Как увидеть Вселенную

Когда говорят «астроном видит», что это значит? Астроном-профессионал уже не смотрит в телескоп, в него смотрит компьютер. Астроном смотрит на то, что выдает компьютер, а компьютер может выдавать любые цвета. Понятно, что мы можем быстренько переопределить цвета. Как математики могут переопределить различные термины, мы точно так же легко можем переопределить не только термины, но и цвета и говорить, что красный цвет в радиодиапазоне такой-то, а синий цвет — такой-то. Понятно, что в радиодиапазоне никакого цвета нет, мы сами его преподносим. Но если мы говорим, что мы видим, то обычные люди по умолчанию считают, что можно видеть только глазами. А слепые могут видеть? Например, если поставить датчики, они будут видеть? А что такое, когда они видят через датчики? Что такое электрические сигналы, которые будут проходить в соответствующие области мозга? Само понятие наблюдений сейчас изменилось.

Здесь можно поговорить о различных направлениях: что значит видеть, что значит не видеть, что такое видимое или невидимое. Например, видим ли мы невидимую Вселенную? Оптический диапазон видимый. Радиодиапазон мы не видим, так же как и рентген, гамма, инфракрасный. Но астрономия в этих направлениях работает. Мы не видим электромагнитные диапазоны. Если их убрать, у нас остаются другие диапазоны энергий, которые доступны человечеству во Вселенной. Гравитационный диапазон мы также не наблюдаем, нашими обычными приборами не можем, но, оказывается, можем увидеть с помощью лазерных интерферометров, как происходят сдвиги интерференционной картины. Нейтрино, которые пролетают сквозь нас триллионы частиц каждую секунду, — мы их видим или нет? Мы их не видим, мы их не чувствуем и почти не замечаем. Но наши телескопы их регистрируют. То есть мы их тоже видим.

Мы видим невидимую темную материю. Мы знаем: темную материю увидеть нельзя. Когда рассказываешь про нее, часто возникает вопрос: а как же вы ее увидите, если она не взаимодействует со светом? Она взаимодействует гравитационно, искривляет пространство. А я уже говорил, что мы гравитационные волны видим. Мы видим изменения, двигающиеся со скоростью света по Вселенной, связанные с искривлением пространства. Бежит волна, связанная с искривлением пространства, по Вселенной, оторванная от источника гравитации. Значит, эти искривления пространства точно так же мы видим в природе. Таким образом, мы видим темную материю, начиная с масштабов галактик в скоплениях галактик, сверхскоплениях галактик и в крупномасштабной структуре. Построены карты этой темной материи по различным диапазонам. Мы знаем трехмерные карты, которые построены по ближайшим скоплениям галактик. Просто эти облака показаны в видимом свете, хотя мы знаем, что это только искривление пространства. То есть искривленное пространство меняет лучи света. И эти изменения движения лучей света мы можем зарегистрировать.

Мы можем видеть вещи, которых мы не должны видеть из-за временных масштабов. Представьте, что мы сокращаем промежутки времени. Например, сигнал от мозга до руки проходит за одну десятую секунды. Это маленький такт. А представьте, что у вас пульсары вращаются до одного оборота за одну тысячную секунды. Мы не увидим таких масштабов. Но мы обсуждаем сейчас, как увидеть масштабы 10-35 секунды, когда у Вселенной был такой возраст. Мы сейчас проводим наблюдения, чтобы увидеть масштабы от самого раннего момента возникновения Вселенной. Как их увидеть? Через другие эффекты. Мы начинаем обсуждать, а что будет со Вселенной через 30 миллиардов лет. Это зависит от темной энергии, но мы ее не видели. Более того, она не взаимодействует ни в каком диапазоне и, может быть, даже не взаимодействует гравитационно. Хотя ее и называют антигравитацией, но приставка «анти» в данном случае, на мой взгляд, не подходит, потому что гравитация — это притяжение, а антигравитация — это отталкивание. А если мы рассматриваем растягивание Вселенной на больших масштабах, то в принципе можно сказать, что все отталкивается. Но вполне возможно, это что-то другое, что действует, и мы это видим через вторичные эффекты.

Если мы знаем, что какая-то зеленая вытянутая штука с пупырышками и на вкус как огурец, то мы можем сказать, что это огурец, не видя этого. То есть это способ наблюдения. Даже когда мы смотрим на небо, мы в голове строим модель и начинаем сравнивать с этой моделью то, что видим. Представьте, что я куб, а вы меня видите как человека. На самом деле у вас есть модель меня, которую вы обрабатываете как человека. И даже если из меня быстро сделать куб, то у вас все равно некая модель сохранится. Значит, то, что мы видим, связано с какими-то шаблонами. Тогда мы можем изменить наш подход к тому, что мы видим. И рассуждения о том, что есть прямое наблюдение, а есть непрямое, размываются. На самом деле нет никакого прямого наблюдения. Мы всегда видим какую-то модель. Когда говорят, что человек видит глазами, на самом деле он видит своими внутренними приборами: фотометрами, колбочками и счетчиками фотонов, палочками. Эти приборы видоизменяют реальность, сглаживают ее. А мозг пытается решить обратную задачу, подгоняя соответствующие шаблоны. Мы не знаем параметры, через которые происходит подгонка. Мозг это делает автоматом, потому что это обученная нейросеть. Точно так же любой наблюдательный эксперимент сейчас — это сравнение с параметрами.

