Джордж Смут про будову Всесвіту

Я ставлю собі за мету трохи змінити ваше уявлення про Всесвіт і показати деякі дизайни, закладені у природі. Що ж, поговоримо про перший слайд, про початок Всесвіту та, що я називаю, дослідження космічної сцени: тобто, споглядаючи сліди творіння, припускати, що сталося на початку, що відбулося потім і пробувати це зрозуміти.

Так от, одне із запитань до вас, коли ви озираєтесь, що ви бачите? Що ж, ви бачите цей простір, який створений дизайнерами та людською працею, але що ви бачите насправді — це купа матерії, яка вже існувала і була трансформована в певну форму. Так от, запитання в тому, як матерія сюди потрапила? Як вона потрапила у форму перед трансформацією і так далі? Питання в тому, яка послідовність? Так от одна з проблем, які я розглядав, як почався і формувався Всесвіт? Яким був цілий процес створення та еволюції Всесвіту до моменту утворення тих матерій, що ми маємо зараз?

Це ніби частина, і дозвольте продовжити та показати вам знімок наддалекого огляду з телескопу «Хаббл». Якщо ви подивитеся на це зображення, то побачите багато темряви з невеликими світлими об'єктами. Чотири з цих світлих об'єктів — це зірки, ви можете їх там побачити — маленькі плюсики. Це зірка, це зірка, все інше — галактики. Так от є кілька тисяч галактик, які ви легко можете тут побачити. Та коли я дивлюся конкретно на цю галактику, яка дуже схожа на нашу, то замислююсь чи не проходить там зараз конференція дизайнерського коледжу, і чи розумні істоти на ній не роздумують, знаєте, про те, які можна створити дизайни, а кілька присутніх космологів намагаються зрозуміти звідки взявся сам Всесвіт. А дехто з тої галактики міг би дивитися на нашу намагаючись зрозуміти, що тут відбувається.

Але існує багато галактик, деякі знаходяться недалеко від нашої. Вони мають колір схожий до кольору Сонця, інші знаходяться далі, вони трохи блакитніші і так далі. Але одне з питань, яке ви можете собі задати: звідки взялося стільки галактик? Адже тут зображена малесенька частинка неба. Це лише 1000 галактик. Ми вважаємо, що в частині, видимій телескопу «Хаббл», якщо просканувати її цілком, є близько 100 мільярдів галактик. Так? Це дуже велика кількість галактик. Приблизно стільки є зірок у нашій галактиці.

Якщо подивитися на деякі з цих областей, таких як тут, то можна побачити більше галактик, ніж зірок. І це в деякій мірі загадка. Тому питання, яке має спасти на думку, наступне: який задум, знаєте, який творчий процес і який задум призвів до створення такого світу? Я покажу вам, що це насправді набагато складніше. Ми спробуємо відслідкувати весь процес. Ми маємо інструмент, який справді виручає нас у цьому дослідженні, це факт, що Всесвіт настільки неймовірно великий, що в певному розумінні, це машина часу. Ми намалювали цей зріз вкладених сфер щоб продемонструвати це. Помістили Землю в центрі вкладених сфер, бо з цієї точки ми здійснюємо спостереження. Місяць знаходиться на відстані двох секунд, отож, якщо сфотографувати місяць у видимому спектрі, то цей знімок буде двосекундної давнини, але це ще нічого. Дві секунди це ніби зараз. Сонце знаходиться на відстані восьми секунд. Невелике діло, правда, якщо тільки нема спалахів на Сонці, тоді ви захочете відсторонитися. І хотіли б отримувати попередження.

