Твёрдая научная база для фантастической игры

Люблю популяризировать науку, в том числе астрономию. Вместе с тем я рядовой и всеядный потребитель фантастики через книги, фильмы и игры. Книги уже писал, фильмы никогда не потяну, а игру делаю прямо сейчас.

Удовольствие тут в том, чтобы игра получилась интересной, а уже за счёт этого она сможет привлечь к науке. Наоборот обычно не работает, поэтому непосредственно хардкору отведена ключевая, но фоновая роль: действие происходит в будущем на сотню лет вперед, а сюжет завязан за космологических теориях и явлениях.

И у моей игровой табуретки три толстые научные ножки:

1. Большой взрыв 2. Реликтовое излучение 3. Чёрные дыры

О них и хочу рассказать.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна произвела революцию в 1915-16 году. Она касалась тяготения и геометрии пространства-времени, но почти сразу же учёные стали рассматривать её шире и под другими ракурсами, в том числе для моделирования нашей Вселенной. Одним из самых скорых наглядных "вау, это действительно работает" было наблюдение за полным солнечным затмением в 1919 году, когда представилась возможность зафиксировать отклонение света вблизи Солнца (затмение удобно тем незатейливым фактом, что можно вглядываться и не сразу ослепнуть).

И вышло так, что Эйнштейн сам себе подложил свинью: он упёрто считал Вселенную статичной, а ему - тыкая в его же теорию - быстро, легко преодолевая сопротивление, доказали, что Вселенная динамична и расширяется. Совсем как при взрыве. Большом взрыве!

С помощью новых теорий и математических уравнений учёные отмотали время назад и достаточно точно установили возраст Вселенной - 13,7 миллиардов лет. Они умозрительно дошли до нулевой точки - космологической сингулярности - когда Вселенная состоит из концентрированного вещества с бесконечно высокой плотностью и температурой. Неизбежность такого исхода (вернее, начала) доказал Стивен Хокинг в 1967 году. Но как такое состояние возможно на практике, по всем известным физическим законам, никто до сих пор не знает, и это серьезная (далеко не единственная) пробоина в теории.

Тем не менее, считается, что из космологической сингулярности родилась наша Вселенная.

Хронология возникновения Вселенной очень необычна для восприятия. Длительность начальных этапов - даже не секунды, а невероятно малые доли секунды.

Первым этапом в жизни нашей Вселенной называют период времени от 0 до 10 в степени -37 секунды. Т.е. от 0 до 0,0000000000000000000000000000000000001 секунды. Это событие Большого взрыва, когда вещество резко потеряло в плотности и температуре, расширилось, распространилось в пространстве. В понимании слов "резко" и "потеряло" обольщаться тоже не надо, постичь масштабы невозможно: например, температура стала около дециллиона градусов. В этих условиях возникли усиленные инфляцией скалярные возмущения и связанные с первичными гравитационными волнами тензорные возмущения поля.

Это был так называемый этап Очень ранней Вселенной. Секунда ещё не прошла, а начался этап просто Ранней Вселенной. И дальше уже можно вздохнуть спокойнее: счёт пошёл на секунды. Та же температура заметно опустилась до триллиона градусов. Пользой для мироздания стало охлаждение кварк-глюонной плазмы и начало бариогенезиса, когда появились протоны и нейтроны. Материя и антиматерия устроили взаимную аннигиляцию, началась эпоха доминирования электромагнитного излучения.

Процесс продолжился: Вселенная расширялась, теряла в плотности и остывала. С каждым мгновением условия существования во всём этом аду становились проще, открывались новые возможности и вектора их последствий. В конце-концов, дело дошло до нуклеосинтеза. Через несколько сотен тысяч лет Вселенная остыла до 3 тысяч градусов, элементарные частицы замедлились до вменяемого уровня и стали объединяться, появились стабильные атомы водорода. Материя перешла из состояния плазмы в газообразное состояние и стала прозрачной для излучений.

Чтобы из материи появилось что-то существенное, пришлось ждать ещё сотни миллионов лет. Ультрафиолетовое излучение первых звезд и ядер галактик ионизировало нейтральный водород межгалактической среды, благодаря реионизации зарождаются, группируются, скапливаются галактики.

Перескочив вперёд на 17 миллиардов лет, мы видим современный для нас результат. И мы знаем, что Вселенная продолжает расширяться даже сейчас. Будет ли так продолжаться вечно или в какой-то момент начнётся обратный процесс - сжатие обратно в сингулярность - сказать сложно, а по сути не принципиально. Максимальное расширение или сжатие по итогу ничего хорошего человечеству не принесёт.

