http://slon.ru/biz/1017910/
Как расширяется Вселенная, где останавливается время, в чем главный вклад российской астрономии в мировую науку и как любой человек может открывать новые кометы без телескопа и бинокля, рассказали Slon астрофизик Александр Петров и астроном Владимир Сурдин
12 ноября 2013
Популяризаторы науки астрофизик Александр Петров и астроном Владимир Сурдин рассказали Slon, как расширяется Вселенная и где останавливается время, о главном вкладе российской астрономии в мировую науку и о том, как открывать новые кометы невооруженным глазом, без телескопа и бинокля. Петров стал финалистом премии «Просветитель» 2013 года с книгой «Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор». Сурдин, получивший премию в прошлом году за книгу «Разведка далеких планет», в ближайшую субботу прочтет в рамках Дня просветителя публичную лекцию в обсерватории МГУ (в полной темноте) об открытии новых небесных тел и поисках жизни во Вселенной.
– В своей книге вы цитируете афоризм: прогресс – это всего лишь смена одних проблем другими. Какую главную проблему в астрономии и в космологии удалось решить в последнее время и какая пришла ей на смену сейчас?
Александр Петров: В последние 15 лет открыли, что наша Вселенная ускоренно расширяется. Теперь понять бы, почему она расширяется. До этого пытались объяснить, почему космологическая постоянная настолько мала...
Владимир Сурдин: Давай другим языком это скажем? Мы уже сто лет знаем, что Вселенная расширяется, но не знаем, как меняется это расширение. Когда едешь на автомобиле, он ускоряется, тормозит или едет с постоянной скоростью. И мы до сих пор не знали, что Вселенная думает: ускоряет свое расширение или тормозит. В середине 1990-х мы таки узнали. Ответ был неожиданный. Думали, что скорость расширения либо постоянная, либо замедляется. Оказалось, что она ускоряется, но мотора ускорения мы не знаем до сих пор. Вот это проблема вставшая. Как если бы человек в коляске без мотора вдруг начал катиться все быстрее и быстрее.
А. П.: Хороший очень пример.
– А это возможно узнать какими-то инструментальными методами или теоретическими расчетами?
В. С.: Теория может все что угодно. Я думаю, всегда последнее слово за экспериментом, а в астрономии – за наблюдениями. Будем наблюдать.
– Кстати, про теорию. В книге вы упоминаете «теорию всего», которая увязала бы все существующие теории устройства Вселенной. Насколько ученые близки к ее созданию?
А. П.: Ну, насчет «близки» сложно сказать, но попытки ведутся уже несколько десятилетий. И открытие бозона Хиггса – это шаг на пути к ней. Если мы пойдем назад во времени по расширению, про которое сейчас Володя говорил, то температура всего, что нас окружает, начнет увеличиваться. А с увеличением температуры окажется, что там некоторые физические взаимодействия перестанут быть разными. То есть вместо электрического и слабого возникнет единое электрослабое взаимодействие. Останется три: то есть будет электрослабое, сильное и гравитационное. Ближе к Большому взрыву температура еще поднимется, останется единое великое взаимодействие. Но с гравитацией есть проблема: она слишком слаба и всегда остается в стороне. Пока это теория, но космологи говорят, что если удастся зарегистрировать реликтовые гравитационные волны, то можно будет говорить о той самой далекой истории Вселенной.
– А телескоп «Планка», который недавно отправили на пенсию, что-нибудь в этом смысле новое обнаружил?
В. С.: Ничего принципиально нового, но он здорово уточнил известное. Предыдущий летавший до него инструмент почти все открыл, наблюдая реликтовое излучение. Реликт – это тепло, которое приходит к нам из очень далеких эпох, когда Вселенная была меньше и горячее. Еще недавно измерения показывали, что со всех частей неба идет одинаковое тепло, как будто мы в печке сидим, и все стенки нагреты до одинаковой температуры. И стояла проблема: раньше все было одинаковым, а сегодня Вселенная разнородна, тут планета, тут пустота, тут звезда, тут человек, когда же все раскололось на части? Это был серьезный кризис в физике. Надо было найти то место в истории Вселенной, где вещество начало собираться в галактики, в звезды, в отдельные планеты. Предшественник «Планка» надежно показал, что в прошлом не было однородного вещества во Вселенной: здесь чуть поплотнее, здесь разрежено, и со временем, к нашей эпохе, это привело к дикой неоднородности. Теперь мы, по крайней мере, вздохнули спокойнее и понимаем, как оно к нашей эпохе разделилось на части.
– На смену телескопу «Планка» запускается новый?
