Глоссарий

LIGO (лазерная обсерватория – интерферометр гравитационных волн)

Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, расположенная в штатах Вашингтон и Луизиана. Является крупнейшим в мире детектором гравитационных волн, который начал работать в 2003 году.

LISA (космическая лазерная антенна-интерферометр)

Космическая антенна, использующая принцип лазерного интерферометра, – это серия из трех космических аппаратов, исследующих с помощью лазерных пучков гравитационные волны. Возможно, благодаря ей удастся подтвердить или опровергнуть инфляционную теорию и даже теорию струн.

MACHO (массивные объекты гало галактик)

Темные звезды, планеты, астероиды и т. д., не обнаруживаемые с помощью оптических телескопов и могущие составлять часть темной материи. Последние исследования показывают, что основную массу темной материи составляет небарионное темное вещество, а не MACHO.

WIMP

Слабо взаимодействующая массивная частица. Предполагается, что такие частицы составляют большую часть темной материи во Вселенной. Среди основных кандидатов на роль WIMP – суперпартнеры, предсказанные теорией струн.

Антивещество

Противоположность материи. Существование антиматерии первым предсказал Поль Дирак. Она имеет противоположный обычному веществу заряд, так что антипротоны заряжены отрицательно, а антиэлектроны (позитроны) – положительно. При взаимодействии вещества и антивещества происходит аннигиляция. На настоящий момент наиболее сложным антивеществом, произведенным в лаборатории, является антиводород.

Антигравитация

Противоположна гравитации и является силой не притяжения, а отталкивания. Сегодня мы понимаем, что, вероятно, именно сила антигравитации заставила Вселенную расширяться в начале времен и заставляет ее ускоряться сегодня. Тем не менее эта сила слишком мала, чтобы измерить ее в лабораторных условиях, и потому не имеет никаких практических последствий. Антигравитация сгенерирована отрицательной материей (которая никогда не наблюдалась в природе).

Антропный принцип

Принцип, согласно которому фундаментальные физические константы настроены таким образом, чтобы возможно было существование жизни и разума. Сильный антропный принцип предполагает, что для соответствующей настройки фундаментальных констант необходимы были некие осмысленные действия. Слабый антропный принцип просто утверждает, что фундаментальные константы должны были быть определенным образом настроены, чтобы возможно было возникновение высокоорганизованных разумных существ (иначе нас здесь не было бы), но оставляет открытым вопрос о том, что или кто производил эти настройки. Экспериментальным путем мы обнаруживаем, что константы природы, действительно, должны были быть точно настроены для существования жизни и сознания. Некоторые считают это признаком существования мирового творца. Другие считают, что это признак Мультивселенной.

Барион

Элементарная частица, такая как протон или нейтрон, которая участвует в сильном взаимодействии. Барионная материя, как мы теперь понимаем, составляет лишь малую часть материи во Вселенной и затмевается темной материей.

Белый карлик

Звезда на завершающем этапе жизни, состоящая из тяжелых элементов, таких как кислород, литий, углерод и др. Возникает после того, как красный гигант исчерпает гелиевое топливо и коллапсирует. Как правило, белые карлики бывают размером с Землю и весят не более 1,4 солнечной массы (иначе они коллапсируют).

Бозон

Субатомная частица с целым значением спина: например, фотон или гипотетический гравитон. Бозоны связываются с фермионами посредством суперсимметрии.

Большое охлаждение

Конец Вселенной, когда ее температура приблизится к абсолютному нулю. Большое охлаждение явится, вероятно, окончательным состоянием нашей Вселенной, после того как сумма ? и ? достигнет 1,0. Материи и энергии будет недостаточно, чтобы повернуть вспять первоначальное расширение Вселенной, так что она будет расширяться вечно.

Большое сжатие

Окончательный распад Вселенной. Если средняя плотность материи будет превосходить критическую (? > 1), то первоначальное расширение сменится сжатием. Температура в момент Большого сжатия поднимется до бесконечности.

Большой адронный коллайдер

Ускоритель частиц для создания энергетических пучков протонов, находящийся в Женеве.

Большой взрыв

Первоначальный взрыв, который создал Вселенную, послав галактики разлетаться во всех направлениях. Это образное выражение, так как никаких галактик тогда еще не было, но расширение пространства началось именно тогда, и современные галактики, образовавшиеся уже в поздней Вселенной, разлетаются друг от друга именно из-за этого расширения. После создания Вселенной температура и плотность материи были очень высоки. Согласно данным космического аппарата WMAP, Большой взрыв произошел 13,7 млрд лет назад. Космическое микроволновое фоновое излучение рассматривается сегодня как остаточное явление Большого взрыва.

Брана

Сокращенное обозначение мембраны. Они могут существовать в любом измерении до 11. Лежат в основе теории струн (М-теории), претендующей на то, чтобы быть теорией всего. Если мы возьмем поперечное сечение 11-мерной мембраны, то получим десять одномерных струн. Соответственно струна – это 1-брана.

Вакуум

Пустое пространство. Но, согласно квантовой теории, пустое пространство кишит виртуальными субатомными частицами, которые существуют лишь доли секунды. Вакуум также используется для описания низшего энергетического состояния системы. Считается, что Вселенная проделала путь из состояния ложного вакуума к нынешнему истинному вакууму. По современным представляениям наш вакуум скорее всего именно ложный, но переход из него в истинный если и произойдет, то очень не скоро даже по космологическим масштабам.

Виртуальные частицы

Частицы, которые стремительно возникают и исчезают в вакууме. При этом они нарушают законы сохранения, но только в течение короткого периода времени, что допустимо согласно принципу неопределенности. В среднем законы сохранения в вакууме действуют. Иногда виртуальные частицы могут становиться реальными, если сообщить вакууму достаточно энергии. В микроскопическом масштабе эти виртуальные частицы могут быть червоточинами и молодыми вселенными.

Волновая функция

Математическое описание волны вероятности, сопровождающей любую частицу. Первым уравнения для волновой функции электрона записал Шрёдингер. В квантовой теории материя состоит из точечных частиц, но вероятность нахождения частицы определяется волновой функцией.

