В создании схем пространства-времени, на которые наносится возможное прошлое и будущее световых лучей и частиц, наступил новый этап, когда астрономы задумались о воздействии гравитации. Глядя во Вселенную, мы получаем информацию двумя способами. Мы собираем фотоны видимого света либо частицы излучений, находящихся в других областях спектра, например рентгеновских лучей. Для этого мы используем телескопы и другие приемники. Кроме того, мы обнаруживаем объекты, обладающие массой, в частности метеориты, кометы и космические лучи, движущиеся со скоростями меньше световой – достичь скорости света они не могут именно из-за наличия массы. Рассмотрев эту входящую информацию на диаграмме пространства-времени, мы убедимся, что астрономия помогает нам узнать, какова структура поверхности светового конуса, простирающегося в прошлое. Так отслеживается история световых лучей и других видов излучения, наблюдаемых сегодня, вплоть до точки их появления или до тех пор, пока что-нибудь не заслонит нам обзор. Быстрые космические лучи, ископаемые останки, а также космический мусор позволяют заглянуть в историю примерно на 4,6 миллиарда лет назад. Вся эта область находится внутри светового конуса прошлого. Так мы получаем непосредственный доступ к региону, затемненному на приведенной здесь схеме, которую Фред Хойл впервые начертил в 1960 году. Через 13 лет Джордж Эллис детализировал ее, показав различные эпохи космической истории и области пространства и времени, доступные для наблюдений.
Если проследить приходящее к нам излучение назад во времени, вплоть до его источника, то мы столкнемся с несколькими барьерами. Первый встает на нашем пути в те времена, когда Вселенная была примерно в тысячу раз компактнее, чем сегодня, и ее возраст составлял всего 372 000 лет. Температура Вселенной равнялась примерно 3000 градусам Кельвина. Это слишком много, чтобы могли существовать атомы и молекулы. Такая Вселенная была морем из фотонов, электронов и легких ядер, взаимодействовавших в сильно ионизированной плазме, содержавшей огромные количества призрачных нейтрино и гравитонов, которые двигались, не подвергаясь никаким внешним воздействиям, кроме гравитационных. Если бы наши телескопы могли заглянуть так далеко, туда, где температура еще составляла 3000 градусов, ничего более отдаленного увидеть было бы нельзя. Ситуация напоминала бы попытку разглядеть что-либо через заиндевевшее стекло. Фотоны рассеивались бы свободными электронами, в то время как при более низких температурах (а позже они действительно понизились) электроны связаны в атомах и фотоны могут свободно проходить через пространство. Подумайте, что мы видим, когда смотрим на Солнце. Его резко очерченные контуры – это на самом деле поверхность, образованная беспорядочно движущимися фотонами, которые высвобождаются в результате ядерных реакций, идущих глубоко в недрах Солнца. Плотность светила достаточно низка, чтобы его фотоны могли беспрепятственно долетать до нас.
Схема светового конуса прошлого, разработанная Фредом Хойлом в 1960 году. На ней представлен световой конус прошлого с точки зрения наблюдателя, живущего сегодня. Затемненные области внутри схемы соответствуют тем областям, информация из которых может достичь наблюдателя благодаря данным астрономии и геологии. Вдоль границы конуса и движется весь свет и остальные виды излучения, наблюдаемые астрономами
Глядя на Солнце, мы на самом деле видим поверхность, на которой происходит рассеяние света, – эта область называется фотосферой. Мы можем заглянуть в Солнце не глубже, чем до фотосферы, если смотрим на него в видимом диапазоне спектра. По той же причине мы не можем непосредственно увидеть фотоны света, образовавшиеся на ранних стадиях существования Вселенной.
Но на Солнце, как и в молодой Вселенной, образовываются не только фотоны, но и другие частицы, которые мы уже можем идентифицировать. Много лет назад астрономы научились обнаруживать нейтрино, приходящие из самых глубин Солнца. Нейтрино реагируют на слабые (радиоактивные) взаимодействия, но не поддаются электромагнитным силам, поскольку сами не обладают электрическим зарядом. Они текут из центра Солнца и могут быть отловлены случайно, когда попадают в специальные детекторы, расположенные глубоко под Землей (туда не попадают другие, более крупные частицы, которые поглощаются массой земных пород).
