Территория Большого Взрыва. Как устроена Вселенная и что с ней не так?

Немного обо мне и о теме

Эта статья — первая из трёх, основанных на моём курсе «Территория Большого Взрыва», который я читаю в летней школе Химера. Курс состоит из 4 — 5 лекций, каждая длительностью около часа. Лекции ориентированы на школьников старших классов и студентов младших курсов, поэтому искушённому читателю всё нижеизложенное может показаться сильно упрощённым.

При трансформации в статьи курс изрядно расширился, но, по сути, остался переосмыслением нескольких чудесных книг, среди которых я хочу упомянуть (и порекомендовать) четыре:

• Алекс Виленкин — Мир многих миров

• Стивен Вайнберг — Первые три минуты

• Брайан Грин — Элегантная Вселенная

• Джон Гриббин — 13.8

В список не попало много других хороших книг, среди авторов которых, конечно же, Стивен Хокинг, а также сэр Роджер Пенроуз.

Если тема зайдёт, то я буду рад расширить её в таких направлениях, как теория времени, поиск инопланетных цивилизаций и подобных.

В статьях я привожу многочисленные ссылки на статьи русскоязычной Википедии. Я сознательно не использую первоисточники, так как считаю, что Википедия — это удачный компромисс между достоверностью и удобством доступа к информации. Как минимум, в отношении космологии и теоретической физики.
Иллюстрации преимущественно тоже оттуда.

Однако, перейдём к космологии!

Какова Вселенная сейчас

Невообразимые расстояния

Типичные размеры и расстояния во Вселенной – буквально – недоступны нашему воображению, так как несопоставимы ни с чем нам известным. Лучше всего мы воспринимаем размеры объектов, которые можем сравнить с интуитивно понятными нам размерами – в первую очередь, с нашими телами и бытовыми предметами.
Для сильно отличных размеров уже приходится строить мысленные модели. Например, расстояние между Москвой и Владивостоком, равное примерно 6 400 км, недоступно нам непосредственно. Но у нас есть практические мерки, позволяющие его оценить и представить. На самолёте часов 8 лететь, на поезде неделю (что породило множество анекдотов). Это расстояние вполне доступно нашему воображению, хоть и косвенно. Самое большое расстояние на Земле – окружность экватора, 40 000 км – представить уже сложнее.

С временем то же самое. Те самые 40 000 км фотон пролетит примерно за 0,15 с (при условии, что он не встретит по дороге ни одной частицы). Это время находится где-то на нижней границе доступного для осознания человеком.

Теперь переместимся на Луну. По космологическим меркам она крутится совсем рядом с Землёй, в каких-то 400 000 км (в среднем). Это расстояние свет преодолевает уже за отлично осознаваемые 1,3 секунды. А уж расстояние от Солнца до Земли (в среднем примерно 150 млн км, 1 астрономическая единица), свет пролетает и вовсе за вполне солидные 8 минут.

Отлетим от Земли подальше. Нептун, самая дальняя из планет, находится примерно в 4,5 млрд км от Солнца (около 30 а.е. = 4 световых часа) – в 30 раз дальше, чем Земля. Это где-то в 100 000 раз больше, чем окружность экватора. Такое сравнение на мой взгляд уже довольно бесполезно.

А за Нептуном (и немного вокруг него) располагается обширный Пояс Койпера, который, по оценкам, простирается до 55 а.е. от Солнца.

Эти расстояния уже довольно сложно охватить разумом. Но за Поясом Койпера, судя по всему, располагается Облако Оорта. И вот его внешняя граница (гипотетическая!) находится на расстоянии, которое совсем не помещается в моё воображение – от 50 000 до 100 000 а.е. Примерно 1 световой год. Это четверть расстояния до Проксимы Центавра! А мы даже ещё не вышли за пределы Солнечной системы. Где находится её граница, правда, вопрос неоднозначный. Но тем не менее.

На лекциях я всегда рассказываю школьникам о форме представления расстояний в метрах, записанных в экспоненциальной форме. Мы выписываем размер человека (~2∙10⁰ м), диаметр Земли (~10⁷ м), диаметр Солнечной системы, который считаем равным 2 световым годам. Световой год превращается по определению в 9 460 730 472 580 800 9∙10¹⁵ м, которые мы с ужасающим пренебрежением к точности округляем до ~10¹⁶ м, и получаем, что Солнечная система в диаметре ~2∙10¹⁶ м (двойку оставим, хотя пренебречь ею здесь гораздо безопаснее, чем приравнять 9 к 10).

А Солнечная Система, как известно, является частью вполне обычной спиральной галактики Млечный Путь, диаметр которой оценивают в 100 000 (10⁵) световых лет, то есть, в 10⁵∙10¹⁶ = 10²¹ м.

