Три питання про космос, на які наука не має відповіді (14 фото)

Сьогодні, 14:54

Сфотографували чорну дірку. Справжню. З горизонтом подій та вогняним кільцем навколо. Упіймали гравітаційні хвилі від зіткнення двох мертвих зірок за мільярд світлових років — буквально почули, як рветься тканина простору. Виміряли уповільнення часу на різниці висоти менше півметра. За мірками ХІХ століття — це рівень богів із гарною інженерною освітою.

І ось у цей момент фізика, поправивши окуляри, каже:

— Так, до речі… ми досі не розуміємо, звідки все це узялося.

Не розуміємо, як Всесвіт стартував. Не розуміємо, чому в центрі кожної галактики, що поважає себе, сидить надмасивний монстр. І, що особливо ніяково, не розуміємо, чи існує час як фундаментальна штука — чи це просто зручна ілюзія.

Давайте подивимося на ці запитання та розберемо їх докладніше. Вони дуже цікаві!

Звідки взялося хоч що-небудь

Почнемо з нахабного питання з можливих. Чому взагалі існує Всесвіт? Чому вона – «щось», а не «ніщо»?

Фізики давно помітили незручність ситуації та спробували її розрулити через хитрість: перевизначити саме «ніщо». У квантової теорії поля абсолютної порожнечі немає у принципі.

Вакуум – це не порожня коробка. Це стан із мінімальною енергією, де постійно відбуваються квантові флуктуації (коливання): частки народжуються та анігілюють швидше, ніж їх встигають помітити. Так, у вакуумі постійно народжується матерія!

У 1996 році фізик Стів Ламоро поставив дивовижний експеримент: взяв дві металеві пластини та помістив їх майже впритул один до одного. Жодних зарядів, жодних магнітів. Але пластини потяглися одна до одної. Самі.

Стів Ламоро (ліворуч)

Причина - «порожнеча» між ними виявилася не зовсім порожньою. У квантовому світі вакуум постійно вирує: частки народжуються і зникають, не встигаючи «матеріалізуватися». Між пластинами цих невидимих сплесків менше, ніж зовні — і зовні давить сильніше. Ефект Казимира називається. Ніщо виявилося чимось.

Але фізика відразу заганяє себе в кут. Гаразд, вакуум не порожній. А звідки взявся сам вакуум? Звідки квантові поля та закони, за якими вони працюють? Питання не зникає – просто переїжджає поверхом вище.

Інфляційна теорія пояснює інше: як із майже гладкого раннього Всесвіту зросла вся нинішня структура — галактики, скупчення, нитки. Крихітні квантові флуктуації за мізерну частку секунди роздулися до розмірів майбутніх галактик. Дані супутника Planck 2018 це підтверджують. Але це відповідь на «як», а не на «чому закони взагалі існують».

Хокінг пішов далі і запропонував описувати сам Всесвіт як квантовий об'єкт — із хвильовою функцією замість жорсткої точки початку. Їхній конкурент Олександр Віленкін назвав це «тунелюванням з нічого»: Всесвіт просто «проскочив» з небуття, як частинка крізь бар'єр. Гарно. Але в обох моделей різні передбачення — і поки що незрозуміло, яка з них має рацію.

Простір-час просто не має краю – це як поверхня сфери, яка теж не має краю.

«Що було до Великого вибуху» в цих моделях — безглузде питання, яке прозвучить приблизно, як «що на південь від Південного полюса».

Суперечка триває, причому з формулами та взаємними претензіями у рецензіях. Обидві моделі адекватно не можуть описати походження – залишається багато дірок.

Є популярна версія відповіді: "Всесвіт виник з нічого, тому що сумарна енергія дорівнює нулю - позитивна енергія речовини гасить негативну гравітаційну". Звучить елегантно. Але це зовсім відповідає істині.

У загальній теорії відносності "повна енергія Всесвіту" - поняття, яке коректно працює тільки для дуже конкретних геометрій простору-часу. Загалом його просто не можна визначити. Це не причіпка – це математичний факт.

Еммі Нетер

Математик Еммі Нетер ще 1918 року довела: усі закони збереження – наслідок симетрій. Є симетрія — є величина, що зберігається. Немає симетрії – немає закону. Запитання тільки зрушується: а чому у природи саме такі симетрії?

