гравитация ни при чём, и действуют электромагнитные силы.

Скорость хода всех этих часов определяется совершенно различными фундаментальными физическими законами и разными базовыми константами. Учёные сравнивали поведение механизмов на протяжении года, чтобы понять, меняются ли фундаментальные физические константы по отношению друг к другу. Оказалось, что они остаются теми же — с точностью до 16‑го знака после запятой. То есть физические законы не зависят от времени. Чтобы закрепить результат, учёные исследовали природный ядерный реактор, который располагался на территории Африки и был активным два миллиарда лет назад.

Когда геологи вместе с физиками исследовали остатки этого природного реактора, то по содержанию в нём изотопов смогли установить: для того чтобы он функционировал, значения фундаментальных констант должны были быть такими же, как сейчас. И снова гипотеза подтвердилась.

Сергей Пилипенко

2. Исследуем спектр далёких космических объектов. У каждого атома периодической системы Менделеева есть свой спектр, по которому можно точно определить, что это за вещество. Он тоже зависит от основных физических констант.

Чтобы исследовать спектр далёких тел, астрономы изучали квазары — одни из самых ярких объектов во Вселенной. На расстоянии около 10 миллиардов световых лет константы с высокой точностью оказались теми же, что и на Земле. А так как свет от этих квазаров шёл до нас 10 миллиардов лет, то учёные получили ещё одно доказательство, что основные законы не меняются со временем.

Получается, что они могут с достаточной точностью строить модели развития Вселенной. Помешать этому не могут ни огромные расстояния, ни гигантские временные промежутки.

Миф 2. Теория Большого взрыва подтверждает или опровергает гипотезы о сотворении мира

Когда учёные в начале XX века установили, что Вселенная расширяется, появилась теория Большого взрыва. Она утверждает, что в самом начале развития Вселенной был некий нулевой момент. То есть сначала вся масса была сжата в точку, а потом случился взрыв. Он запустил отсчёт времени, и материя стала разлетаться. Так родилась Вселенная, которая продолжает расширяться.

Многие философы тут же заявили: Большой взрыв — это же момент творения! Точку с бесконечно высокой плотностью и температурой поместил в пространство всемогущий создатель, и он же устроил взрыв!

Красивая теория. Но сегодня учёным ясно, что это слишком упрощённая модель. Если бы она оказалась верна и сначала была всего одна точка, то сегодня Вселенная оказалась бы однородной. В любом месте она имела бы одинаковую плотность.

Но на самом деле вещество в мире распределено очень неравномерно. Например, плотность обычной воды отличается от среднего показателя Вселенной на 28 порядков. Это слишком много.

Вселенная, одинаковая везде, была бы очень скучной. Современная наука говорит о том, что до горячей Вселенной была некая другая стадия, которую мы пока точно не знаем. Но есть ряд гипотез о том, что это могло быть.

Сергей Пилипенко

Ну а теперь о доказательствах и опровержениях процесса творения. Мировые религии говорят, что создатель нашего мира всемогущ. Поэтому он, конечно, мог сотворить Вселенную, в которой действуют все физические законы, открытые учёными. Поэтому она развивается в точном соответствии с научными гипотезами.

Но дело в том, что проверить факт творения, находясь в этой Вселенной и глядя на неё изнутри, совершенно невозможно. То есть исследователи не могут ни подтвердить этот факт, ни опровергнуть. А гипотеза, которую нельзя проверить доступными учёным способами, считается ненаучной. Она за пределами исследований и выводов.

Есть ещё несколько теорий возникновения мира:

1. Компьютерная. По этой гипотезе весь наш мир — огромная симуляция, и мы живём в кем‑то созданной виртуальной модели. Интересно, что она оказывается чуть более научной. То есть мы хотя бы частично можем её проверить. Дело в том, что любой компьютер, каким бы мощным он ни был, имеет ограничения. Например, последовательности из цифр в нём имеют конечную длину. И мы можем искать эти численные эффекты в наблюдениях. Значит, будем искать и проверять. И узнаем, справедлива ли эта теория.

2. Инфляционная. Очень популярная гипотеза. Она утверждает, что Вселенная родилась в процессе перехода первичного вакуума в другое состояние. Это процесс часто называют инфляцией. Теория объясняет, почему Вселенная неоднородна, причём параметры неравномерности удивительно похожи на те, что сегодня наблюдают физики и астрономы. Она точно описывает распределение галактик в виде пены. Предсказывает и рождение множественных вселенных, и существование гравитационных волн в пространстве. Учёные сейчас активно ищут эти волны, и может быть, в ближайшие 30 лет найдут. А значит, смогут проверить эту гипотезу.

3. Многомерная. Предполагает, что вселенные рождаются при столкновении каких‑то многомерных поверхностей, которые погружены в пространство с большим, чем наше, числом измерений. Например, в 11‑мерное. В этой модели тоже должно существовать много вселенных.

Гипотезу можно проверить, измеряя гравитацию на микроскопических масштабах. Учёные считают, что дополнительные измерения должны обязательно менять гравитационные показатели, и пытаются найти эти отклонения.

