# Звездануло: весело и доступно про проблемы современной физики и астрономии

Роман Юдаев

Автор понятным языком, с большой долей юмора разбирает проблемы современной физики. Объясняет, что такое черные дыры, изучает «генеалогическое древо» вещества, рассказывает историю возникновения квантовой физики (а вы знали, например, что кот Шрёдингера был призван опровергнуть положения квантовой механики, но в итоге сам стал ярким ее примером?).

Автор – энтузиаст физики, дотошный почемучка, и ему хочется видеть науку не только в формулах, но и в смыслах.

Это долгожданная книга по подкасту «Звездануло», в которой Роман Юдаев переводит науку на человеческий язык.

В формате PDF A4 сохранён издательский дизайн.

© Роман Юдаев, 2024

© ООО Издательство «Питер», 2024

© Серия «New Science», 2024

## Глава 1. Много шума из ничего

Приветствую вас, дорогие читатели!

Давайте знакомиться, я Гусь-Звезданусь, ваш верный ассистент и проводник по удивительному миру науки. Моя задача – помочь автору донести до вас самые сложные и запутанные темы так, чтобы они стали понятными и интересными каждому. Когда-то мне на голову упала звезда, и меня мощно звездануло. С тех пор я обрел особую способность объяснять сложные явления простыми словами. Надеюсь, что после прочтения нашей книги вас тоже звезданет и вы полюбите науку так же, как и я!

Мчимся к закоулкам Вселенной вместе!

### 1.1. Вначале был Взрыв… Или нет?

Я уверен, вы слышали, что такое теория Большого взрыва. Нет-нет, не сериал. Это про космос, как Вселенная родилась и все такое.

Для начала попробуйте сами вспомнить, что знаете на эту тему.

…Попробовали? А теперь я вам расскажу, что там к чему на самом деле.

Короче, вся теория Большого взрыва умещается во фразе: «Раньше Вселенная была маленькая и горячая, а сейчас ее размотало во все стороны и охладило». Все. Больше ничего придумывать не надо.

Дело в том, что в теории Большого взрыва нет… ВЗРЫВА, блин! Никаких комментариев, что там взорвалось и кто подорвал.

До середины прошлого века ученые спорили, какой же была Вселенная раньше. Кто-то говорил, что горячая, а кто-то – что холодная. Все решили молодые звезды. Сторонники холодной Вселенной утверждали, что молодые звезды состоят из гелия. Но в 1960-х выяснилось, что это не совсем так. С тех пор победители застолбили название «Теория Большого взрыва», хотя, строго говоря, звучать должно бы как-то типа: «Теория Большого взрыва ПЛЮС модель горячей Вселенной».

Позже были еще попытки описать Вселенную разными способами. То ее представляли как результат столкновения двух трехмерных пространств (браны[1] в теории струн), то как сверхтекучую жидкость (сторонники этой гипотезы до сих пор даже не верят в саму возможность ее доказательства), то вообще представляли Вселенную внутри черной дыры или в качестве голограммы. Кстати, Илон Маск[2] в их числе, я бы на вашем месте задумался…

Так вот, нафига вообще все эти модели плодить, в чем проблема? В сингулярности. Кто угадал – похвалите себя, вы молодцы. Что такое эта сингулярность? Черт его знает. Никто не разобрался с ней до сих пор, но все носятся вокруг, тычут в нее пальцами. А там, натурально, деление бесконечности на ноль выходит. В общих чертах сингулярность – это единство всего: пространства, времени, гравитации, электрического, слабого, сильного взаимодействий и вообще… Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали, что при любом раскладе в общей теории относительности появится сингулярность. Напрашивается вопрос: а зачем ее вообще придумали? Вспоминаем основную мысль теории Большого взрыва («раньше Вселенная была маленькой и горячей…») и продолжаем думать, что было раньше. Вот вам и сингулярность. Надеюсь, понятно. На самом деле до сих пор никому особо-то ничего не понятно, не переживайте.

