В новом выпуске программы StarTalk известный астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его постоянный соведущий Чак разбирают самые интригующие космологические вопросы от подписчиков. В центре дискуссии — природа темной энергии, неизбежный финал расширения Вселенной, загадки распределения материи и неожиданные физические несостыковки в культовых научно-фантастических фильмах. Ученый объясняет сложные механизмы устройства космоса, опираясь на фундаментальные законы термодинамики и квантовой физики.
🌌 Большой разрыв: как и когда погибнет Вселенная 1:00
В космологической науке существует концепция ускоряющегося расширения Вселенной, за которое отвечает таинственное давление, называемое темной энергией. Как объясняет Нил Деграсс Тайсон, природа этого явления остается неизвестной, и название «темная энергия» — лишь удобный ярлык для измеряемого эффекта. Свойство этого давления заключается в том, что оно напрямую связано с вакуумом: чем больше становится Вселенная, тем больше в ней образуется вакуума, и тем сильнее возрастает плотность темной энергии по отношению к истончающейся гравитации.
По прогнозам астрофизиков, этот процесс приведет к сценарию под названием «Большой разрыв» (Big Rip). Нил Деграсс Тайсон приводит детальную хронологию разрушения физического мира под воздействием этой силы:
- Сначала все соседние галактики навсегда уйдут за горизонт видимости.
- Затем растущее давление начнет разрывать сами галактики, преодолевая удерживающую их гравитацию.
- После этого звездные системы будут выброшены со своих орбит, а планеты оторвутся от своих звезд.
- На следующих этапах луны покинут свои планеты, а сами космические тела будут полностью разрушены изнутри.
- На финальной стадии начнется распад молекул, затем атомов, а после — атомных ядер.
В самый последний момент, как утверждает Тайсон, распаду поддадутся сами «пиксели», составляющие ткань пространства-времени, и Вселенная буквально порвется, так как больше не сможет растягиваться. По оценкам ученого, если не вмешаются никакие сторонние физические факторы, Большой разрыв произойдет ровно через 22 миллиарда лет. При этом нашей планете данный катаклизм не угрожает: Солнце исчерпает запасы водорода и погибнет гораздо раньше — примерно через 5 миллиардов лет, находясь сейчас на середине своего жизненного цикла.
🌊 Мы — аномалия: космический принцип Коперника и темная материя 6:16
Обычное вещество, из которого состоят звезды, планеты и люди, составляет всего около 5% от общего контента Вселенной. По мнению Нила Деграсса Тайсона, человечество можно сравнить с белыми гребнями волн в ночном океане: мы — лишь видимая и крайне малая часть огромной среды, которая нас окружает. Исходя из этого, гипотетические существа, состоящие из темной материи или темной энергии, воспринимали бы нас как незначительное загрязнение в своей структуре.
Такое положение дел вступает в противоречие с классическим принципом Коперника, согласно которому Земля и человечество не занимают особого, привилегированного положения во Вселенной ни во времени, ни в пространстве. Статистически мы должны быть средним, типичным отражением космоса, но поскольку мы заперты внутри пяти процентов уникального физического и биологического вещества, мы являемся очевидной космической аномалией. Впрочем, Тайсон иронизирует, что люди могут оставаться «среднестатистическими внутри этого необычного меньшинства».
Эта тема наводит ведущего на воспоминания о школьном образовании. Тайсон критикует систему разделения учеников по результатам тестов, вспоминая, как в шестом классе детей из более «умного» потока отправляли учить французский язык. По мнению астрофизика, трагедия образовательной системы заключается в том, что она пытается предопределить будущее ребенка по сухим оценкам, полностью игнорируя его внутренние амбиции. Тайсон убежден, что выявление и поддержка личной амбиции автоматически зажигает в человеке искреннее желание учиться.
🔄 Сжатие или расширение: споры Эйнштейна и отца Леметра 11:04
До появления точных наблюдательных данных ученые опирались исключительно на математические уравнения Альберта Эйнштейна. Эти формулы одинаково хорошо описывали как расширяющуюся Вселенную, так и коллапсирующую (сжимающуюся) внутрь себя. Большой вклад в понимание этого процесса внес бельгийский священник и астрофизик Жорж Леметр, который математически обосновал расширение Вселенной и заявил, что у нее обязано быть четкое начало во времени.
Исторически это открытие вызвало серьезные теологические споры:
- Религиозные деятели того времени поспешили заявить, что выводы Леметра научно подтверждают библейский сюжет сотворения мира из Книги Бытия.
- Сам Жорж Леметр категорически отрицал связь своих научных изысканий с религиозными догматами и пытался дистанцироваться от этих заявлений.