Фізика вміє описувати, як Всесвіт розвивався з дуже раннього стану. Чому цей стан взагалі існував – не знає.

Надмасивні чорні дірки в центрах галактик

Ось факт, що при близькому розгляді має незвичайний вигляд. У центрі майже кожної великої галактики сидить надмасивна чорна діра. Не «у деяких». Чи не «в особливих». У більшості — і наш Чумацький Шлях не є винятком.

У 2019 році телескоп Event Horizon Telescope вперше сфотографував тінь чорної дірки - в галактиці M87, на відстані 55 мільйонів світлових років. Кільце газу, що світиться навколо чорної плями.

2022 року — знімок Стрільця A* у центрі нашої Галактики. Об'єкт з масою 4,3 мільйона сонців, стислий до розміру, який вписався в орбіту Меркурія.

Проблема не в тому, що вони є там. Проблема в тому, що вони виявилися там так швидко.

Квазари — активні ядра галактик, де чорна діра пожирає матерію і світить яскравіше за всю решту галактики — знайшли вже в епоху, коли Всесвіту не було й мільярда років.

Чорна діра квазара J0313-1806 важить 1,6 мільярда сонців. Квазар J0100 +2802 - 12 мільярдів. Вік Всесвіту на той момент менший за мільярд років. Як це взагалі можливе?

З погляду сучасної фізики цього часу ніяк не мало вистачити для формування такого об'єкта.

Це приблизно як уявити, що людина вступила до МДУ, потім створила високотехнологічну компанію. Створив інноваційні продукти, вивів на ринок та став доларовим мільярдером. І це у шість років.

Саме собою все це можливо, але тільки не за такий короткий термін!

Чорна діра росте, поглинаючи речовину. Але є межа – поріг Еддінгтона. Вище за нього тиск власного випромінювання буквально здуває газ геть, і дірка перестає їсти матерію. Це природний обмежувач швидкості зростання. Простий розрахунок показує: щоб за 800 мільйонів років виростити мільярд сонячних мас, стартувати потрібно як мінімум із тисячі. Де взяти тисячу сонячних мас на самому початку Всесвіту?

Гіпотез кілька, переможця поки що немає.

Перша — «легке насіння». Найперші зірки були величезними, горіли швидко і залишали по собі чорні дірки кілька сотень сонячних мас. Слабке місце: щоб з такого насіння вирости в квазар, дірка повинна майже без перерви харчуватися на межі можливої. Найменша пауза – і не встигає.

"Прямий колапс". Друга гіпотеза свідчить, що хмара газу стискується відразу в чорну дірку, минаючи стадію зірки. На старті виходить об'єкт від десяти тисяч до мільйона сонячних мас – завдання різко спрощується. Головна умова: газ не повинен роздробитись на звичайні зірки по дорозі, тобто повинен залишатися гарячим. 2024 року фізики запропонували механізм, як це працює — через придушення молекулярного водню, який зазвичай охолоджує газ та запускає його розпад на зірки.

«Злиття за наростаючою». У щільних скупченнях чорні діри зіштовхуються і зливаються, щоразу набираючи масу. У 2020 році детектор LIGO впіймав гравітаційні хвилі від події GW190521 - народження чорної діри в 142 сонячні маси. Таку не пояснити колапсом однієї зірки. Хтось явно збирав її частинами.

Є й екзотичний варіант - первинні чорні дірки, що виникли ще в перші секунди після Великого вибуху із надщільних згустків матерії. Красива ідея, але спостережних доказів поки що нуль.

Питання "що з'явилося раніше - галактика або чорна дірка" залишається без чіткої відповіді. Ранні спостереження натякають, що чорна діра нерідко «квапиться» вирости раніше, ніж галактика набирає основну зоряну масу. Це може означати, що центральний монстр не просто сидить у галактиці, а частково її формує через потужні викиди, які розігрівають і вимітають газ, регулюючи темп зореутворення. Чи не паразит, а, можливо, архітектор.

Час: чи є він насправді

Це питання звучить як щось із розмови на кухні з друзями о другій годині ночі. Але за ним стоїть цілком конкретна фізика — і конкретна незакрита проблема.