В общем, об эту сингулярность ученые периодически спотыкаются, всем она мешает, и ребята ждут, кто же избавит физику от этой непонятной фиговины. Лучше всех пока получилось у Алана Гута в 1981 году. Он взял идеи советского физика Алексея Старобинского и предложил такой фокус (следите за мыслью). Меняем понятие «сингулярность» на понятие «скалярное поле[3]» и… Все! Оказалось, так можно. Скаляр же не имеет никаких размерностей, никакого пространства в нашем понимании… То есть, с нашей точки зрения, это просто бесконечно сжатая точка. Практически сингулярность. Ни у кого из светлых голов претензий не возникло. Поменяли сингулярность на это поле, и поменялось вообще все. Каждому полю нужны частицы-переносчики и частицы, которые на это поле воздействуют. У электромагнитного поля есть фотоны и электроны. У других полей бозоны, глюоны и всякие другие страшилки. Ну и тут нужен какой-нибудь носитель. Так, давайте отвлечемся и немного поговорим про квантовые флуктуации.

Проще говоря, это возникновение частиц и античастиц в каком-то объеме вакуума по парам. То есть, когда мы говорим «вакуум», мы не подразумеваем, что там ВООБЩЕ ничего нет, а просто считаем, что там нет структурированного вещества, а если еще точнее – энергии. Помните Эйнштейна? E = mc2, и все дела. Вот как раз в этой формуле он и сказал, что в принципе можно сравнивать энергию и массу. Только без всех этих шизотерических «настройся на нужную энергию, и откроется третий глаз». И вот мы приносим в скалярное поле наши квантовые флуктуации. В поле начинают появляться квантовые шумы, заряженные частицы начинают накапливаться и создавать неоднородности, где-то их больше, а где-то их вообще нет. Остается только подождать.

Знаете, что бывает, когда в электромагнитном поле появляются неоднородности? Разряд… Молния, например. Ну никто же не задумывается, что это такое, да? Смотрите, неоднородности одного поля влияют на другие поля. Молния, например, нагревает пространство и грохочет.

Кстати, если молния случится под водой, то образуются пузырьки кислорода и водорода. Так вот, ученые выяснили, что в скалярном поле такой разряд создает пузырек нашего родного трехмерного пространства. Кстати, опять тут Эйнштейн натоптал с той же формулой. При разряде появляется какое-то количество энергии, и что она делает? Правильно, выпадает в осадок массой. А масса что делает? Правильно, гнет пространство. А как гнуть то, чего нет? Никак. Значит, для того чтобы масса вообще могла существовать, нужно, чтобы существовало пространство. Такие дела.

Все те же ученые решили, что скалярное поле очень вязкое и обладает большим коэффициентом трения. И если бы разряд происходил без трения, то процесс был бы настолько быстрым, что пузырек пространства был бы совсем небольшим. Но трение эту картину тормозит. В итоге пузырек успевает раздуться аж до таких размеров, что мы до сих пор краев не видим.

В общем, умные люди вычислили скорость, с которой должна была расширяться Вселенная, и цифры сошлись с классическими уравнениями прежней версии. Помните модель горячей Вселенной? Решением этих уравнений стала экспонента, а фазу распирания так и назвали – экспоненциальный рост Вселенной.

По этим расчетам, за аж 10–36 доли секунды новорожденная Вселенная (т. е. этот изначальный пузырек вакуума) должна была расшириться в объеме в 1078 раз.

Это вам даже не скорость света. Эйнштейн запретил чему бы то ни было двигаться быстрее скорости света в пространстве. Но он не запрещал самому пространству двигаться с любой скоростью.

Так что никакого взрыва, в общем-то, и не было. Было распирание Вселенной, а если в рамках терминов – инфляция. Так эта модель и называется сейчас – инфляционная модель Вселенной. Отличие от стандартной в основном во времени этого распирания. И самое интересное, что с 2003 года спутники подтверждают именно эту модель Вселенной – инфляционную.

