Что именно сделал Джеймс Пиблс для физической космологии

СНОБНаука

Мир вечный, но плоский: Нобелевская по физике глазами дилетанта и академика Старобинского

Половина Нобелевской премии досталась человеку, попытавшемуся понять сразу все на свете и изрядно в этом преуспевшему. Академик Алексей Старобинский специально для «Сноба» объяснил, что именно сделал Джеймс Пиблс для физической космологии

Алексей Алексенко

e8c59598b36dfd5f7a5e777534ba406edc5f836c2bf6b51ca9bcb0c977264657.jpg
Фото: Greg Rakozy/Unsplash

Первая половина Нобелевской премии по физике досталась Мишелю Майору и Дидье Кело, доказавшим, по существу, то, о чем некогда рассуждал Джордано Бруно со столь печальными для себя последствиями. Но для современных искателей поверхностного научно-популярного знания планеты — это все же мелковато. Нашим читателям хочется понять не какие-то там звездные системы — на это жизни не хватит, — а все мироздание разом. Такие знания позволяют худо-бедно рассуждать о Боге, смысле жизни и других волнующих предметах.

Однако, чтобы использовать такие знания по назначению, надо хоть немного в чем-то разбираться, и автор этих строк, признавая собственную беспомощность, обратился к академику Алексею Старобинскому, физику-теоретику, немало сделавшему для теоретической космологии, за объяснениями. Ему мы и дадим слово в этой заметке. Впрочем, нам придется вставить и собственные слова, заполняя тем самым гэп между дремучим невежеством — предполагаемым состоянием читателя научно-популярных заметок — и невежеством-плюс, олицетворяемым автором.

Алексей Старобинский:

Вклад Джеймса Пиблса определен как «теоретические открытия в физической космологии». Из этой формулировки сразу видно, что речь идет не о каком-то одном «гениальном скачке», а о совокупности работ, в сумме внесших важный вклад в установление современной картины строения Вселенной в настоящее время и ее эволюции в прошлом, а именно на стадии доминирования нерелятивистской материи (какой — это отдельный вопрос) и предшествовавшей ей стадии горячего Большого взрыва (стадии доминирования излучения и ультрарелятивистских частиц и античастиц в тепловом равновесии с большой и даже очень большой — в более далеком прошлом — температурой). Сразу подчеркну, что это еще далеко не полная история Вселенной — горячему Большому взрыву предшествовала холодная де-Ситтеровская (инфляционная) стадия, но за нее Нобелевские премии (в отличие от премии Кавли) еще не присуждались, поскольку она пока еще не считается окончательно и однозначно подтвержденной наблюдениями.

Мир общим планом

Автор-дилетант: Что такое вообще эта самая «картина строения Вселенной»? Наука физика занимается простыми вещами вроде двух шаров, летящих друг к другу из пустого пространства, чтобы столкнуться и навеки разлететься в никуда. Из подобных задачек нелегко собрать картину реальности, потому что на самом деле реальность сложна и хаотична. Вот прямо сейчас в поле моего зрения трехлитровая банка с наливкой из черноплодки, спящая кошка, серое осеннее небо и ржавеющая решетка для мангала — выведите-ка уравнение, которое все это опишет.

Физики тоже такого не могут, однако к ХХ веку они научились решать много разных задач вроде той, про шары. В какой-то момент им показалось, что, если не всматриваться в детали мироздания — в кошку или в банку с наливкой, — а взглянуть на Вселенную в целом, она может показаться довольно простой, как в одной из их задачек. Например, однородным пространством, равномерно заполненным материей (все же зависит от масштаба — чем дальше отойдешь, тем меньше видно детали и тем монотоннее картинка). Еще физики знали, что Вселенная расширяется, это было установлено астрономами.

И вот совсем простая задачка: посчитайте-ка энергию маленького шарика, который находится на поверхности расширяющейся сферы в пространстве, заполненном некой субстанцией. Это может в принципе сделать старательный первокурсник, даже не знающий теории Эйнштейна. Если он все правильно запишет, а потом немного преобразует формулу, у него может получиться штука, которая называется «первым уравнением Фридмана». Из него следует удивительный факт: если плотность нашей упрощенной среды, в которой живет воображаемый шарик, меньше некой критической плотности, то расширение, которое мы постулировали в начале, будет продолжаться бесконечно, а если плотность больше, расширение сменится сжатием. Повторяю, для этого вывода не нужен даже Эйнштейн, пытливый читатель может сам в этом убедиться.