Але перемістимося на Юпітер, він на відстані 40 хвилин. Це вже проблема. Ви чули про Марс — зв'язок з Марсом це проблема, бо подорож світла туди займає досить тривалий час. Якщо поглянути на найближче скупчення зірок, найближчі 40–50 зірок, то вони на відстані 10 років. Якщо їх сфотографувати, то зображення на знімку матиме 10-річну давність. Перейдімо до центру галактики, він знаходиться на відстані тисяч років. Якщо глянути на Андромеду, яка є найближчою великою галактикою, вона знаходиться на відстані двох мільйонів років. Якби сфотографувати Землю два мільйони років тому, на ній не було б жодних слідів людей, бо ми гадаємо, що тоді людей ще не було. Тобто це показує вам масштаб. За допомогою телескопа «Хаббл» ми дивимся на сотні мільйонів років до мільярдів років.

Але, якщо б ми змогли вигадати, як поглянути ще глибше, навіть глибше є на що подивитися, і я багато працював над тим, щоб розробити технології, щоб ми змогли проникнути навіть у раніші епохи, перед початком існування зірок і галактик, коли Всесвіт був нагрітий і густий, і виглядав зовсім по-іншому. Тому існує певна послідовність, і в мене є більш художнє відображення цього. Посередині є галактика — це Чумацький Шлях, коло неї знаходиться Хаббл, знаєте, сусідні галактики, і є сфера, яка позначає різні проміжки часу. Далі йдуть деякі інші сучасні галактики.

Бачите цілу велику картину? Смішно, але початок часу знаходиться назовні, правда? І ще є частина Всесвіту, яку ми не можемо бачити, бо вона настільки густа і розжарена, що поглинає світло. Так само неможливо побачити центр Сонця, треба використати інші прийоми, щоб дізнатися, що відбувається всередині Сонця. Але можна побачити край Сонця, і так само із Всесвітом, як бачите. Далі ви бачите змодельовану область навколо зовнішньої частини, це випромінення, що залишилось від Великого Вибуху, та є, власне, надзвичайно однорідним. Всесвіт — майже ідеальна сфера, але існують ці малесенькі відхилення, які тут показані у значному перебільшенні. І від них у часовій послідовності ми перейдемо — від цих крихітних відхилень — до неправильних галактик і перших зірок, до розвинутіших галактик і врешті-решт до сонячної системи і так далі.

Це величезна проектувальна робота, але ми побачимо як вона відбувається. Отож, як робилися вимірювання, ми використовували ряд супутників, які ви можете бачити. Супутник COBE (Сosmic Background Explorer), запущений у 1989 році, за допомогою якого ми дослідили ці відхилення. Потім у 2000 році було запущено супутник MAP — WMAP, він надавав кращі зображення. Пізніше цього року — це крута ускладнена версія, яка має деякі хороші технічні особливості, погляньте-но — буде запущено супутник Planck, який надасть карти високої роздільної здатності. І вони складають послідовність розуміння самого початку існування Всесвіту.

І те, що ми бачили, ми бачили ці відхилення, і вони відкрили нам таємниці, і про структуру простору-часу, і про вміст Всесвіту, і про те, з чого первинно Всесвіт почав розвиватися. Отож ми маємо цю картину, яка є досить вражаючою, і я повернуся до початку, коли відбувався деякий незбагненний процес, який призвів до виникнення Всесвіту. Ми проходимо через період пришвидшуваного розширення, і Всесвіт розширюється і охолоджується допоки досягає точки, коли стає прозорим, потім настають Темні віки, після чого запалюються перші зірки, вони еволюціонують в галактики, а пізніше розширюються і стають обширнішими галактиками. Десь під час цього періоду почала формуватися наша сонячна система. І вона розвивається до теперішнього часу. Там є захоплюючі речі. І ця модель у вигляді корзини для сміття має показати, як поживає сама структура простору-часу під час цього періоду. Досить дивна модель, правда? Які ми маємо докази на її користь?

Я вам покажу кілька структур природи, які є її результатом. Я завжди думав про простір-час, як про справжню матерію космосу, а галактики і зірки — ніби піна на океані. Вони позначки цікавих хвиль і усього, що відбувається. Отож це Слоанівський огляд неба (Sloan Digital Sky Survey), який відображує розміщення мільйонів галактик. Точки позначають окремі галактики. Науковці направлять телескоп в небо, роблять знімок, визначають зірки на ньому і відкидають їх, дивляться на галактики, визначають наскільки вони віддалені, і вносять їх до графіка радіально як вони були виявлені. Ви бачите ці структури, ми їх називаємо «Велика стіна», але там є прогалини і подібні речі, і вони ніби убувають, бо телескоп недостатньо чутливий, щоб охопити їх.