Вселенная де Ситтера

Космологическая модель уравнений Эйнштейна, расширяющаяся в геометрической прогрессии. Главный член уравнения является космологической постоянной, которая создает это экспоненциальное расширение. Считается, что Вселенная находилась в фазе де Ситтера во время инфляции и что она медленно возвращается к фаза де Ситтера в течение последних семи миллиардов лет, создавая ускоряющуюся Вселенную.

Вселенная Фридмана

Наиболее общее космологическое решение уравнений Эйнштейна, основанное на единстве, изотропности и однородности Вселенной. Это динамическое решение, в котором Вселенная может расширяться до Большого охлаждения, сжиматься до коллапса или расширяться бесконечно в зависимости от значений ? и ?.

Галактика

Огромное скопление звезд. Есть мелкие и крупные галактики с числом звезд от десятков тысяч до триллионов. Они бывают нескольких разновидностей, в том числе эллиптические, спиральные (обычные и с перемычкой) и неправильные. Наша Галактика называется Млечный Путь.

Гиперпространство

Пространство более чем с четырьмя измерениями. Теория струн (М-теория) прогнозирует наличие 10 (11) гиперпространственных размерностей. Но экспериментальных данных, указывающих на существование этих высших измерений, в настоящее время нет, ведь они слишком малы, чтобы можно было обнаружить их.

Голубое смещение

Увеличение частоты спектра свечения звезд из-за эффекта Доплера. Если желтая звезда приближается к вам, ее свет будет выглядеть слегка голубоватым. Голубое смещение также может произойти в результате уменьшения расстояния между двумя точками из-за гравитации или искривления пространства.

Горизонт

Самая дальняя точка, которую можно увидеть. Вокруг черной дыры существует магическая сфера – радиус Шварцшильда, которая является точкой невозврата.

Горизонт событий

Граница невозврата, окружающая черную дыру, обычно называемая горизонтом. Прежде считалось, что он представляет собой сингулярность с бесконечной гравитацией, но затем было доказано, что его можно представить как искривление пространственно-временных координат.

Гравитационные волны

Волновые изменения гравитационного поля, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна. Эти волны были косвенно измерены в ходе наблюдения за старением пульсаров, вращающихся друг вокруг друга.

Гравитационные линзы и кольца Эйнштейна

Преломление звездного света, возникающее из-за воздействия гравитации, когда он проходит через межгалактическое пространство. Далекие скопления галактик часто имеют кольцеобразный вид. Линзы Эйнштейна можно использовать для вычисления многих ключевых параметров, в том числе наличия темной материи и даже значений ? и постоянной Хаббла.

Гравитон

Гипотетическая субатомная частица, квант гравитационного поля. Гравитон имеет спин 2. Он слишком мал, чтобы получить экспериментальное подтверждение.

Давление вырожденного газа электронов

В умирающей звезде это сила, которая удерживает электроны или нейтроны от полного сжатия. Сила гравитации может преодолеть эту силу, если масса белого карлика превышает 1,4 массы солнца. Эта сила обусловлена принципом Паули, согласно которому два электрона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Если сила гравитации достаточно велика, чтобы преодолеть эту силу, то белый карлик коллапсирует, а затем взрывается.

Дедушкин парадокс

В историях о путешествиях во времени это парадокс, который возникает при изменении прошлого, делая невозможным настоящее. Если вы отправитесь в прошлое и убьете своих родителей до вашего рождения, то само ваше существование окажется невозможно. Этот парадокс может быть решен либо утверждением принципа самосогласованности, так что вы можете перенестись в прошлое, но не можете изменить его произвольным образом либо наличием параллельных вселенных.

Дейтерий

Тяжелый водород, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Дейтерий, присутствующий в космическом пространстве, образовался в основном в результате Большого взрыва, а не в результате процессов, идущих внутри звезд, и его относительное изобилие позволяет рассчитать параметры условий Большого взрыва. Кроме того, изобилие дейтерия может служить аргументом при опровержении теории стационарной Вселенной.

Декогеренция

При декогеренции волны не находятся в фазе друг с другом. Декогеренция может объяснить парадокс кота Шрёдингера. Согласно теории множественности миров, волновые функции мертвого кота и живого кота декогерировали и больше не взаимодействуют между собой, и таким образом решается проблема, как кот может быть одновременно и мертв, и жив.

Детектор гравитационных волн

Новое поколение устройств, которые регистрируют крошечные возмущения, возникающие из-за гравитационных волн, с помощью лазерных лучей. Гравитационно-волновые детекторы, такие как LIGO, могут в ближайшее время обнаружить их. Также гравитационно-волновые детекторы могут быть использованы для анализа излучения, которое испускалось в течение одной триллионной доли секунды после Большого взрыва.

Детерминизм

Философское учение, согласно которому все предопределено, в том числе и будущее. Согласно ньютоновской механике, если мы знаем скорость и положение всех частиц во Вселенной, то можем, в принципе, просчитать эволюцию всей Вселенной. Принцип неопределенности, однако, продемонстрировал ошибочность положений детерминизма.

Длина Планка

10–33 см. Эта единица длины возникла в момент Большого взрыва, когда силы гравитации были сопоставимы по величине с другими фундаментальными взаимодействиями. При таком радиусе пространство-время становится пенистым, с крошечными пузырьками и порталами-червоточинами, которые появляются и исчезают в вакууме.

Единая теория поля

Теория, которую стремился разработать Эйнштейн. Она позволит объединить все взаимодействия во Вселенной в одной теории всего. Главным кандидатом на роль единой теории поля является на сегодняшний день М-теория.

Закон Хаббла

Чем дальше Галактика от земли, тем быстрее она движется. Был сформулирован Эдвином Хабблом в 1929 году. Это наблюдение согласуется с теорией Эйнштейна о расширяющейся Вселенной.

Законы сохранения

Законы, которые гласят, что некоторые физические величины не изменяются с течением времени. Например, законы сохранения материи и энергии утверждают, что общее количество материи и энергии во Вселенной является постоянным. Также сохраняются импульс и момент импульса.

