Спросите Итана: есть ли у Вселенной центр?
Вселенная выглядит примерно одинаково по всем направлениям, но удалённые галактики выглядят болеем молодыми и менее эволюционировавшими, чем те, что находятся ближе
Мы знаем, что наша Вселенная началась с Большого Взрыва, но это не значит, что мы все правильно его себе представляем. Большая часть людей представляет себе его, как взрыв: когда всё началось с горячего и плотного состояния, а потом расширялось в стороны и остывало, в то время, как различные фрагменты-осколки удалялись друг от друга. Но, какой бы ни была эта картина притягательной, она неверная. Наш читатель задаёт связанный с этим вопрос?
Интересно, как получается, что у вселенной нет центра и реликтовое излучение отдалено в любую сторону на равное от нас расстояние. Мне кажется, что если вселенная расширяется, то всегда можно найти место, откуда она начала расширяться.
Давайте для начала подумаем о физике взрыва, и о том, какой бы была наша Вселенная, если бы она началась со взрыва.
Первые стадии взрыва во время ядерного испытания Тринити, 16 миллисекунд после детонации. Верхняя часть взрыва достигла 200 м.
Взрыв начинается в определённой точке и быстро расширяется во все стороны. Самые быстро движущиеся обломки двигаются наружу быстрее остальных. Чем дальше вы находитесь от центра взрыва, тем меньше материала долетит до вас. Плотность энергии со временем повсеместно уменьшается, но дальше от центра взрыва она уменьшается быстрее, поскольку на окраинах взрыва материал более рассеянный. Неважно, где вы находитесь – если взрыв вас не уничтожил, вы всегда сможете реконструировать центр взрыва.
Крупномасштабная структура Вселенной меняется со временем, небольшие несовершенства вырастают и формируют первые звёзды и галактики, затем сливаются вместе, формируя крупные, современные галактики, видимые нам сегодня. Заглядывая на дальние дистанции, мы видим более молодую Вселенную, такую, каким был наш местный регион в прошлом.
Но мы наблюдаем не такую Вселенную. Она одинаково выглядит на дальних и ближних расстояниях: та же плотность, та же энергия, то же количество галактик. Удалённые объекты, двигающиеся от нас с большей скоростью, не выглядят схожими по возрасту с теми, что расположены ближе к нам и двигаются медленнее; они выглядят моложе. На дальних расстояниях объектов не становится меньше, их становится больше. А если взглянуть на схему движения во Вселенной, мы увидим, что несмотря на то, что мы можем заглянуть на десятки миллиардов световых лет, центр неизменно оказывается рядом с нами.
Сверхскопление Ланиакея, расположение Млечного Пути в котором показано красным, представляет собой всего лишь одну миллиардную объёма наблюдаемой Вселенной. Если Вселенная началась в результате взрыва, то Млечный Путь должен был быть рядом с центром
Значит ли это что мы, из триллионов галактик Вселенной, случайно оказались в центре Большого Взрыва? И что изначальный взрыв был подстроен именно таким образом, и были учтены нерегулярные, негомогенные плотности, энергии, и загадочное свечение температурой 2,7 К? Какой мелочной была бы Вселенная, если бы она была подстроена таким нереалистичным образом с самого начала.
Взрыв в космосе заставил бы внешние слои материала двигаться вовне быстрее остальных, что означает, что они становились бы менее плотными, теряли бы энергию быстрее других и демонстрировали разные свойства по мере удаления от центра. Также взрыву нужно было бы расширяться куда-то, а не растягивать само пространство. Наша Вселенная такому описанию не соответствует.
Вместо этого, Общая теория относительности предсказывает не взрыв, а расширение. Вселенная, начавшаяся с горячего, плотного состояния, у которой расширяется сама её ткань. Существует заблуждение, что это процесс начинался с одной точки – это не так! Существовал регион космоса с такими свойствами, наполненный материей, энергией и т.п., а затем Вселенная начала свою эволюцию под влиянием законов гравитации.
У неё повсюду схожие свойства, включая плотность, температуру, количество галактик, и т.п. Если мы выглянем наружу, то найдём свидетельства эволюционирующей Вселенной. Поскольку Большой взрыв случился повсюду одновременно конечное время назад на целом участке космоса, и мы можем наблюдать только этот участок, то когда мы смотрим с нашей точки наблюдения, мы видим участок пространства, не очень сильно отличающийся с нашего местоположения в прошлом.