4. Теория рождения вселенных в чёрных дырах. Утверждает, что вселенные рождаются внутри объектов, гравитационное поле которых настолько сильно, что его не может покинуть даже свет. И эту теорию можно проверить. Если мы живём внутри чёрной дыры, то свойства нашей Вселенной должны меняться в зависимости от направления в пространстве. Эти отклонения тоже рано или поздно получится обнаружить. Пока учёные ничего подобного не нашли, но может быть, дело в точности современных способов измерения.

Итак, наука в состоянии объяснить появление Вселенной, не прибегая к гипотезе творения.

Сергей Пилипенко

Миф 3. Мы никогда не узнаем, есть ли другие вселенные

Многие гипотезы предсказывают появление большого числа вселенных. Но скептики говорят: какой смысл в этих теориях, если мы всё равно никогда не сможем точно узнать, действительно ли множественные миры существуют? Оказывается, сможем. В этом нам помогут так называемые «кротовые норы».

Проще всего их себе представить, если взять лист бумаги. От одной точки до любой другой на этом листе можно пройти разными способами. Но если сложить лист пополам и проткнуть его, появляются новые траектории, ведущие через эту дырку. Это и есть кротовая нора.

Сергей Пилипенко

Через такой короткий ход можно очень быстро добраться из одного края Вселенной до другого. Учёные считают, что подобные «дырки» могут связывать и две различные вселенные.

Теория говорит, что для наблюдателей со стороны норы должны выглядеть очень похожими на чёрные дыры. А эти объекты учёные уже научились обнаруживать. Причём снимки, сделанные радиотелескопом, очень похожи на модели, которые строятся с помощью теоретических выкладок.

По представлениям учёных, внутри чёрных дыр мы должны видеть концентрические круги света. Они появляются, потому что сильная гравитация заставляет свет «наматывать круги» и описывать другие сложные траектории.

Примерно та же картина должна быть и у кротовой норы. Внутри тёмного пятна мы должны увидеть световые кольца. Но они должны быть немного других размеров и иначе расположены, чем у чёрных дыр.

Телескопы, которые сегодня есть у астрономов, пока не позволяют нам увидеть такие кольца. Нужны более детальные изображения. Получить их должен новый космический телескоп — «Миллиметрон», который сейчас разрабатывают российские учёные.

Итак, если нам повезёт, мы узнаем, есть ли другие вселенные.

Сергей Пилипенко

Миф 4. Изучать Вселенную бесполезно с практической точки зрения

Скептики говорят: ну допустим, мы узнали, что на расстоянии 60 миллионов световых лет есть кротовая нора, и она, может быть, ведёт в другую вселенную. Но эта находка никак не изменит нашу жизнь, и для обычных людей она просто бесполезна! Поэтому учёным не стоит заниматься никому не нужными исследованиями. Лучше объединить усилия и сконцентрироваться на чём‑нибудь действительно стоящем. Например, поискать лекарство от рака.

Дело в том, что все области науки взаимосвязаны.

Нельзя развивать какие‑то отдельные области, совсем не развивая другие. Тогда не будет прогресса нигде.

Сергей Пилипенко

Космология действительно занимается изучением Вселенной, а не земными делами. Но результаты исследований астрономов и физиков находят применение и в жизни обычных людей.

Например, учёные долго разрабатывали и испытывали спектрометр MUSE. Он отличается высокой чувствительностью и позволяет изучать спектр большого участка неба, где есть десятки галактик. А потом к ним обратились медики и сообщили, что им тоже очень нужен высокочувствительный спектрометр. Он поможет получить точные данные о параметрах человеческой кожи, а это необходимо для диагностики некоторых видов рака.

Астрономы вместе с медиками провели испытания, и теперь на основе MUSE разрабатывают более дешёвый и компактный прибор, который можно будет применять прямо в клиниках.

Ну и наконец, самое важное, на мой взгляд: космология даёт нам представление о нашем месте во Вселенной, о месте нашей планеты.

Сергей Пилипенко

Оказывается, жизнь — очень важный фактор, который многое меняет во Вселенной.

Учёные рассчитали удельную мощность различных космических объектов. Например, у Солнца колоссальная светимость, но и очень солидная масса. Поэтому величина выделяемой энергии на единицу массы у него невелика. Она не больше энергии тепла, которое в ту же единицу времени выделяет куча осенних преющих листьев.

Но если взять живое растение, то получится, что оно в процессе фотосинтеза запасает энергии в десять тысяч раз больше, чем удельная мощность Солнца.

Однако самое высокое значение этого параметра мы наблюдаем у мозга животных и человека. Это значит, что живые, а особенно разумные существа могут очень активно влиять на неживую природу. Что мы и видим на нашей планете.

И если мы хотим вести ответственный образ жизни и понимать последствия всех своих действий и бездействия, то нам необходимо учитывать все законы, которые есть в этой Вселенной. Нам надо их понимать. И знать, какие у нас есть возможности, то есть на что в принципе способна жизнь и на что можем быть способными мы.

Сергей Пилипенко