Как отмечает Тайсон, во времена его обучения в аспирантуре физики детально исследовали модели циклической Вселенной, которая могла бы бесконечно расширяться и снова сжиматься. Однако современные астрономические данные доказывают, что наш мир находится в путешествии «в один конец»: Вселенная никогда не начнет сжиматься обратно, поскольку движущие силы расширения необратимы.
🐺 Тёмная материя как «одинокий волк» космического масштаба 14:49
Существует распространенное заблуждение о границах влияния темной материи. Нил Деграсс Тайсон подчеркивает, что она не удерживает вместе Землю, Луну или объекты Солнечной системы — для этого достаточно обычных электромагнитных, молекулярных сил и стандартной гравитации барионного вещества. Влияние темной материи проявляется исключительно на масштабах целых галактик и их гигантских скоплений.
Главная особенность темной материи заключается в том, что она абсолютно не взаимодействует с физическим миром ни на каком уровне, кроме гравитационного. Человек может пройти сквозь массивное скопление темной материи, не заметив этого. Более того, темная материя не взаимодействует даже сама с собой.
Для наглядности Тайсон приводит аналогию с обычным веществом: если взять два горячих маршмеллоу, при столкновении они намертво склеятся из-за внутренних физических сил. Именно благодаря способности частиц притягиваться и сцепляться во Вселенной формируются планеты и звезды. Частицы же темной материи при сближении просто проходят друг сквозь друга, не образуя плотных концентрированных объектов. По этой причине в космосе не существует «планет из темной материи» или «темных звезд» — это вещество ведет себя как абсолютный «одинокий волк».
🛡️ Почему расширение Вселенной не разрывает нас прямо сейчас 18:49
У обывателей часто возникает вопрос: если ткань пространства расширяется прямо сейчас, почему атомы человеческого тела или планеты не растягиваются вместе с ней? Физический механизм этого баланса сил довольно прост. Текущая скорость расширения пространства слишком мала и слаба, чтобы преодолеть фундаментальные взаимодействия.
В данный момент гравитационные силы, удерживающие планеты на орбитах, и электромагнитные силы, связывающие молекулы в твердые тела, кратно превосходят силу космического растяжения. Материя успешно сохраняет свою целостность внутри расширяющегося пространства. Однако ситуация коренным образом изменится ближе к финалу Большого разрыва, когда скорость и сила расширения экспоненциально возрастут и перевесят внутренние связи атомов.
🍏 Опасные эксперименты: что будет, если создать черную дыру на Земле 21:52
Идея воссоздать стабильную черную дыру в лабораторных условиях для ее изучения крайне опасна. На сегодняшний день человечество не имеет ни малейшего представления о том, как можно манипулировать черной дырой или удерживать её в каком-либо контейнере.
Черная дыра — это абсолютно ненасытный поглотитель материи. Если гипотетически поместить небольшую черную дыру на рабочий стол, она мгновенно провалится сквозь мебель и пол под воздействием силы тяжести и начнет безостановочно падать сквозь земную кору туда и обратно, пожирая любое вещество на своем пути. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока вся масса Земли не окажется внутри нее.
При этом, согласно законам физики, черная дыра с массой нашей планеты будет иметь микроскопический радиус — она сожмется до размеров обычного сливового плода. Тайсон напоминает важный тезис: Вселенная совершенно не обязана подчиняться человеческой бытовой логике и казаться нам понятной.
🧽 Космическая паутина: почему Вселенная похожа на губку 24:33
На малых масштабах гравитация всегда стремится сформировать аккуратные сферы или плоские диски, однако на макроуровне распределение галактик выглядит совершенно иначе. Оно напоминает трехмерную структуру кухонной губки или сложную сеть нитей.
Первым, кто обнаружил эту аномалию, был швейцарский астрофизик Фриц Цвикки, работавший в Калифорнийском технологическом институте (Caltech). В 1936 году, исследуя сферическое скопление Кома (Волосы Вероники), состоящее примерно из тысячи галактик, он измерил скорости их движения. Математические расчеты показали: чтобы удерживать галактики вместе в таком объеме, скоплению требуется в 10 раз больше массы, чем имелось у всех видимых звезд. Это открытие легло в основу проблемы темной материи, которая остается старейшей неразрешенной загадкой современной астрофизики.
Что касается огромных пустых пространств и связывающих их галактических нитей (филаментов), причина их «неправильной» формы кроется во времени. Если рассчитать скорость движения галактики вдоль филамента и сопоставить её с размерами этой структуры, выяснится, что Вселенная еще слишком молода. У галактик банально не было достаточно времени с момента Большого взрыва, чтобы пересечь эти расстояния и под действием гравитации сформировать упорядоченные, «расслабленные» сферические системы. Из-за продолжающегося расширения пространства они, скорее всего, не завершат этот процесс никогда.
🦖 Взгляд в прошлое: как увидеть динозавров через телескоп 28:37
Ограниченная скорость света превращает глубокий космос в машину времени. Поскольку свет путешествует сквозь пространство с фиксированной скоростью, глядя на далекие объекты, мы всегда видим их в далеком прошлом.