Заглядывать на космические дистанции – значит, заглядывать в прошлое. Мы живём спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, но Большой взрыв случился и во всех других доступных для наблюдения местах. Время распространения света до других галактик означает, что мы видим эти удалённые регионы такими, какие они были в прошлом.
Галактики, свету которых потребовался миллиард лет на то, чтобы дойти до нас, выглядят такими, какими они были миллиард лед назад! 13,8 млрд лет назад во Вселенной преобладало излучение, а не материя, и когда во Вселенной впервые сформировались нейтральные атомы, это излучение осталось, а потом охладилось и испытало красное смещение из-за расширения Вселенной. То, что мы наблюдаем в качестве реликтового излучения – это не только остаточное свечение от Большого взрыва, но это излучение можно увидеть с любого места Вселенной.
Только несколько сотен микрокельвинов – несколько частей в 100000 – отделяют самые горячие участки от самых холодных на схеме реликтового излучения.
У Вселенной не обязательно есть центр; то, что мы называем «участком» пространства, в котором произошёл Большой взрыв, может быть бесконечного размера. Если центр есть, он буквально может быть везде, и мы бы об этом не узнали; части наблюдаемой нами Вселенной недостаточно для того, чтобы это узнать. Нам нужно было бы увидеть край, фундаментальную анизотропию (где разные направления отличаются друг от друга) по температурам и количеству галактик, и наша Вселенная, на крупнейших масштабах, на самом деле выглядит одинаково везде и во всех направлениях.
Логарифмическое изображение наблюдаемой Вселенной в представлении художника
Не существует места, с которого Вселенная начала расширяться из-за Большого взрыва; существует время, с которого Вселенная начала расширяться. Именно это и есть Большой Взрыв – условие, влияющее на всю наблюдаемую Вселенную в определённый момент. Поэтому смотреть на дальние расстояния во всех направлениях – значит, смотреть в прошлое. Поэтому у всех направлений примерно одинаковые свойства. И поэтому нашу историю космической эволюции можно отследить назад, так далеко, как далеко могут заглянуть наши наблюдения.
Галактики, похожие на Млечный Путь, и их прошлое
Возможно, у Вселенной конечный размер и форма, но если так – эта информация нам недоступна. Часть доступной нам для наблюдений Вселенной конечна, и та информация внутри этой части не содержится. Если вы будете представлять Вселенную в форме шарика, батона или другой понравившейся вам аналогии, помните, что у вас есть доступ только к крохотной части настоящей Вселенной. То, что мы наблюдаем – это нижний предел того, что там есть. Она может быть конечной, может быть бесконечной, мы уверены только в том, что она расширяется, у неё уменьшается плотность, и чем дальше мы смотрим, тем глубже в прошлое можем заглянуть. Как сказала астрофизик Кэти Мэк:
Вселенная расширяется так, как расширяется ваше сознание. Оно ведь не расширяется куда-то; вы просто становитесь менее тупым [dense (англ.) – «плотный», а также «тупой» / прим. перев.]
Источник
Почему существует Вселенная? Философ и писатель Джим Холт о тайнах бытия
Почему существует мир, почему в нём есть мы, почему вообще что-то есть вместо пустоты? Артур Шопенгауэр сказал, что те, кому неинтересен вопрос бытия, страдают слабоумием. Довольно категоричное заявление, но нас-то вопрос интересует, так ведь?
Философ и писатель Джим Холт, задумавшись над этой задачей, рассмотрел различные варианты ответов, составил уравнения, разоблачил элегантную Вселенную и рассказал о плюсах и минусах посредственной реальности. О своих выводах он рассказал на конференции TED.
Выступление Джима Холта с лекцией «Почему существует Вселенная?» с русскими субтитрами (ниже стенограмма):
Почему существует Вселенная? Почему. Ладно, ладно. Это же загадка мироздания. Давайте посерьёзнее. Почему существует мир, почему в нём есть мы, почему вообще что-то есть вместо пустоты? Это же наиглавнейшее «почему».
