В новом выпуске проекта «Основа» ведущий Борис Веденский обсудил с известным астрофизиком Александром Асташёнком фундаментальные законы космоса и гравитации. В центре внимания исследователей оказались не только классические теории Ньютона и Эйнштейна, но и самые интригующие загадки современной науки — от природы чёрных дыр и кротовых нор до существования мультивселенной и тёмной материи. Эта подробная беседа позволяет по-новому взглянуть на устройство мироздания, эволюцию космических тел и границы человеческого познания.
🌌 От яблока Ньютона до геометрии Эйнштейна 1:33
Гравитация сопровождала Вселенную с момента её зарождения, появившись одновременно с пространством и временем. Однако история её научного описания началась гораздо позже — с трудов Исаака Ньютона в XVII веке (в транскрипте ошибочно упомянуто XV столетие). Известная история о яблоке, упавшем учёному на голову, является лишь красивой легендой. Согласно дневниковым записям самого Ньютона, он просто увидел падение плода с дерева на землю и задумался о причинах этого повседневного явления. Эти размышления привели его к пониманию того, что падением предметов на Землю и движением космических тел управляет одна и та же сила. Впоследствии закон всемирного тяготения блестяще объяснил движение Луны вокруг Земли, орбиты планет и возвращение кометы Галлея.
По закону Ньютона сила взаимодействия прямо пропорциональна массам тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Несмотря на колоссальную предсказательную силу, классическая теория имела серьёзный изъян: в ней отсутствовал фактор времени. В рамках ньютоновской физики гравитационное взаимодействие передаётся мгновенно, что казалось странным самому автору теории. Ньютон не находил ответа на вопрос о механизме передачи информации об изменении силы через огромные расстояния за нулевой промежуток времени. В XIX веке над этой проблемой стали задумываться детальнее, что подготовило почву для революции в физике.
Решение предложил Альберт Эйнштейн, который фактически свёл физику к геометрии. В его Общей теории относительности (ОТО) массивные тела искривляют пространство-время, делая его невклидовым. Вместо действия абстрактной силы объекты двигаются по геодезическим линиям — траекториям кратчайшего расстояния в искривлённой геометрии. Александр Асташёнок приводит наглядную аналогию: человек на Земле физически не может ходить по абсолютно прямым линиям, поскольку сама поверхность планеты является сферической и любая линия на ней будет кривой. ОТО даёт те же результаты, что и теория Ньютона на малых скоростях и в слабых полях, но её точность подтверждается в экстремальных условиях.
🔭 Три классических теста Общей теории относительности 14:32
Справедливость теории Эйнштейна была доказана рядом важнейших астрономических наблюдений и физических экспериментов:
- Смещение перигелия Меркурия. Орбиты планет представляют собой эллипсы, которые медленно поворачиваются в пространстве. За 100 лет угол поворота орбиты Меркурия составляет 500 угловых секунд. Влиянием других планет Солнечной системы удавалось объяснить лишь 90% этого смещения, а оставшиеся 10% оставались загадкой для ньютоновской механики и нашли точное объяснение только в ОТО.
- Отклонение световых лучей. Свет изгибает свою траекторию, проходя мимо массивных объектов. В 1918 году специальная научная экспедиция в Египте зафиксировала смещение видимого положения звёзд во время солнечного затмения. Ньютоновская теория при рассмотрении света как потока массивных шариков предсказывала угол отклонения ровно в два раза меньше, чем ОТО. Поскольку современная наука считает фотоны безмассовыми частицами, в наивном ньютоновском представлении свет вообще не должен реагировать на гравитацию, что полностью опровергается наблюдениями.
- Гравитационное красное смещение. Преодолевая поле тяготения массивного тела, свет теряет энергию, что приводит к снижению его частоты. В конце 1960-х годов в Гарвардском университете этот эффект был подтвержден экспериментально с помощью лазерного луча и эффекта резонансного поглощения атомов (эффекта Мёссбауэра). На высоте всего 25 метров относительное изменение частоты составило ничтожную величину — 0,14 и далее 14 нулей с единицей. Позже эксперименты повторили на высоте 10 километров, где сдвиг оказался ещё более заметным.