Зараз я покажу вам це у трьовимірі. Власне що відбувається: робляться знімки по ходу обертання Землі, і утворюється ніби віяло уздовж неба. Деякі місця неможливо охопити, бо на заваді наша галактика, або немає телескопу, який міг би їх зафіксувати. На наступному зображенні ви бачите тривимірну версію, яка обертається навколо. Бачите подібні до віяла огляди уздовж неба? Пам'ятайте, кожна крапка тут це галактика, і ви бачите галактики, знаєте, ніби вони знаходяться поруч, і ви бачите ніби структуру. І ви бачите те, що ми називаємо «Велика стіна», ви бачите складні структури та ці пустоти. Є місця, де немає галактик, і є місця, в яких тисячі галактик скупчено разом, так. Отже ми маємо цікаву структуру, але у нас недостатньо даних, щоб власне побачити цю структуру. Ми лише маємо мільйон галактик, правда? Це ніби як мати мільйон кульок в повітрі, але, що відбувається? Є ще інший огляд, дуже схожий на цей, під назвою «2-градусний огляд червоних зміщень галактик».

Зараз ми пролетимо крізь нього зі швидкістю в мільйони світлових. Щоразу як ми натрапляємо на галактику — у такій-то позиції є галактика — і якщо ми знаємо щось про цю галактику, а ми знаємо, бо вимірюються червоні зміщення і тому подібне, ми зазначаємо тип галактики і колір, тому це достовірне відображення. І коли ви знаходитеся серед галактик, важко побачити загальну структуру; це як бути у вирі життя. Важко побачити структуру усередині аудиторії, важко побачити структуру і цього. Тому ми рушимо назовні, розвернемося і поглянемо на це. Спершу ви побачите структуру огляду, а потім почнете бачити структуру галактик, які ми тут спостерігаємо. І знову ви можете побачити протяжність цієї Великої стіни, що показана тут.

Але ви бачите прогалини, ви бачите складну структуру, і питаєте: як це трапилося? Уявіть, що ви творець космосу. Як би ви розклали галактики у подібну структуру? Вони не просто розкидані навмання. Існує складніший процес, який тут відбувається. І як би ви прийшли до нього? А зараз ми пограємося в серйозну гру. Тобто, ми маємо серйозно зіграти Бога, не просто змінювати життя людей, а створити Всесвіт, ось. Отож, якби ви мали таку відповідальність, як би ви це робили? Яку б методу використали? Що б зробили?

Отож я покажу вам результати широкомасштабного моделювання нашого погляду на структуру Всесвіту, використовуючи по суті деякі ігрові методи і деякі методи проектування, які так важко підбиралися людьми, але, мабуть, природа знала як це зробити з самого початку. Тобто, починаємо з дуже простих складників і кількох простих правил, але, щоб усе вийшло нетривіально, треба мати достатню кількість складників. Потім додаємо трішки випадковості, додаємо відхилень та безладу, і втілюємо цілий спектр різних представлень.

Отож я збираюся показати вам розподіл матерії як функцію масштабу. Ми наблизимо потім, а це загальна картина. І ми повинні були додати ще одну річ, щоб Всесвіт вийшов «справжнім». Це темна матерія. Тобто матерія, яка не взаємодіє зі світлом, так, як це робить звичайна матерія, так, як світло освітлює мене чи цю сцену. Ця матерія прозора для світла, але щоб ми змогли її побачити, зробимо її білою. Гаразд? Тому ці білі плями на зображенні, то темна матерія. Мали б назвати її невидимою матерією, але ми зробили темну матерію видимою. А те, що позначене жовтим, це звичайна матерія, яка перетворюється в зірки і галактики.

