ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Наука — 24.11.19
    ТЕКСТ: Деніел Вайтсон, Хорхе Чем
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська, Хорхе Чем
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Що трапилося у момент Великого вибуху: уривок з книги «Гадки не маємо»

    Професор Каліфорнійського університету Деніел Вайтсон спеціалізується на експериментальній фізиці та проводить дослідження у ЦЕРНі. Його колега зі Стенфорда, доктор робототехніки Хорхе Чем, популяризує науку та створює власні онлайн-комікси. У книжці «Гадки не маємо. Подорож невідомим Всесвітом» вони дотепно жартують і зрозуміло пояснюють найбільш вражаючі загадки науки. Українською книгу видав «Наш Формат», і за згодою видавництва ми публікуємо уривок з неї.

    Що трапилося у момент Великого вибуху?

     

    Велика таємниця No 1: квантова гравітація

     

    Почнімо спочатку. Чи можливо, що колись наш Всесвіт був однією нескінченно малою точкою? Що все, що зараз існує, колись купчилося в одному місці, зчавленому до нульового об’єму? Згідно з загальною теорією відносності, це — абсолютна маячня.

    Але загальна теорія відносності виникла ще задовго до того, як стало відомо, що на мікроскопічному рівні наш Всесвіт — дивне місце, населене дивними квантовими об’єктами, які підпорядковуються дивним контрінтуїтівним і ймовірнісним правилам. Прогнози загальної теорії відносності перестають бути точними, коли маса ущільнюється настільки, що починають проявлятися квантово-механічні ефекти. Як тоді, у перші дні існування Всесвіту, коли об’єкти просто зчавило в неймовірно малому просторі.

    Іноді неможливо довести теорію до логічного завершення. Уявіть, що ви виміряли швидкість зростання ваших улюблених котиків, а потім спробували екстраполювати їх зріст назад у часі. Якщо орієнтуватися лише на розмір, то, за прогнозами, ваші коти були колись нескінченно малими котячими сингулярностями або, якщо повністю ігнорувати фізичні обмеження, навіть мали від’ємний розмір. Це було б справжньою кОтострофою.

    Те саме стосується загальної теорії відносності та Великого вибуху. Оскільки квантової теорії відносності у нас немає, ми не знаємо, як обчислити чи спрогнозувати, що відбувалося в новонародженому Всесвіті. Тобто, ймовірно, Великий вибух починався не з сингулярності; на ранніх етапах існування Всесвіту переважали квантово-гравітаційні ефекти, але ми гадки не маємо, як їх описати.

     

    Велика таємниця No 2: Всесвіт занадто великий

     

    У сприйманні Великого вибуху як розширення початкової точки є ще одна заковика. Навіть якщо Всесвіт виріс із нескінченно малої точки або невеликого згустку квантової густоти, дещо все одно суперечить тому, що ми бачимо: Всесвіт більший, ніж повинен бути. 

    Щоб зрозуміти це, подумаймо спершу про те, яку частину Всесвіту ми бачимо. Це не лише книжка у ваших руках, кіт на колінах, світ за вікном, а й далекі зірки. Наскільки глибоко ви могли б зазирнути у Всесвіт, якщо дати вам потужний телескоп, здатний вловити світло від цих далеких зірок? Відповідь залежить від віку Всесвіту.

     

    Бачити щось означає сприймати фотони, які почали свій шлях з об’єкта, який ви намагаєтеся розгледіти, і врешті-решт дісталися вашого ока (або телескопа). Але оскільки фотони можуть подорожувати з обмеженою швидкістю (швидкістю світла), то з моменту випромінювання фотону далеким об’єктом до моменту, коли ви його сприйняли, пройшла купа часу. 

    Тож те, як далеко ви зможете зазирнути, залежить від того, скільки часу пройшло з моменту зародження Всесвіту.

     

    Якщо Всесвіт утворився п’ять хвилин тому, то зазирнути ви зможете на відстань не більшу, ніж та, яку світло проходить за п’ять хвилин, що становить приблизно 90 мільйонів кілометрів. Може, звучить солідно, але насправді це приблизно відстань від Землі до Меркурія.

     

    Це наш видимий Всесвіт. Усе, що ви здатні побачити, повинно міститися всередині сфери з центром у вашій голові і радіусом, що дорівнює відстані, яку світло могло пройти з моменту зародження Всесвіту. Якщо точка на самому краї цієї сфери послала вам фотон у найбільш ранній момент, він прилетить лише зараз. Це те, що визначає межі нашого зору.

