Самосогласованные процессы роста и развития часто встречаются в природе, подтверждая универсальность разработанного человеком математического аппарата.
Рис. 5. Спектр электромагнитного излучения
Электромагнитные волны образуют сплошной энергетический спектр длин волн и соответствующих частот, подразделяемый на условные диапазоны — от радиоволн до гамма-лучей.
Рис. 6. Запутанность нашего мира
Математика, математический порядок является тем первичным принципом, на основании которого может стать понятным все многообразие явлений… Итак, для понимания пестрого многообразия явлений следовало найти в нем формальный единый принцип, который можно выразить математическим языком. В результате обнаруживается тесная связь между понятым и прекрасным. Ведь если в прекрасном видеть согласие частей друг с другом и с целым и если, с другой стороны, та же формальная взаимосвязь впервые делает возможным какое бы то ни было понимание вообще, переживание прекрасного почти отождествляется с переживанием понятой или хотя бы предугаданной взаимосвязи.
Рис. 7. Модель Вселенной
Кусочек Метагалактики можно описать в фиолетовых тонах темной неизвестной материи, добавив желто-зеленые облака межзвездного водорода с красными прожилками пыли и охватив все это сине-голубой сеткой сверхструктуры галактик. Однако сколько же информации может потребоваться для полного описания нашего мира?
Рис. 8. Взрывная Метагалактика
Как и во всякой физической системе, материя, содержащаяся во Вселенной, нагревается при сжатии и охлаждается при расширении. …Значит, на первых этапах Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей, так как находилась в чрезвычайно сжатом состоянии. Поэтому содержимое Вселенной на этом этапе обычно называют первичным огненным шаром.
Рис. 9. Эффект Доплера
Если мы стоим на железнодорожной насыпи и нас приветствует проходящий мимо локомотив, то его сигнал меняется поразительным образом от свистка до басовитого гудения. Данное явление изменения воспринимаемой частоты колебаний при движении источника или приемника волн впервые исследовал немецкий акустик К. Доплер. Эффект Доплера справедлив для любых волн, и в астрономии по доплеровскому сдвигу частоты испускаемого света судят о скорости движения небесных тел. Наблюдение доплеровского сдвига частот света удаленных галактик в виде так называемого красного смещения свидетельствует о том, что все галактики удаляются от нас со скоростями примерно до половины скорости света, возрастающими с расстоянием. Вопрос о физических причинах красного смещения до сих пор бурно дебатируется в астрономических и особенно околоастрономических кругах, хотя подавляющее большинство ученых сходятся во мнении, что смещение линий в спектрах далеких галактик вызвано именно расширением Вселенной.
Рис. 10. Реликтовый микроволновый фон
Реликтовое излучение заполняет всю Вселенную, и если бы мы могли видеть микроволны, все небо пылало бы во всех направлениях. Микроволновый фон является одним из главных доказательств реальности сценария «горячей Вселенной» и самого Большого взрыва.
Рис. 11. Звездная система из белого карлика и красного гиганта
Здесь представлена художественная модель космического катаклизма в двойной звездной системе. Красный гигант сбрасывает с себя водородный газовый слой на своего компаньона — белый карлик. При этом может произойти чудовищный термоядерный взрыв, который земные астрономы увидят как новую звезду. Ученые предполагают, что в подобных звездных системах через сотни тысяч лет на поверхности белого карлика может собраться столько вещества, что произойдет один из самых мощных космических катаклизмов — взрыв сверхновой звезды. Модель белого карлика была разработана в тридцатые годы прошлого века, после создания квантовой механики и открытия нейтрона. Тогда физики исследовали возможность формирования этих особых звездных компактных объектов, а также нейтронных звезд после истощения в недрах звезды ядерного топлива. В ходе выгорания вещества звездное ядро может сжаться в маленький сверхплотный белый карлик или же в еще более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду.
Рис. 12. Сверхновые звезды в далеких галактиках
В тридцатых годах прошлого века целый ряд астрономов выдвинули гипотезу о том, что вспышки сверхновых звезд представляют собой совершенно особый тип звездных взрывов, вызванных катастрофическим сжатием ядра звезды. Так впервые родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезд. Тогда же было высказано предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчеты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. Если масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса.
Рис. 13. Гипотетическая сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики
В центре нашей Галактики — Млечного Пути находится таинственный кандидат в черные дыры с массой, более чем в два миллиона раз превышающей массу Солнца. Это заключение астрономы сделали, наблюдая искажения траекторий звезд, обращающихся вокруг центра Галактики. Невидимый центр сверхсильного притяжения таких звезд должен быть исключительно компактным. Все это полностью соответствует портрету гравитационного коллапсара, созданному физиками-теоретиками.
