[Перевод] Спросите Итана №48: Откуда взялось космическое вращение?

Читатель спрашивает:

Мне 44 года, и с самого детства меня интересовал следующий вопрос. От микромира до макромира, везде вокруг нас мы наблюдаем вращение – электроны вокруг ядра, луны вокруг планет, планеты вокруг звёзд, звёзды вокруг галактических центров (как я думаю). Вращаются ли вокруг чего-либо галактики? Если да, то вокруг чего? А прочтя «Спросите Итана №45», я подумал — не вращаются ли вселенные вокруг чего-либо? Можно ли это как-то узнать?

Тут сразу много вопросов, поэтому начнём с самого начала.

До того, как Вселенная заполнилась материей, излучением, нейтрино, тёмной материей или любыми другими частицами, она очень быстро расширялась. Энергия, содержавшаяся в ней, была присуща самому пространству-времени. Это был начальный период инфляции, который мы называем Большим взрывом, и который привел к появлению того, что мы называем нашей Вселенной. В это время происходили квантовые флюктуации, но они не могли взаимодействовать друг с другом из-за слишком быстрого расширения, несмотря на то, что происходили со скоростью света. Судя по всему, расширение было равномерным и шло во все стороны.

По окончанию инфляции присущая пространству-времени энергия преобразовалась в материю, антиматерию и излучение, и эти флюктуации привели к появлению очень плотных и очень разреженных регионов в быстро расширяющейся Вселенной.

Именно это мы и зовём Большим взрывом. В самом начале все частицы родились уже с угловым моментом – свойством, известным как спин, неотделимым от частицы. У каждого электрона, кварка и нейтрино есть спин в ±½, а у глюонов и фотонов спин составляет ±1. У гравитонов, если гравитация так же квантифицируется, спин будет ±2; и только у бозона Хиггса спин нулевой.

Сразу после возникновения у частиц не было возможности взаимодействовать между собой. Насколько мы знаем, в новорожденной Вселенной частицы не вращались друг вокруг друга. Но они рождались с ненулевой кинетической энергией в местах с разной плотностью материи. После их столкновений и гравитационных взаимодействий более плотные регионы начали притягивать всё больше материи и энергии, а менее плотные становились ещё менее плотными, отдавая материю и энергию более плотным.

По мере охлаждения Вселенной кварки собирались в ядра, у которых был свой угловой момент. После дальнейшего охлаждения Вселенной в ней начали появляться атомы. Они не соответствуют планетарной модели, как её представлял Бор – они занимают разные квантовые состояния, и у каждого из них есть свой спин и угловой орбитальный момент.

Ко времени формирования нейтральных атомов гравитационная разница между плотными и разреженными регионами возрастает многократно.

Даже в юной Вселенной существуют уникальные с точки зрения гравитации регионы – они вырастут в звёзды, галактики, кластеры и т.п. Они будут двигаться друг относительно друга и воздействовать друг на друга посредством гравитации. Если только оба объекта не являются идеальными сферами и не двигаются по соединяющей их линии, они будут испытывать приливной вращающий момент.

Каждая частичка материи/энергии, двигающаяся относительно других, гравитационно взаимодействует с другими частичками и создаёт вращающий момент – так же, как нажатие на гаечный ключ заставляет гайку вращаться.

Вращающий момент проявляется на больших и малых масштабах и воздействует на все частички материи, вплоть до атомов. С течением времени начинают происходить гравитационные коллапсы, и эти небольшие количества угловых моментов, 50% из которых направлены по часовой, и 50% — против часовой стрелки, приводят к тому, что огромные количества материи начинают вращаться.

Но в физике существуют законы сохранения – например, закон сохранения энергии, согласно которому её нельзя создать или уничтожить. То же верно и для сохранения углового момента – это можно наблюдать на примере вращающегося фигуриста, когда он прижимает руки и ноги ближе к телу.

Закон сохранения углового момента говорит, что при изменении момента инерции (притягивая массу ближе к оси вращения) должна увеличиться скорость вращения. Солнце вращается с периодом около месяца. Если мы сожмём его до белого карлика (размером с Землю), его угловая скорость должна будет увеличиться до одного поворота в 36 минут.

Касательно звёздных систем, планет и галактик, то, что мы видим больше, чем просто плотные единичные стационарные объекты, говорит о том, что каждая известная система Вселенной испытывает эти приливные воздействия, и имеет ненулевой уголовой момент по отношению к другим объектам.

Хотя в центрах галактик обычно есть чёрная дыра, галактики вращаются не из-за её присутствия. Они бы вращались и без всякой дыры. У многих спиральных галактик нет центральных чёрных дыр – и они прекрасно обходятся без таковых.

Всё вокруг вращается из-за гравитации, неизбежной физики вращательных моментов и закона сохранения углового момента.

А что, если мы рассмотрим Вселенную целиком? Мы считаем, что у неё нет никакого вращения, поскольку гравитация не имела никакого действия на масштабах больших, чем Вселенная. Но в принципе, у Вселенной мог быть некий угловой момент, присущий ей с рождения, и его присутствие дало бы нам ещё более удивительную загадку.