Более подробное изображение светового конуса прошлого, выполненное Джорджем Эллисом. На схеме учтены гравитационные воздействия, обусловливающие сужение «достижимой» области к моменту первичной сингулярности Большого взрыва (при условии отсутствия воздействия других сил). Мы не можем заглянуть непосредственно в эру ионизированной плазмы с помощью телескопов, улавливающих свет
Возможно, наступит день, когда нейтрино помогут нам заглянуть в первые дни Вселенной. К сожалению, хотя это и наиболее вероятно, основная масса материи во Вселенной состоит из пока неизвестных типов нейтрино, которые гораздо тяжелее тех, что попадают в наши детекторы на Земле. Правда, мы еще очень далеки от создания нейтринного телескопа. Энергии нейтрино, прилетающих из прошлого Вселенной, слишком малы, чтобы их могли обнаружить наши детекторы. Но если бы мы могли видеть эти ранние нейтрино, то получилось бы реконструировать наш световой конус прошлого на всем протяжении, до тех пор пока Вселенная не станет непрозрачной не только для фотонов, но и для нейтрино. Этот предел наступает, когда возраст Вселенной составляет всего одну секунду и она в 10 миллиардов раз жарче и плотнее, чем сегодня.
Если мы захотим заглянуть прямо в первую секунду с начала времени, нам придется применить еще более редкий материал. Увидеть эту секунду нам позволят гравитоны, пакеты энергии гравитационных волн, которые ведут себя и как частицы, и в то же время как волны. Они беспрепятственно путешествовали по Вселенной в ту первую секунду, так как образовались всего через 10-43 секунд после того, как все началось. На тот момент Вселенная была в 1032 раз плотнее и жарче, чем сейчас.
Соотнося эти барьеры с нашими попытками реконструировать прошлое, мы начинаем понимать, какая малая часть пространства и времени нам доступна. Астрономическая Вселенная, которую мы можем изучать методами эмпирических наук, – это всего лишь небольшая часть целого. Чтобы судить о том, на что похожа Вселенная в регионах, не доступных для наблюдения, нужно кое-что просто принять на веру и сделать несколько допущений, которые нельзя проверить. Мы можем предположить, что в наши дни Вселенная в каждой ее части в среднем выглядит так же, как и вокруг нас, где мы можем ее видеть. Долгое время такое предположение считалось современным вариантом коперниковского постулата о том, что мы не должны отводить себе особого места во Вселенной. Увы, в данном случае экстраполяция утверждения Коперника, который говорил только о Солнечной системе, на всю Вселенную может оказаться ошибочной. В последние годы варианты, которые разрабатывает космология на основе принципа «вечно» расширяющейся (инфляционной) Вселенной, приводят нас к пониманию того, что структурно Вселенная должна быть очень сложна, а ее различные регионы могут сильно отличаться друг от друга. Ожидается, что в разных областях Вселенной могут существовать довольно разные условия, и эта точка зрения будет проверена, если удастся проникнуть значительно дальше по сравнению с зоной обзора наших нынешних телескопов. Более того, мы начинаем понимать, что та область Вселенной, в которой мы обитаем, должна обладать рядом необычных свойств, чтобы в ней могла развиться жизнь (возможно, только земная, а возможно – и нет).
Грушевидный регион пространства и времени, находящегося в прошлом, который может влиять на нас, свидетельствует и еще об одной примечательной черте Вселенной. Приходящие к нам лучи света отклоняются от прямых линий, разворачиваются и начинают сходиться, когда мы прослеживаем их в прошлое. Это происходит в результате гравитации. Эйнштейн утверждал, что гравитация воздействует на все, даже на свет, и что гравитационное притяжение всей материи, находящейся в нашем световом конусе прошлого, и вызывает такое схождение. Это свойство оказалось важнейшим компонентом в знаменитых выводах, сделанных Роджером Пенроузом и Стивеном Хокингом. Исследователи показали, какими свойствами должна обладать Вселенная, чтобы в ней началось течение времени. Учитывая, что гравитация вызывает притяжение и во Вселенной достаточно материи для создания такого грушевидного сужения светового конуса прошлого (а так и есть), история не может продолжаться в прошлое бесконечно. Когда эти математические теоремы впервые были доказаны, удалось подкрепить мнение о том, что все формы материи, существующие во Вселенной, должны испытывать гравитационное притяжение.
Поэтому появились основания считать, что где-то в далеком прошлом Вселенная началась во времени, то есть возникла. Впоследствии было предсказано существование и других форм материи, не обязательно создающих гравитационное притяжение. Тот факт, что расширение Вселенной ускоряется, свидетельствует, что подобные формы материи, проявляющей свойства гравитационного отталкивания, преобладают в составе современной Вселенной. Это же говорит о том, что мы больше не можем использовать эти математические теоремы, чтобы дедуктивно доказать, что у времени было начало. Это не означает, что у времени не было начала, а всего лишь то, что его могло не быть, и мы не можем доказать, что оно все-таки было.
Материалы публикуемые на "НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ" это интернет обзор российских и зарубежных средств массовой информации по теме сайта. Все статьи и видео представлены для ознакомления, анализа и обсуждения.
Мнение администрации сайта и Ваше мнение, может частично или полностью не совпадать с мнениями авторов публикаций. Администрация не несет ответственности за достоверность и содержание материалов,которые добавляются пользователями в ленту новостей.