Почнемо з того, що достеменно відомо. Час у фізиці — не універсальне тло, що цокає однаково всім.

Це давно не теорія: у 2010 році американські фізики виміряли різницю в ході атомного годинника на перепаді висоти 33 сантиметри. Годинник нижче йде повільніше - гравітація тягне час, сповільнює його перебіг. У 2022 році те саме завдання було вирішено на масштабі кількох міліметрів.

Ваші ноги старіють трохи повільніше, ніж голова. Не «філософськи», а буквально! Просто ви за все життя це навіть не помітите, настільки мала величина

Це вимірна, відтворювана фізика. GPS-супутники враховують релятивістське уповільнення часу у своїх поправках - інакше помилка навігації накопичувалася б зі швидкістю кількох кілометрів на добу.

То в чому проблема? У тому, що фізика чудово описує "як час тече" - але не може пояснити "чому воно тече саме в один бік".

Рівняння фізики майже скрізь симетричні за часом. Запустіть фільм із рухом молекул у зворотний бік — закони механіки не будуть порушені.

А ось фільм з чашкою, що розбивається, запущений задом наперед, відразу виглядає безглуздо. Уламки не стрибають назад у чашку. Це називається "стріла часу", і вона пов'язана з термодинамікою - зі зростанням ентропії.

Фізик Роберт Уолд сформулював жорстко: щоб стріла часу існувала, Всесвіт повинен був почати з аномально низькою ентропією - зі стану "особливого порядку". Це не випливає з жодних рівнянь. Це просто постулат – «минула гіпотеза» у філософії фізики. Чому Всесвіт стартував саме так – невідомо.

У 2012 році фізики на прискорювачі SLAC порівняли, з якою ймовірністю B-мезони розпадаються "вперед" і "назад" за часом. Імовірності виявилися різними. Час на мікрорівні не цілком симетричний - але цей ефект мізерно малий. Він не пояснює, чому кава остигає, а не нагрівається сама собою.

Роберт Уолд

Найрадикальніша ідея — що час взагалі не є фундаментальним. Рівняння Уілер-де Вітта, одна зі спроб поєднати квантову механіку з гравітацією, не містить змінної часу. Зовсім. Механізм Page–Wootters 1983 року показує: якщо розділити квантову систему на «годинник» та «все інше», спостерігач усередині побачить плин часу. Зовні його немає. Час виникає з кореляцій між частинами системи як побічний ефект, а не як закон природи.

Карло Ровеллі

Фізик Карло Ровеллі формулює це радикально: час — не річ, яка існує сама собою. Це спосіб, яким одні фізичні процеси описують інші. Зручна кількість, яку ми приписуємо змінам.

Прийняти це складно. Відчуття «зараз», «течії», «минулого» — найбезпосередніше з усього, що маємо. І саме тому ситуація така незручна: найочевидніша річ у світі може виявитися похідною. Наслідком, а чи не причиною.

Що поєднує всі три питання

Насправді, нерозкритих питань про космос, звичайно, набагато більше ніж три. Залишаються загадкою темна матерія та темна енергія. Не до кінця зрозуміла і історія походження Всесвіту (теорія Великого вибуху зараз має труднощі в поясненні багатьох спостережуваних фактів).

Але я вирішив сфокусуватися сьогодні на цих трьох питаннях, які несуть філософський, світоглядний зміст, а не лише суто науковий та фізичний.

За кожним із цих питань ховається те саме. «Ніщо» у фізиці майже завжди виявляється «щось». Вакуум тисне, флуктує і залишає сліди. Чорні дірки виросли раніше, ніж ми думали, і досі незрозуміло як. Час іде в один бік без видимої причини.

Ми навчилися міряти Всесвіт з точністю до міліметра в гравітації і до горизонту подій у чорних дірок. Але три найпростіші питання - чому є щось, звідки взялися центральні монстри галактик і куди "тече" час - упираються в одне: ми не розуміємо початкових умов. Не знаємо, чому Всесвіт стартував саме так, а не інакше.

Це не привід засмучуватися. Це привід продовжувати дивитись у небо. І колись ми розкриємо ці загадки, що, я впевнений, просуне людство далеко вперед!