     

    Світло зірок, планет і кошенят за межами цієї сфери поки не може до нас досягнути, а тому жоден телескоп не зможе його побачити. Навіть сліпуча наднова чи гігантське рожеве кошеня завбільшки з планету, які перебувають за межами сфери, будуть для нас невидимі. Як не дивно, ця концепція повертає нас назад до давніх уявлень про Землю як центр видимого Всесвіту. Хіба що кожен з нас є центром власного видимого Всесвіту!

    З часом ця сфера розширюється, відкриваючи більше Всесвіту. Щороку ми можемо бачити дедалі дальше, бо до нас доходить світло від більш далеких об’єктів. І ця інформація летить до нас зі швидкістю світла, а отже, межі нашого зору теж розширюються зі швидкістю світла.

     

    Але водночас все у Всесвіті від нас віддаляється. Межі нашого зору й об’єкти Всесвіту перебувають у стані постійних перегонів. Хто перемагає? Межі нашого зору розширюються зі швидкістю світла, а об’єкти Всесвіту не можуть рухатися у просторі швидше, ніж світло (згідно з теорією відносності).

     

    Тож якщо все у Всесвіті почалося з крихітної, але скінченної квантової точки і просто розлітається в сторони від Великого вибуху, наш горизонт повинен розширюватися швидше, ніж зірки і кошенята встигають від нас віддалятися. Отже, межі нашого зору постійно розширюються. Уже невдовзі (якщо це вже не трапилося) наш горизонт буде більшим, ніж увесь Всесвіт.

     

    Який це матиме вигляд? Якщо наш горизонт буде більшим за Всесвіт, ми зможемо бачити далі від межі, за якою вже немає зірок (або не було зірок, оскільки все, що ми бачимо у космосі, сталося давним-давно). Ми будемо бачити місце, де нічого немає—кінець зірок.

     

    Проте куди не глянь, кінця зірок ми не спостерігаємо. Всесвіт усе ще більший, ніж наш горизонт, хоча із моменту зародження Всесвіту пройшло вже 14 мільярдів років. Ясна річ, теорія про те, що все у Всесвіті почалося з крихітної цятки і просто розлетілося по статичному простору, не дуже правдоподібна.

    І це ще не все.

     

    Велика таємниця No 3: Всесвіт занадто гладкий

     

    Теорія, що все у Всесвіті після Великого вибуху розлітається від крихітної відправної точки, має ще одну заковику. А саме — Всесвіт занадто гладкий.

    Яким би дивним і хаотичним не здавався вам Всесвіт, насправді йому притаманна повсюдна гомогенність, або однорідність. Цю однорідність ми можемо спостерігати у реліктовому випромінюванні.

     

    Щоб зрозуміти це, розгляньмо приклад. Уявіть, що ви голодні (читання книжок з фізики спалює безліч калорій — розкажіть про це друзям) і вирішуєте розігріти булочку в мікрохвильовій печі. Через кілька хвилин всередині булочка буде пекельно гарячою, а скраю — не дуже.

    Тепер уявіть, що ви у цей момент стоїте всередині булочки і міряєте температуру навколишнього підігрітого тіста.

     

    Якщо ви стоїте у центрі булочки, то температура з усіх боків буде для вас однаковою.

    А тепер уявіть, що ви десь ближче до краю випічки. Якщо поміряти температуру з того боку, який ближче до центру, вона буде досить високою, а от у протилежному напрямку — ближче до краю — виявиться нижчою.

    Подібний експеримент можна провернути і зі Всесвітом з нашої крихітної планетки, що зветься Земля. Ми можемо виміряти температуру фотонів реліктового випромінювання, які вдаряються об Землю з одного боку, та порівняти їх з температурою фотонів з іншого боку. І результат нас здивує: температура буде однаковою (приблизно –270 °C) незалежно від того, у якому напрямку міряти!

    Навряд чи Земля розташована точнісінько в центрі розігрітого у мікрохвильовці Всесвіту, тож можемо зробити висновок, що весь Всесвіт має однакову температуру. Тобто він більше схожий на спокусливу теплу ванну, аніж на розігріту булочку.

    Щоб збагнути, як це заважає нашій простій теорії Великого вибуху, спершу треба зрозуміти, що являють собою фотони з реліктового випромінювання: вони малюють нам картину дитинства Всесвіту.

     

    У свої перші дні Всесвіт був набагато гарячіше і щільніше, ніж зараз. Настільки гарячіше, що у ньому не могли сформуватися атоми, а тому вся матерія була в іонізованому стані, що зветься плазмою. Електрони вільно літали у просторі й не мали наміру прив’язуватися до одного-єдиного позитивного ядра, бо у них ще, бачте, купа енергії й хочеться пожити для себе.

     

    Але коли Всесвіт охолов, то веселощі скінчилися: температура впала настільки, що заряджена плазма перетворилася у нейтральний газ, а електрони почали обертатися навколо протонів, утворюючи атоми й елементи. Під час цього переходу непрозорий Всесвіт перетворився на прозорий.