Так, с рождением пространства разобрались, а как там материя появилась? Давайте я пропущу все математические выкладки и расчеты, а мы просто вспомним закон сохранения энергии. О чем этот закон? Спойлеры в названии: в замкнутой системе энергия сохраняется. Так вот, грубо говоря, когда наше пространство расширяется, энергия размазывается по всему объему и уменьшается в каждой точке. А вот тут в дело вступает гравитация. Если мы поднимем яблоко над полом, то его потенциальная энергия немного увеличится. А если мы разнесем пространство очень-очень быстро на обалдеть как далеко, то там и циферки будут соответствующие. И эта самая потенциальная энергия сначала переходит в тепловую (тут-то и начинается модель горячей Вселенной), а потом и вовсе через фазовый переход выпадает в осадок в собственно энергию и материю. Снова вспоминаем Эйнштейна, да.

А теперь сладенькое. Вся эта инфляционная модель подразумевает крышесносную штуку. Поле-то скалярное никуда не делось, неоднородности в нем как были, так и продолжают копиться, а значит, вполне вероятно, что наша Вселенная – одна из многих. И каждый такой пузырек получил свою физику и свои характеристики. Про разные варианты мультивселенной я расскажу чуть позже, а пока давайте узнаем, что же такое сингулярность. Или сингулярности?

### 1.2. Сингулярности и черные дыры

Начну с сингулярности. Слово это означает просто «единство», и видов сингулярности очень много. Я сейчас буду рассматривать гравитационную и космологическую сингулярность. Об остальном можете почитать на досуге, если любопытно.

Итак, космологическая сингулярность – это состояние Вселенной до момента Большого взрыва, то есть ДО того, как она стала расти. Ученые не могут никак собрать уравнения этого момента, которые описывали бы пространство и время. Они вообще стараются не говорить про сингулярность точными терминами. Догадки, предположения, неявные формулировки – пожалуйста. Короче, она всех конкретно заинтриговала и, хотя никто ничего точно не знает, пользуются ею вполне успешно.

Расчеты говорят, что в космологической сингулярности материя бесконечно плотная и бесконечно горячая. И это же становится противоречием. Сейчас объясню почему.

Температура возникает, когда частицы бьются друг о друга. То есть если происходит столкновение частиц с выделением какой-то энергии. Так вот, в бесконечно плотном веществе места, чтобы двигаться, у частиц нет, а значит, биться они друг о друга не могут и температуре просто неоткуда взяться.

Давайте для наглядности представим бильярдный стол – это будет пространство, а шары выступят в роли частиц. При ударе двух шаров повышается температура системы, то есть стола и шаров. Бесконечная плотность – это ситуация, когда весь стол плотнячком забит этими шарами, и даже между ними что-то вроде песка. Смогут шары биться друг об друга? Фигушки. Откуда тогда температуре взяться? Правильно, неоткуда. А вот по уравнениям она там есть. И не какая-то там приемлемая, а целая бесконечность… А еще бесконечная плотность означает, что вещество настолько плотное, что даже объема не должно занимать. То есть это со всех сторон точка безразмерная – пространства в принципе может и не быть в такой точке, и сама эта точка может не находиться в пространстве, как мы его понимаем. Да, свихнуться можно.


Ладно, поехали дальше. Мы уже понимаем, что в первой главе говорили именно о космологической сингулярности.

Что там со вторым типом сингулярности, который мы рассматриваем? Это уже гравитационная сингулярность, и она мне представляется немного лайт-версией сингулярности космологической. Суть в том, что она может находиться внутри нашего пространства-времени. То есть даже не может, а вполне себе находится. В черных дырах. Недавно и снимки были, и детекторы фиксировали волнения пространства. Раньше не все верили в то, что эти черные дыры вообще существуют, а недавно появились неопровержимые улики.