Александр Фридман вывел свои уравнения еще в 1920-х, и он-то, в отличие от нас, общую теорию относительности знал очень хорошо. Это помогает, потому что некая конфигурация переменных из его уравнения оказывается ровно тем самым, что в теории Эйнштейна называется «кривизной пространства». Что это такое? В обычном пространстве, где правит школьная геометрия, параллельные прямые всегда параллельны, а сумма углов треугольника — ровно 180 градусов. Это значит, что «его кривизна равна нулю». Если кривизна больше нуля, параллельные прямые будут сходиться, как меридианы на глобусе, а сумма углов станет больше 180 градусов. Если же кривизна меньше нуля, параллельные расходятся, а треугольник до 180 градусов не дотягивает.

Ну так вот, из того же уравнения можно догадаться, что кривизна пространства нулевая только в том случае, если плотность равна критической. Если она больше, то пространство имеет положительную кривизну (и, возможно, оно даже замкнутое, то есть в нем конечное число «мест», как на круглой Земле). При этом, как мы помним, оно не может расширяться бесконечно, а когда-нибудь схлопнется в точку и прекратит свое существование. Если же плотность меньше... ну, вы понимаете. Остается узнать, в каком пространстве мы живем на самом деле, — какая там плотность материи, какая кривизна, — и общая картина прояснится.

Далее: чтобы в точности понять Вселенную, как она есть сейчас, неплохо бы разобраться, как она дошла до такого состояния. А для этого придется проследить ее развитие с самого начала — разобраться, как из горячего и плотного сгустка не пойми чего получились атомы и галактики. Кстати, о том, что началось все с Большого взрыва, первым, кажется, догадался Эдгар По еще в XIX столетии. В прозаической поэме «Эврика» он отметил, что это единственное возможное объяснение, почему ночное небо не заполнено сплошняком звездами, а выглядит черным. Это, считал По, оттого, что мир имел начало и произошел из первичной частицы, которая в какой-то момент взорвалась.

Примерно с таким багажом вступила космология в ХХ век: было понятно, что Вселенная расширяется, что она возникла из плотного и горячего сгустка, а потом остывала и что уравнения Эйнштейна и другие простые законы физики управляли всем этим действом от начала и до сегодняшнего дня. Этой историей занимались множество физиков, так что кому-то даже покажется немного нечестным, что из них лишь Джеймс Пиблс получил Нобелевку. Среди них были и физики из России: уже упомянутый Фридман, Георгий Гамов, Евгений Лившиц, Андрей Дорошкевич, Игорь Новиков, Яков Зельдович. Да хоть бы и тот же Старобинский, хоть и в немного другом аспекте большого вопроса «Как устроено все на свете?».

Впрочем, наша статья не обо «всем на свете», а именно о Пиблсе. О том, что именно сделал он сам, рассказывает академик Старобинский.

Фундамент

Алексей Старобинский:

Итак, каков же по моему мнению основной вклад Пиблса в современную стандартную космологическую модель, точнее, в ту ее часть, которая подтверждена многочисленными наблюдениями? Я бы отнес сюда четыре его статьи 1966–1970 гг. по трем важным разделам космологии. Сразу замечу, что эти статьи не только не исчерпывают всего его вклада в теоретическую космологию, но даже и отнюдь не самые цитируемые — но об этом ниже.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Фортуна любит везучих Фортуна любит везучих

Как гарантированно привлечь удачу без глупых суеверий и магии

Maxim
Послушайте! Послушайте!

Современный слуховой аппарат больше не признак старости

Здоровье
Мировая практика Мировая практика

Набирают популярность виды отдыха, у которых есть определенная идея

Grazia
Деньги не приносят счастья? Деньги не приносят счастья?