⏳ Замедление времени и парадоксы гравитации в быту 19:39
Гравитация напрямую влияет на темп течения времени. Александр Асташёнок цитирует лауреата Нобелевской премии Кипа Торна, отметившего, что всё в мире стремится стареть медленнее и жить там, где время течёт медленнее, и именно туда его влечёт гравитация. Вблизи массивных тел время замедляется, а на горизонте событий чёрной дыры оно, с точки зрения внешнего наблюдателя, практически останавливается. При этом для локального наблюдателя его собственные часы идут неизменно. Разница колоссальна: у далёкого астронома может пройти миллион лет, а у человека в сильном гравитационном поле — всего одна минута.
Концепция абсолютного времени давно отвергнута физикой, как и идея абсолютного пространства. Восприятие пространства и времени всегда зависит от системы отсчёта наблюдателя. В повседневной жизни человечество не замечает этих релятивистских эффектов из-за их малости. Александр Асташёнок напоминает об эксперименте 1950-х годов, когда одни сверхточные часы оставили на Земле, а вторые отправили на сутки в полёт на самолёте. Из-за движения на борту самолёта прошло меньше времени. Хотя разница составила ничтожные доли секунды, сам факт её фиксации доказывает изменчивость временного потока. Для того чтобы прожить заметно дольше, человеку необходимо либо лететь с околосветовой скоростью, либо находиться в зоне сверхмощного тяготения.
Аналогично люди не ощущают взаимного гравитационного притягивания друг к другу. Сила притяжения между двумя людьми на расстоянии одного метра составляет ничтожные доли Ньютона из-за крайне малого значения гравитационной постоянной ($G$). Даже если максимально сблизить объекты, сила их притяжения останется незаметной на фоне обычного механического толчка. Самым ощутимым для человека проявлением чужой гравитации на Земле остаются океанские приливы, вызванные притяжением Луны.
💫 Нейтронные звёзды: космические маяки и законы вращения 24:08
Нейтронные звёзды представляют собой один из вариантов эволюции светил. Когда в недрах звезды истощается ядерное топливо, внутреннее газовое давление больше не может сдерживать гравитацию, и ядро начинает стремительно сжиматься. У звёзд с небольшой массой (как наше Солнце) коллапс останавливается на стадии белого карлика размером с Землю благодаря давлению электронов. Однако если масса сжимающегося ядра превышает две солнечные массы, электронное давление не выдерживает, и сжатие продолжается до тех пор, пока не возникнет колоссальное давление нейтронов.
Плотность вещества в центре нейтронной звезды достигает фантастических $10^{16} \text{ г/см}^3$, что на 16 порядков превышает плотность воды. Обладая экстремальной гравитацией, такие объекты вызывают сильные релятивистские эффекты, но, в отличие от чёрных дыр, они всё же выпускают электромагнитное излучение. В процессе сжатия — когда объект размером в миллион километров уменьшается до радиуса в 10–15 километров — скорость его вращения резко возрастает. Это происходит в соответствии с законом сохранения момента импульса. Александр Асташёнок сравнивает этот процесс с фигуристом на круге: прижатие рук к груди резко увеличивает скорость вращения.
В результате нейтронные звёзды совершают десятки и сотни оборотов вокруг своей оси за одну секунду. Обладая мощным магнитным полем, такой быстровращающийся магнит генерирует электромагнитное излучение, сконцентрированное около магнитных полюсов. При вращении этот конус излучения периодически направляется в сторону Земли, создавая эффект космического маяка на звёздном небе. Такие объекты называют пульсарами. Впервые они были обнаружены в 1960-х годах группой исследователей в Англии. Из-за строгой периодичности сигналов учёные поначалу всерьёз рассматривали гипотезу об искусственных сигналах инопланетного разума. Сегодня астрономам известны тысячи пульсаров, служащих природными лабораториями для изучения сверхплотного вещества.
🌀 Кротовые норы и экзотическая материя 35:23
Поскольку Общая теория относительности связывает гравитацию с геометрией, математические уравнения допускают существование пространственно-временных туннелей — кротовых нор (червоточин). Они способны соединять две удалённые точки Вселенной. Путь между ними в обычном пространстве мог бы занять тысячи лет, а сквозь туннель его можно преодолеть мгновенно. Популярная аналогия описывает этот эффект через лист бумаги: вместо долгого путешествия по его поверхности можно согнуть лист, проткнуть его насквозь и сразу оказавшись на противоположной стороне.
Главная проблема стабильности кротовых нор заключается в необходимости существования «экзотической материи» с отрицательным давлением для удержания входа открытым. В стандартной физике плотность массы и положительное давление создают эффект гравитационного притяжения. Экзотическая материя, напротив, должна обладать антигравитационными свойствами и вызывать отталкивание. В 1998 году астрономы открыли явление ускоренного космологического расширения Вселенной. Это доказало, что космос заполнен вакуумной энергией (тёмной энергией), обладающей именно отрицательным давлением. Согласно космологическим данным, эта энергия составляет около 70% всего содержимого Вселенной, что возвращает гипотезу о кротовых норах в поле серьёзных научных обсуждений.
Экспериментальный поиск кротовых нор чрезвычайно сложен и может опираться на эффект гравитационного линзирования. Проходя мимо массивных объектов, свет далёких галактик искажается, превращаясь для земного наблюдателя в светящиеся кольца. Александр Асташёнок предполагает, что через кротовую нору мы могли бы зафиксировать свет звёзд с её противоположного конца, а само линзирование имело бы уникальные математические параметры, отличные от обычных массивных тел. Стоимость подобных поисковых миссий с привлечением новейших космических телескопов оценивается в миллиарды долларов. По мнению гостя, для бюджетов ведущих мировых держав это вполне подъёмные средства.
🧱 Каркас Вселенной: тёмная материя и космическая паутина 55:22
Гравитация — это ключевой архитектор Вселенной. Без неё мир представлял собой лишь однородный «космический суп» после Большого взрыва, который просто разлетался бы в разные стороны с огромной скоростью. Именно гравитационные силы усилили первичные небольшие неоднородности плотности, собрав материю в скопления галактик, галактики и звёзды. На сегодняшний день физике известны четыре фундаментальных взаимодействия, из которых сильное и слабое работают в микромире, электромагнитное нейтрализуется на больших масштабах из-за общей нейтральности планет и звёзд, а гравитация полностью управляет макрокосмосом.
При этом современная астрофизика перевернула представления о составе Вселенной: привычная нам светящаяся материя (звёзды, газ, планеты) составляет всего 4%. Около 70% приходится на тёмную энергию, а оставшиеся 20–25% удерживает загадочная тёмная материя. Без тёмной материи галактики не успели бы сформироваться, так как вселенная расширялась бы слишком быстро, оставив вещество в разреженном состоянии.
Существование тёмной материи было предсказано благодаря анализу скоростей вращения звёзд на периферии галактик. Их скорости оказались значительно выше расчётных: если бы масса галактики ограничивалась только видимыми звёздами, эти окраинные светила давно улетели бы в открытый космос. Реальная масса галактик за счёт тёмной компоненты превышает видимую почти в 10 раз. Тёмная материя не испускает электромагнитного излучения, но обладает полноценной гравитацией. Она распределена в космосе неравномерно, формируя гигантскую кластерную структуру в виде нитей — своеобразную «арматуру» или «губку», на которую нанизывается обычное вещество. Учёные предполагают, что тёмная материя состоит из неизвестных элементарных частиц. Их активно искали на Большом адронном коллайдере, но пока не обнаружили — они могут быть либо чрезвычайно тяжёлыми, либо, напротив, экстремально лёгкими, взаимодействуя с остальным миром исключительно через гравитацию.
🕳️ Что скрывает изнанка чёрной дыры? 1:01:34
Для массивных звёзд финалом эволюции становится неограниченный гравитационный коллапс, порождающий чёрную дыру — замкнутую область пространства-времени. Граница этой области называется горизонтом событий. Из-за чудовищного искажения геометрии пространства даже лучи света закручиваются вокруг объекта и не могут вырваться наружу, делая процессы внутри принципиально недоступными для внешнего мира.