Я буду говорить о тайне бытия, о загадке бытия, о том, к чему мы в этом вопросе пришли, и почему вам должно быть не всё равно, – ведь вам не всё равно, я надеюсь. Философ Артур Шопенгауэр сказал, что те, кому не интересен вопрос бытия, вопрос мирового бытия, страдают слабоумием. Довольно сурово, но тем не менее. Это называют самой величайшей и грандиозной тайной, самым глубоким и масштабным вопросом, стоящим перед нами. Над ним бились великие мыслители. Людвиг Витгенштейн, возможно, величайший философ XX века, был поражён тем, что мир вообще существует. В своём «Логико-Философском Трактате», в положении 6.44, он писал: «Мистическое не то, как мир есть, но то, что он есть». Если вам не нравятся сентенции философов, возьмите учёного. Джон Арчибальд Уилер, один из величайших физиков XX века, научный руководитель Ричарда Фейнмана, создатель термина «чёрная дыра», сказал: «Я хочу знать, почему квант, почему Вселенная, почему бытие?» А мой друг Мартин Эмис – простите, я сегодня буду часто бросаться громкими именами, придётся вам привыкнуть – так вот, мой добрый друг Мартин Эмис сказал однажды, что нам понадобится ещё пять Эйнштейнов для разгадки тайны происхождения Вселенной. Не сомневаюсь, что среди вас сегодня есть пять Эйнштейнов. Есть хоть один? Отзовитесь. Нет? Никого? Ну ладно.
Вопросом, почему существует нечто вместо ничто, – этим великим вопросом – стали задаваться довольно поздно в истории философской мысли. В конце XVII века его задал философ Лейбниц. Лейбниц – умный парень, придумавший математический анализ независимо от Ньютона и практически одновременно с ним. Но для Лейбница ответ на этот вопрос не был великой загадкой. Он либо притворялся, либо действительно был ортодоксальным христианином в своих взглядах на метафизику. Он сказал, что причина существования мира очевидна: его создал Бог. А Бог творил из ничего. Настолько уж он всемогущ. Ему не нужны никакие подручные материалы для такого созидания. Он может сотворить мир из пустого места, совсем из ничего. Кстати сказать, именно в это сегодня верят большинство американцев. Для них нет загадки бытия. Всё сделал Бог.
Давайте составим уравнение. У меня нет слайдов, поэтому я всё буду изображать руками. Включите фантазию. Итак, Бог + ничто = мир. Так? Вот такое уравнение. Возможно, вы не верите в Бога. Может быть, вы научный атеист или ненаучный атеист, и вы не верите в Бога, и вам это не нравится. Кстати, даже с этим уравнением, Бог + ничто = мир, у нас уже возникает проблема. Почему есть Бог? Существование Бога нельзя объяснить логически, если вы не сторонник онтологического аргумента, а я надеюсь, что нет, так как он нас не устраивает. Вероятно, если бы Бог существовал, он бы подумал: «Я вечен, я всемогущ, но откуда же я взялся?» Отколь же я? Бог ведь изъясняется более возвышенно. По одной версии, Богу так наскучило размышлять над загадкой своего бытия, что он сотворил мир, чтобы как-то отвлечься. Хорошо, давайте забудем о Боге. Уберём Бога из уравнения: _________ + ничто = мир. Если вы буддист, на этом можно остановиться, потому что вы получаете ничто = мир, что тождественно мир = ничто. Верно? Для буддиста мир – одно сплошное ничто. Большая космическая пустота. Нам же кажется, что есть нечто, но только потому, что мы рабы своих желаний. Если мы отпустим свои желания, мы увидим истинный мир – пустоту, ничто. Мы погрузимся в блаженную нирвану, которую определяют так: «жить ровно настолько, чтобы наслаждаться нежизнью».
Это представления буддистов. Но я человек западный, поэтому меня волнует загадка бытия, и поэтому у меня ______ + – сейчас всё станет серьёзно – _______ + ничто = мир. Что вместо пробела? Как насчёт науки? Наука – наш лучший проводник в природу реальности, а самая фундаментальная из наук – физика. Она раскрывает нам реальность, показывает нам то, что я называю истинным и наивысшим содержимым Вселенной. Может быть, физики заполнят этот пробел? И действительно, примерно с конца 60-х или где-то в 1970 году физики задались целью дать чисто научное объяснение тому, как Вселенная вдруг появилась на пустом месте, из квантовой флуктуации вакуума. Один из этих физиков – Стивен Хокинг, чуть позднее был Александр Виленкин. Эти изыскания были популяризованы другим прекрасным физиком и моим другом Лоуренсом Крауссом, написавшим книгу «Вселенная из ничего». Лоуренс считает, что у него получилось. Он, кстати, воинствующий атеист, и Бога он со сцены убрал совсем. Законы теории квантового поля – последнее достижение физики – показывают, как из пустоты, в отсутствие пространства, времени, материи, может зародиться крупица ложного вакуума и посредством чудесного расширения взорваться и превратиться в огромный и разнообразный космос, который нас окружает.
