Почему мы рассматриваем окружающий мир через призму математической логики? Как была открыта планета Нептун? И как Максвелл вывел свои уравнения? Об этом рассказывает Алексей Михайлович Семихатов, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Физического института им. Лебедева РАН.
«Математика обладает свойством опережать экспериментальные знания и позволяет нам силой мысли проникать в те уголки Вселенной, куда мы физически проникнуть не можем. Канонический пример такого рода — это знаменитое открытие планет на кончике пера. Человек брал лист бумаги и сидел за ним несколько лет, делая вычисления, потом вызывал астронома и говорил: «Посмотри в эту область неба, и ты увидишь там планету, которую до этого никто не видел». В действительности история была чуть более интересная. Люди, которых попросили посмотреть на небо, не вполне были уверены, что эти вычисления достойны внимания, у них были другие заботы. Тем не менее нашлась группа людей, которые поступили таким образом, и так была открыта планета Нептун. Были проделаны вычисления, которые говорили о том, что имеющиеся нарушения в траектории предыдущей планеты можно объяснить, если предположить, что есть еще одно тело, доселе неизвестное. Из видимых с помощью телескопа нарушений движений предыдущей планеты, последней известной в XIX веке, с помощью сложных математических расчетов длиной в несколько лет удалось узнать, где могло бы двигаться новое небесное тело.»
«Средствами логического анализа можно узнать недостающие куски реальности. Это ярко выразилось в истории с электричеством и радиосвязью. К моменту открытия никто не знал слова «радиосвязь». К середине XIX века имелись записанные несколькими людьми законы. Был математически выраженный закон Кулона, который говорил о том, как электрические заряды притягиваются, был закон Ампера — закон о магнитных и электрических полях — о том, какие магнитные поля создаются токами, потом появился закон Фарадея. Это были математические утверждения, которые существовали изолировано и более или менее сами по себе. Максвелл задался целью найти, нет ли единого математического формализма, в котором все эти законы записывались бы однотипно и в некотором смысле равномерно.»
«Эйнштейн сумел разработать свой математический аппарат для описания гравитационных сил и написать уравнения, одним из решений которых могла быть вся Вселенная. Дальше выяснилось, что логически возможно добавить в эти уравнения некоторые слагаемые (некоторая параллель тому, что делал Максвелл). Эйнштейн его добавил, руководствуясь, по-видимому, ложными соображениями. Потом всю жизнь считал это самой большой своей ошибкой. Сейчас выяснилось, что нечто, вроде этого слагаемого, весьма вероятно описывает экспериментально обнаруженный недавно эффект — ускоренное расширение Вселенной. Вселенная расширяется не так, как думали раньше: что-то ее расталкивает, и она расширяется все быстрее и быстрее. Исключительно средствами логики удается увидеть, что может происходить в природе. Современное познание природы в значительной степени на фундаментальном уровне продолжает эту традицию.»
Теория струн — это наиболее бурно развивающаяся физическая концепция, претендующая на то, чтобы наконец-то воплотить мечту Эйнштейна — создать единую теорию поля. Об этой теории в программе «Научный тык» рассказывает Алексей Семихатов, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Физического института им. Лебедева РАН.
Юноша и нравящаяся ему девушка встречаются вечером у костра. Девушка задаёт вопрос о звёздном небе, и между собеседниками завязывается романтический диалог. Она спрашивает о планетах, звёздах и Вселенной, и он в образных выражениях, стихах и цитатах известных учёных (Джордано Бруно, Альберта Эйнштейна, Фрица Хоутерманса) отвечает на её вопросы, рассказывая о о загадках Космоса, загадках галактик, тайнах конечного и бесконечного. Заканчивается фильм грустным, но предопределённым переходом из романтического мира астрономии в простой и жестокий мир грубой и невесёлой обыденности.
Андрей Дмитриевич Линде рассказывает о теории инфляционной Вселенной или теории Мультивселенной (Мультиверса). Термин «Multi-verse», заменяющий слово «Universe», означает, что вместо одной Вселенной — много вселенных сразу в одной.
Отчаянные по степени научной смелости и сложности эксперименты на Большом Адронном Коллайдере – это попытка оживить процесс познания Вселенной средствами чистой логики. Этот процесс начался в тот момент, когда Ньютон угадал, что Луна подчиняется в точности тому же закону движения, что и яблоко. С тех пор рафинированный логический анализ – математика – приобрел «непостижимую эффективность» в своей способности делать предсказания, которые непременно сбываются.
Революционные открытия последних 15 лет в области космологии сделали эту область астрофизики одной из наиболее точных наук. Существенную роль в понимании природы Вселенной сыграла радиоастрономия, история которой связана с уникальными астрофизическими экспериментами. Достаточно вспомнить открытие и исследование радиогалактик и квазаров, пульсаров, атомарных и молекулярных линий, гравитационных линз и сверхмассивных черных дыр. Однако, на мой взгляд, самыми важными событиями стали открытие реликтового излучения и обнаружение его неоднородностей. Это привело к построению картины мира начала XXI века, на которую ориентируется современное естествознание. Мы познакомимся с методами исследования реликтового излучения и определения глобальных параметров Вселенной, а также обсудим нерешенные загадки Вселенной.
Излучение колеблющимися массами гравитационных волн очень напоминает излучение электромагнитных волн колеблющимися электрическими зарядами. Согласно ОТО, гравитационные волны имеют такую же скорость, как электромагнитные волны, и тоже переносят энергию. Они вызывают движение (смещение) тел, встречающихся на их пути, но ожидаемый эффект настолько мал, что до сих пор не обнаружен. Еще в 1916 году Эйнштейн вычислил мощность гравитационного излучения вращающегося стержня длиной 1 метр. Если даже раскрутить его до такой скорости, что центробежная сила достигнет предела прочности материала на разрыв, мощность излучения окажется равной всего-навсего 10^–37 Вт, что зарегистрировать невозможно. Это делает совершенно нереальным обнаружение гравитационных волн от каких-либо «земных» источников – нужны гигантские массы и столь огромные мощности для приведения их в движение, что эта задача технически невыполнима.
Лекция посвящена тому, как последние открытия повлияли на наше представление о макромире и какие вопросы встали на повестку дня. Эволюция вселенной в первые мгновения после большого взрыва. Темная материя и темная энергия. Вещество и антивещество. Законы сохранения и барионное число. Как объяснить неоднородность вселенной. Теория инфляционной вселенной. Флуктуации вакуума. Реликтовые гравитационные волны.
Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной. Раздувающийся воздушный шар – старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.
Вид ночного неба, усыпанного звездами, с давних пор вселяет в душу человека благоговение и восторг. Потому даже при некотором снижении общего интереса к науке астрономические новости иногда просачиваются в средства массовой информации, чтобы встряхнуть воображение читателя (или слушателя) сообщением о таинственном квазаре на самой окраине Вселенной, о взорвавшейся звезде или о черной дыре, затаившейся в недрах далекой галактики. Вполне естественно, что рано или поздно у заинтересованного человека возникает законный вопрос: «Да полно, уж не водят ли они меня за нос?» Действительно, по астрономии написано множество книг, снимаются научно-популярные фильмы, проводятся конференции, постоянно растут тиражи и объемы профессиональных астрономических журналов, и всё это — продукт простого разглядывания неба?