Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Как работает Вселенная

Введение в современную космологию

Москва
2018

С. Л. Парновский

Как работает Вселенная

Введение в современную космологию

ISBN 978-5-91671-802-7

© Парновский С., 2017
© Издание на русском языке, перевод, 
оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2018

УДК 524.8
ББК 22.632
 
П18
Научный редактор Анатолий Засов
Редактор Антон Никольский

Парновский С. Л.
П18  
Как работает Вселенная: Введение в современную космологию. — М. : Альпина 
нон-фикшн, 2018. — 277 с.

ISBN 978-5-91671-802-7

Эта книга посвящена космологии — науке, недавно отпраздновавшей свое 
столетие. Она объясняет, почему мы уверены, что у Вселенной есть начало, где и 
когда произошел Большой взрыв, что означает разбегание галактик, как образовалось все, что нас окружает, от атомов до галактик, каково будущее Вселенной, 
существуют ли миры с другими физическими законами, что такое черные дыры и 
многое другое. Подробно рассказывается про то, что нам известно и что неизвестно про две таинственные сущности, которые вместе составляют более 95% содержимого Вселенной — темную материю и темную энергию. Кроме того, показаны 
физические основы общей теории относительности и предсказанные ею эффекты.
Книга ориентирована на широкий круг читателей, но некоторые ее разделы, в 
которых излагаются элементы нерелятивисткой космологии, требуют знания математики на уровне начальных курсов университета. Эту часть можно рассматривать 
как своеобразный учебник, в котором основные космологические решения получены без использования математического аппарата общей теории относительности.

УДК 524.8
ББК 22.632

Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» 
(при финансовой поддержке Н.В. Каторжнова).

Фонд поддержки научных, образовательных и культурных инициатив «Траектория» 
(www.traektoriafdn.ru) создан в 2015 г. Программы Фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию 
науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует 
созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.
В рамках издательского проекта Фонд «Траектория» поддерживает издание лучших 
образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.

Все права защищены. Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было 
форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети интернет и в корпоративных 
сетях, а также запись в память ЭВМ для частного или публичного использования без письменного 
разрешения владельца авторских прав. По вопросу организации доступа к электронной библиотеке 
издательства обращайтесь по адресу lib@alpinabook.ru

Оглавление

Предисловие   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  9

Глава 1. Законы Вселенной
1.1. Истоки космологии  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  11
1.2. Принципы общей теории относительности .  .  .  .  .  .  .  16
1.2.1. Прецессия перигелия   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  16
1.2.2. Отклонение света .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  18
1.2.3. Гравитационное красное смещение .  .  .  .  .  .  .  .  19
1.2.4. Другие эффекты и проверки .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  22
1.2.5. Выделенная система отсчета  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  23
1.2.6. Гравитация, инерция и приливные силы  .  .  .  .  .  26
1.2.7. Лунные приливы и отливы  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  29
1.2.8. Пространство, время и пространство-время  .  .  32
1.2.9. Искривленное пространство-время .  .  .  .  .  .  .  .  37
1.3. Сколько весит свет?   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  38
1.3.1. Барионная материя .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  40
1.3.2. Излучение .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  42
1.3.3. Темная энергия и антигравитация  .  .  .  .  .  .  .  .  .  42

Глава 2. Расширяющаяся Вселенная
2.1. Статическая Вселенная Эйнштейна  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  45
2.2. Расширение Вселенной и красное смещение   .  .  .  .  47
2.2.1. Другие галактики и их разбегание  .  .  .  .  .  .  .  .  .  47
2.2.2. Расширение   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  49
2.2.3. Красное смещение .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  52
2.3. Закон Хаббла*  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  54

Оглавление

2.4. Модели Фридмана   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  58
2.4.1. Стрела времени  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  64
2.5. Геометрия Вселенной   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  67
2.6. Масштабный фактор  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  72
2.6.1. Параметр замедления .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  73
2.7. Нерелятивистские решения Фридмана* .  .  .  .  .  .  .  .  74
2.7.1. Космологическая эволюция 
без космологической постоянной*   .  .  .  .  .  .  .  .  74
2.7.2. Исследование решений* .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  79
2.7.3. Параметр замедления* .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  83
2.7.4. Материя с ненулевым давлением 
в расширяющейся Вселенной* .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  85
2.8. Современная модификация модели  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  87
2.8.1. Космологическая постоянная 
наносит ответный удар   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  87
2.8.2. Стандартная космологическая модель .  .  .  .  .  .  89
2.9. Расстояния в астрономии .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  94

Глава 3. Ранняя Вселенная
3.1. Большой взрыв .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  97
3.2. Реликтовое излучение: эхо Большого взрыва .  .  .  .  104
3.2.1. Открытие реликтового излучения   .  .  .  .  .  .  .  .  105
3.2.2. Анизотропия реликтового излучения  .  .  .  .  .  .  107
3.2.3. Космология выходит в космос .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  109
3.2.4. Наземные наблюдения 
реликтового излучения   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  113
3.2.5. Спектр флуктуаций реликтового излучения .  .  114
3.2.6. Сохранение энергии  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  117
3.2.7. Нездоровые сенсации .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  119
3.3. Эволюция ранней Вселенной* .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  122
3.4. Космологический горизонт .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  123
3.5. Расстояние до космологического горизонта* .  .  .  .  126
3.6. Инфляционное расширение Вселенной   .  .  .  .  .  .  .  127