    У стані плазми фотони не могли далеко просунутися, не натрапивши на активні й нічим не скуті електрони та іони. Але щойно електрони, протони і нейтрони об’єдналися у нейтральні атоми, фотони почали взаємодіяти з ними значно рідше й рухатися відчутно вільніше. Для фотонів туманний Всесвіт раптово став кришталево чистим. Оскільки відтоді температура Всесвіту лише знижувалась, більшість таких фотонів все ще спокійно собі літає.

     

    Саме ці фотони ми бачимо, коли вимірюємо реліктове випромінювання. Цікаво, що температура цих фотонів скрізь однакова.

     

    Незалежно від того, в який бік дивитися, ви натрапите на фотони з однаковою енергією. Реліктове випромінювання дуже, дуже, дуже однорідне. Наче все це довгий час змішувалося і перемішувалося до однакової температури. Наприклад, подібне може трапитися з булочкою, якщо залишити її вистигати у мікрохвильовій печі. Рано чи пізно всі молекули стануть приблизно однакової температури.

     

    Але не забувайте, що фотони реліктового випромінювання дуже-дуже старі. Вони утворилися відразу після Великого вибуху, а отже, їм приблизно 14 мільярдів років. Якщо ви подивитеся на небо в одному напрямку, то побачите фотони, які з’явилися 14 мільярдів років тому й дуже далеко звідси. Якщо ж ви поглянете у протилежний бік, то побачите фотони, утворені так само далеко, але в іншому напрямку.

    Як ці фотони можуть мати однакову енергію, якщо прилетіли з протилежних кінців Всесвіту? Як вони могли змішатися й обмінятися енергією, поки вона не стала однорідною? Адже щоб перемішатися і вирівняти температуру ці фотони повинні були б рухатися швидше, ніж швидкість світла!

    Божевільна відповідь

     

    Отже, Всесвіт занадто великий і занадто однорідний, щоб усе розлетілося у просторі з маленької цятки під час Великого вибуху. Якби ми писали цю книжку тридцять років тому, то це б стало однією з найзагадковіших загадок. Але сьогодні у нас є переконливе, але абсолютно божевільне пояснення. Готові?

     

    А що як за мить після створення Всесвіту існував період приблизно 0,000000000000000000000000000000000001 секунди, протягом якого сама тканина простору-часу розширилася у 10 000 000000 000000 000000 разів, тобто швидше за швидкість світла?

     

    Бам! Проблема вирішена.

     

    Що? Невже майже миттєве розширення тканини простору-часу на двадцять п’ять порядків швидше, ніж швидкість світла, здається вам абсолютно безглуздою і надуманою ідеєю? Якщо так, то ви точно не божевільний фізик.

     

    Бо саме так фізики й пояснюють, чому Всесвіт більший, ніж повинен бути, і має рівномірну температуру. Вони називають це (барабанний дріб!)—«інфляція». Так, не надто цікава назва. Але знаєте, що у цьому всьому найбожевільніше? Що, вірогідно, вони таки мають рацію.

    Спершу поговоримо про те, як це вирішує питання розмірів Всесвіту. Якщо забули, проблема полягала у тому, що видимий Всесвіт, який росте зі швидкістю світла, чомусь усе ще менший, ніж реальний Всесвіт, який, відповідно, повинен рости повільніше за швидкість світла. А теорія інфляції передбачає, що Всесвіт — хоч і на мить — розширювався швидше, ніж швидкість світла.

     

    Об’єкти всередині Всесвіту все ще підкорялися космічному обмеженню швидкості (тобто не рухалися крізь простір швидше за світло): під час інфляції розширювався сам простір, збільшуючись швидше, ніж світло встигало пройти крізь нього.

     

    Ось як реальний Всесвіт, що починався з крихітної скінченної точки, став набагато більшим за видимий. У ході інфляції Всесвіт розширився за горизонт видимого Всесвіту, виштовхнувши деякі об’єкти так далеко, що до нас і досі не дійшло їхнє світло.

     

    Розширення простору було надшвидким: Всесвіт виріс більш як у 1025 разів за менш ніж за 10–30 секунд. Після закінчення інфляції Всесвіт продовжував розширюватися: спочатку він розширювався досить повільними темпами, проте останнім часом почав набирати швидкість завдяки темній енергії. Тепер у видимого Всесвіту є шанс наздогнати реальний, бо наш горизонт все ще розширюється зі швидкістю світла. Але скільки Всесвіту й досі перебуває далеко за межами нашого поля зору? Ми гадки не маємо.

    ТЕКСТ: Деніел Вайтсон, Хорхе Чем
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська, Хорхе Чем
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: