[ad_1]
Новости науки на прошлой неделе включали вывод, что ответ отрицательный. Почему меня должно волновать, симметрична ли Вселенная? И зачем мне читать о доказательствах? С самого начала научной космологии (конечно, она началась с Эйнштейна, в примечании к его изложению общей теории относительности) — с самого начала космологии все в этой области предполагали, что Вселенная необычайно симметрична. Совершенно симметрично, в каком-то смысле я объясню. Почему они все поставили ферму на такое совершенство? И сколько из истории Большого Взрыва и 13,7 миллиардов лет, темной энергии и ускоряющегося расширения — сколько из этого поставлено под сомнение, если окажется, что Вселенная несимметрична?
Уравнения гравитационного поля Эйнштейна, или общая теория относительности, стали триумфом науки. Это был первый случай, когда действительно сложная, резкая математика нашла применение в реальном мире, и то, что было объяснено, было самой природой пространства и времени. Общая теория относительности изменила научную культуру с идеей, что некоторые очень абстрактные, не поддающиеся визуализации понятия могут быть лучшим описанием самого нашего мира, в котором мы живем.
Уравнения поля Эйнштейна (1915 г.) были квантовым скачком сложности по сравнению с Максвеллом. (Не каламбур — в этих уравнениях нет квантовой механики.) Прежде чем вы сможете даже начать понимать их, вы должны проглотить жесткий (и трудно поверить) факт, что наше представление о прямолинейных координатах совершенно произвольно; Север-Юг, Восток-Запад и Верх-Вниз можно заменить любым произвольным присвоением чисел каждой точке, если оно непрерывно. Я не имею в виду, например, просто поворот координат на северо-восток-юго-запад. Я имею в виду рисование волнистых (но гладких) линий в любом направлении и использование их для вашей системы координат. Каким бы безумным это ни казалось, Эйнштейн говорит нам, что это не имеет значения — расчет гравитации и движения одинаков, независимо от того, как вы присваиваете числа точкам в пространстве. Времени тоже можно присвоить числа, которые меняются очень быстро, а через секунду гораздо медленнее. Если вы хотите измерять время именно так, с Альбертом все в порядке.
Затем вы должны представить, как перевести ваше математическое описание пространства и времени в то, которое вы будете использовать секундой позже, когда окажетесь в другом месте своего путешествия. Вы должны определить наиболее естественную и непрерывную связь между координатами, которые вы использовали одну секунду назад, и координатами, которые вы используете сейчас. Оказывается, это связано с тензорами. Термины в уравнениях Эйнштейна представляют собой 4-мерные блоки чисел, подобные матрице в квадрате. 4 на 4 на 4 на 4 числа, 64 числа расположены в виде гиперкуба. Это R, сжатая форма тензора Римана-Кристоффеля, который представляет собой то, что масса-энергия искривляет форму, и который также является проводником, которому следует каждая планета, находя свой путь.
Уравнение не выглядит таким сложным, но это из-за огромной сложности, заключенной в символе R. Для более склонных к математике: уравнения поля Эйнштейна представляют 64 нелинейных дифференциальных уравнения в частных производных с 64 неизвестными.
Вот кульминация: уравнения Эйнштейна слишком сложны, чтобы их можно было решить. Я не просто имею в виду, что вы не можете записать функцию, которая является решением. Я имею в виду, что вы даже не можете решить это численно с помощью компьютера. Не с более сложным компьютером, который вы себе представляете, не с компьютером размером со вселенную. Эти уравнения не дают вам представления о том, как выглядят решения. Спустя 107 лет после того, как Эйнштейн записал уравнения, мы не можем сказать, что они предсказывают.
Уравнения поля Эйнштейна являются доказательством того, что у Бога есть чувство юмора. «Вы хотите знать, что заставляет часы тикать? Хотите уметь предсказывать будущее? ОК — вот оно. Это моя книга правил… Давай!»
Уравнения обычной нерелятивистской квантовой механики решить еще труднее (если вы простите мне использование сравнительной степени с абсолютным прилагательным), но это история для другого дня.
Есть исключения, конечно. Когда гравитационные поля слабы, уравнения общей теории относительности неотличимы от уравнений Ньютона для гравитации. Вот что используют астрофизики, когда проводят численное моделирование формирования и скопления галактик.
Приведенное выше моделирование было выполнено с помощью уравнений Ньютона, а не Эйнштейна. Так что это хорошая наука, пока в симулируемой части Вселенной гравитация слаба.
Чтобы смоделировать Вселенную в целом, мы не можем предположить, что гравитационное поле слабое. Но есть еще одно обстоятельство, при котором мы можем решить уравнения Эйнштейна, и это сферическая симметрия. Коллапс сферического газового шара в черную дыру можно точно рассчитать. С вращающейся сферой или черной дырой можно справиться адекватно. 64 дифференциальных уравнения сводятся к одному.
Для вселенной в целом, если она безгранична, то идея сферы не применима напрямую. Эквивалентные условия, необходимые для решения уравнений, называются «однородность и изотропия». Однородность означает, что Вселенная везде одинакова. Изотропия применяет дополнительное условие, что однородный материал Вселенной не вращается.
Итак, вот маленький грязный секрет космологии: еще со времен Эйнштейна уравнения расширения и эволюции Вселенной решались в предположении, что Вселенная однородна и изотропна. Мы, физики-теоретики, делаем такое предположение не потому, что смотрим на небо и обнаруживаем, что оно однородно и изотропно, а потому, что без этого предположения мы не знаем, как решать уравнения.
На самом деле, когда я учился в старшей школе, космология считалась спекулятивной наукой, широко осуждаемой физиками. Причина заключалась в том, что предмет был перегружен причудливой теорией, не основанной на наблюдениях. Единственным релевантным наблюдением был закон Хаббла, который гласит, что чем дальше в небе мы ищем галактики, тем больше они смещаются в красную сторону, указывая на то, что галактики удаляются от нас, и скорость удаления пропорциональна расстоянию от нас.
Наблюдение, которое превратило космологию в респектабельную науку, было микроволновым фоном в 3 градуса, случайно обнаруженным Пензиасом и Уилсоном в 1965 году, когда они пытались избавиться от остаточного шума, который они обнаружили в своей радиоантенне.
Одного этого наблюдения было достаточно, чтобы позволить физикам экстраполировать назад во времени, насколько горячей была Вселенная в течение первых 3 минут после Большого взрыва, и этой температуры было достаточно, чтобы задать вопрос, какие виды ядерной химии должны были иметь место между электроны, нейтроны и протоны летают вокруг в течение этих первых нескольких минут. Согласно предсказанию, Вселенная должна состоять примерно на ¾ из водорода и на ¼ из гелия. Когда мы наводим спектрографические телескопы на некоторые из самых старых звезд, это предсказание подтверждается — ¾ водорода и ¼ гелия. Это был триумф, сделавший космологию респектабельной наукой.
Тридцать пять лет после 1965 года стали периодом расцвета космологии, основанной на достижениях компьютерных наук. Телескопы, управляемые компьютером, могли бы делать снимки и спектры миллионов галактик, и таким образом можно было бы составлять карты распределения галактик. В то же время компьютеры стали достаточно мощными, чтобы предсказывать движение газа и пыли, формирование газовых облаков, которые превращались в галактики, звезды и черные дыры. Сопоставление теоретических вычислений с наблюдениями было большой проблемой — настолько большой, насколько могут быть проблемы в физике. Это было захватывающее время для работы астрофизиком. Мы делали трехмерные карты Вселенной и пытались их понять.
Затем простая история о Большом взрыве, в результате которого образовалась правильная смесь H и He, а затем расширились равномерно развитые морщины. Общая картина, казалось, работала, но не детали. Вселенная была более комковатой, чем мы можем себе представить. Были скопления галактик с огромными дырами между ними, а затем скопления скоплений («сверхскопления»), и до сих пор не ясно, группируются ли сверхскопления в большем масштабе. Массы было недостаточно, чтобы объяснить образование галактик или скорость их вращения, поэтому модели нуждались в большом количестве невидимой массы. Невидимость не так уж плоха, но материя не может быть обычными электронами, нейтронами и протонами, потому что это испортило бы наше понимание ядерной химии в первые три минуты и соотношение водорода и гелия 3:1. Итак, для какой-то таинственной вещи было придумано новое имя; мы можем не знать, что такое «темная материя», но мы знаем, что она не похожа ни на что, что мы видели на Земле, включая самые большие ускорители частиц. В 1997 году две группы астрономов, используя очень разные методы, нашли доказательства того, что расширение Вселенной ускоряется — противоположное тому, что можно было бы ожидать, если бы материя во всех этих звездах и галактиках притягивала друг друга. Таким образом, к уравнениям нужно было добавить форму отрицательной гравитации, и это было названо «темной энергией», снова пустой ярлык для чего-то гипотетического, но совершенно неизвестного.
Вселенная вращается
Герой этой истории — Майкл Лонго, физик из Мичиганского университета, сообщивший в 2007 году о простом наблюдении, которое можно было бы сделать десятилетиями раньше, если бы кто-то додумался это сделать.
Для галактики-вертушки вы можете определить направление ее вращения, просто взглянув на нее. Лонго собрал телескопические изображения северного неба и попросил своих студентов записать направления вращения 15 000 галактик. В северном небе было больше левых галактик, и соответственно больше правосторонних галактик в южном небе. Существует чистый угловой момент, который одинаков в обоих направлениях.
Наша часть Вселенной вращается.
Было показано, что «однородный и изотропный» — постулат космологии столетней давности — вымысел.
(Работа Лонго была рецензирована и опубликована в 2011 году в Physics Letters. Лиор Шамир автоматизировал анализ с помощью компьютеров, которые могли наблюдать за большим количеством галактик, и подтвердил наблюдения Лонго в 2012 году.)
За прошедшие годы этому открытию уделялось так мало внимания именно потому, что оно, так сказать, революционно. Все, что мы теоретизировали о структуре нашей вселенной, должно быть переосмыслено с нуля. Это слишком много, чтобы впитать, поэтому мы просто продолжаем, как будто ничего не произошло.
Кстати, мне вспоминаются заголовки на первой полосе New York Times в декабре 2017 года. 16 декабря Times объявила, что НЛО в конце концов реальны, и что у ВМС США есть визуальные и радиолокационные доказательства существования летающих тарелок. делать вещи, которые, согласно нашей физике 21-го века, должны быть невозможны. 17 декабря тот же NYTimes сообщил, что «домовладельцам слишком хорошо, как говорится в налоговой ведомости». Когда все меняется, жизнь продолжается, как будто ничего не изменилось. Мы всего лишь люди, и мы не можем измениться ни на йоту, когда то, что мы всегда предполагали, оказывается неверным.
Этим летом Оливер Филкокс (Колумбийский университет) использовал гораздо более сложный компьютерный алгоритм для анализа положения галактик, а не их визуальной ориентации. Он подтвердил, что у Вселенной есть предпочтительное направление, но, что любопытно, не упомянул Майкла Лонго. Кэти Маккормик написала об открытии для журнала Quanta Magazine, но, похоже, тоже не знает о Лонго. Но теперь эта тема имеет некоторую респектабельность, и, возможно, некоторые астрофизики признают, что они решали неправильное уравнение.
С 2015 года астрофизики ищут свои ключи под уличным фонарем, решая единственную версию уравнений поля Эйнштейна, которую они умеют решать. Теперь мы знаем, что Вселенная, которую они моделировали, не является нашей Вселенной.
Для меня мораль этой истории в том, что мы должны искать то, что находится прямо у нас под носом, невидимое для нас, потому что это не согласуется с нашим глубоко укоренившимся представлением о реальности.
[ad_2]
Source