Отож покажу вам наступний ролик. Отже ми наближуємо. Гляньте на цю структуру і пильнуйте за нею. Ми будемо все зближувати і зближувати. І ви бачите там є всі ці нитки і структури, і пустоти. І коли кілька ниток з'єднуються у вузол, це створює суперкластер галактик. Цей суперкластер, який ми збільшуємо, охоплює від 100 000 до мільйону галактик у цьому малому регіоні. Тож ми живемо на відшибі. Ми не живемо в центрі сонячної системи, ми не живемо в центрі галактики і наша галактика не знаходиться в центрі кластеру.

Отож ми продовжуємо наближувати. У цьому регіоні, мабуть, понад 100 000, до близько мільйона галактик у регіоні. Ми будемо продовжувати наближувати. Гаразд. І ще я забув сказати вам масштаб. Парсек складає 3,26 світлових років. Отож гігапарсек це три мільярди світлових років — ось це масштаб. Отже, щоб світло пройшло цю відстань, треба три мільярди років. Тепер ми бачимо досить близьку відстань. Це відстань між нами і Андромедою, так? Ці маленькі плямки, які ви бачите, це галактики.

Тепер збільшимо масштаб, і ви бачите цю структуру, яка з дуже великої відстані виглядає досить рівномірною, але вона складається з великої кількості нерівномірних варіацій. Вони просто як будівничі блоки. Усе це утворюється з дуже простого середовища. Воно містить темну матерію, містить звичайну матерію, фотони і нейтрино, які не відіграють великої ролі в пізнішій частині Всесвіту. Це просте рідке середовище, але з часом воно розвивається у складну структуру. І, знаєте, коли ви вперше побачили це зображення, воно для вас було незначуще. Тепер ви дивитеся на один відсоток обсягу видимого Всесвіту і бачите мільярди галактик і вузлів, але ви усвідомлюєте, що це навіть не основна структура. Там є каркас, який складає темна матерія, невидима матерія, вона, власне, з'єднує все докупи.

Отже, давайте пролетимо крізь це, і ви зможете побачити, наскільки важче зрозуміти це, коли ви десь усередині. Отож це той самий кінцевий результат. Ви бачите нитку, ви бачите світле — це невидима матерія, а жовте — то зірки і галактики, які виникають. І ми продивимся вздовж, і ще далі, і час від часу ви бачите перетини кількох ниток, що формують великий кластер галактик. А тепер ми переходимо до дуже великого кластера, і ви побачите як він виглядає. Отож із середини це все не здається таким складним, так? Лише, якщо глянути на це при дуже великому масштабі, і дослідити це і т. д., то усвідомлюєш, що це дуже мудровано, складний дизайн, правда? І він якось виник.

Тому питання в тому: наскільки важко було б це все скласти докупи, так? Наскільки велика команда підрядчиків знадобилася би, щоб створити такий Всесвіт, правда? Оце питаннячко, еге ж? І ось ми тут. Ви бачите, як нитка — бачите, як сходяться кілька ниток, і утворюють суперкластер галактик. І ви маєте зрозуміти, що це не так як воно насправді виглядало б, якщо б ви — ну, по-перше, неможливо так швидко подорожувати, все було б викривленим, але це згенерували через прості графічні засоби. Таким би це вам здавалося, якби ви помандрували мільярди років, так? Якщо б ви також могли бачити невидиму матерію.

Отож ідея в тому, знаєте, як скласти докупи Всесвіт дуже простим способом? Ми розпочнемо і усвідомимо, що весь видимий Всесвіт, все, що ми можемо бачити у кожному напрямку за допомогою телескопу «Хаббл» плюс наші інші інструменти, колись було у місцині, меншій ніж атом. Воно почалася з малесеньких квантових механічних відхилень, і розширювалося з величезною швидкістю. Ці відхилення розширилися до астрономічних розмірів, і врешті ми бачимо їх у космічному мікрохвильовому фоні. Потім нам треба було якось перетворити ці коливання в галактики і кластери галактик, а також зробити так, щоб такі структури розвивалися.