Так вот, что такое черные дыры и что там за сингулярность? Давайте так скажу: сингулярность – это конец черной дыры, если он вообще существует. Поэтому давайте сначала разберемся с черными дырами и потом подойдем к сингулярности.

Помните дядьку Эйнштейна? Так вот, он нам рассказал, что пространство нельзя рассматривать без времени, и стал говорить пространство-время. Потом он сказал, что тела, которые обладают массой, это пространство-время гнут. И чем тяжелее тело, тем больше гнет. Часто это объясняют таким образом: представьте, что вы взяли покрывало и растянули его с кем-то на весу. Теперь представьте, что это пространство-время. Да, для этого бы пришлось быть пятимерными существами, но просто представьте, что это покрывало – пространство-время. Теперь в середину этого покрывала можно положить арбуз. Этот арбуз будет обозначать тяжелую звезду какую-нибудь. Покрывало прогнулось под тяжестью арбуза. Рядом положите яблоко. Яблоко скатилось к арбузу. Так Эйнштейн представлял себе гравитацию. Для понимания этого пока достаточно.


Так вот, черная дыра образуется там, где мы положим что-то очень тяжелое. Настолько, что покрывало просто порвется. Строго говоря, конечно, порвется оно или просто растянется бесконечно вниз – это еще не до конца понятно, но разница для нас пока очень мала. Суть в том, что черная дыра так сильно прогибает пространство-время, что даже свет из нее не может выбраться. Все, что окажется на определенном расстоянии от черной дыры, падает в нее. И здесь мы можем только догадываться, что вещество внутри черной дыры, так же как и в космологической сингулярности, бесконечно плотное. Но это пока никем не доказано, и научное сообщество может закидать нас тапками за такие высказывания, так что тсс…

Так что это за расстояние такое? Вообще, черная дыра окружена горизонтом событий. Кстати, как раз его тень и сфотографировали недавно, а вовсе не черную дырку в пространстве-времени. На этом горизонте событий и заканчивается возможность избежать падения в обычную черную дыру.

И тут Остапа понесло… Ученые придумали вращающиеся черные дыры и вот тут уже нашли возможность избежать печальной участи. Там целых два горизонта событий: внешний и внутренний, и из-под внешнего еще как-то можно смотаться. Эти способы теоретически должны сработать, но пока, ясен пень, никто ничего не проверял. Уже до дыр заездили пример с водоворотом, но если вы дочитали до этого места, то наверняка не слышали о нем. Итак, представьте, что человека на лодке начинает засасывать в водоворот. Что делать? Грести против течения? Не стоит – водоворот сильнее. Нужно, наоборот, грести по течению, набрать скорость и уже в конце немного свернуть от центра воронки. Этакий маневр. В случае с черной дырой ученые говорят, что что-то такое тоже сработает.

Еще они пытаются провернуть хитрые штуки с законом сохранения импульса. Вкратце расскажу. Импульс – это то, как мы мерим движение какого-то тела, обладающего массой. В формуле у нас импульс равен массе тела, умноженной на его скорость. Это все имеет вектор направления, то есть величина вполне себе направленная. Так вот, закон сохранения этого импульса говорит, что сумма импульсов в системе равна нулю. В конце эпохи Великого объединения произошло отделение сильного ядерного воздействия от первичного взаимодействия, которое удерживает ядра вместе. Ученые придумали разделить тело, которое падает в черную дыру, на две части. Тогда одна часть начнет падать в черную дыру с каким-то ускорением, а вторая-то в соответствии с этим самым законом получит такой же импульс, но в обратную сторону, то есть вылетит из черной дыры. Прямо как в «Интерстелларе»[4], да.

Напридумывали ученые черных дыр, а нам теперь их как хочешь, так и понимай. Кстати, та, обычная, черная дыра называется Шварцшильдовской, а та, которая вращается, – черной дырой Керра. Ну так, для справки.

