Ігор Новіков: першопрохідець «кротових нір» і чорних дір

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 65

Чорні діри, «кротові нори», реліктове випромінювання, машина часу — ці поняття знайомі широкому колу людей, досить далеких від науки. Все перераховане вище так чи інакше асоціюється з діяльністю Ігоря Дмитровича Новікова, якому 10 листопада виповнилося 80 років. Ми не будемо переказувати його біографію, краще зосередимося на його цікавих роботах та ідеях. Список книг, написаних ювіляром, і список отриманих ним регалій дані в кінці нарису.

Ігор Новіков

Наукова діяльність Ігоря Новікова почалася в п’ятдесяті роки минулого століття з вивчення властивостей чорних дір, навколо яких вже в той час клубилося безліч різних міфів. У ті часи ставлення до них було досить специфічним. За словами Кіпа Торна (який згодом став співавтором Ігоря Новікова в багатьох роботах), рішення ввести в науку чорні діри занадто «погано пахне» і не може бути реальним описом природи. Ніякої фізики, що стоїть за цим рішенням, до Ігоря Новікова не існувало.

Ніхто не думав, що це не абстракція, якесь нереалізоване рішення рівнянь Ейнштейна, а фізичний об’єкт у Всесвіті, який, більш того, цілком можна спостерігати. У своїй дисертації Ігор Новіков дуже чітко відокремив факти від домислів і заклав міцний фундамент сучасного розуміння складного комплексу процесів, що відбуваються всередині і в околиці чорних дір. Зараз існування у Всесвіті величезної кількості чорних дір у дуже широкому діапазоні мас — твердо встановлений спостережний факт.

За минулі півстоліття тема чорних дір перетворилася на особливий розділ релятивістської астрофізики, що об’єднує роботи сотень спостерігачів і теоретиків, багатьох потужних телескопів і суперкомп’ютерів. Ця область релятивістської астрофізики містить безліч цікавих і все ще не вирішених проблем, а Ігор Новіков залишається одним з головних експертів з цих питань. Зокрема, написана ним у співавторстві з Валерієм Фроловим велика монографія «Фізика чорних дір» (1986, 1998) протягом 20 років залишається однією з кращих як за ясністю викладу, так і за повнотою охоплення.

У 1960-ті роки, багаті на великі відкриття, стався черговий прорив у космології. До того часу практично устоялася теорія розширюється Всесвіту Фрідмана, але в ньому не вистачало важливих деталей. Наприклад, яка була температура Всесвіту в її перші хвилини, коли йшов нуклеосинтез?

Георгій Гамов в 1948 році запропонував теорію гарячого Всесвіту, в якому виходячи з даних по співвідношенню водню і гелію в космосі передбачив сучасну температуру електромагнітного фону 5 градусів Кельвіна. Однак до 1960 року практично всі спостережні дані, якими користувався Гамов, були спростовані або якісно змінені. Більш того, спостереження великої кількості гелію у Всесвіті показували, що існують об’єкти з низьким його змістом (це згодом не підтвердилося), що суперечило теорії Гамова. Таким чином, теорія гарячого Всесвіту на початку шістдесятих років минулого століття була під дуже великим сумнівом і в школі Зельдовича вважалася похованою.

Також цікаво відзначити, що Гамов, розглядаючи питання про можливість спостереження реліктового фону в гарячому Всесвіті, порівняв повну його щільність із щільністю енергії випромінювання зірок і зробив висновок, що спостерігати фон неможливо. Цей висновок був неправильним — реально щільність енергії реліктового фону виявилася в десятки разів вище фону від зірок.

Андрій Дорошкевич та Ігор Новіков займалися дослідженням електромагнітних фонів Всесвіту, і ними була побудована крива залежності сумарних інтенсивностей всіх джерел (радіогалактик і далеких зірок) від частоти випромінювання. Отримана крива мала чіткий мінімум в районі довжини хвилі 1 сантиметр. Автори статті вказали, що реліктовий фон, якби його температура була щонайменше 1 градус Кельвіна, можна було б спостерігати на цих довжинах хвиль. Таким чином, ними було знайдено спектральне «вікно», де фон міг бути спостерігаємо. Більш того, вони вказали, на якому телескопі це можливо було спостерігати. Через рік після публікації роботи все так і виявилося: реліктове випромінювання було зареєстровано Пензіасом і Вільсоном, довжина хвилі в піку становила частки сантиметра. Передбачення блискуче підтвердилися, але 1964 року робота пройшла непоміченою, і тільки після відкриття реліктового випромінювання і отримання за це відкриття Нобелівської премії чудова робота Андрія Дорошкевича та Ігоря Новікова була повністю оцінена науковою спільнотою і згадана у відповідній нобелівській лекції [1].