В.С.: Да, и каждый следующий будет более качественным, но работать тоже будет недолго. Да это и не нужно, с телескопами, как с телефонами: через четыре года сегодняшняя техника устаревает, ей на смену приходит совершенно новая.
– Вы говорите: тепло, которое приходит к нам из древних эпох. Обычно мы представляем, что нечто приходит в пространстве, а не во времени.
В.С.: Это одно и то же. Мы смотрим сегодня на Солнце и видим его не таким, какое оно в эту секунду, а каким оно было восемь минут назад. Смотрим на туманность Андромеды и видим ее такой, какой она была два миллиона лет назад. А реликтовое излучение приходит к нам с расстояния 13 миллиардов лет, когда Вселенная была молодой, в ней не было ни звезд, ни галактик, а только однородная плазма.
– А момент, когда появилось это реликтовое излучение, от момента Большого взрыва…
В. С.: … отстоит примерно на 400 тысяч лет. Первые 380 тысяч лет все остывало, в результате плазма стала прозрачным газом, и как только Вселенная остыла, свет пошел через нее, и вот через 13 миллиардов лет дошел сюда, где мы его наблюдаем. Это как со спичкой: сквозь пламя, то есть плазму, ничего не видно, а сквозь газ, который колышется над пламенем, можно разглядеть свет.
– То есть заглянуть в историю за пределы 400 тысяч лет с Большого взрыва невозможно?
В. С.: Нет, мы упираемся в стену плазмы, и свет оттуда не проходит. Но есть другие носители информации, скажем, частицы нейтрино, которые могут пройти сквозь плазму, и если мы научимся их регистрировать, то увидим эпоху еще глубже. А гравитационные волны – им вообще все нипочем. Наша Вселенная, когда взорвалась, шумела в том числе и гравитационными волнами. Если мы их научимся регистрировать, то увидим самое-самое начало. Но когда мы научимся…
– А есть надежда, что научимся?
В. С.: Не при нашей жизни.
А. П.: Для начала нужно зарегистрировать обычные гравитационные волны.
В. С.: Есть гораздо более сильные источники тут рядом: взрывы звезд, столкновения – это очень слабое гравитационное излучение, на Земле пытаются его зарегистрировать, пока безрезультатно.
– В чем сложность?
В. С.: Гравитационное взаимодействие очень слабое. Мы его чувствуем, когда нас к стулу притягивает, только потому, что под нами огромная Земля. А если приходит гравитационная волна, она так слабо возмущает наши приборы, что они не в состоянии это зарегистрировать. Но к этому тоже уже почти подобрались. В мире работает шесть могучих гравитационных антенн, в Штатах, в Японии, в Европе. Если они все одновременно вздрогнут – это значит, что они зарегистрировали волну. А пока каждая из них вздрагивает, потому что где-то комар чихнул, где-то тетя в ста километрах кастрюлю уронила.
– Что будет делать космический корабль Gaia, который запускает Европейское космическое агентство в ближайшие недели?
В. С.: В техническом смысле Gaia – это чисто европейская игрушка, а в смысле обработки наблюдений, подготовки к запуску – тут все принимают участие: и мы, и американцы, все-все. Это очень точный измеритель положения звезд на небе. Вроде ерунда, но астрономы веками уточняют его, и Gaia будет картировать галактику точнее других в тысячу раз. Это позволит со временем узнать движение и взаимное притяжение звезд и в целом устройство галактики.
– А у России есть похожие «игрушки»?
А. П.: Ну, во-первых, у нас есть «Радиоастрон».
В. С.: Да, лучшее, что мы сделали за последние годы...
А. П.: …если не единственное.
В. С.: …если не единственное. Мы запустили спутник с радиотелескопом. Это действительно для России огромный прорыв, никогда еще в космосе не летал большой радиотелескоп. Два года назад удалось его запустить, и сейчас он бегает от Луны к Земле по вытянутой орбите. Западные организации участвовали в виде кое-какой электроники, но практически это наш проект, которым пользуется весь мир.
Суть в том, что обычные радиотелескопы не дают четкой картинки. Но чем больше антенна телескопа, тем лучше изображение. Можно совместить несколько радиотелескопов, создав один многоглазый, но раздвинуть их дальше, чем на размер земного шара, раньше было некуда. Лет 30 назад родилась идея запустить один радиотелескоп в космос, чтобы увеличить эффективный размер системы и повысить четкость изображения. Летом 2011 года с Байконура запустили «Радиоастрон», он раскрыл, как зонтик, свою параболическую антенну, с ним наладили связь. На Земле другие радиотелескопы – наши, австралийские, американские – работают совместно с ним, четкость радиокартинки очень высокая, можно подробно рассматривать черные дыры и ядра галактик. «Радиоастрон» создала группа академика [Николая] Кардашева в астро-космическом центре Физического института Академии наук. Лет двадцать он с коллегами работал над этим проектом.