Рассмотрим такой тип наблюдения, как наблюдение гравитационных волн. Что это такое, кто видел гравитационную волну? Почему вы считаете, что слились две черные дыры, которые дали в результате другую черную дыру меньшей массы, чем их сумма? Посмотрим, что вы видели. Вам показывают некую кривую. Черные дыры обращаются вокруг друг друга, расходятся гравитационные волны, забирают массу черных дыр и потом сливаются, затем образуется черная дыра. Растет всплеск, расстояние между пиками уменьшается, опять всплеск, а дальше просто шум. Что это означает? Было рассчитано множество различных моделей, которые описывают соответствующие действия черных дыр друг на друга в зависимости от их физических свойств, — это масса, скорость вращения и угол наклона плоскости вращения к наблюдателю. Три параметра на каждую черную дыру. Две группы параметров до слияния, одна группа после слияния, итого у нас девять параметров. Если мы начинаем менять эти параметры, меняются соответствующие картинки. Картинка дает однозначное решение для соответствующего типа слияний. Никаким образом мы пока не можем сказать, что здесь было что-то другое. То есть это простейшее объяснение.

То же самое происходит, когда мы смотрим на окружающий мир. Например, я приезжаю из нашего поселка в Москву. В поселке я почти всех знаю, у меня автоматом подставляются шаблоны лиц, и я их сразу распознаю. Времени это не занимает: мозг обучен, моя нейросеть так работает. Когда я приезжаю в Москву, мозг продолжает работать, но я никого не узнаю, но шаблоны постоянно подставляются. Если бы у меня был мозг очень большой, можно было бы заложить все модели лиц. Я этого сделать не могу, а компьютер может. Он удачно может наблюдать сразу во множестве параметров. Точно так же и то, что мы видим, например тень черной дыры. Определенным образом рассчитываются шаблонные параметры. Мы знаем, как они меняются, как они сглаживаются во время наблюдений. И мы начинаем решать обратную задачу, как это выглядело до. При этом мы это тоже называем наблюдениями, хотя мы решаем очень сложную обратную задачу. Сам процесс наблюдения — это постоянное решение обратной задачи.

Мы можем видеть даже то, что мы не знаем. Это удивительная вещь, когда говорят: «Как же так, вы наблюдаете то, не зная что?» Да, это «то, не знаю что» называется «скрытые параметры». Если у нас очень сложная модель и большой набор данных, то мы можем параметры этой модели высчитывать. А представьте себе, что у нас есть простая модель, описывающая всю Вселенную. Данных очень много. И мы можем подозревать, что там может быть что-то еще. Теперь нам нужно придумать, как это может взаимодействовать. Вы можете придумать свое особое поле. Допустим, пятидесятое поле из физики элементарных частиц, которое отвечает еще за что-то. Вы должны выписать эту процедуру, как оно влияет на все остальные поля, записать в соответствующую программу, которая считает функционалы. Вы можете даже не знать, что это такое, но эти параметры вычислить — так была найдена темная энергия. Мы не знаем, что это, но знаем, что ее вклад в энергетический баланс Вселенной 69%. Этот вклад мы померили по вспышкам сверхновых. То есть мы знаем, с какой скоростью от нас удаляются далекие галактики. И в разные эпохи мы их померили. Этот наблюдательный факт интерпретируется как наблюдение темной энергии, хотя она не излучает, ничего не притягивает, не искривляет пространство.

Таким образом, мы можем видеть то, чего мы не можем видеть в принципе. Даже обсуждается вопрос, можем ли мы видеть другие вселенные, находясь в нашей. Я, конечно, к этому отношусь с улыбкой, когда говорят о том, что холодное пятно, Великое ничто — это взаимодействие двух трехмерных бран. То есть наша Вселенная — это трехмерная брана. Или лучше сказать три плюс один, где один — время. С другой браной они столкнулись, произошло взаимодействие. И мы эту дыру увидели. То есть, скорее всего, это дыра в нашей галактике. Тем не менее, мы можем подгонять модели и говорить, что здесь такая штука произошла. Есть еще трехмерный разрыв пространства, который также рвет наши мозги, то есть область, которой в нашей Вселенной нет. Есть Великое ничто, которое описывает область, называемая текстура, это трехмерный топологический дефект. В нашей Вселенной вряд ли такое может случиться, потому что, скорее всего, теория инфляции это наиболее верная теория, которая частично подтверждена, и в ней не может быть топологических дефектов.

В общем, само понимание наблюдений в этом плане другое. И я не могу сказать, каким оно будет дальше. Начинают работать роботические системы, наши описания усложняются, мы включаем параметры, за которыми ничего физического не стоит, но их удается определить. Например, вы описываете систему полиномиальной зависимости, вставляете дополнительный член и определяете его, даже не зная, что это. А потом за этим может оказаться новая частица физики элементарных частиц. Я бы сказал так, что не измеришь — не узнаешь. Но в рамках теории наблюдений или того, что я рассказываю, не увидишь — не узнаешь.