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

Страшная правда демографических пирамид Страшная правда демографических пирамид

В Азии, Индии и Южной Африке сформируются новые центры экономической активности

Эксперт
6 технологических новинок техновыставки IFA, за которыми будущее 6 технологических новинок техновыставки IFA, за которыми будущее

Ну наконец-то человечество создало шкаф, который сам ухаживает за одеждой

Playboy
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
Овощи на гриле: лучшие места для веганов, вегетарианцев и флекситарианцев Овощи на гриле: лучшие места для веганов, вегетарианцев и флекситарианцев

Любимые места веганов и вегетарианцев

Forbes
Принцип равнозначности. Kia ProCeed vs Toyota C-HR Принцип равнозначности. Kia ProCeed vs Toyota C-HR

Сравниваем автомобили Kia ProCeed и Toyota C-HR

РБК
Как создать комфортный офис для людей разного психологического склада Как создать комфортный офис для людей разного психологического склада

То, как организовано рабочее пространство, сказывается на здоровье сотрудников

Psychologies
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
Статус «свободен» и еще 5 непростых ситуаций для встречи Нового года Статус «свободен» и еще 5 непростых ситуаций для встречи Нового года

Как встретить Новый год в зависимости от вашего статуса отношений?

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

Эд Стаффорд прошел пешком вдоль Амазонки

Популярная механика
Идеальные ягодицы за 10 минут: как правильно приседать Идеальные ягодицы за 10 минут: как правильно приседать

Как накачать ягодицы и улучшить выносливость за короткое время

Cosmopolitan
«Спасение человеческих жизней — это долг, а не преступление» — капитан Карола Ракете об аресте за помощь ливийцам «Спасение человеческих жизней — это долг, а не преступление» — капитан Карола Ракете об аресте за помощь ливийцам

Женская решительность против преступного бездействия

Vogue
Антисептики Антисептики

Что такое антисептики и как они могут работать

Maxim
Крыло с обратной стреловидностью: все Крыло с обратной стреловидностью: все

Вопрос – зачем нужна обратная стреловидность крыла?

Популярная механика
Как понять, что нами манипулируют Как понять, что нами манипулируют

Как распознать манипуляцию и научиться ей противостоять

Psychologies
Матрица 2019: почему фильм стал легендарным Матрица 2019: почему фильм стал легендарным

Вспоминаем, что значила “Матрица” двадцать лет назад

Esquire
Данила Козловский привез из Грузии «девчонку», которую увидел на обочине Данила Козловский привез из Грузии «девчонку», которую увидел на обочине

Данила Козловский умилил поклонников рассказом о путешествии в Грузию

Cosmopolitan
Америкэн бой, уеду с тобой Америкэн бой, уеду с тобой

Западные знаменитости охотно поддаются чарам русских женщин

StarHit
Брак по секрету: 18 звездных пар, которые поженились и никому не сказали Брак по секрету: 18 звездных пар, которые поженились и никому не сказали

Далеко не все звезды устраивают из свадьбы пышное торжество

Cosmopolitan
Искусство быть первым. Каким мир запомнит Алексея Леонова Искусство быть первым. Каким мир запомнит Алексея Леонова

Ушедший Алексей Леонов навсегда останется символом героической истории

Forbes
Лица «Народной воли». Лев Тихомиров: отрекшийся, но не предавший Лица «Народной воли». Лев Тихомиров: отрекшийся, но не предавший

Драматичная история народовольца Льва Тихомирова

СНОБ
Охота на Лисовую Охота на Лисовую

Мария Лисовая олицетворяет красоту землян в блокбастере «Вратарь Галактики»

Maxim
Доказали прозрачность Доказали прозрачность

Брокер Freedom Holding Corp. получил листинг на американской Nasdaq

Эксперт
Крестовоздвижение Крестовоздвижение

Сама икона «Воздвижение креста» трактовалась как победа над язычниками

Дилетант
Как отрезали Как отрезали

Современные технологии на фабрике Savio Firmino

AD
Ульф Нильсон: «Смерть — табу для взрослых, но не для детей» Ульф Нильсон: «Смерть — табу для взрослых, но не для детей»

Как стать детским писателем, и какие темы волнуют любого ребенка?

Psychologies
Новый Новый

Google представил ряд обновленных и совсем новых продуктов в своем ассортименте

Популярная механика
Единственный топ-менеджер, который звонит Трампу: как глава Apple Тим Кук влияет на президента США Единственный топ-менеджер, который звонит Трампу: как глава Apple Тим Кук влияет на президента США

Об особых отношениях Трампа и Кука

Forbes
Определена дата начала социального расслоения Определена дата начала социального расслоения

В Древнем Риме богатые патриции управляли империей, а плебеи работали на фермах

Популярная механика
Суда не будет: кто и как поможет решить спор со страховой Суда не будет: кто и как поможет решить спор со страховой

Кто такой финансовый омбудсмен и какое отношение он имеет к страховым компаниям

РБК
В России создали новое средство для лечения заражения крови В России создали новое средство для лечения заражения крови

Резиденты МГУ разработали уникальное средство для борьбы с сепсисом

Популярная механика
Открыть в приложении