Замыкающиеся временные петли

Это пути, которые, по теории Эйнштейна, идут назад во времени. Они не признаются в специальной теории относительности, но допускаются в общей теории относительности, если имеется достаточно большая концентрация положительной или отрицательной энергии.

Зона обитаемости

Узкий набор параметров, при которых возможно возникновение разумной жизни. Отвечающие этим параметрам планеты и галактики «подходят» для образования химических веществ, необходимых для существования жизни. Параметры зон обитаемости рассчитаны для физических констант Вселенной, а также для планет.

Излучение абсолютно черного тела

Излучение от нагретого объекта, находящегося в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Если мы возьмем полый внутри объект (черное тело), разогреем его, подождем, пока он достигнет термодинамического равновесия, просверлим в нем маленькое отверстие, а потом будем наблюдать излучение через отверстие, то это излучение через отверстие и будет излучением черного тела. Солнце, раскаленная кочерга, раскаленная магма и т. д. – все производят излучение черного тела. Излучение имеет определенную зависимость от частоты, что легко измеряется с помощью спектрометра.

Излучение Хокинга

Процесс медленного излучения частиц из черной дыры. Происходит в виде излучения абсолютно черного тела при определенной температуре и связано с тем, что квантовые частицы могут проникать в гравитационное поле, окружающее черную дыру.

Измерение

Координаты или параметры, по которым мы измеряем пространство и время. Наша Вселенная имеет три измерения пространства (длину, ширину и глубину) и одно измерение времени. Согласно теории струн и M-теории, во Вселенной существует 10 (11) измерений, и только четыре из них можно наблюдать в лаборатории. Причина, по которой мы не видим эти иные измерения, или в том, что они скручены, или в том, что наши ощущения сосредоточены на поверхности мембраны.

Изотоп

Химическое вещество, которое имеет одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Изотопы имеют одинаковые химические свойства, но разные массовые числа.

Интерференция

Наложение друг на друга двух волн, которые немного отличаются по фазе или частоте, создающее характерную интерференционную картину. Анализируя ее, можно обнаружить мельчайшие различия между этими двумя волнами.

Интерферометрия

Процесс использования интерференции световых волн, позволяющий установить очень небольшие различия в волнах от двух разных источников. Интерферометрия может быть использована для того, чтобы зарегистрировать присутствие гравитационных волн и других объектов, которые иначе слишком трудны для обнаружения.

Инфляция

Теория, которая утверждает, что Вселенная претерпела невероятное сверхсветовое расширение в момент своего рождения. Инфляционная модель может решить проблемы плоскостности, магнитных монополей и горизонта.

Инфракрасное излучение

Тепловое излучение, или электромагнитное излучение на частоте чуть ниже видимого света.

Испарение черной дыры

Излучение, которое исходит из черной дыры. Есть очень маленькая, но просчитываемая вероятность того, что из черной дыры просачивается излучение частиц, которое называют испарением. При этом черная дыра постепенно теряет свою энергию и в конце концов должна прекратить существование.

Квазар

Квазизвездный объект. Это огромные галактики, которые образовались незадолго до Большого взрыва. В центре у них находятся огромные черные дыры. Тот факт, что сегодня мы не видим квазары, послужил для опровержения теории стационарной Вселенной, которая утверждала, что современная Вселенная подобна Вселенной миллиарды лет назад.

Квантовая гравитация

Разновидность гравитационного взаимодействия, которая подчиняется законам квантовой механики. При квантовании теории гравитации мы описываем ее с помощью гипотетической частицы, которая называется гравитон.

В целом при попытке построить квантовую теорию гравитации возникают фатальные бесконечности, которые делают теорию бесполезной. В настоящее время единственным кандидатом на то, чтобы ликвидировать эти бесконечности, является теория струн.

Квантовая механика

Полная квантовая теория, предложенная в 1925 году, которая пришла на смену старой квантовой теории Планка и Эйнштейна. В отличие от старой квантовой теории, которая была гибридом старых классических концепций и новых квантовых идей, квантовая механика основывается на волновых уравнениях и принципе неопределенности, и ее положения значительно отличаются от положений классической механики. Результаты, полученные с помощью квантовой механики, подтверждаются экспериментально. Ее наиболее продвинутая версия сегодня называется квантовой теорией поля и сочетает в себе теорию относительности и квантовую механику. Полная квантово-механическая теория гравитации, однако, чрезвычайно сложна.

Квантовая пена

Мелкие, похожие на пену искривления пространства-времени на уровне длины Планка. Если бы мы могли заглянуть в основу ткани пространства-времени длины Планка, то увидели бы крошечные пузырьки, червоточины, выглядящие, как пена.

Квантовая теория

Теория субатомной физики. Это одна из самых успешных теорий всех времен. Квантовая теория плюс теория относительности вместе составляют совокупность всех фундаментальных физических знаний. Говоря обобщенно, квантовая теория базируется на трех принципах: (а) вся энергия существует в неделимых порциях, называемых квантами; (б) вещество представлено точечными частицами, но вероятность обнаружения такой частицы определяется волной, которая подчиняется уравнению Шрёдингера; (в) необходимо наблюдение, чтобы волновая функция коллапсировала и объект вошел в определенное конечное состояние.

Квантовая флуктуация

Случайные отклонения от классической теории Ньютона или Эйнштейна из-за принципа неопределенности. Сама Вселенная, возможно, началась как квантовая флуктуация из ничего (гиперпространства). Квантовые флуктуации в момент Большого взрыва дали нам сегодняшние скопления галактик.

Квантовый скачок

Внезапное изменение состояния объекта, что не допускается в классической физике. Вселенная могла совершить квантовый скачок из ничего к ее нынешнему состоянию.

Кварк

Субатомная частица, из которой состоят протон и нейтрон. Три кварка составляют протон или нейтрон, а пары кварк и антикварк составляют мезоны.

Керровская черная дыра

Решение уравнений Эйнштейна для вращающейся черной дыры. Черная дыра коллапсирует в кольцевую сингулярность. Объекты, попадающие в кольцо, испытывают только конечную силу гравитации и могут, в принципе, провалиться в параллельную вселенную. Для керровской черной дыры существует бесконечное число этих параллельных вселенных, но, попав в одну из них, вернуться уже нельзя. Насколько стабилен портал-червоточина в центре керровской черной дыры, пока не известно.