Згодом, вже в ХХІ столітті, Ігор Новіков з Олегом Верходановим, Андрієм Дорошкевичем і Павлом Насельським продовжили цю тему вже на абсолютно новому рівні. Вони працювали з даними космічної мікрохвильової обсерваторії WMAP, що вимірювала неоднорідності температури і поляризації реліктового випромінювання, що призвело в даний час до відкриття двох головних складових матерії, що заповнює Всесвіт і визначає його фундаментальні властивості. Це загадкові «темна енергія» і «темна матерія». Виявилося, що добре відома нам баріонна речовина становить лише близько 3-4% середньої щільності Всесвіту. Ігор Дмитрович з колегами внесли свій внесок у надійність і точність цих результатів.

Значна частина робіт Ігоря Новікова присвячена питанням гравітаційної нестійкості, утворення галактик, скупчень галактик і спостережуваної структури Всесвіту.

Чи потрібно займатися явищами, які майже напевно неможливо спостерігати, і ефектами, які навряд чи можуть мати відношення до природи? Чи можна проскочити в інший всесвіт через «кротову нору»? Чи можна в принципі створити всесвіт «в лабораторії»? Чи можлива машина часу в рамках Загальної теорії відносності? З точки зору багатьох фізиків, подібна діяльність не дуже респектабельна — краще займатися тим, що може бути підтверджено спостереженнями або експериментами. Але ж це цікаво зі світоглядного боку! Чи теорія допускає подібну екзотику? До речі, це цікаво не тільки вченим, а й людям, далеким від науки. Значить, хтось повинен цим займатися на хорошому професійному рівні. При цьому крім деякої наукової сміливості тут потрібна хороша фантазія. Ігор Новіков наполегливо працював над цими питаннями, в тому числі і в співавторстві з Кіпом Торном, який, до речі, став співавтором сценарію фільму «Інтерстеллар», де фігурують і «кротові нори», і чорні діри.

Звичайно, можливості подорожі через «кротові нори» і здійснення машини часу писані вилами на воді: це вимагає матерії з досить екзотичним рівнянням стану — фантомної матерії (тиск негативно і за модулем більше щільності енергії). Існування такої матерії, з одного боку, суперечить деяким фізичним принципам, з іншого боку, ці принципи не настільки фундаментальні, як закон збереження енергії. Що ж, це ціна, яку потрібно заплатити за прохідні «кротові нори». Але якщо природа заплатила цю ціну і фантомна матерія існує, то виникає фундаментальний парадокс — машина часу. «Кротові нори» можуть з’єднувати різні всесвіти, а можуть — різні області одного всесвіту. І тоді проліт через таку «кротову нору» може закидати мандрівника назад у часі — це не фантазія, а наслідок Загальної теорії відносності. Але подорож назад у часі порушує принцип причинності (наприклад, можна вбити свою бабусю і не народитися). А це вже занадто фундаментальна річ: якщо руйнується причинність, руйнуються наші уявлення про світ.

Для того щоб подолати цю пастку, Ігор Новіков припустив, що у світі діє додатковий принцип — принцип самоузгодженості: всі світові лінії, що описують петлі в часі, зшиваються так, що історія залишається єдиною; не тільки минуле впливає на майбутнє, а й майбутнє впливає на минуле в таких петлях. Іншими словами, ймовірність будь-яких подій, що призводять до зміни історії, прагне до нуля. Цей принцип, що носить ім’я Новікова, досить популярний і «пішов у культуру», подібно чорним дірам і «кротовим норам».

Повертаючись на Землю, треба визнати, що головний внесок Ігоря Дмитровича в науку — не тільки в його роботах в екзотичних областях, але і в книгах, які він написав. Книг багато. Це, по-перше, монографії, де все, що стосується чорних дір та інших явищ, пов’язаних з сильною гравітацією, розкладено по поличках. Цими книгами користується вже не одне покоління наукових працівників і студентів. По-друге, це захоплюючі науково-популярні книги, які рекрутували в науку теж не одне покоління школярів і студентів. Ці книги заслуговують того, щоб дати їх повний список.

Монографії:

Релятивістська астрофізика (1967) (з Я. Б. Зельдовичем)

Будова і еволюція Всесвіту (1971) (з Я.Б. Зельдовичем

) Еволюція Всесвіту (1979, 1983) (з Я. Б. Зельдовиче

м) Фізика чорних дір (1986) (з В. П. Фроловим

) Реліктовим випромінювання Всесвіту (2003 р.

Науково-популярні книги:

Еволюція Всесвіту (1983)

Чорні діри і Всесвіт (1985

) Як вибухнув Всесвіт (198

8) Людина, що відкрила вибух Всесвіту (1989) (з А. С. Шаровим

) Куди тече річка часу? (1990)

Книги перекладено на низку іноземних мов.

І нарешті, оскільки нарис написаний до ювілею, корисно навести список регалій Ігоря Дмитровича:

Член

Academia Europaea (з 1992 року

) Член Данської королівської академії наук (з 1996 року

) Член Королівського астрономічного товариства (з 1998 року

) Член бельгійської академії наук (м. Льєж) (з 1996 року

) Премія італійського університету (

2003) Медаль Еддінгтона

(2007) Премія імені Амбарцумяна

(2011) Премія імені Фрідмана (2014)

1 Дж. Ф. Смут Анізотропія реліктового випромінювання: відкриття та наукове значення