В новом выпуске подкаста StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон и физик-теоретик Делайла Гейтс обсуждают фундаментальную структуру мироздания — от геометрии пространства-времени до возможности увидеть «затылок» собственной галактики. Исследуя границы общей теории относительности, эксперты объясняют, почему Вселенная, скорее всего, плоская, и почему у неё нет центра в привычном понимании.
🌌 Геометрия гравитации и Принстонская инициатива 0:00
Делайла Гейтс, недавно получившая степень доктора философии (PhD) по физике в Гарвардском университете , в настоящее время является участником «Принстонской гравитационной инициативы» (Princeton Gravity Initiative). Эта организация объединяет постдоков, профессоров и аспирантов для изучения наиболее экстремальных объектов во Вселенной .
Основными направлениями работы инициативы являются:
- Изучение компактных объектов: черных дыр и нейтронных звезд, обладающих сильнейшим гравитационным полем .
- Исследование математических аспектов общей теории относительности (ОТО).
- Анализ стабильности пространства-времени.
По словам Гейтс, между физиками и математиками происходит постоянный обмен идеями . Физики находят новые решения уравнений Эйнштейна, описывающих форму пространства-времени вокруг черных дыр, а математики проверяют эти модели на устойчивость. Как отмечает гостья, вопрос о том, стабильно ли пространство-время само по себе или вокруг вращающейся черной дыры, до сих пор остается открытым математическим вопросом .
🧶 Пространство-время как единая ткань 4:39
Делайла Гейтс объясняет, что интуитивное восприятие мира человеком ограничено тремя пространственными измерениями (вперед-назад, влево-вправо, вверх-вниз). Однако специальная теория относительности Эйнштейна показала, что время неразрывно связано с этими измерениями .
Основные принципы ОТО, озвученные в беседе:
- Пространство и время образуют единый объект — пространство-время .
- Этот объект обладает формой (геометрией), которая определяется находящейся в нём материей и энергией .
- Материя диктует пространству-времени, как ему изгибаться, а искривленное пространство-время диктует материи, как ей двигаться .
Нил Деграсс Тайсон подчеркивает, что для повседневной жизни (вождения машины или игры в бейсбол) нам достаточно законов Ньютона . Даже программа Apollo, доставившая людей на Луну, полагалась исключительно на ньютоновскую физику . Однако эффекты ОТО становятся критически важными при изучении объектов с огромной массой.
🌀 Кротовые норы: стабильность и «отрицательная гравитация» 10:25
Обсуждая возможность существования проходимых кротовых нор (червоточин), Гейтс отмечает, что их стабильность — крайне сложный теоретический вопрос. Главная проблема заключается в том, что любой объект (даже человек), пытающийся пройти сквозь кротовую нору, сам обладает массой и энергией. Согласно уравнениям Эйнштейна, это присутствие неизбежно меняет геометрию самой норы, что может привести к её мгновенному схлопыванию .
Для поддержания кротовой норы в открытом состоянии, по некоторым теоретическим предположениям, может потребоваться «отрицательная плотность энергии» или экзотическая материя . Тайсон добавляет, что в масштабах Вселенной роль «отрицательной гравитации» фактически выполняет темная энергия, заставляющая пространство расширяться .
🏀 Форма Вселенной: можем ли мы увидеть свой затылок? 14:21
Один из слушателей задал вопрос: если Вселенная имеет закрытую сферическую форму, можем ли мы увидеть Млечный Путь в его прошлом, просто глядя вперед?
Делайла Гейтс подтверждает, что теоретически в закрытой Вселенной свет может обогнуть «сферу» и вернуться в исходную точку . Однако на практике это зависит от двух факторов:
- Размер: Вселенная может быть настолько велика, что свету просто не хватило времени с момента Большого взрыва, чтобы совершить полный круг .
- Кривизна: Все имеющиеся на сегодня данные (включая изучение реликтового излучения) указывают на то, что наша Вселенная «плоская» с очень высокой точностью .
Под «плоской» Вселенной физики понимают геометрию, где параллельные линии никогда не пересекаются (как на бесконечном листе бумаги), в отличие от сферы, где они сходятся . При этом Гейтс уточняет: локально пространство-время сильно искривлено рядом с массивными объектами, но в космологических масштабах средняя кривизна стремится к нулю .
🔦 Фотонная сфера: зеркало у края бездны 22:28
Если в масштабах Вселенной увидеть свой «затылок» невозможно, то рядом с черной дырой это вполне реально. Гейтс описывает феномен фотонной сферы — области вокруг черной дыры, где гравитация настолько сильна, что свет движется по круговым орбитам .
Если наблюдатель окажется вблизи фотонной сферы и посмотрит прямо перед собой, он теоретически сможет увидеть свет, отразившийся от его собственного затылка и совершивший полный оборот вокруг черной дыры . Ученые надеются в будущем обнаружить статистические корреляции на изображениях аккреционных дисков черных дыр, которые подтвердят существование света, совершившего несколько витков вокруг объекта .
🍩 Тороидальная Вселенная и высшие измерения 26:45
Вселенная не обязательно должна быть сферой или плоскостью. Существует гипотеза о тороидальной форме (в виде пончика или тора). Гейтс объясняет, что в топологии формы классифицируются по количеству отверстий (так называемый «род» или genus) .
Математически такие формы можно описать и в более высоких измерениях, причем для измерения их кривизны нам не нужно «выходить» за пределы нашего пространства-времени .
🎯 Существует ли центр Вселенной? 42:10
Нил Деграсс Тайсон и Делайла Гейтс развеивают популярное заблуждение о наличии центра мироздания. Распространенная интуиция говорит, что если Вселенная расширяется после взрыва, то у неё должна быть точка начала.
Гейтс использует аналогию с воздушным шариком:
- Представьте поверхность шарика, на которой нарисованы точки (галактики) .
- Когда вы надуваете шарик, все точки удаляются друг от друга.
- Ни одна точка на поверхности шарика не является центром расширения .
По мнению Гейтс, центр Вселенной находится не в пространстве, а во времени — это момент Большого взрыва, который произошел одновременно везде . Как шутит Нил Деграсс Тайсон, цитируя Литтл Ричарда: «Центр Вселенной — это я» .
🧬 Аналогии: от ДНК до эффекта Манделы 24:04
Участники обсудили несколько необычных теорий от зрителей:
- Вселенная в форме ДНК: Гейтс считает эту аналогию чисто эстетической. Хотя структуры распределения материи (космическая паутина) напоминают биологические паттерны или нейронные связи, фундаментальных причин для сходства Вселенной с молекулой ДНК нет .
- Эффект Манделы и параллельные миры: Зрители предположили, что массовые ложные воспоминания (например, о смерти Нельсона Манделы или фразах из «Звездных войн») вызваны столкновением параллельных вселенных . Делайла Гейтс относится к этому скептически, подчеркивая, что в теоретической физике «королем является математика». Пока нет математической модели, описывающей такие столкновения как причину когнитивных искажений, она не готова воспринимать это всерьез .