А. П.: Теперь, может, действительно удастся открыть кротовые норы с его помощью.
– Что это?
В. С.: Ну, есть такая идея: если рассмотреть детально черные дыры и их окрестности, может, удастся открыть туннели в пространстве-времени…
А. П.: Ну, то есть они окажутся не такими черными дырами, которые просто…
В. С.: …все едят, а такими, через которые можно пробегать из одной точки пространства в другую коротким путем, как в фантастических фильмах. Туннели во времени: зашел – а вышел уже на другой планете через 10 секунд. Это теоретическая возможность, наблюдений, доказывающих их существование, пока нет. Маловероятно, но, может быть, «Радиоастрон» поможет приблизиться к такой находке. Это мечта Кардашёва, для нас это фантастика. Честно говоря, «Радиоастрон» стал неожиданным прорывом. Мы лет 20 уже ничего такого в космосе не делали – и вдруг получилось.
– Почему не делали?
В. С.: Страна болела. Не было денег, умные ребята уехали на Запад, полуумные ушли из науки в коммерцию, остались либо фанаты либо совсем никуда не годные. Сейчас проходит реорганизация Роскосмоса, но чем кончится, непонятно пока.
– Про деньги: на днях была новость, что Японское космическое агентство запустило спутник «Эпсилон» с телескопом, силами команды из восьми человек с двумя ноутбуками. То есть космические технологии становятся все доступнее и проблема денег отходит на второй план?
В. С.: Это так в тех странах, где вообще общий технологический уровень достаточно высокий. Вот в Штатах NASA отказалось делать свои ракетоносители на некоторое время, отдает заказы частным фирмам. Кто бы мог себе представит, что частная, небольшая фирма космическую ракету может сделать? Сегодня может. Но почему? Потому что она может разместить заказы на отдельные ее части в массе своих предприятий. В Штатах столько высокотехнологичных предприятий, что тебе достаточно просто иметь небольшой капитал и раскидать заказы по нужным предприятиям. Все придет, собрал – ракета готова. У нас такой среды нет. В Японии моему другу понадобился суперкомпьютер, чтобы быстро делать преобразование Фурье. Он раскидал заказы по японским фирмам и сам собрал шикарную машину для космических вычислений. Говорит, я один создал такую штуку. Да, ты один, но на тебя еще вся Япония работала.
– Может быть, тогда российскую астрономию спасут краудсорсинг и любительская астрономия?
В. С.: Любители всегда вкладывали в астрономию очень много. Полностью контролировать небо профессионалы не могут, у нас нет инструментов, которые бы каждый час обозревали все небо, мы всегда что-то пропускаем интересное. Тот же Челябинский метеорит. Если хотя бы за полчаса до подлета предупредили, люди хоть к окнам бы не подошли, стекло не получили в лицо. Словом, много чего мы не видим, а любители помогают контролировать небосвод. Особенно для России это актуально, у нас с телескопами сейчас не очень. А у любителей, наоборот, возможности возросли невероятно: электроника, цифровые камеры и хорошие дешевые телескопы, почти та же техника, что у профессионала. За три тысячи долларов можно купить супертелескоп. В итоге за последние десять лет в России любители сделали 60–70 процентов открытий астероидов и комет. В мире любители вкладывают процентов 20 в общее число открытий.
– Как это работает? Если я хочу что-нибудь открыть на небе?
В. С.: Конечно, нужно овладеть техникой наблюдений и купить телескоп, хотя и телескоп необязателен. Сейчас есть общемировые банки данных в сети, и любитель может работать на том же уровне, что и профессионал. Есть ребята, которые живут в деревне, у них нет денег на хороший телескоп, но есть интернет. Они скачивают фотографии, сделанные предыдущей ночью в лучших обсерваториях мира, изучают их и открывают кометы. Потому что у профессионалов просто времени не хватает просмотреть весь материал, который телескоп нащелкал за ночь.
– В книге вы пишете, что время на орбите спутников GPS течет быстрее, чем на Земле. В этом месте я немного сломал голову.