Рис. 14. Модельная схема редукции волнового пакета
Если разместить в пространстве детекторы для определения параметров пучка квантовых микрообъектов, например электронов, то в определенный момент один из данных детекторов пошлет сигнал о поимке электрона. Это означает, что вероятность нахождения отслеживаемой частицы в данный момент в месте расположения детектора тут же превращается в единицу, тогда как вероятность ее появления в любом другом месте и в иное время сразу падает до нуля. Но если бы мы решили уравнение Шрёдингера до срабатывания детектора, то оказалось бы, что волновая функция непрерывно распределена во времени и пространстве.
Рис. 15. Построение природой Мироздания
Большинство современных космологов считают, что судьба нашей Вселенной решалась в первые секунды после Большого взрыва в зависимости от соотношения плотности вещества и энергии. Был достигнут их баланс. Преобладание же энергии на ничтожные доли процента привело бы к быстрому раздуванию и охлаждению, а вещества — к скорой смене расширения на сжатие в точку и, возможно, новому взрыву. Вид нашей Вселенной также определила ядерная сила связи протонов с нейтронами. Если бы она была меньше существующей, атомные ядра просто бы не возникли, а если больше, то еще на стадии первичного синтеза атомных ядер (нуклеосинтеза) практически весь наличный водород превратился бы в гелий — и наша водородная Вселенная имела бы гелиевое лицо. Не совсем понятную, но, несомненно, очень важную роль в эволюции нашего мира играет скрытая «темная энергия» физического вакуума. По неизвестным причинам около семи миллиардов лет назад она сдвинулась от нуля к положительному значению, из-за чего Метагалактика начала ускоренно расширяться.
Рис. 16. Таким видят квантовый мир «струнные» физики-теоретики
Хотите — верьте, хотите — нет, но именно так выглядит пространство-время на самом дальнем «донышке» Мироздания. Конечно, вы увидите такую картину, только если проникнетесь идеями «теоретиков-суперструнщиков», постоянно ищущих новые подходы в теории квантовой гравитации. Поверим им хотя бы на мгновение, и тут же в квантовом масштабе наш мир раскинется необозримой сетью ячеек причудливо изогнутой сетки.
Рис. 17. Пенящееся виртуальное море в океане энергии
Проблема создания квантовой версии общей теории относительности не только в том, что в масштабе атомов и электронов у частиц нет определенных положений и скоростей. В еще более малых масштабах, сопоставимых с длиной Планка (~10-35 м), квантовое пространство-время должно представлять собой кипящую пену, море виртуальных частиц, заполняющее все пустое пространство. В условиях, когда вещество и пространство-время столь изменчивы, уравнения общей теории относительности теряют смысл. Поэтому-то и необходима квантовая теория гравитации.
Рис. 18. Суперструнный гравитон
Гравитоны — это закольцованные струны, и потому бранные границы им не помеха. Они могут покидать нашу 3-брану и уходить в другие измерения. Но если переносчики гравитации способны на это, то сила тяготения должна убывать с увеличением расстояния не по ньютоновскому закону обратных квадратов, а гораздо быстрее! То, что мы этого не замечаем, может свидетельствовать о сворачивании (компактификации) дополнительных измерений. В этом случае отклонения от ньютоновской формулы должны проявляться лишь на очень малых дистанциях.
Рис. 19. Сверхдальние галактики, видимые сквозь гравитационные линзы
По всей Вселенной галактики настолько похожи друг на друга, будто сделаны по одному шаблону, потому что простые законы природы — всемирное тяготение и сохранение углового момента — действуют во всем мировом пространстве. Та же физика, которая в земном микрокосме определяет движение падающего тела или вираж конькобежца, создает галактики в макрокосме Вселенной.
Рис. 20. Возникновение квантового микроколлапсара
Столкновение высокоэнергетичных частиц может создать квантовый микроколлапсар. Такая микроскопическая черная дыра способна вращаться, вибрировать, иметь электрический заряд, излучая гравитационные и электромагнитные волны. Этот процесс, в котором остается только заряд, спин и масса, патриарх квантовой космологии Джон Уилер называет «дыра теряет свои волосы». Дальнейшее излучение уносит заряд, энергию вращения (спин), так что коллапсар замедляется и принимает сферическую форму. Испуская излучение и массивные частицы, дыра «испаряется», приближаясь к минимальной массе Планка. Исчезая из нашей реальности, квантовый микроколлапсар испускает поток «наифундаментальнейших» суперстрингов.