Классическая физика

Физика до появления квантовой теории, основанная на детерминистской теории Ньютона. Теория относительности не включает принцип неопределенности, а потому является частью классической физики.

Когерентное излучение

Излучение в одной фазе. Когерентные излучения, например в лазерном пучке, могут пересекаться друг с другом, образуя интерференционные узоры, с помощью которых можно обнаружить небольшие отклонения в движении или положении.

Компактификация

Процесс сворачивания дополнительных измерений пространства и времени. Поскольку теория струн формулируется в 10-мерном гиперпространстве, а мы живем в четырехмерном мире, нам нужно как-то свернуть шесть из 10 измерений в шарик столь малого размера, что в них не могут проникнуть даже атомы.

Копенгагенская школа

Школа, основанная Нильсом Бором. Согласно его толкованию квантовой механики, для того чтобы «волновая функция коллапсировала» и возможно было доподлинно определить состояние объекта, необходим акт наблюдения. До наблюдения объект существует во всех возможных состояниях, даже абсурдных. Эта интерпретация была оспорена, потому что она отделяет квантовый мир от повседневного макроскопического мира, в то время как многие физики сейчас считают, что макроскопический мир должен также подчиняться квантовой теории.

Космическая рентгеновская обсерватория «Чандра»

Рентгеновский телескоп, находящийся в космическом пространстве, способный различать рентгеновские излучения: например, испускаемые черной дырой или нейтронной звездой.

Космические струны

Остаточные явления Большого взрыва. Согласно некоторым калибровочным теориям, остаточные явления Большого взрыва, возможно, до сих пор сохранились в виде гигантских космических струн размером с галактику или больше. Столкновение двух космических струн может привести к некой форме путешествия во времени.

Космический аппарат для изучения реликтового излучения (COBE)

Спутник, который дал, пожалуй, самое неоспоримое подтверждение теории Большого взрыва путем измерения излучения абсолютно черного тела от первоначального огненного шара.

Красное смещение

Сдвиг или снижение частоты света от далеких галактик за счет эффекта Доплера, указывающий на то, что они удаляются от нас. Красное смещение также может происходить из-за расширения вакуума, как в расширяющейся Вселенной.

Красный гигант

Красный гигант – это звезда с горением гелия. После того как звезда, подобная нашему Солнцу, исчерпывает свое водородное топливо, она начинает расширяться и образует горящий гелием красный гигант. Это означает, что, когда через 5 млрд лет после сегодняшнего дня Солнце станет красным гигантом, Земля погибнет в огне.

Критическая плотность

Плотность Вселенной, при которой она удерживается в равновесии между бесконечным расширением и сжатием. При критической плотности, когда ? = 1 (где ? = 0), Вселенная находится между двумя альтернативными сценариями будущего: Большим охлаждением и Большим сжатием. На сегодняшний день самые точные данные, полученные спутником WMAP, показали: ? + ? = 1, что соответствует гипотетическим предсказаниям теории инфляции.

Лазер

Устройство для создания когерентного светового излучения. Слово «лазер» (от англ. laser) является акронимом выражения Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation (усиление света посредством вынужденного излучения). Единственным ограничителем энергии, содержащейся в лазерном луче, является стабильность активного материала лазера.

Лептон

Слабо взаимодействующие частицы, такие как электрон, нейтрино и следующее поколение – мюон.

Ложный вакуум

Состояние вакуума не с наименьшей энергией. Состояние ложного вакуума может быть состоянием абсолютной симметрии, возможно, достигнутым в момент Большого взрыва, поэтому эта симметрия разрушается, когда мы погружаемся в состояние с более низким значением энергии.

Лямбда (?)

Космологическая постоянная, которая измеряет количество темной энергии во Вселенной. В настоящее время данные показывают, что ? + ? = 1, что соответствует прогнозу инфляции для плоской Вселенной. Прежде считалось, что ? равна нулю, в наши дни об этой постоянной известно, что ее величина определит окончательную судьбу Вселенной.

Мембрана

Протяженный объект с любым числом измерений: 0-брана является материальной точкой, 1-брана – это струна, 2-брана – мембрана. Мембраны – один из основных элементов М-теории. Струны можно рассматривать как мембраны с одним компактифицированным измерением.

Микроволновое реликтовое излучение

Остаточное излучение от Большого взрыва; имеет температуру около 2,7 К.

Многообразие Калаби – Яу

Шестимерное пространство, получающееся, когда мы берем 10-мерную теорию струн и сворачиваем, или компактифицируем, шесть измерений в маленький шарик, оставляя четырехмерное суперсимметричное пространство. Пространства Калаби – Яу являются многосвязными, т. е. имеют отверстия, по которым можно определить число поколений кварков, которые существуют в нашем четырехмерном пространстве.

Многосвязное пространство

Пространство, в котором лассо или петля не могут быть стянуты до точки. Например, так невозможно стянуть петлю, которая обвивает бублик через дырку: раз его нельзя стянуть в точку, значит, бублик многосвязен. Примером многосвязных пространств являются также порталы-червоточины, поскольку лассо не может быть затянуто вокруг их «горлышка».

Монополь

Один полюс магнетизма. Обычно магниты имеют неразрывную пару северного и южного полюсов, поэтому монополь никогда не наблюдался в лабораторных условиях. Монополи должны были быть созданы в огромных количествах в момент Большого взрыва, но сегодня их не существует, вероятно, потому, что они исчезли в процессе инфляции Вселенной.

Мост Эйнштейна – Розена

Портал-червоточина, образованная путем объединения двух решений для черной дыры. Первоначально решение должно было представлять собой субатомные частицы, такие как электрон, в единой теории поля Эйнштейна. С тех пор оно было использовано для описания пространства-времени вблизи центра черной дыры.