Для игрового сюжета главное, что весь этот процесс понимается как динамичный и неизбежный. А прелесть научной фантастики в том, что всё и всегда можно поставить под вопрос, выдвинуть теорию или гипотезу, попытаться её проверить или описать. Я и задумался: действительно ли конец Вселенной предсказуем и неизбежен? Можно ли к тому заранее подготовиться и как именно? А если рассуждать не с позиции человеческой цивилизации?

Реликтовое излучение также известно как космологический микроволновый фон, или космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение. Это остаточное излучение, которое застало совсем юную Вселенную. Это как эльфы у Толкиена: "Я видел Луну и первый Солнца луч". Это вечные странники: бродят везде где хотят и ни к чему не привязываются. В пустотах между галактиками оптический телескоп покажет непроглядную тьму. Но с радиотелескопом видно изобилие: вся Вселенная, даже в самых дальних своих пустотах, насыщена реликтовым излучением.

Реликтовое излучение возникло в эпоху первичной рекомбинации водорода. Как писал выше, Вселенная на пути от сингулярности постоянно расширялась и остывала, с каждым мигом, условно говоря, становилось проще жить. Когда материя была уже горячей плазмой из электронов и барионов, постоянно излучались и тут же поглощались фотоны. Но стоило окружению остыть ещё, как плазма начала переходить в газообразное состояние, электроны смогли объединяться с протонами и альфа-частицами в атомы, а фотоны получили свободу и полетели восвояси. Именно эти фотоны и стали реликтовым излучением, тем самым невидимым глазу густым фоном нашей Вселенной.

Реликтовое излучение - один из главных подтверждающих тестов на состоятельность теории Большого взрыва. Его предсказали в 40-х годах, а в 60-х смогли обнаружить. В начале нашего века технологии позволили совершить качественный скачок в изучении реликтового излучения, когда более-менее точно измерили уровень неоднородности. Это позволило перейти к точным измерениям космологических параметров в рамках современной ΛCDM-космологии.

В названии космологической модели заложены две её проблемы: тёмная энергия (Λ) и холодная тёмная материя (CDM). То и другое для нас тёмный лес. Однако, даже не вполне понимая с чем имеем дело, можно наблюдать влияние этого нечто на нашу реальность и делать соответствующие выводы. Например, установлено следующее влияние на энергетический баланс Вселенной: вклад тёмной энергии 69%, вклад тёмной материи 26%, оставшиеся 5% за видимым барионным веществом.

Но вернёмся к реликтовому излучению. Нам его просто так не видно, потому что его средняя температура меньше 3 градусов по Кельвину, т.е. близко к абсолютному нулю, и у него спектр абсолютно чёрного тела. В связи с тем, что в эпоху первичной рекомбинации водорода излучение возникало массово и в различных областях пространства, из-за неоднородности вещества, из-за последующего - на протяжении миллиардов лет - влияния среды, реликтовое излучение всячески искажалось. Например, действие эффекта Сакса-Вольфа приводит к изменению частоты фотонов в меняющемся гравитационном потенциале формирующихся скоплений галактик и растущих войдов. А действие теплового эффекта Зельдовича-Сюняева перераспределяет фотоны по энергиям из миллиметрового в субмиллиметровый диапазон.

Различные физические условия на разных этапах существования Вселенной привели к искажениям реликтового фона. Но как бы то ни было, это тепловое излучение со своей энергией и поляризацией, у него определенные характеристики, которые позволяют нам лучше понять как работала и продолжает работать наша Вселенная. И важно понимать, что Вселенная необычайно пуста в плане материи, поэтому за миллиарды лет фотоны могли ни с чем не сталкиваться, никак особенно не меняться, а их ансамбль переносит с собой уже определённую информацию о былом.

Это очень интересный тезис, на котором легко спекулировать. Под информацией часто понимается что-то не просто осмысленное, а осознанное. И начинаются безудержные фантазии: а что если в реликтовом излучении заложен некий код? А чей? А кому? А зачем? Раз есть карта неоднородности, можно ли найти в ней какую-то закономерность. Надо ли рассматривать всё в совокупности или искать аномалии по секторам, галактикам.