Оглавление

3.6.1. Модели инфляции   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  134
3.7. Поливерсум и антропный принцип  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  141
3.7.1. Кому во Вселенной жить хорошо?  .  .  .  .  .  .  .  .  146
3.7.2. Что же утверждает антропный принцип? .  .  .  .  148
3.7.3. Пульсирующая Вселенная  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  153
3.8. На пути к таблице Менделеева   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  156
3.8.1. Первичный нуклеосинтез .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  156
3.8.2. Звездный нуклеосинтез .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  162
3.8.3. Проблема антиматерии  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  165

Глава 4. Темная материя
4.1. Революция приближается   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  169
4.2. Свидетельства существования 
темной материи   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  173
4.2.1. Вириальная масса   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  173
4.2.2. Кривые вращения галактик   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  175
4.2.3. Отношение масса — светимость  .  .  .  .  .  .  .  .  .  180
4.2.4. Слияния галактик  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  182
4.2.5. Космические потоки  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  184
4.2.6. Темпы роста флуктуаций плотности .  .  .  .  .  .  .  187
4.2.7. Гравитационное линзирование  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  194
4.3. Из чего состоит темная материя?   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  199
4.4. Альтернативные модели .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  209

Глава 5. Темная энергия
5.1. Космологические свидетельства существования 
темной материи и темной энергии  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  211
5.1.1. Сверхновые типа Ia .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  215
5.1.2. Барионные акустические колебания   .  .  .  .  .  .  220
5.1.3. Спектр флуктуаций реликтового излучения .  .  222
5.2. Темная энергия .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  224
5.3. Время до Большого разрыва* .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  232
5.4. Другие виды материи .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  233

Оглавление

Глава 6. Черные дыры и другие экзотические объекты
6.1. Черные дыры  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  235
6.1.1. Шварцшильдовские черные дыры .  .  .  .  .  .  .  .  239
6.1.2. Черная дыра Райсснера — Нордстрёма   .  .  .  .  246
6.1.3. Вращающаяся черная дыра Керра   .  .  .  .  .  .  .  248
6.2. Голые сингулярности  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  251
6.3. Кротовые норы .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  253

Выводы .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  256

Приложение A
Космологическая эволюция 
с космологической постоянной*  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  261
A1. Решение де Ситтера* .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  262
А.2. ΛCDM-модель*   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  263
А.3. Плоская ΛCDM-модель*   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  267

Литература   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  274
Для дальнейшего чтения  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  275
Записи лекций  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  276

Предисловие

В книге описана история и современное состояние космологии — науки о Вселенной в целом. Она посвящена описаниям 
основных идей космологии: расширяющейся Вселенной, ее 
возникновению в ходе Большого взрыва, эволюции, характерным величинам и т. д. Мы попытались ответить на многие 
часто задаваемые вопросы на эти темы. Мы подробно рассказываем про две загадки современной науки, имеющие непосредственное отношение к космологии, — темную материю и 
темную энергию.
Эта книга отличается от большинства научно-популярных 
книг. Золотое правило их написания гласит: каждая формула 
в тексте уполовинивает число потенциальных читателей. Тем 
не менее мы рискнули и используем уравнения, но только там, 
где они необходимы. Мы постарались свести количество формул до минимума и сделать их настолько простыми, насколько 
это возможно, понятными для всех, кто изучал математику или 
физику в институте. Формулы собраны в особые разделы, отмеченные в оглавлении звездочками как «Расширенный материал», и они должны рассматриваться именно так. Кроме того, 
в тексте они отмечены изображением Альберта Эйнштейна.

Если вы их пропустите, это не ухудшит понимание материала, однако в основном тексте есть несколько ссылок на эти 
разделы, поэтому советуем хотя бы просмотреть их. Каждая 

Предисловие

такая часть начинается с краткого резюме. Эти разделы составляют своеобразный простой учебник по космологии для 
тех, кто не знаком с математическим аппаратом общей теории 
относительности (далее ОТО), но хотел бы понять, откуда берутся законы космологии.
Остальная часть книги рассчитана на широкую аудиторию, 
хотя и предполагает некоторый минимальный уровень знания 
математики и физики. Тем, у кого нет даже базовых знаний 
в области астрономии, мы настоятельно рекомендуем прочитать несколько популярных книг по астрономии. В качестве 
первой мы предлагаем вышедшую в 1969 г. работу Айзека 
Азимова «Вселенная: от плоской Земли до квазаров», которая, 
впрочем, несколько устарела, но это с лихвой компенсируется 
легкостью и доходчивостью текста. Другие предложения для 
чтения перечислены в конце раздела «Выводы».
Мы старались излагать материал без упрощений, свойственных научно-популярной литературе, и объяснять, на 
каких основаниях делаются те или иные предположения или 
оценки в космологии. В тех вопросах, где современная космология сталкивается с проблемами, мы не только их не скрывали, но, наоборот, уделяли им повышенное внимание. То же 
самое относится к ситуациям, относительно которых у ученых 
нет однозначного мнения. Мы не пытались выдавать гипотезы 
за устоявшиеся теории, как это нередко бывает. В некотором 
смысле эта книга находится где-то между научно-популярной 
книгой и учебником, являясь своего рода мостом через ущелье, отделяющее популярную науку от истинной науки.
Книга основана на монографии «Введение в современную 
космологию» [Парновский, Парновский, 2013], которая была 
хорошо принята гораздо более широкой аудиторией, чем мы 
ожидали. Мы переработали материал с учетом вопросов и пожеланий читателей и попытались объяснить все научные термины, которые используем.