М-теория

Наиболее продвинутая версия теории струн. М-теория описывает 11-мерное гиперпространство, где могут существовать 2-браны и 5-браны. Есть пять способов, в которых М-теория может быть сокращена до 10 размерностей, и таким образом получаются пять суперструнных теорий, которые оказались различными предельными случаями той же теории. Полных уравнений М-теории не существует.

Мультивселенная

Множество вселенных. Прежде считавшаяся слишком умозрительной, сегодня концепция Мультивселенной играет большую роль в понимании ранних этапов развития Вселенной. Существует несколько форм Мультивселенной, и все они тесно связаны. Любая квантовая теория имеет Мультивселенную квантовых состояний. Применительно к Вселенной это означает, что должно существовать бесконечное количество параллельных вселенных, декогерированных друг от друга. В теории инфляции Мультивселенная объясняет, как был запущен и затем остановлен процесс инфляции. В теории струн эта идея используется из-за большого количества возможных решений, которое она дает. В М-теории эти вселенные могут сталкиваться друг с другом. С философской точки зрения Мультивселенная объясняет антропный принцип.

Мюон

Субатомная частица. Идентична электрону, но имеет гораздо большую массу. Принадлежит ко второму поколению частиц в стандартной модели физики элементарных частиц.

Нарушение симметрии

Нарушение симметрии было обнаружено в квантовой теории. Считается, что до Большого взрыва Вселенная пребывала в абсолютной симметрии. С тех пор Вселенная остыла и состарилась, и, следовательно, четыре фундаментальных взаимодействия и их симметрии нарушились.

Нейтрино

Призрачная, почти не имеющая массы субатомная частица. Нейтрино очень слабо взаимодействует с другими частицами и может проникать в свинец на несколько световых лет, никак не влияя на вещество. Излучаются в больших количествах сверхновыми. Количество нейтрино настолько велико, что они нагревают газ вокруг коллапсирующей звезды, отчего происходит взрыв сверхновой.

Нейтрон

Нейтральная субатомная частица, которая наряду с протоном образует ядра атомов.

Нейтронная звезда

Коллапсировавшая звезда, состоящая из сплошной массы нейтронов, обычно около 16–25 км в радиусе. Вращаясь, она излучает энергию, образуя пульсар. Это остаток сверхновой. Если нейтронная звезда достаточно велика и имеет массу около трех солнечных масс, она может сжаться в черную дыру.

Нуклеосинтез

Образование ядер химических элементов тяжелее водорода, начавшееся в процессе Большого взрыва. Таким образом может быть получена относительная распространенность всех элементов, встречающихся в природе. Это одно из трех «доказательств» Большого взрыва. Ядра элементов тяжелее водорода синтезируются также в недрах звезд. Элементы тяжелее железа синтезируются при взрывах сверхновых.

Общая теория относительности

Теория гравитации Эйнштейна. В ней гравитация рассматривается не как сила, а как побочный результат геометрии: кривизна пространства-времени создает иллюзию, будто существует сила притяжения, называемая гравитацией. Теория была проверена экспериментально с точностью выше 99 % и предсказала существование черных дыр и расширяющейся Вселенной.

Односвязное пространство

Пространство, в котором любая петля может быть стянута в точку. Плоское пространство односвязно, а поверхность бублика или портала-червоточины – нет.

Омега (?)

Параметр, который измеряет среднюю плотность материи во Вселенной. Если ? = 0, а ? < 1, то Вселенная будет расширяться вечно до Большого охлаждения. Если ? > 1, то материи достаточно, чтобы обратить расширение вспять и прийти к Большому сжатию. Если ? = 1, то Вселенная – плоская и будет продолжать расширяться вечно.

Отрицательная энергия

Энергия ниже нуля. Вещество обладает положительной энергией, гравитация имеет отрицательную энергию, и обе могут взаимно уничтожаться во многих космологических моделях. Квантовая теория допускает различные виды отрицательной энергии, возникающие из-за эффекта Казимира и иных эффектов, и их можно использовать для стабилизации портала-червоточины. Отрицательная энергия присутствует при создании и стабилизации червоточин.

Парадокс кота Шрёдингера

Парадокс, который спрашивает, может ли кот быть мертв и жив одновременно. Согласно квантовой теории, кот в ящике может быть мертв и жив одновременно, по крайней мере пока мы ведем наблюдение, что звучит абсурдно. Но, согласно квантовой механике, пока производится наблюдение, мы должны учитывать волновые функции кота во всех возможных состояниях (мертв, жив, бегает, спит, ест и т. д.). Существует два основных способа решить парадокс: предположить, что сознание определяет бытие либо что существует бесконечное количество параллельных миров.

Парадокс Ольберса

Этот парадокс формулируется так: почему ночное небо черное? Если Вселенная бесконечна и однородна, то мы должны видеть свет от бесчисленных звезд, а значит, и небо должно быть белым, чего мы не наблюдаем. Этот парадокс объясняется Большим взрывом и конечностью жизни звезд. Большой взрыв установил предел расстояния света звезд, достигающего наших глаз из глубин космоса.

Переменные цефеиды

Звезды, которые изменяют свою яркость с определенной периодичностью и, соответственно, служат стандартными свечами для измерения расстояний в астрономии. Именно переменные цефеиды помогли Эдвину Хабблу вычислить расстояния до галактик.

Поле Хиггса

Поле, которое нарушает симметрию в теории великого объединения, когда происходит преобразование ложного вакуума в абсолютный. Хиггсовские поля являются источником сообщения массы частицам в теории великого объединения, а также могут обуславливать инфляцию. Физики рассчитывают, что Большой адронный коллайдер позволит, наконец, изучить поле Хиггса.

Постоянная Хаббла

Коэффициент пропорциональности скорости красного смещения галактик их расстоянию. Постоянная Хаббла измеряет скорость расширения Вселенной, а величина, обратная постоянной Хаббла, приблизительно соотносится с возрастом Вселенной. Чем меньше постоянная Хаббла, тем старше Вселенная. Спутник WMAP дал для постоянной Хаббла значение 71 км/с на каждый миллион парсек, или 21,8 км/с на миллион световых лет, положив таким образом конец спорам, длившимся не одно десятилетие.

