Что самое удивительное во Вселенной?

Наша Вселенная — удивительное место, и ученые не перестают нас радовать интересными фактами о ней каждый день. Однако, пожалуй, больше всего восхищает одна вещь: универсальность физических законов и теорий. 

Всего несколько не самых сложных уравнений — достаточно маленьких, чтобы поместиться на вашей любимой футболке — могут объяснить множество явлений от микроскопического мира до масштабов галактик, от самых ранних моментов Большого взрыва до непостижимого будущего. Давайте попробуем понять, насколько мощной может быть современная физика.

Игры гравитации

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна — это современная и наилучшая теория того, как работает гравитация: материя и энергия искривляют четырехмерное пространство-время, в котором мы живем, а искривление пространства-времени, в свою очередь, указывает материи, как двигаться. Математика здесь не самая простая для обывателя: требуется набор из 10 взаимосвязанных уравнений, чтобы описать все нюансы материи и времени. Но в этих уравнениях заключена огромная сила.

Теория относительности позволяет описать Вселенную от рождения и до текущего момента. Более того, она позволяет «предсказать» будущее.

Например, при небольших скоростях и массах эти сложные уравнения гравитации Эйнштейна сводятся к знакомым многим по школе законам Ньютона, которые люди знают уже много столетий. И старый в данном случае — точно не бесполезный: до сих пор эти простые формулы используются для расчетов очень многих вещей на земле, начиная от броска мяча и заканчивая плотинами гидроэлектростанций.

Лишь за пределами Земли законы Ньютона начинают сбоить: так, наши спутники GPS летают достаточно быстро, чтобы расчеты по старым формулам быстро начинали давать ощутимые погрешности. И в таком случае на помощь приходит общая теория относительности, которая помогает точно рассчитать как траектории полета спутников, так и прогнозировать орбиты далеких тел.

Более того, те же самые уравнения, без единой модификации, позволяют нам совершать интересные глобальные открытия: именно благодаря им мы понимаем принципы работы черных дыр, объясняем необходимость существования темной материи внутри галактик и раскрываем тайны физики Большого взрыва. Ну и под конец, этот же набор из 10 уравнений, описывающий как материю, так и время на масштабах целых галактик, четко показал, что Вселенная имеет конечный возраст.

Ядерная энергия

Лишь в доли секунды после взрыва атомной бомбы мы получаем условия, близкие к таковым в ядрах звезд.

Когда в 1940-х годах физики «изобрели» ядерный синтез, они понятия не имели, что их махинации закончатся раскрытием одной из самых загадочных тайн астрономии: как работают звезды. До этого ученые испробовали всевозможные попытки согласовать возраст Земли, исчисляемый в миллиардах лет, установленный геологией и палеонтологией, со всеми известными физическими процессами, позволяющими поддерживать яркое горение Солнца. Эти попытки, как правило, терпели неудачу, и даже самые лучшие объяснения доходили в лучшем случае до нескольких миллионов лет.

Но ядерная физика буквально перевернула наши знания о мире, и, как только ученые выяснили условия, необходимые для начала ядерного синтеза (а именно крайне высокие давления, температуры и плотности), они поняли, что такие условия, которые человек может создать всего на долю секунды при взрыве ядерной бомбы, могут миллиарды лет поддерживаться в звездах.

Ядерный синтез водорода — это именно тот процесс, благодаря которому звезды получают энергию в течение миллиардов лет, и уравнения, которые физики используют для понимания этого процесса, абсолютно идентичны тем, которые они используют для превращения ядерных реакций в полезную энергию. От мельчайших атомов и до самых больших звезд именно ядерная физика — относительный новая область — удивительным образом объединяет космос.

Законы движения

Наблюдения, проведенные с помощью Очень Большого телескопа Европейской южной обсерватории в Чили, впервые показали, что звезда, вращающаяся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, движется так, как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Ее орбита имеет форму розочки, а не эллипса, как предсказывает теория гравитации Ньютона. Этот эффект, известный как прецессия Шварцшильда, никогда ранее не измерялся для звезды вокруг сверхмассивной черной дыры. Картинка, разумеется, фантазия художника на эту тему.

Но давайте отойдем от сложных уравнений теории относительности и не менее сложных вычислений, необходимых для создания и поддержания ядерных реакций. Понять всю универсальность физики можно... буквально кидая мяч в стену.

При столкновении мяча и стены работают законы сохранения энергии и импульса: общее количество энергии и импульс (если считать удар упругим) до и после контакта мяча со стеной являются константами, то есть не меняются. И, разумеется, во Вселенной сталкиваются не только мячи со стенами, однако законы сохранения от этого не меняются.

Столкновения звезд. Слияния галактик. Смешивание газовых облаков. Редко можно найти статью по астрономии или астрофизике, в которой каким-либо образом не упоминаются законы сохранение энергии и импульса. Ученые используют эти принципы, чтобы понять практически все взаимодействия, которые происходят в космосе.

Почему это газовое облако излучает энергию? Сохранение энергии и импульса. Почему эта нейтронная звезда меняет скорость вращения? Сохранение энергии и импульса. Что произойдет, когда эти галактики столкнутся? Конечный результат подскажут законы сохранения энергии и импульса.

Так что в следующий раз, подбрасывая мячик, подумайте об инвариантности законов сохранения — пожалуй, самом универсальном и удивительном явлении во Вселенной.