Наука любит фантазировать и цепляться за свои фантазии, но ещё она беспощадна и требует доказательств. А сейчас нет никаких фактов в пользу того, что реликтовое излучение в принципе что-то нам сообщает в обычном понимании. Но для популярной фантастики это не проблема. Можно увязать различные параметры в свою обоснованную систему, на её основе создать восходящий к самой сингулярности красивый миф.

Существуют ли чёрные дыры - достоверно никто не знает. Или можно сказать, что конечно же существуют, это все давно знают. Технически всё упирается в терминологию. В привязке к общей теории относительности можно рассуждать об объектах с настолько высоким гравитационным притяжением, что на определенном расстоянии уже невозможно их покинуть. Объект притягивает тебя, ты стараешься уйти прочь, но ничего не получается. Даже если ты простой фотон и пытаешься улететь со скоростью света - притяжение пересиливает. Та граница, за которой уже не спастись, называется горизонтом событий. Оговорка тут в том, что мы допускаем сам предел скорости. Да и вопрос, насколько в таких условиях состоятельна сама общая теория относительности.

Примером возникновения чёрных дыр в нашей Вселенной чаще прочего называют гравитационный коллапс звёзды. Под действием гравитационных сил та сжимается. Если её масса ниже определенного порога в 2-4 массы Солнца, то давление вырожденного газа и нейтронов успешно противостоит схлопыванию. В противном случае процесс выходит из-под контроля, противостоять колоссальным силам становится невозможно, и звезда превращается в чёрную дыру. Здесь также можно сказать и про явление аккреционного диска, который возникает и доступен для наблюдения при падении газа на любой компактный астрофизический объект. Нынче чаще всего чёрную дыру рисуют вместе с ним, как неотъемлемый её атрибут. Хотя он совершенно не обязателен - нет газа, нет диска.

Поначалу считалось, что чёрные дыры только втягивают в себя материю (не как пылесос, а за счёт обычного гравитационного притяжения) и набирают дополнительную массу. А наружу ничего не отдают, никогда не уменьшаются. Поэтому они просто есть и деться никуда не могут. Какие-то пересечения, столкновения с другими астрофизическими объектами маловероятны, так что стабильность на миллиарды лет вперёд. Но есть теории, по которым чёрные дыры всё же испаряются, отдают часть своей энергии и массы наружу. И по расчётам чем дыра меньше, тем быстрее она испаряется.

Также по различным теориям можно представлять совершенно разные по размерам чёрные дыры. И совсем не обязательно, что это сверхплотный объект. Главное, что он обладает существенным гравитационным притяжением, что возможно даже с малой плотностью вещества. Обратная зависимость: чем больше масса, тем меньше плотность чёрной дыры.

Дыра черна для стороннего наблюдателя, а внутри может быть чем угодно. Пример для понимания: Земля тоже массивный объект с гравитацией, и она удерживает всех нас своим притяжением. Известно, что землянам необходимо развить скорость 11,2 км/с, чтобы преодолеть притяжение планеты и покинуть её орбиту. Теперь допустим, что скорость света и вообще ограничение по скорости движения во Вселенной составляет 11 км/с. Это означает, что мы совсем никак не сможем покинуть Землю. Ну и ладно, это не помешает нам продолжать на ней жить и радоваться (медленному интернету). При этом для стороннего наблюдателя из космоса на месте Земли будет чёрная дыра со страшилками как внутри всех плющит.

На этом основаны свои спекуляции: неизвестно, что будет с людьми при пересечении горизонта событий. В целом можем рассчитать, что физически среда несовместима с пребыванием там хрупкого человека, даже защищенного этерниумными переборками и энергетическими щитами. Нас уничтожит, распылит на атомы и рассеет в пустоте, да ещё само время устроит безумную пляску. А если чуть продержимся, то лишимся рассудка. Или всё не так, а страхи для слабаков? Тогда мы увидим портал в цветущий сад, червоточину сквозь пространство и время или выйдем за пределы известных измерений. Формально для нашего мира мы уже потеряны, зато какой джекпот для исследователя космических чудес. В смысловом плане заход в чёрную дыру сопоставим с явлением смерти: никто не может рассказать что там, потому что оттуда не проходит обратный сигнал. А раз так, то фантазия ничем не ограничена.

Можно взглянуть иначе на само явление: что, если это не естественный физический процесс, а искусственный? Тогда зачем и кому он нужен? И что это меняет для всех нас?

С точки зрения науки чудес не бывает, но сама по себе наука - это одно сплошное чудо.

На всякий очевидный случай: весь текст писал сам, картинки свои-игровые, карта реликтового излучения от "Planck" 2015 года.