А. П.: Просто там, где гравитационное поле сильнее, часы идут медленнее. Чем ближе к Земле, тем поле сильнее, и тем медленнее идут часы. Спутник находится на орбите, то есть дальше от центра гравитации, чем мы, поэтому для нас время в спутнике на орбите идет быстрее, чем у нас. И поэтому, например, для точного определения координат GPS часы на спутнике настроены идти немного медленней, чтобы синхронизироваться с часами на Земле. Черная дыра – это пример предельного значения замедления. Если мы издалека смотрим на черную дыру и приближаем часы к ее горизонту, из-за которого лучи света уже не выходят, то там часы просто остановятся для нас, то есть для удаленного наблюдателя.
– Честно говоря, я надеялся, что ваш ответ меня спасет, а вы сейчас взломали мне голову еще больше новостью, что на горизонте черной дыры часы останавливаются.
А. П.: Да, но не сами по себе, а именно для нас. Есть так называемые астрофизические черные дыры. Суть в том, что звезда после взрыва начинает схлопываться, и, наблюдая издалека, мы видим, как ее вещество устремляется к горизонту. Однако по мере приближения к линии горизонта, сжатиевещества для удаленного наблюдателя замедляется, и в конце концов мы не увидим реальной черной дыры, а увидим некий объект, который очень плотно сжался близко к горизонту, но не ушел под него. Потому что так геометрия устроена, что для удаленного наблюдателя частица не пройдет через горизонт. Но если мы сядем на один из булыжников, которые падают в черную дыру, то мы пролетим горизонт, а если дыра довольно большая, то можем даже не заметить его, но тогда все равно конец неизбежен, потому что из-под горизонта нельзя выйти.
– И времени там для нас не будет?
А. П.: Нет, реально для нас наши часы будут идти так же, мы не заметим замедления времени. А вот если сравнить время наблюдателей, разнесенных в точки с разным гравитационным потенциалом, то оно будет разным. Так же, как в случае с GPS, но тут поправки очень маленькие, а вот черная дыра – это экстремальный пример. Редактор, Ваксман Владимир Михайлович, задал задачу, чтобы я объяснил немного больше, чем есть обычно в популярной литературе. И я попытался. Обычно как говорят: гравитационная сила настолько большая, что даже луч света из-под горизонта не выходит. Ну, как бы оно так и есть, но это ничего не объясняет фактически, потому что неясно, почему? Это не объяснение, а что-то вроде заклинания. Чтобы объяснить это, нужно хотя бы что-то объяснить о пространстве Минковского, то есть о едином пространстве-времени, о световых конусах. И если человек через этот барьер пройдет и поймет, что природа устроена так, что луч света или любая частица не могут покинуть этот световой конус, то все становится прозрачным. Эти световые конуса наклонены так, что и луч света, и любая частица – она все равно пойдет в центр черной дыры.
– То есть вопрос не в физике, а в геометрии?
А. П.: Очень хорошее замечание. Общая теория относительности и подавляющее число современных теорий гравитации геометрические, и вообще ни о какой силе речи не идет, а речь идет о таком искривлении, что все сваливается в этот световой конус.
В. С.: У Саши книжка оригинальная в том смысле, что обычно автор старается сделать популярную книжку понятной для любого школьника. А у Саши начинается с элементарного, но потом все сложней, сложней – и в какой-то момент останавливаешься и понимаешь: все, дальше не врублюсь.
– Даже у вас такое ощущение было?
В. С.: И у меня такое же было ощущение, я не занимаюсь теориями гравитации. В этом вообще мало специалистов. И книга тебе показывает, мол, видишь, братец, дальше – еще сложней и сложней, и сложней, и то, что вы знаете, – это только первые ступеньки к тому, что на самом деле люди знают, и вам еще до этих вершин, может, никогда не добраться. Может, это плохо, что любой читатель, дойдя до какого уровня, понимает: все, я дурак, дальше не могу.
– Обычному человеку, как я, который не обладает нужным уровнем абстракции мышления, – зачем бы ему было полезно попытаться взойти на вашу книгу?
А. П.: На самом деле мои знакомые, человек десять, прочитали ее, многие, конечно, опускали формулы. Половина из тех, кто прочитал, сказали, что планируют перечесть, чтобы разобраться глубже. То есть в ней действительно есть несколько уровней. И на многих это произвело впечатление, особенно последняя глава, которая затрагивает все, что в гравитации сейчас только зарождается. Это жутко интересно, по-моему.
В. С.: Есть такой анекдот. На конференции к британскому астрофизику Артуру Эддингтону, который написал хорошую книгу по теории относительности Эйнштейна, подходит журналист и спрашивает: «Сэр, правда ли, что в мире всего три человека понимают эту теорию?» – «Да? – удивился тот, – а кто третий?»