Предел Чандрасекара

1,4 солнечной массы. Если масса белого карлика превышает этот предел, его гравитация становится настолько огромна, что преодолевает силу Ферми и звезда взрывается, образуя сверхновую.

Принцип неопределенности

Принцип, согласно которому нельзя одновременно точно измерить местоположение и скорость частицы. Неопределенность положения частицы, умноженная на неопределенность ее импульса, должна быть больше или равна постоянной Планка, деленной на 2. Принцип неопределенности, являясь наиболее важным компонентом квантовой теории, привносит вероятность во Вселенную.

Проблема горизонта

Загадка, почему Вселенная настолько однородна, независимо от того, откуда мы смотрим. Даже края ночного неба на противоположных сторонах горизонта однородны, что странно, потому что они не могли быть в тепловом контакте в начале времени (так как свет имеет конечную скорость). Это может быть объяснено тем, что Большой взрыв раздул крошечный пузырь, положивший начало нашей Вселенной, до ее нынешнего состояния.

Проблема иерархии

Нежелательное пересечение физики малых энергий и физики планковской энергии в теории великого объединения, делающее их бесполезными. Проблема иерархии может быть решена добавлением суперсимметрии.

Проблема плоскостности Вселенной

Тонкая настройка, необходимая для объяснения плоскостности Вселенной. Для того чтобы ? была приблизительно равна единице, она должна была быть тонко настроена в момент Большого взрыва. Современные эксперименты показывают, что Вселенная является плоской, а значит, она или подверглась тонкой настройке при Большом взрыве, или, возможно, наполнилась газом, который сделал ее плоской.

Протон

Положительно заряженная субатомная частица, которая, наряду с нейтронами, составляет ядра атомов. Протоны стабильны, но теория великого объединения прогнозирует, что они могут распадаться в течение длительного периода времени.

Пульсар

Вращающаяся нейтронная звезда. Испуская радиоизлучение, пульсар напоминает вращающийся маяк, создавая видимость мерцания звезды.

Радиус Шварцшильда

Радиус горизонта событий, или граница невозврата, для черной дыры. Для Солнца радиус Шварцшильда составляет примерно 2 мили (3,2 км). Когда звезда сжимается в пределах ее горизонта событий, она коллапсирует в черную дыру.

Реликтовое излучение

Остаточное излучение, отголосок Большого взрыва, которое все еще циркулирует по Вселенной. Впервые было предсказано теоретически в 1948 году Георгием Гамовым и его группой. Температура реликтового излучения составляет 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Его открытие в 1960-x годах дало самое убедительное «подтверждение» теории Большого взрыва.

Сверхновая

Взрывающаяся звезда. Сверхновые выделяют столько энергии, что иногда могут затмить галактику. Существует несколько типов сверхновых, и самые интересные из них – сверхновые типа Iа, потому что все они очень похожи и могут быть использованы как стандартные свечи для измерения галактических расстояний. Сверхновые типа Iа возникают, когда стареющий белый карлик притягивает материю своего компаньона и превышает массой предел Чандрасекара, в результате коллапсирует и затем взрывается.

Сверхновая типа Ia

Сверхновая, которая часто используется как стандартная свеча для измерения расстояний. Образуется в двойной звездной системе, где белый карлик медленно «высасывает» материю из звезды-компаньона. В результате он выходит за предел Чандрасекара в 1,4 солнечной массы и взрывается.

Световой год

Расстояние, проходимое светом за один год, составляет примерно 9,46 трлн км. Ближайшая от нас звезда находится на расстоянии около четырех световых лет, а галактика Млечный Путь составляет около 100 000 световых лет в ширину.

Сильное ядерное взаимодействие

Сила, которая связывает вместе ядра. Это одно из четырех фундаментальных взаимодействий. Физики используют для описания сильных взаимодействий (на основе кварков с симметрией SU (3)) квантовую хромодинамику.

Симметрия

Преобразование объекта, которое оставляет его инвариантным. Снежинки инвариантны по отношению к вращению на 60°. Круги инвариантны относительно поворота на любой угол. Кварковая модель инвариантна относительно преобразования трех кварков, давая симметрию SU (3).

Сингулярность

Состояние бесконечной гравитации. Предполагается, что сингулярности возникают в центре черных дыр, а также что таково было состояние нашей Вселенной в момент создания. Считается, что существование сингулярностей бросило вызов общей теории относительности и вызвало появление квантовой теории гравитации.

Синтез

Процесс объединения протонов или других легких ядер, так что они образуют более тяжелое ядро, часто высвобождая в процессе энергию. Синтез ядер гелия из ядер водорода – источник энергии излучения звезд главной последовательности, таких как наше солнце. Синтез легких элементов при Большом взрыве привел к относительному изобилию легких элементов, таких как гелий.

Слабое ядерное взаимодействие

Взаимодействие внутри ядра, которое делает возможным ядерный распад. Недостаточно сильное, чтобы удержать ядро, и, следовательно, оно распадается. Слабое взаимодействие действует на лептоны (электроны и нейтрино) и переносится W– и Z-бозонами.

Спектр

Разные цвета или частоты, обнаруживаемые в белом свете. Анализируя спектр звездного света, можно определить, что звезды состоят в основном из водорода и гелия.

Специальная теория относительности

Теория Эйнштейна 1905 года, основанная на постоянстве скорости света. Ее положения таковы: время замедляется, масса увеличивается, и расстояния сокращаются быстрее, чем вы двигаетесь. Кроме того, материя и энергия связаны через E = mc?. Одно из последствий разработки специальной теории относительности – создание атомной бомбы.

Стандартная модель

Самая успешная квантовая теория, описывающая слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия. Она основана на симметрии SU (3) кварков, симметрии SU (2) электронов и нейтрино и симметрии U (1) света. Стандартная модель не может быть теорией всего, потому что: (a) она не учитывает гравитацию; (б) в ней есть 18 неизвестных параметров, которые должны быть рассчитаны «вручную»; (в) она имеет три схожих поколения кварков и лептонов.