Большинство людей уверены, что станут счастливее, если их доходы увеличатся

Psychologies
Экспериментируем на волосах: тонирование волос после мелирования Экспериментируем на волосах: тонирование волос после мелирования

Как покрасить мелированные волосы, чтобы получить красивый оттенок

Cosmopolitan
Выжить любой семьей: 6 вопросов главным выживальщикам планеты Выжить любой семьей: 6 вопросов главным выживальщикам планеты

Эд Стаффорд прошел пешком вдоль Амазонки

Популярная механика
Пища для ума Пища для ума

Размышляем, как в еде подружить новые нормы и собственные вкусы

Grazia
Кузнецов своего счастья Кузнецов своего счастья

Александр Кузнецов — об осенних премьерах, свободе, тайм-менеджменте и роке

Vogue
Донецкая сенсация Донецкая сенсация

Творчество Кипренского всегда было предметом особого внимания широкой публики

Дилетант
Свёкла — суперфуд Свёкла — суперфуд

Овощ неприхотлив, долго хранится и стоит копейки

Здоровье
Понять и простить: извинения звезд, за которые нам стыдно Понять и простить: извинения звезд, за которые нам стыдно

Неприятные ситуации бывают у каждого, главное – уметь достойно из них выходить

Cosmopolitan
6 легких практик для радости 6 легких практик для радости

Когда мы заботимся о себе, настроение повышается

Psychologies
Мария Евневич Мария Евневич

С коллегой по «обелению» серого пояса Петербурга поговорил Алексей Онацко

Собака.ru
Шоу продолжается! Шоу продолжается!

В последнее время Дженнифер Энистон все чаще привлекает внимание мировой прессы

Grazia
5 достойных смартфонов отечественных производителей 5 достойных смартфонов отечественных производителей

Кроме китайских телефонов существуют неплохие российские бюджетники на Android

CHIP
Закрытый показ Закрытый показ

Что приобрел актер, лишившись фирменного безумного взгляда

GQ
Как писать мужчине, чтобы у него снесло крышу Как писать мужчине, чтобы у него снесло крышу

Переписка в мессенджерах - основной способ начать общение с мужчиной

Cosmopolitan
Диана Арбенина: «Чтобы перезагрузиться, надо помолчать» Диана Арбенина: «Чтобы перезагрузиться, надо помолчать»

Диана Арбенина о том, как приготовить лучшую в мире кашу

Здоровье
Самые богатые женщины США — 2019 Самые богатые женщины США — 2019

В 2019 году американские женщины-миллиардеры стали богаче

Forbes
Как одеваются отечественные рок-королевы: от Земфиры до Арбениной Как одеваются отечественные рок-королевы: от Земфиры до Арбениной

Что носили раньше и что носят теперь отечественные рок-голоса

Cosmopolitan
Вкусный гид по Венгрии Вкусный гид по Венгрии

С перчинкой и пикантными нотками – это как раз о местной кухне

Лиза
Средство от осенней хандры: чего ждать от нового фильма Вуди Аллена Средство от осенней хандры: чего ждать от нового фильма Вуди Аллена

В российский прокат вышел фильм «Дождливый день в Нью-Йорке»

РБК
На высоких «каблуках». Тест-драйв Renault Dokker Stepway На высоких «каблуках». Тест-драйв Renault Dokker Stepway

Грузопассажирский фургончик повышенной проходимости — формат редкий

РБК
Козырная карта Козырная карта

Лорен Индвик — о самых важных рынках модного мира

Vogue
В моде интеллект: пять стартапов, меняющих fashion-индустрию В моде интеллект: пять стартапов, меняющих fashion-индустрию

Какие стартапы работают в направлении fashion-индустрии уже сегодня

Forbes
Марго Робби, актриса Марго Робби, актриса

Марго Робби — восходящая звезда Голливуда, получившая мировую известность

Худеем правильно
Человек из пятого измерения Человек из пятого измерения

В первый раз я увидел «Живые скульптуры» за границей

Популярная механика
Работа над ошибками Работа над ошибками

Учимся соблюдать правила деловых отношений

Cosmopolitan
В поиске альтернатив В поиске альтернатив

По данным ВОЗ, более 60% курильщиков хотели бы отказаться от употребления табака

Здоровье
Ни капли: как выбрать хороший зонт — рейтинг лучших Ни капли: как выбрать хороший зонт — рейтинг лучших

Как выбрать хороший зонт и какие модели попали в рейтинг лучших

Cosmopolitan
Открыть в приложении