А размер наблюдаемой Вселенной оценивается в 93 млрд световых лет, что при переводе в метры даёт 9.3∙10¹⁰∙10¹⁶ ~ 10²⁷ м (с ещё большим пренебрежением к точности).

И когда я демонстрировал слушателям лекции эти расчёты в первый раз – столкнулся с очень интересным эффектом математического восприятия. Попробуйте навскидку сравнить числа 10²¹ (диаметр Млечного Пути) и 10²⁷ (диаметр наблюдаемой Вселенной). У всех моих слушателей – как и у меня! – каждый раз возникает ощущение, что это какая-то ошибка. Как размер целой Вселенной может быть так незначительно больше размера одной из сотен миллиардов галактик в ней?!

Мне даже пришлось несколько раз перепроверить эти не слишком мудрёные вычисления.

В первую очередь злую шутку с нами играет экспоненциальная форма и переход к метрам. Если записать размеры в световых годах, разница будет ощущаться более значительно – 10⁵ против 10¹¹. Суть, конечно, в том, что наш мозг сравнивает между собой числа 21 и 27, которые соотносятся как 7 к 9 – разница относительно невелика. Но это же степени! Эти числа отличаются в миллион раз. Но экспоненциальная форма раз за разом вынуждает нас ошибаться.

Ну хорошо, с этим понятно. Но галактик-то сотни миллиардов, а у нас получилось, что вся Вселенная всего в миллион раз больше одной из них! Как они влезают?!

И вот тут вступает в игру вторая ошибка нашего мышления. Мы сравниваем линейные размеры, рассматривая трёхмерные объекты! Основная часть нашей галактики представляет собой «блин» толщиной примерно 1500 световых лет со сплюснутым шарообразным утолщением в центре диаметром около 7 000 световых лет. Её объём можно оценить сверху как удвоенный объём конуса с радиусом основания в 50 000 и высотой 3500 световых лет, что даст примерно 2∙10¹⁴ кубических световых лет, то есть,  2∙10¹⁴∙(10¹⁶)³ = 2∙10¹⁴∙10⁴⁸ = 2∙10⁶² м³. Много!

Ну а объём наблюдаемой Вселенной будет примерно равен объёму шара диаметром 10²⁷ м, то есть, 4∙10⁸¹ м³. На 19 порядков больше! В десять миллионов миллиардов раз. Места хватит на всё, в том числе и на чудовищные войды между сверхскоплениями галактик.

P.S.

Если возвести в куб отношение линейных размеров Млечного Пути и Вселенной, равное 10⁶, получится 10¹⁸. Всего-то в 10 раз ошиблись бы:)

Когда мы сравниваем числа, отличающиеся на десятки порядков, при них можно не указывать никаких коэффициентов, вроде 2 или даже 4, это совершенно не влияет на результат сравнения. Но лично мне почти физически тяжело взять и написать 10⁶² вместо 2∙10⁶². Вы что, они же отличаются в целых 2 раза!

Вступление про космологические размеры обычно калибрует восприятие слушателей, помогает почувствовать грандиозность тем, обсуждаемых в дальнейшем.

4 типа взаимодействий и стандартная модель

От размеров Вселенной перейдём к её устройству на самом базовом уровне.

Я помню довольно резкое осознание факта, что в нашей Вселенной всего 4 типа физических взаимодействий: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.

При этом, из них только электромагнитное и гравитационное взаимодействия распространяются заметно за пределы атомного ядра. Все проявления сильного и слабого взаимодействий остаются внутри или очень близко к нему. То есть, для человека вся окружающая его действительность и все способы её непосредственного восприятия и взаимодействия с ней обусловлены ровно двумя типами взаимодействий: электромагнитным и гравитационным.
Гравитационное взаимодействие притягивает нас к Земле (и к другим объектам, имеющим массу), а весь остальной наш непосредственный опыт обусловлен исключительно электромагнитными эффектами.

Этот факт меня в своё время просто ошеломил. Все наши 5 (или сколько их там) чувств, все красоты и ужасы окружающего мира, всё наше мышление и сознание – это, ни много, ни мало, взаимодействие фотонов с электронами и больше ничего. Вся моя родная химия тоже оказалась всего лишь частным случаем электродинамики! Я несколько драматизирую, но всё же, все механизмы химических реакций действительно определяются законами квантовой электродинамики.

Но разновидностей частиц, которые могут взаимодействовать этими четырьмя способами, сравнительно много. И описываются они весьма удачной моделью, которая существует уже почти 60 лет и, в отличие от многих других моделей и законов, имеет довольно неброское название – «Стандартная модель».

