Lawrence M. Krauss. A Universe from Nothing / Лоуренс Краусс. Вселенная из ничего.: Chapter 3: Light from the Beginning of Time

Глава 3: Свет от начала времен

cosinus 29.12.13 в 18:07

И ныне, и присно, и во веки веков.

cosinus 29.12.13 в 18:10

— "Глория патри".

cosinus 29.12.13 в 18:15

Если вы размышляете, пытаясь определить общую кривизну Вселенной, измеряя содержащуюся в ней общую массу, а затем используя уравнения общей теории относительности, отматывание пленки назад имеет огромные потенциальные проблемы.

cosinus 29.12.13 в 18:25

Вы неизбежно должны задаться вопросом, скрыта ли материя так, что мы не можем ее обнаружить.

cosinus 29.12.13 в 18:26

Например, мы можем исследовать наличие материи в этих системах, используя гравитационную динамику видимых систем, таких как галактики и скопления.

cosinus 29.12.13 в 18:34

Если значительная масса каким-то образом находится в другом месте, мы ее пропустим.

cosinus 29.12.13 в 18:37

Было бы гораздо лучше непосредственно измерить геометрию всей видимой Вселенной.

cosinus 29.12.13 в 18:39

Но как можно измерить трехмерную геометрию всей видимой Вселенной?

cosinus 29.12.13 в 18:40

Легче начать с более простого вопроса: как бы вы определили, что двумерный объект, такой как поверхность Земли, был изогнут, если бы не могли обойти вокруг Земли и не могли подняться над ней в спутнике и посмотреть вниз?

cosinus 29.12.13 в 18:42

Во-первых, вы могли бы спросить ученика средней школы, какова сумма углов в треугольнике?

cosinus 29.12.13 в 18:44

(Только выбирайте среднюю школу тщательно... Европейская школа подойдет.)

cosinus 29.12.13 в 18:45

Вам бы сказали, что 180 градусов, потому что ученик, без сомнения, изучал евклидову геометрию - геометрию, ограниченную плоским листом бумаги.

cosinus 29.12.13 в 18:49

На изогнутой двумерной поверхности, такой как глобус, вы можете нарисовать треугольник, сумма углов которого намного больше, чем 180 градусов.

cosinus 29.12.13 в 18:50

Рассмотрим, например, линию, нарисованную вдоль экватора, затем идущую под прямым углом, доходящую до Северного полюса, а затем идущую еще под прямым углом на юг к экватору, как показано ниже.

cosinus 29.12.13 в 18:53

Три раза по 90 дает 270, намного больше, чем 180 градусов.

cosinus 29.12.13 в 18:54

Вуаля!

cosinus 29.12.13 в 18:55

Оказывается, это просто, двумерное мышление распространяется прямо и одинаково на три измерения, потому что математики, которые впервые предложили неплоскую, или так называемую неевклидову, геометрию поняли, что одни и те же возможности могут существовать в трех измерениях.

cosinus 30.12.13 в 17:52

Кстати, самый известный математик девятнадцатого века, Карл Фридрих Гаусс, был так очарован возможностью, что наша Вселенная может быть изогнута, что взял данные карт геодезической съемки за 1820-е и 30-е годы, чтобы измерить большие треугольники между немецкими горными вершинами Hoher Hagen, Inselberg и Bracken, и определить, может ли он обнаружить какую-либо кривизну самого пространства.

cosinus 30.12.13 в 18:02

Конечно, тот факт, что эти горы находятся на изогнутой поверхности Земли, означает, что двумерная кривизна поверхности Земли мешала бы любым измерениям, которые он выполнял, чтобы исследовать кривизну в фоновом трехмерном пространстве, в котором находится Земля, что он должен был знать.

cosinus 30.12.13 в 18:19

Я предполагаю, что он планировал вычесть все такие вклады из своих конечных результатов, чтобы увидеть, мог ли быть связан какой-либо возможный остаток кривизны с искривлением фонового пространства.

cosinus 30.12.13 в 18:28

Первым человеком, попытавшимся окончательно измерить кривизну пространства, был никому не известный математик Николай Иванович Лобачевский, живший в далекой Казани в России.

cosinus 30.12.13 в 18:30

В отличие от Гаусса, Лобачевский был фактически одним из двух математиков, имевших смелость предположить в печати возможность так называемых гиперболических криволинейных геометрий, где параллельные линии могут расходиться.

cosinus 30.12.13 в 18:34

Примечательно, что Лобачевский опубликовал свою работу по гиперболической геометрии (которую мы теперь называем "отрицательно искривленными" или "открытыми" вселенными) в 1830 году.

cosinus 30.12.13 в 18:37

Вскоре после этого, рассматривая, может ли наша собственная трехмерная вселенная быть гиперболической, Лобачевский предположил, что есть возможность "исследовать звездный треугольник для экспериментального решения этого вопроса".

