Лиза Рэндалл - Достучаться до небес - Научный взгляд на устройство Вселенной

Высокоэнергетические эксперименты — не просто поиск новых частиц. Это, по существу, поиск структуры фундаментальных физических законов, обладающих еще большими объяснительными возможностями. Пока эксперименты не дадут ответов на наши вопросы, мы можем лишь строить предположения. Пока мы не стесняемся применять эстетические критерии при выборе модели, которая представляется нам верной. Но, когда в экспериментах будут достигнуты энергии или расстояния и набрана статистика, необходимая для различения моделей, мы будем знать много больше. Экспериментальные результаты — те, что мы надеемся получить на БАКе — определят, какие из наших предположений верны, и таким образом помогут установить фундаментальную природу реальности.

Когда‑то давно, когда я училась в начальной школе, однажды утром я прочла ошеломляющую новость о том, что Вселенная внезапно состарилась вдвое. Меня это поразило до глубины души. Как может такой важный фактор, как возраст Вселенной, меняться настолько радикально, не нивелируя при этом все остальные наши знания об окружающем мире?

Сегодня же меня удивляет другое. Меня поражает, как много и точно мы сумели узнать о Вселенной и ее истории. Мы теперь знаем не только возраст Вселенной точнее, чем когда‑либо; мы знаем, как изменялась Вселенная во времени, как формировались атомные ядра, как галактики и скопления галактик начинали свой эволюционный путь.

Космология в последние годы вступила в замечательную эпоху, когда революционные достижения, — и экспериментальные, и теоретические, — помогли полупить чрезвычайно обширное и подробное описание, в возможность которого никто не поверил бы еще 20 лет назад. Совместив передовые экспериментальные методики с вычислениями, сделанными на основе общей теории относительности и физики элементарных частиц, ученые получили подробную картину того, что представляла собой Вселенная на ранних стадиях и как она развивалась во времени до нынешнего состояния.

До сих пор эта книга сосредоточивалась в первую очередь на мелких масштабах, где мы исследовали внутреннюю природу вещества. Достигнув сегодняшнего предела в путешествии внутрь материи, мы можем теперь перейти к масштабам, разговор о которых был начат в главе 5, и поговорить о размерах объектов внешней Вселенной.

При этом не следует забывать об одной существенной особенности, из‑за которой путешествие к космическим масштабам отличается от путешествия в глубины вещества; мы ведь не можем аккуратно разложить по полочкам все аспекты Вселенной, опираясь на одни только размеры. Наблюдения не просто регистрируют сегодняшнее состояние Вселенной; из‑за конечности скорости света они в каком‑то смысле позволяют нам заглянуть в прошлое. Структуры, которые мы видим сегодня, вполне могут оказаться обитателями ранней Вселенной, свет от которых добрался до наших телескопов через миллиарды лет после того, как был излучен. Добавим, что нынешняя сильно расширившаяся Вселенная могла бы многократно вместить более раннюю версию самой себя.

Тем не менее размер играет очень существенную роль в интерпретации наших наблюдений — как нынешнего состояния Вселенной, так и истории ее развития во времени, и в этой главе мы поговорим о том и о другом. Во второй части главы мы рассмотрим эволюцию Вселенной как целого, начиная с крохотного первоначального размера и заканчивая большой и сложной структурой, которую мы наблюдаем сегодня. Но сначала мы познакомимся с сегодняшней Вселенной и с некоторыми размерами, характеризующими то, что нас окружает. Мы пройдем по шкале масштабов снизу вверх — от привычных предметов к большим размерам и более отдаленным объектам на Земле и в космосе. Наша экскурсия по большим масштабам и объектам будет значительно короче, чем предыдущее путешествие в глубины материи. Несмотря на богатство структуры Вселенной, большую часть того, что мы видим, можно объяснить при помощи известных физических законов — не фундаментальных, а новых. Формирование звезд и галактик протекает в соответствии с известными законами химии и электромагнетизма — наук, берущих начало в уже рассмотренных нами малых масштабах. Здесь, однако, и гравитация играет принципиально важную роль: все зависит от скорости и плотности объектов, на которые она действует.