Але я покажу вам меншу симуляцію. Ця симуляція генерувалася на 1000 процесорах протягом місяця, щоб зробити лише простий зразок. Отож я покажу вам симуляція, яка за два дні роботи на домашньому комп'ютері дасть наступне зображення. Отож ви починаєте з малесеньких коливань, коли Всесвіт знаходиться в точці, тепер в чотири рази меншій і т. д. І ви починаєте бачити, як формуються ці переплетіння, ця космічна павутина структури. Вона проста, бо не містить простої матерії, а має лише темну матерію. І ви бачите, як темна матерія скупчується, а проста матерія просто тягнеться за нею. Отож таке. На початку воно дуже однорідне. Коливання складають стотисячні частки. Є кілька піків, в яких частки сягають десятитисячних, і потім протягом мільярдів років, гравітація все притягує.

Розріджена матерія притягується до купи. Це притягує все більше і більше матерії. Але відстані в космосі такі великі, а масштаби часу такі значні, що формування цього займає багато часу. І воно продовжує формуватися, поки Всесвіт досягає приблизно половини теперішнього розміру, у термінах простору. І в той момент, Всесвіт незбагненно починає прискорювати своє розширення і припиняє формування масштабнішої структури. Отож ми зараз бачимо наймасштабнішу доступну нам структуру, і тоді лише речі, які вже почали формуватися, будуть формуватися і від того часу все буде продовжуватися.

Отож ми можемо зробити цю симуляцію, але це займає два дні на комп'ютері. Знаєте, нам треба 30 днів і 1000 процесорів, щоб створити симуляцію, яку я раніше показував вам. Отож ми маємо поняття, як грати серйозно, створюючи Всесвіт розпочавши, по суті, з менше ніж краплини, наповненої матерією, і ми створили все, що можна осягнути оком у будь-якому напрямку, правда, з майже нічого, тобто з чогось надзвичайно крихітного, дуже малого, і воно майже бездоганне, крім того, що воно має ці малі коливання у стотисячних частках, які, як виявилося, породжують цікаві структури та утворення, які ми бачимо, тобто, галактики і зірки і т. д.

Отож ми маємо модель і можемо обрахувати її, і ми можемо використати її для створення дизайнів нашого уявлення про Всесвіт. І цей дизайн у якомусь відношення виходить за межі того, що ми раніше уявляли. Отож з цього ми і розпочали 15 років тому з супутником COBE — склали карту вгорі справа, яка, по суті, показала нам, що існували широкомасштабні коливання, і власне коливання у різних масштабах. Ви можете це бачити. З того часу ми користувалися супутником WMAP, який просто дає нам вищу кутову роздільну здатність. Ми бачимо таку саму широкомасштабну структуру, але додатково ми бачимо структуру невеликого масштабу. І внизу справа видно зображення, якщо б супутник повернувся і зафіксував Землю, то яку б карту ми отримали. Ви можете бачити, і можете виділити всі основі континенти, але на цьому все.

Та ми сподіваємося, що коли отримаємо супутник Планк, то матимемо роздільну здатність майже еквівалентну тій, що маємо тут відносно Землі, на якій справді можна побачити складну структуру, що існує на Землі. Також можна сказати, зважаючи на чіткі межі, і композицію структури, що там відбуваються певні нелінійні процеси. У геології є такі явища, тобто переміщення плит і таке інше. Це можна дізнатися вже з самої карти. На наших картах ми хочемо сягнути часу раннього Всесвіту, щоб побачити, чи мали місце якісь нелінійні явища, які починали рухатися, змінюватися і дають нам підказку, як власне був утворений час-простір на початку часів. Отже зараз ми знаходимося на такому етапі, і я хотів, щоб ви цим посмакували. Хотів донести вам інший погляд на те, як виглядає творіння та все інше. Дякую. (Оплески)