Вопреки расхожему представлению о том, что внутри чёрной дыры «очень тесно», с точки зрения физики там находится своеобразный вакуум с экстремально сильным гравитационным полем, а не плотное вещество. При приближении к чёрной дыре звёздной массы любой протяжённый объект столкнётся с разрушительными приливными силами. Поскольку ноги падающего человека будут притягиваться к центру сильнее головы, возникнет эффект, называемый в научном сообществе «спагеттификацией» — тело попросту вытянется в длинную нить и будет разорвано.
Однако ОТО порождает удивительный пространственно-временной парадокс. С позиции далёкого внешнего наблюдателя падающий человек гибнет у горизонта событий. Но в собственной системе отсчёта падающий космонавт может абсолютно спокойно и беспрепятственно пересечь горизонт событий, не заметив физического перехода. Как объясняет Александр Асташёнок, обе эти нестыкующиеся картины математически верны для каждого из наблюдателей, поскольку они больше никогда не встретятся и не придут к противоречию.
Внутри горизонта событий пространство и время меняются местами. В обычном мире мы вольны выбирать направление движения в пространстве, но бессильны перед ходом времени, текущего из прошлого в будущее. Внутри чёрной дыры движение к центру становится столь же неизбежным и фатальным, как ход времени. В самом центре путешественника ожидает финальная сингулярность — точка, где уравнения Эйнштейна уходят в бесконечность, а вся материя уничтожается. Физиков крайне беспокоят эти математические бесконечности, поскольку в реальном мире всё должно быть конечным. Учёные надеются, что создание квантовой теории гравитации поможет разрешить проблему сингулярности.
🧮 Сколько частиц в Гуголе и как умирают чёрные дыры 46:10
Математическое число Гугол представляет собой единицу со ста нулями ($10^{100}$). В нашей видимой Вселенной нет физического воплощения для такого числа. Общее количество элементарных частиц (протонов и нейтронов) в наблюдаемом космосе оценивается всего в $10^{80}$. Разница между этими числами составляет 20 порядков: Гугол больше всего вещества Вселенной в сотни миллиардов раз. Однако, как утверждает Александр Асташёнок, Гугол чего угодно гарантированно найдётся в Мультивселенной (мультиверсе), объединяющей бесконечное множество параллельных миров.
Идея Мультивселенной зародилась в рамках инфляционной модели Большого взрыва. Согласно этой теории, на начальном этапе крошечный объем пространства за доли секунды раздулся в невообразимое количество раз (эпоха инфляции). В современных моделях этот процесс носит вечный характер и происходит во множестве точек, порождая ансамбли изолированных вселенных. Опираясь на квантовую физику и её многомировую интерпретацию, учёные пытаются делать вероятностные предсказания параметров нашего мира. Гость приводит аналогию с гостиницей: если в ней 100 простых номеров и один люкс, то случайный постоялец с огромной вероятностью окажется в обычном номере. Так и человечество находится в типичной для Мультивселенной вселенной. К сожалению, напрямую пронаблюдать другие миры невозможно, и даже наш собственный космос изучен не до конца. Самым труднодоступным «белым пятном» остаются центральные области Млечного Пути: Солнце находится в плоскости галактического диска, и свет от центра поглощается рукавами и скоплениями звёзд.
Завершая обсуждение масштабных временных отрезков, Александр Асташёнок затронул тему гибели самих чёрных дыр через механизм излучения Хокинга. Знаменитый физик Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры способны испаряться. Квантовые эффекты в сильном гравитационном поле у горизонта событий рождают пары частиц и античастиц: одна из них улетает, унося энергию, а вторая падает внутрь, уменьшая общую массу объекта. Скорость испарения зависит от массы: чем больше чёрная дыра, тем ниже её температура и тем медленнее она теряет вещество. Для чёрных дыр звёздной и сверхмассивной величины сроки испарения колоссальны и исчисляются как раз величинами порядка Гугола лет ($10^{100}$ лет). Напротив, гипотетические первичные чёрные дыры массой с небольшую гору (около 100 тысяч тонн), возникшие в первые мгновения Большого взрыва, обладали высокой температурой и должны были полностью испариться за миллионы лет, бесследно исчезнув из современной Вселенной.