А вот теперь можно сказать, что сингулярность и есть та точка черной дыры, которая находится в центре внутри горизонта событий. И все, что попадает в черную дыру, падает именно туда. Там меняется пространство-время. Как раз Шварцшильд и Керр нашли решения для разных типов черных дыр. Поверьте, это настолько мозгодробительный матан, что без серьезной подготовки туда лучше не соваться.

В принципе, черной дырой может стать вообще все что угодно. Нужно только хорошенько сжать. Для каждой массы есть свой радиус горизонта событий. Для наглядности: простая черная дыра образуется, если нашу Землю сжать в шарик с радиусом в 1 сантиметр. Представьте: сжать планету в горошину. Как-то так.


Как это происходит? Обычно что-то либо сталкивается, либо взрывается.

Если столкнуть что-то достаточно сильно, то можно получить огромную массу на маленьком участке пространства-времени. То есть берем два кирпича и сталкиваем их друг с другом так сильно, что они сплющиваются до очень маленьких размеров. Если Землю надо сжать до горошины, то два кирпича вообще нужно сжать до такого радиуса, что даже под микроскопом не увидишь. Но если вдруг Чак Норрис это сделает – получится черная дыра.

А со взрывом все немного интереснее. Представьте себе взрыв. Удивительно, но мало кто задумывается, что взрыв направлен не только наружу, но и внутрь себя. Все тот же закон сохранения импульса. Если что-то улетает наружу, то что-то должно вдавливаться внутрь. И тут работает та же схема. Главное, сдавить до нужных размеров.

Ну что, разобрались? Готовы к сладенькому?

Помните, я говорил, что из-под горизонта событий уже не выбраться?

Так вот, Хокинг утверждал, что это вполне возможно. Только вещество будет не структурированным. Но в целом черная дыра, по его мнению, будет что-то излучать до тех пор, пока не «иссякнет». Принцип, кстати, тот же, что и с разделяющимся телом и вращающейся черной дырой. Так вот, по его словам, черная дыра с массой нашего Солнышка будет испаряться таким образом около 1066 лет. Вселенной в этом году около 1010, не забудьте написать поздравительную открытку!

Но на самом деле это не совсем собственное излучение черной дыры. Дело в том, что на горизонте событий уже довольно хорошо гнется пространство-время, хотя это и не сравнится с сингулярностью. Изгибы пространства-времени – это довольно большая энергия. А в довольно больших энергиях теоретически могут возникать пары частиц и античастиц. Как и в самом начале Вселенной, энергия выпадет в осадок массой. И из двух этих частиц одна, как в «Интерстелларе», должна упасть внутрь черной дыры, а вторая в соответствии с законом сохранения импульса улетит вдаль от горизонта событий.

Пока мы не видели излучения Хокинга ни в один телескоп, но надежды не теряем.

Черным дырам в целом и излучению Хокинга в частности будет посвящен следующий раздел книги, а пока мы познакомились с понятиями сингулярности, и можно переходить к истории Вселенной. Что было после Большого взрыва? Не сразу же зажглись звезды и появились планеты? Конечно, нет.

### 1.3. Что было дальше? Эволюция Вселенной

В первые секунды после Большого взрыва произошло очень много всего. Вкратце: самый ранний момент, который поддается описанию, – Планковская эпоха. Температура и плотность вещества еще слишком высокие, а радиус Вселенной слишком мал, чтобы хоть как-то вещество было веществом. Мы пока ничего не знаем на практике, потому что планковские величины считаются предельными в современной науке, и даже Большой адронный коллайдер[5] не может достичь таких значений. Так что Вселенную в тот момент можно представлять себе только по расчетам. Эта эпоха длилась ровно одно планковское время[6] – самую маленькую величину времени, которая имеет какой-то физический смысл. В цифрах это 10–43 секунды.

