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

Мемуары выдающихся ученых, которые стоит прочесть Мемуары выдающихся ученых, которые стоит прочесть

Топ-7 самых увлекательных мемуаров легендарных исследователей и ученых

Популярная механика
Волнение. Фрагмент пьесы Волнение. Фрагмент пьесы

Отрывок пьесы «Волнение» Ивана Вырыпаева

СНОБ
Крикетный мяч и самолет Spitfire: как создают автомобили Jaguar Крикетный мяч и самолет Spitfire: как создают автомобили Jaguar

Что общего у спорткара Jaguar и крикетного мячика

РБК
5 кинопар, у которых есть чему поучиться 5 кинопар, у которых есть чему поучиться

У героев современных фильмов ценности уже не те, что в старых кинолентах

Лиза
Cкрытые функции в Windows 10: как их найти и активировать? Cкрытые функции в Windows 10: как их найти и активировать?

При обычной установке Windows «скрывает» некоторые функции

CHIP
Как воспитать ребенка-оптимиста Как воспитать ребенка-оптимиста

Способны ли мы привить детям позитивное отношение к миру

Psychologies
Вариатор Toyota RAV4. Мифы и реальность Вариатор Toyota RAV4. Мифы и реальность

Как известно, в любом автомобиле есть коробка передач

4x4 Club
Каково это — жить и работать в Нью-Йорке. Истории четырех россиян, переехавших в США делать бизнес и карьеру Каково это — жить и работать в Нью-Йорке. Истории четырех россиян, переехавших в США делать бизнес и карьеру

Почему поиск работы в США может затянуться на полгода

Esquire
Владимир Сорокин: «Мои персонажи живут сами и действуют в соответствии со своими желаниями» Владимир Сорокин: «Мои персонажи живут сами и действуют в соответствии со своими желаниями»

Герой этого номера Grazia – писатель и драматург Владимир Сорокин

Grazia
8 модных осенних образов: с чем носить жилетку осенью 8 модных осенних образов: с чем носить жилетку осенью

С чем носить жилетку осенью, чтобы выглядеть круто

Cosmopolitan

Типичная алленовская картина про выбор между разумом и чувствами

Esquire
Группа Race to Space выпустила новый альбом «III» Группа Race to Space выпустила новый альбом «III»

После четырехлетнего перерыва электронщики Race to Space выпустили альбом III

Esquire
Молодая поросль Молодая поросль

Лауреат «Кинотавра» Александр Кузнецов — артист совершенно новой формации

GQ
Не беси меня! Не беси меня!

Рассказываем, что мужчин раздражает в женщинах

StarHit
1917, 1931, 2019. Почему искусство заканчивается 1917, 1931, 2019. Почему искусство заканчивается

Порой искусство замолкает, так уже случалось в нашей истории

СНОБ
Брать или нет: тест чайника Polaris PWK 1702CGL с особой крышкой Брать или нет: тест чайника Polaris PWK 1702CGL с особой крышкой

Чайник с уникальной крышкой, которая автоматически открывается при заливе воды

CHIP
…или действие? …или действие?

Где взять вдохновение и как его не потерять?

Cosmopolitan
Зеленые человечки Зеленые человечки

Экологичный дом с садом на крыше, террасами и бассейнами с дождевой водой

AD
Несчастливые «Союзы»: космические трагедии Советского Союза Несчастливые «Союзы»: космические трагедии Советского Союза

За всю историю советской космонавтики было всего 2 случая гибели космонавтов

Популярная механика
Третья жена Оскара Кучеры полтора года скрывала от него рождение их сына Третья жена Оскара Кучеры полтора года скрывала от него рождение их сына

45-летний Оскар Кучера рассказал о том, как тяжело складывались его три брака

Cosmopolitan
Алла Бест: «Похудеть, чтобы стать лучшей версией себя» Алла Бест: «Похудеть, чтобы стать лучшей версией себя»

Важно убедить человека, что здоровый образ жизни — это увлекательный процесс

Худеем правильно
#инструктаж: как начать бегать осенью и не простудиться #инструктаж: как начать бегать осенью и не простудиться

Готовиться к бегу зимой надо начинать осенью, когда за окном +9

РБК
Даниил Медведев - русский «теннисист-тролль»: скандальные выходки чемпиона Даниил Медведев - русский «теннисист-тролль»: скандальные выходки чемпиона

Российский теннисист Даниил Медведев еще не очень хорошо известен публике

Cosmopolitan
Блестящая инвестиция: драгоценные камни выросли в цене на 110% за 10 лет Блестящая инвестиция: драгоценные камни выросли в цене на 110% за 10 лет

Цены на цветные камни за последние 10 лет росли быстрее, чем на белые бриллианты

Forbes
Недостача на $330 млн: как банк плохих долгов остался без денег от продажи инвестбизнеса «Открытия» Недостача на $330 млн: как банк плохих долгов остался без денег от продажи инвестбизнеса «Открытия»

Вадим Беляев смог продать ядро инвестиционного бизнеса банка Роману Авдееву

Forbes
По отцовской линии По отцовской линии

Дети Бориса Немцова о том, как изменилась их жизнь после тяжелой потери

StarHit
На приеме На приеме

Платные клиники принимают все больше пациентов с полисами ОМС

Forbes
Айза Анохина, Ингрид Олеринская и Петр Илингин на ужине Golden Triangle Айза Анохина, Ингрид Олеринская и Петр Илингин на ужине Golden Triangle

Ужин, посвященный началу Московского Гастрономического Фестиваля

Cosmopolitan
«Сложнее тем, кто поднимает цены». В Nissan рассказали, как все дорожает «Сложнее тем, кто поднимает цены». В Nissan рассказали, как все дорожает

Вице-президент Nissan о росте цен на автомобили и роли господдержки

РБК
Как выбрать электрорубанок: профессиональные советы от CHIP Как выбрать электрорубанок: профессиональные советы от CHIP

Как выбрать электрический рубанок для дома, недорогой и хороший по качеству

CHIP
Открыть в приложении