cosinus 30.12.13 в 18:40

Он предположил, что можно воспользоваться наблюдениями за яркой звездой Сириус, когда Земля была по разные стороны своей орбиты вокруг Солнца, с интервалом в шесть месяцев.

cosinus 30.12.13 в 18:45

Исходя из наблюдений, он пришел к выводу, что кривизна нашей Вселенной должна быть по крайней мере в 166 000 раз больше радиуса орбиты Земли.

cosinus 30.12.13 в 18:55

Это большое число, но это тривиально мало по космическим масштабам.

cosinus 30.12.13 в 18:58

К сожалению, тогда как у Лобачевского была правильная идея, он был ограничен технологиями своего времени.

cosinus 30.12.13 в 18:59

Однако сто пятьдесят лет спустя ситуация улучшилась благодаря наиболее важному из всех наблюдений в космологии: измерению космического микроволнового фонового излучения, или реликтового излучения.

cosinus 30.12.13 в 19:03

Реликтовое излучение - это не что иное как остаточное свечение Большого Взрыва.

cosinus 30.12.13 в 19:05

Оно дает еще ряд прямых доказательств, если требуются, что Большой Взрыв действительно имел место, потому что это позволяет нам непосредственно оглянуться назад и определить природу очень молодой, горячей Вселенной, из которой позже появились все структуры, которые мы видим сегодня.

cosinus 30.12.13 в 19:13

Одна из многих замечательных вещей в космическом микроволновом фоновом излучении - это то, что оно было обнаружено в Нью-Джерси, кто бы мог подумать, двумя учеными, которые действительно не имели ни малейшего представления о том, что они искали.

cosinus 30.12.13 в 19:16

Другое дело, что оно существовало практически у всех перед носом в течение многих десятилетий, потенциально наблюдаемое, но совершенно не замечаемое.

cosinus 30.12.13 в 19:18

На самом деле, возможно, вы достаточно старый, что наблюдали его эффекты, не осознавая этого, если вы помните дни до кабельного телевидения, когда каналы использовали, заканчивая вещание в предрассветные утренние часы, а не запускали на всю ночь рекламные ролики.

cosinus 30.12.13 в 19:26

Когда эфир заканчивался, после показа телевизионной таблицы, на экран возвращались помехи.

cosinus 30.12.13 в 19:33

Около 1 процента этих помех, которые вы видели на экране телевизора, было излучением, оставшимся от Большого Взрыва.

cosinus 30.12.13 в 19:35

Происхождение космического микроволнового фонового излучения относительно ясно.

cosinus 30.12.13 в 19:36

Поскольку Вселенная имеет конечный возраст (напомним, это 13 720 000 000 лет), и поскольку мы высматриваем все более удаленные объекты, мы смотрим все дальше назад во времени (так как свету требуется больше времени, чтобы добраться до нас от этих объектов), и можно представить, что если бы мы взглянули достаточно далеко, мы бы увидели сам Большой Взрыв.

cosinus 01.01.14 в 11:21

В принципе, это не невозможно, но на практике между нами и теми давними временами лежит стена.

cosinus 01.01.14 в 11:27

Не физическая стена, как стены помещения, в котором я это пишу, но стена, которая, в значительной мере, оказывает такое же воздействие.

cosinus 01.01.14 в 11:35

Я не могу видеть через стены в моей комнате, потому что они непрозрачны.

cosinus 01.01.14 в 11:37

Они поглощают свет.

cosinus 01.01.14 в 11:38

Итак, когда я смотрю в небо все дальше и дальше назад во времени, я смотрю на Вселенную, когда она была все моложе и моложе, а также все горячее и горячее, потому что она охладилась со времен Большого Взрыва.

cosinus 01.01.14 в 11:42

Если я посмотрю назад достаточно далеко, в то время, когда Вселенной было примерно 300 000 лет, температура Вселенной была примерно на 3 000 градусов (по шкале Кельвина) выше абсолютного нуля.

cosinus 01.01.14 в 11:44

При этой температуре окружающее излучение обладало настолько большой энергией, что могло разбивать атомы, преобладающие во Вселенной, атомы водорода, на отдельные составляющие, протоны и электроны.

cosinus 01.01.14 в 11:50

До этого времени нейтральной материи не существовало.

cosinus 01.01.14 в 11:51

Обычная материя Вселенной, сделанная из атомных ядер и электронов, состояла из плотной "плазмы" заряженных частиц, взаимодействующих с излучением.

cosinus 01.01.14 в 11:54

Плазма, однако, могла быть непрозрачной для излучения.

cosinus 01.01.14 в 11:55

Заряженные частицы в плазме поглощали фотоны и переизлучали их, так что излучение не могло легко проходить через такое вещество беспрепятственно.

cosinus 01.01.14 в 11:58