Что ж, это весьма оригинальный сценарий. Очень умозрительный. Захватывающий. Но я в нём вижу большую проблему, она состоит вот в чём: этот взгляд псевдорелигиозен. Лоуренс считает себя атеистом, но он всё ещё в плену религиозного мировоззрения. Законы физики для него как божьи заповеди. Законы теории квантового поля – как изречение «Да будет свет». Они имеют некую онтологическую силу, или власть, наделяющую их способностью сотворить бездну, наполненную материей. Они могут создать мир из ничего. Но это очень примитивный взгляд на сущность законов физики, да? Нам известно, что физические законы – обобщённые описания структур и закономерностей мира. Они не существуют вне этого мира. У них нет собственной сущности. Они не могут сотворить мир из ничего. Это очень примитивный взгляд на научные законы. И если вы не верите мне, послушайте Стивена Хокинга, который предложил самодостаточную модель космоса, не требующую внешнего источника или создателя. И даже предложив эту модель, Хокинг признавал, что он всё ещё в тупике. Он сказал, что эта модель – всего лишь уравнения. Что вдыхает жизнь в уравнения и создаёт описываемый ими мир? Он терялся в догадках. Сами уравнения не творят волшебства, не могут разрешить загадку бытия. К тому же, даже если законы и могли бы это сделать, почему именно эти законы? Почему теория квантового поля должна описывать Вселенную с помощью набора полей, частиц и так далее? Почему не какие-нибудь другие законы? Существует огромное множество законов, подходящих математически. Зачем вообще законы? Почему не обойтись одной пустотой?
Верите или нет, над этой проблемой бьются склонные к размышлениям физики, и на данный момент они склоняются к метафизике. Возможно, система законов, описывающих Вселенную, – это система законов, которая описывает одну часть реальности. Может быть, любой подходящий набор законов описывает другую часть реальности. Фактически, всевозможные физические миры существуют на самом деле, они есть. Мы видим всего лишь крошечную часть реальности, описываемую законами теории квантового поля, но есть множество других миров, реальность, которая описывается совершенно непохожими теориями, невообразимо отличающимися и непостижимо причудливыми. Стивен Вайнберг, основатель стандартной модели физики элементарных частиц, тоже носился с идеей о том, что существуют всевозможные другие реальности. Физик из молодого поколения Макс Тегмарк считает, что существуют всевозможные математические структуры, а математическая сущность – то же самое, что и физическая сущность. Есть чрезвычайно разнообразная мультивселенная, заключающая в себе всё, что логически вероятно.
Обращаясь к такому метафизическому подходу, эти физики и философы возвращаются к очень старой идее, высказанной ещё Платоном. Это принцип полноты, или изобилия, великая цепь бытия: реальность полна настолько, насколько это возможно. Она так удалена от небытия, как это только возможно.
Итак, у нас есть две противоположности. С одной стороны, небытие, с другой – реальность, вмещающая все возможные миры. Всеобъемлющая реальность и небытие, самая простая реальность. Что лежит между этими двумя крайностями? Всевозможные промежуточные реальности, включающие одно и исключающие другое. Одна из промежуточных реальностей, скажем, самая элегантная математически, исключает всё неидеальное, всю безобразную асимметрию и тому подобное. Некоторые физики скажут вам, что мы живём в самой элегантной реальности. Думаю, в зале находится Брайан Грин, который написал книгу «Элегантная Вселенная». Он утверждает, что наша Вселенная математически очень элегантна. Не верьте ему. Это тщетная надежда. Жаль, что это не так. Недавно он признался мне, что Вселенная-то на самом деле скверная. Она бездарно сконструирована, в ней слишком много произвольных постоянных взаимодействия, отношений масс, избыточное число семейств элементарных частиц, и что, чёрт возьми, такое эта тёмная энергия? Это ерунда на палочке какая-то, а не элегантная Вселенная. А ещё есть лучший из всех миров, с этической точки зрения. Здесь посерьёзнее. В этом мире разумные существа не страдают напрасно, там нет таких вещей, как рак у детей или Холокост. Это этическая концепция. Между ничем и самой полной реальностью существуют особенные реальности. Ничто тоже особенно. Самая простая реальность. Есть самая элегантная реальность. Она тоже особенная. Самая всеобъемлющая реальность – особенная.