Стандартная свеча

Источник света с одинаковой светимостью во всей Вселенной, что позволяет ученым вычислять астрономические расстояния. Чем слабее свет стандартной свечи, тем больше расстояние до нее. Зная ее светимость, мы можем рассчитать расстояние. В качестве стандартных свеч сегодня используются сверхновые типа Iа и переменные звезды цефеиды.

Степень 10

Сокращенное обозначение, используемое учеными для записи очень больших или очень малых чисел. Так, 10n означает 1, за которой следуют n нулей. Таким образом, 1000 выглядит как 103. А 10–n означает обратное 10n, т. е. 0,000… 001, где есть n – 1 нулей. Соответственно, одна тысячная выглядит как 10–3, или 0,001.

Суперсимметрия

Симметрия, связывающая фермионы и бозоны. Эта симметрия решает проблему иерархии, а также помогает устранить все оставшиеся разногласия в теории суперструн. Эта симметрия означает, что все частицы в Стандартной модели должны иметь партнеров, называемых суперпартнерами, которые до сих пор не были получены экспериментально.

Темная материя

Невидимая материя, которая имеет вес, но не взаимодействует со светом. Темная материя, как правило, находится в гало галактик и весит в 10 раз больше, чем вся обычная материя. Темная материя может быть косвенно измерена, потому что она искривляет свет звезд из-за гравитационного эффекта, подобно тому, как стекло преломляет свет.

Темная энергия

Энергия вакуума. Впервые была предсказана Эйнштейном в 1917 году, затем теория ее существования была отброшена. Сейчас эта энергия пустого пространства признана доминирующей формой материи/энергии во Вселенной. Ее происхождение неизвестно, но она может в конечном итоге привести Вселенную к Большому охлаждению. Количество темной энергии пропорционально объему Вселенной.

Теория великого объединения

Теория, которая описывает единым образом сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия (без гравитации). Симметрия великого объединения (SU (5)) может перемешивать кварки и лептоны. Протоны, согласно этой теории, не стабильны и могут распадаться, образуя позитроны. Теория великого объединения по своему характеру нестабильна (если не добавлять к ней суперсимметрию). Также она не описывает гравитационное взаимодействие (добавление его в теорию великого объединения заставляет ее отклоняться от бесконечности.)

Теория возмущений

Метод, с помощью которого физики решают задачи квантовой теории путем суммирования бесконечного количества малых параметров. Почти вся работа в теории струн осуществляется с помощью струнной теории возмущений, но некоторые наиболее интересные проблемы лежат за пределами теории возмущений, такие как нарушение суперсимметрии. Таким образом, для теории струн нам нужны невозмущенные методы решения, которых в настоящее время в каком-либо систематизированном виде не существует.

Теория гетеротических струн

Наиболее объективная с точки зрения физики теория струн. Ее группа симметрии Е (8) ? Е (8) достаточно велика, чтобы включать симметрию стандартной модели. Через М-теорию можно доказать, что теория гетеротических струн тесно связана с другими четырьмя вариантами теории струн.

Теория Калуцы – Клейна

Теория Эйнштейна, сформулированная для пяти измерений. Если же свести ее к четырем измерениям, то она представляет собой теорию Эйнштейна в сочетании с электромагнитной теорией света Максвелла. Таким образом, это была первая нетривиальная модель, позволяющая объединить гравитацию и электромагнетизм. Сегодня теория Калуцы – Клейна применена в теории струн.

Теория множественности миров

Квантовая теория, которая гласит, что все возможные квантовые вселенные могут существовать одновременно. Это решает проблему кота Шрёдингера: в каждый квантовый момент Вселенная разделена, и, следовательно, кот живет в одной Вселенной, но умер в другой. В последнее время все больше физиков высказываются в поддержку теории множественности миров.

Теория относительности

Теории Эйнштейна: специальная и общая. Первая рассматривает свет и плоское четырехмерное пространство-время. Вторая описывает гравитацию и искривленное пространство. Сочетание теории относительности с квантовой теорией представляет собой совокупность всех физических знаний.

Теория стационарной Вселенной

Теория, согласно которой Вселенная не имеет начала, но постоянно создает новую материю по мере того, как расширяется, сохраняя ту же плотность. Эта теория была позже поставлена под сомнение по разным причинам: в частности, когда было обнаружено микроволновое фоновое излучение и когда выяснилось, что квазары и галактики находятся на разных эволюционных стадиях.

Теория струн

Теория, основанная на гипотезе о крохотных струнах, вибрирующих таким образом, что каждый режим колебания соответствует субатомной частице. Это единственная теория, которая может объединить гравитацию с квантовой теорией, что делает ее основным кандидатом на то, чтобы стать теорией всего. На основе математических построений разработана для 10 измерений. Ее последняя версия называется М-теорией, и она описывает 11 измерений.

Термодинамика

Учение о теплоте. Есть три закона термодинамики: о сохранении общего количества материи и энергии, о постоянном возрастании общей энтропии и о том, что нельзя достичь абсолютного нуля.

Тонкая настройка

Настройка определенного параметра с невообразимой точностью. Физикам не нравится концепция тонкой настройки, они считают ее искусственной и надуманной и пытаются продвигать физические принципы, исключающие необходимость точной настройки. Например, плоскую Вселенную можно объяснить инфляцией, а не тонкими настройками, а проблема иерархии в теории великого объединения может быть решена также без концепции тонкой настройки с помощью суперсимметрии.

Туннелирование

Процесс, при котором частицы могут проникать через барьеры в условиях, противоречащих законам механики Ньютона. Туннелирование предсказано в квантовой теории. Оно является причиной радиоактивного альфа-распада, и сама Вселенная могла быть создана посредством туннелирования.

Уравнение Максвелла

Фундаментальные уравнения для света, впервые записанные Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х годах. Эти уравнения показывают, что электрические и магнитные поля могут превращаться друг в друга. Максвелл продемонстрировал, что они превращаются друг в друга в волнообразном движении, создавая электромагнитное поле, которое распространяется со скоростью света. На основе этого Максвелл сделал смелый вывод об электромагнитной природе света.