Например, в космосе есть галактики, удаленные от Земли ровно на 65 миллионов световых лет. Если бы гипотетические наблюдатели в той далекой системе развернули в сторону Земли сверхмощный телескоп, способный различать детали на поверхности, они бы не увидели современных городов и технологий. Прямо сейчас они бы наблюдали в реальном времени эпоху позднего мела и катастрофическое вымирание динозавров, поскольку испущенный в те времена земной свет только сейчас добирается до их оптических приборов.
Однако увидеть собственное прошлое человечество физически не способно. Для этого потребовалось бы обогнать световые лучи, покинувшие Землю ранее, улететь на тысячи световых лет вперед, поставить там зеркало или телескоп и поймать этот свет на обратном пути. Поскольку перемещение со сверхсветовой скоростью невозможно, этот сценарий остается за рамками реальной науки.
🕳️ Великое «ничто»: величайшая ошибка физиков в истории 31:19
Каким будет состояние мира после Большого разрыва — абсолютная загадка для науки, поскольку в этот момент могут проявиться принципиально новые, неизвестные законы физики. Нил Деграсс Тайсон напоминает, что даже Альберт Эйнштейн долгое время отказывался верить в физическое существование черных дыр, хотя они напрямую следовали из его уравнений. Математическая сингулярность (бесконечная плотность в нулевом объеме) казалась Эйнштейну абсурдной «дележкой на ноль», от которой природу должен был спасти какой-то неизвестный закон.
Аналогичные споры вызывает понятие абсолютной пустоты («ничего»). Квантовая физика доказывает, что даже полностью очищенное от атомов и воздуха пространство не является пустым — это бурлящий суп из виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и аннигилируют. Этот феномен называется энергией вакуума.
Пытаясь разгадать природу темной энергии, ученые попробовали сопоставить её расчетные показатели с давлением этих квантовых виртуальных частиц. Результат оказался шокирующим:
- Теоретические расчеты квантовой энергии вакуума разошлись с реальными астрономическими наблюдениями темной энергии на 100 порядков величины (единица со ста нулями).
- Данный парадокс официально признан самым масштабным и катастрофическим несовпадением между теорией и практикой за всю историю человеческой науки.
По словам Тайсона, если Большой разрыв уничтожит саму ткань пространства, то исчезнут и законы квантовой физики, порождающие виртуальные частицы. Только тогда возникнет истинное, абсолютное «ничто», лишенное даже пространства для существования чего-либо.
🔋 Ошибка «Матрицы»: почему люди — худшие батарейки для ИИ 37:36
В финальной части беседы Чак поднимает вопрос, основанный на сюжете культового научно-фантастического фильма «Матрицы»: могут ли разумные машины после технологической сингулярности использовать человеческие тела в качестве эффективных биоэлектрических батареек?
С точки зрения фундаментальной физики и термодинамики, этот сюжетный ход абсолютно нежизнеспособен. Нил Деграсс Тайсон подробно разбирает энергетику человеческого организма:
- Базовый (базальный) метаболизм взрослого человека — это чистая энергия, необходимая телу просто для поддержания жизнедеятельности в состоянии покоя. В среднем этот показатель составляет около 2000 больших пищевых калорий в день.
- В физике одна малая калория — это энергия для нагрева 1 кубического сантиметра воды на 1 градус Цельсия. Одна пищевая калория (пишется с заглавной буквы) равна 1000 физических калорий. Таким образом, ежедневно человек сжигает около 2 миллионов физических калорий.
- Если перевести эту скорость сжигания энергии в стандартные единицы мощности, то получится, что среднее человеческое тело непрерывно излучает и потребляет всего от 50 до 100 Ватт. По сути, каждый из нас по своей мощности равен обычной домашней 80-ваттной лампочке.
Главная глупость концепции «Матрицы» кроется в законе сохранения энергии. Чтобы человек стабильно выдавал свои 80 Ватт мощности в биокапсуле, машины обязаны непрерывно кормить миллиарды людей, поставляя им те самые 2000 калорий в день. Согласно второму закону термодинамики, любое превращение энергии из одного вида в другой (из химической энергии пищи в электрическую энергию тела) имеет крайне низкий КПД, и огромная часть потенциальной мощности безвозвратно теряется в виде тепла. К примеру, в обычных бензиновых автомобилях до 80% энергии топлива уходит в бесполезный нагрев воздуха, а не на движение колес.
Таким образом, для машин было бы в тысячи раз выгоднее исключить человека как неэффективного посредника и сжигать органику напрямую в генераторах, получая электричество без колоссальных термодинамических потерь. Несмотря на этот очевидный сценарный изъян, Тайсон готов простить авторам фильма эту ошибку ради гениальности всего остального повествования.