Про что мы ещё не сказали? Есть также просто жалкие, заурядные реальности, которые ничем не примечательны и вроде как случайны. Они бесконечно далеки от пустоты, и совершенно недотягивают до всеобъемлющей полноты. Это смешение хаоса и порядка, математической элегантности и безобразия. Я бы описал такие реальности как бесконечный, посредственный, недоделанный бардак, усреднённую реальность, что-то вроде космической свалки. Существует ли в этих реальностях некое божество? Возможно. Но это не идеальное божество, как в традиции иудеохристианства. Это божество не всеблагое и не всесильное. Наоборот, оно может быть совершенно зловредным, но могущественным только на 80%, что в общем-то отражает окружающий нас мир. Я предлагаю считать, что разгадка тайны бытия в том, что реальность, в которой мы существуем, – одна из посредственных реальностей. Реальность должна быть хоть какой-нибудь. Она может оказаться ничем, или всем, или чем-то посередине. Если у неё есть какая-то особенность, например, элегантность, полнота или простота, как у небытия, это потребует некоего объяснения. Но если это всего лишь случайная, банальная реальность, дальнейших объяснений не требуется. Я бы сказал, что мы живём как раз в такой реальности. Так нам говорит наука. В начале этой недели появились захватывающие новости о теории инфляции, указывающей на большую, бесконечную, беспорядочную, бессмысленную реальность. Похожая на пенистое шампанское, бесконечно фонтанирующее из бутылки, наша огромная Вселенная – это пустырь с горсткой приятных, мирных и упорядоченных зон. Эта инфляционная модель была подтверждена с помощью наблюдений, сделанных радиотелескопами в Антарктике. Они наблюдали за реликтовыми гравитационными волнами, возникшими прямо перед Большим взрывом. Уверен, вы всё об этом знаете. Думаю, существуют некие свидетельства, подтверждающие, что мы застряли именно в такой реальности.
Так почему же вам должно быть не всё равно? Ну. Вопрос «Почему существует мир?», этот вселенский вопрос, перекликается с более личными. Почему я существую? Почему вы существуете? Наше существование может показаться совершенно маловероятным, потому что число комбинаций человеческих генов колоссально. Если взглянуть на число генов, аллелей и так далее, простой расчёт на бумажке скажет вам, что существует 10 в 10-тысячной степени возможных комбинаций. Это между числами гугол и гуголплекс. Реальное же число людей, когда-либо живших, – 100, или, может, 50 миллиардов. Это ничтожный процент. Все мы – победители в удивительной космической лотерее. И вот мы здесь.
В какой же реальности мы хотим жить? Хотим ли мы жить в особенной реальности? Что, если бы мы жили в самой элегантной? Представьте себе это экзистенциальное давление: соответствовать, быть элегантными, не уронить планку. Что было бы, живи мы в самой полной реальности? Наше существование было бы предрешённым, потому что всё возможное в ней уже существует. Наш выбор не имел бы смысла. Если я страдаю душевно, мучаюсь и решаю поступить правильно, разницы бы не было: ведь существует бесконечное число версий меня, тоже поступающих правильно и бесконечное число версий, поступающих неверно. Мой выбор не имел бы смысла. Не хотелось бы жить в такой реальности. Живи мы в реальности небытия – этого разговора у нас бы не состоялось. Поэтому, я думаю, в посредственной реальности есть свои плюсы и минусы. Мы могли бы приумножить хорошее и сократить плохое – именно это и даёт нам некую цель в жизни. Вселенная абсурдна, но мы всё же умудряемся находить цель, и весьма неплохую. Вся заурядность реальности хорошо перекликается с заурядностью, которую мы все ощущаем глубоко внутри нас самих. Я знаю, что вы её ощущаете. Я знаю, вы уникальны, но вместе с тем втайне посредственны, разве я не прав?
Вы можете сказать, что эта загадка, эта тайна бытия – лишь нагнетание таинственности. Вас не поражает существование Вселенной – и вы в хорошей компании. Бертран Рассел сказал: «Я бы сказал, Вселенная просто есть, и всё». Просто суровый факт. А мой профессор в Колумбийском университете, Сидней Моргенбессер, великий остряк, в ответ на моё: «Профессор, почему есть нечто вместо ничто?» ответил: «Если бы ничего не было, вас бы это всё равно не устроило».
Вот так. Итак, вы не поражены. Не важно. Но в заключение, я скажу вам что-то, что гарантированно вас поразит, потому что это поразило всех блестящих, чудесных людей, встреченных мной на TED. Вот что я вам скажу: у меня никогда в жизни не было мобильного телефона. Спасибо.
Превью: галактика по соседству — Андромеда, в ультрафиолетовых лучах, NASA.
Источник