Ускоритель частиц

Разговорный термин для обозначения ускорителя заряженных частиц – устройства, используемого для создания пучков частиц субатомной энергии на скорости, близкой к скорости света. Крупнейший ускоритель частиц – Большой адронный коллайдер в Швейцарии близ Женевы.

Фермион

Субатомная частица с полуцелым значением спина: например, протон, электрон, нейтрон и кварк. Фермионы могут взаимодействовать с бозонами через суперсимметрию.

Фотон

Элементарная частица, квант света. Впервые был предложен Эйнштейном для объяснения фотоэффекта, т. е. того факта, что под действием света металл испускает электроны.

Хаотическое расширение

Вариант теории инфляции, предложенный Андреем Линде, согласно которому расширение происходит спонтанно. Это означает, что вселенные могут непрерывно и хаотично порождать другие вселенные, создавая Мультивселенную. Хаотическое расширение – это один из способов решить проблему прекращения инфляции, поскольку теперь у нас есть случайная генерация расширяющихся вселенных всех типов.

Цивилизации типа I, II и III

Классификация Николая Кардашёва, где цивилизации в космическом пространстве оцениваются по количеству энергии, которое они могут использовать для своих нужд. Три категории шкалы Кардашёва соответствуют цивилизациям, которые могут использовать все ресурсы своей планеты (I), звезды (II) и галактики (III). До сих пор доказательств существования какой-либо из них обнаружено не было. Наша собственная цивилизация, вероятно, соответствует типу 0,7.

Червоточины, или пространственно-временные туннели

Проходы между двумя вселенными. Математики называют эти места многосвязными пространствами, т. е. пространствами, в которых петля не может быть стянута в точку. Пока неясно, может ли кто-то пройти через червоточину и не погибнуть при этом.

Черная дыра

Объект, космическая скорость которого равна скорости света. Поскольку скорость света является предельной во Вселенной, это означает, что ничто из того, что пересекло горизонт событий, не может покинуть черную дыру. Черные дыры могут быть разных размеров. Галактические, скрывающиеся в центрах галактик и квазаров, могут весить от миллионов до миллиардов солнечных масс. Звездные черные дыры – то, что остается от погасших звезд – от 10 до 20 раз больше массы нашего солнца.

Экзотическое вещество

Новая форма материи с отрицательной энергией. Отличается от антиматерии, которая обладает положительным энергетическим зарядом. Отрицательная материя должна порождать антигравитацию и поэтому падать вверх, а не вниз. Если она существует, то может быть использована для создания машины времени. Однако до сих пор обнаружить ее не удалось.

Эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена (ЭПР)

Эксперимент, который был призван опровергнуть квантовую теорию, но на деле продемонстрировал нелокальность Вселенной. Если взрыв разносит два фотона в противоположных направлениях и если спин сохраняется, то спин одного фотона является противоположностью спина другого. Следовательно, измерив один спин, вы автоматически узнаете значение другого, хотя та частица может быть на другой стороне Вселенной. Соответственно, информация распространяется быстрее, чем свет. (Впрочем, никакой практической информации, например сообщение, таким образом не отправишь.)

Экстрасолнечная планета

Планета, вращающаяся вокруг другой, не нашей звезды. Уже было обнаружено больше сотни таких планет – их вычисляют около двух в месяц. Большинство из них, к сожалению, подобны Юпитеру и не благоприятны для возникновения жизни. В течение нескольких десятилетий в космическое пространство будут отправлены спутники, призванные найти экстрасолнечные планеты, подобные Земле.

Электромагнитная сила

Силы электричества и магнетизма. Взаимодействуя, они создают волны – ультрафиолетовое излучение, радио-, гамма-лучи и т. д., – которые подчиняются уравнениям Максвелла. Электромагнитная сила – это одна из четырех сил, управляющих Вселенной.

Электрон

Отрицательно заряженная субатомная частица, окружающая ядра атомов. Количество электронов, окружающих ядро, определяет химические свойства атома.

Электронвольт

Энергия, которую приобретает электрон, перемещаясь между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. Для сравнения: химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами в несколько электронвольт или менее, в то время при ядерных реакциях выделяется энергия в сотни миллионов электронвольт.

Энергия Планка

1019 млрд эВ. Это энергия Большого взрыва, во время которого все силы были объединены в одну суперсилу.

Энтропия

Мера неупорядоченности или хаоса. Согласно второму началу термодинамики, общая энтропия во Вселенной постоянно возрастает, что означает, что, в конце концов, все должно прийти к завершению всех процессов. Применительно к Вселенной это означает, что она будет стремиться к состоянию максимальной энтропии, став однородным газом с температурой, близкой к абсолютному нулю. Чтобы обратить вспять энтропию в небольшой системе (например, в холодильнике), требуется дополнительная механическая энергия. Но даже в случае с холодильником общая энтропия возрастает (в частности, именно поэтому сзади холодильник теплый.)

Эффект Доплера

Изменение частоты и длины волны излучения по мере того, как объект приближается или отдаляется от вас. Если звезда движется по направлению к вам, частота излучения света увеличивается, так что желтая звезда выглядит немного голубоватой. Если звезда удаляется от вас, частота уменьшается, поэтому желтая звезда выглядит немного красноватой.

Это изменение частоты излучения света также может возникать вследствие увеличения самого пространства между двумя точками, как в расширяющейся Вселенной. Измеряя изменение частоты, можно вычислить скорость, с которой звезда удаляется от вас.

Эффект Казимира

Отрицательная энергия, создаваемая двумя бесконечно длинными параллельными незаряженными пластинами, размещенными рядом друг с другом. Виртуальные частицы за пределами пластин оказывают более сильное давление, чем виртуальные частицы внутри пластин, и, следовательно, пластины притягиваются друг к другу. Этот крайне малый эффект был экспериментально обнаружен и измерен в лаборатории. Эффект Казимира может быть использован для работы машины времени или создания порталов-червоточин в пространстве-времени, если его сила будет достаточно велика.

Ядро

Крошечное ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов, радиусом около 10–13 см. Число протонов в ядре определяет число электронов в его оболочке, а оно, в свою очередь, определяет химические свойства атома.