Таблица Стандартной модели выглядит красиво и стройно, бозон Хиггса, правда, немного выбивается. В ней 4 ячейки с калибровочными бозонами, как раз по числу типов взаимодействий. Однако это всего лишь совпадение!

В этой таблице нет бозона, отвечающего за самое слабое из всех взаимодействий – и это не слабое взаимодействие. Как раз наоборот, за слабое взаимодействие отвечают сразу 3 бозона: W+, W− (в таблице они занимают одну ячейку) и Z⁰.

А самое слабое взаимодействие, у которого нет известного бозона – это гравитация.

В довольно стройной физической теории, описывающий нашу Вселенную, есть небольшая проблема: гравитационное взаимодействие есть, а переносящей его частицы нет! У этой частицы даже есть название – гравитон, по аналогии с фотоном, но саму её ни фактически, ни даже теоретически пока никто не видел. Возможно, она и вовсе не существует, а является виртуальной.

Кстати, как вообще можно сравнивать взаимодействия между собой и утверждать, что «гравитация – самое слабое из всех взаимодействий»? Строго говоря, этого лучше не утверждать, конечно. Но попробовать сравнить можно.

Рассмотрим два электрона. Они имеют одноимённые заряды и поэтому отталкиваются электромагнитно. Но они имеют и массу, вследствие чего притягиваются гравитационно. И если сравнить силу гравитационного притяжения (1.24∙10^-71 Н) и электромагнитного отталкивания (2.31∙10^-28 Н) двух электронов на расстоянии 1 Å, окажется, что они отличаются примерно на 43 порядка! Как мы уже понимаем, это неимоверно много.

Добавлю, что эти расчёты сделал Chat GPT, сопроводив их очень подробными выкладками и комментариями:)

Из чего же, из чего же сделана наша Вселенная?

Итак, объектная модель Вселенной состоит из дюжины «классов» элементарных частиц с разнообразными свойствами, реализующими интерфейсы для 4 типов взаимодействий. Не так много, но многообразие сочетаний их экземпляров получается впечатляющее!

Давайте посмотрим, из чего состоит Вселенная. Вот относительный массовый состав барионной материи Вселенной:

• H — 75%

• He — 23%

• O — 1%

• C — 0,5%

Атомы всех остальных элементов — 0,5 %.

Получается, что всё, что нас окружает на Земле, в основном состоит из весьма редко встречающихся во Вселенной химических элементов!

Но теперь я обращаю внимание уважаемых читателей, что это состав не всей массы Вселенной, а лишь барионной материи – «обычного» вещества, из которого состоят привычные для нас объекты окружающего мира. Включая все звёзды, планеты, межзвёздный газ и, судя по всему, чёрные дыры. А масса барионной материи составляет чуть менее 5% от общей теоретической массы Вселенной! Остальные 95% мы вообще не видим, ни глазами, ни приборами, потому что это загадочная тёмная материя (~27%) и вовсе необъяснимая тёмная энергия (~68%), о которой мы подробнее поговорим в следующий раз.

Форма Вселенной

Кроме размеров и состава у Вселенной есть ещё и форма, а точнее, кривизна. Кривизна нашей Вселенной почти точно равна нулю, то есть, Вселенная практически плоская. Когда я первый раз столкнулся с этим заявлением, у меня появились вопросы. Например, «Как может быть плоским трёхмерное пространство?» или «Если оно может быть плоским — то каким ещё?»

Кривизна пространства

Относительно недавно на Хабре уже была статья, где весьма подробно рассказано про кривизну Вселенной. По объёму она не сильно меньше всей этой статьи, так что без глубоких подробностей обозначу основные тезисы.

Чтобы наглядно представить себе кривизну пространства, лучше всего взглянуть на него «снаружи» — из пространства с большей размерностью. Мы, трёхмерные объекты внутри трёхмерного пространства, не имеем (пока что) никакой физической возможности выйти за его пределы. Более того, за неимением другого опыта наш мозг совершенно не приспособлен постигать пространства размерностей, больших трёх.

Так как у нас никак не получится взглянуть снаружи на трёхмерное пространство — давайте взглянем на двухмерное! Обычный лист бумаги послужит прекрасной его моделью. Какова его кривизна? Плоское ли оно? Ответ буквально очевиден: оно плоское! Но очевидность, к сожалению, не является строгим критерием. А вот сумма углов треугольника — является. Из курса геометрии за 7 класс мы знаем, что сумма углов треугольника ВСЕГДА равна 180°. Но, как говорят в подобных случаях, забудьте всё, чему вас учили в школе. Если нарисовать треугольник на плоскости — сумма его углов и правда будет равна 180° (или, если угодно,