Так вот, после Планковской эпохи пошел отдельный отсчет эпохи Великого объединения, но о ней мы тоже мало что можем сказать: только то, что это гравитация за горизонтом событий, от всех взаимодействий отделилась гравитация и нарушилась однородность плотности материи. Длилась эта эпоха с 10–43 по 10–35 секунду, плотность материи упала на 18 порядков, а температура – на 5. В конце эпохи Великого объединения произошло отделение сильного ядерного взаимодействия, которое удерживает ядра вместе, от какого-то первичного общего взаимодействия, которое мы все еще не до конца понимаем. Ядер, правда, тогда еще не было, но начинать с чего-то надо.

И в это же время начался этап инфляции. Это мы уже обсуждали. Из-за отделения гравитации само пространство таки расперло во все стороны, и вместе с ним то самое очень горячее и очень сжатое вещество размазало повсюду. Так оно и остыло. Помните, если в детстве чай был очень горячим, бабушка или родители переливали его в блюдечко, и там он остывал быстрее. Примерно так же было и с веществом. Только чай охлаждался в рамках одного и того же жидкого состояния, а во Вселенной вещество переходило из фиг пойми какого состояния планковской эпохи сначала в кварк-глюонный суп, который состоял из кварков и глюонов (кварки – это самые маленькие элементы вещества, о которых мы сейчас знаем, а глюоны – это тот цемент, который склеивает их уже в более тяжелые частицы), а позже из кварк-глюонного супа в процессе остывания и получились наши протоны и нейтроны. Да, мы перескочили этап адронизации и бариогенеза, но давайте оставим жуткую жуть. В этот момент как раз и отделилось сильное взаимодействие, которое отвечает за существование составных частиц. Помните глюоны, которые «цемент»? Они и есть переносчики сильного взаимодействия. В общем, представьте, как вы высыпаете кусочки пазла на стол и начинаете их собирать. Постепенно вы отделяете небо, воду, деревья или что вы там собираете. А потом начинаете как раз собирать уже какие-то детали. Края, например. Так же и тут. Сначала все высыпалось по всей Вселенной, потом начало остывать и с этим остыванием терять энергию в каждой точке пространства, что логично. Постепенно начали отделяться взаимодействия, каждое – на своем значении энергий. И потом уже потихоньку вещество стало собираться в кварки, лептоны и всякие бозоны, из которых в какой-то момент собрались уже привычные нам атомы водорода и гелия в разных модификациях. Поговаривают про следы более тяжелых элементов аж до бора, но это сейчас не имеет особого значения. Мы же не настолько фрики, чтобы углубляться в эту историю, да?

Так вот, судя по расчетам, все, что я пока рассказал, уместилось в первые двадцать минут существования Вселенной, а всякие протоны и нейтроны начинали собираться в первую же секунду после ее рождения. Мне не очень верится в эту историю, но научный мир в этом вполне уверен.


До этого момента излучение доминировало над веществом, и технически где-то должно быть нейтринное излучение, которое будет старше реликтового, но мы еще не научились так хорошо регистрировать нейтрино.

# Примечания

1

Бра́на (от «мембрана») в теории струн (М-теории) – гипотетический фундаментальный многомерный физический объект размерности меньшей, чем размерность пространства, в котором он находится (протяженная p-мерная мембрана, где p – количество пространственных измерений).

2

Кому интересно, в конце книги вы найдете некоторые сведения о звездных ученых.

3

Скалярное поле – функция, ставящая в соответствие каждой точке из некоторой области этого пространства (область определения) скаляр, то есть действительное или комплексное число.

4

«Интерстеллар» – научно-фантастический фильм о путешествиях группы исследователей, которые используют недавно обнаруженный пространственно-временной тоннель, чтобы обойти ограничения полета человека в космосе и покорить огромные расстояния на межзвездном корабле. Сценарий основан на научных работах Кипа Торна (режиссер Кристофер Нолан, 2014).

5

Большой адронный коллайдер (БАК) – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований).

6

Планковское время (tP) – единица времени в планковской системе единиц. Физический смысл этой величины – время, за которое частица, двигаясь со скоростью света, преодолеет планковскую длину, равную 1,616199(97) · 10–35 метра.