Лев Шильник - Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной
Чтобы вы, читатель, могли себе представить запас жизненных сил юных квазаров, процитируем профессора Московского инженерно-физического института (МИФИ) С. Г. Рубина.
Кстати, энергии, которую средний квазар излучает за секунду, хватило бы для обеспечения Земли электричеством на миллиарды лет. А один рекордсмен, с номером S 50014+81, излучает свет в 60 тысяч раз интенсивнее всего нашего Млечного Пути с его сотней миллиардов звезд!
Поставим на этой мажорной ноте точку и перейдем к обсуждению вопросов, связанных с эволюцией Вселенной.
Сэр Исаак Ньютон, сформулировавший закон всемирного тяготения, полагал Вселенную однородной, бесконечной в пространстве и неизменной во времени (стационарной). Космос детерминистов представлял собой великолепно отлаженный и безукоризненно функционирующий часовой механизм, где равномерное кружение светил подчиняется строгим математическим законам. Модель стационарной Вселенной казалась простой, логичной, внутренне непротиворечивой, а потому благополучно дожила до начала XX века. Пространство, в котором совершался ход миров, мыслилось евклидовым, то есть плоским. О геометрических кунштюках нам предстоит отдельный разговор в последующих главах, здесь же напомню вам, читатель, что такое плоское пространство. В пространстве Евклида через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной (знаменитый пятый постулат), а сумма углов треугольника равна 180 градусам. Это самое обычное пространство, с которым нам приходится сталкиваться ежедневно. Относительно возраста Вселенной единства в товарищах не было: одни полагали мир сотворенным в непостижимом демиургическом акте, а другие думали, что он существует вечно. Одним словом, просвещенная публика на рубеже веков обитала в бескрайней стационарной Вселенной, существующей неограниченно долго.
Однако бесконечность – пугает. Рассудок пасует перед подобными категориями, ибо они не только лишены наглядности, но и грешат многочисленными неувязками. Конечно, всегда можно слепить подходящую метафору, и тогда все вроде бы встанет на свои места. Была, скажем, такая красивая восточная притча: «Далеко-далеко на краю света высится огромная алмазная гора, достающая своей вершиной до самого неба. Раз в тысячу лет на вершину этой горы садится маленькая птичка, чтобы поточить клюв. Когда птичка сточит гору до основания, пройдет одно мгновение вечности». Кто спорит, сказано изящно и со вкусом, но на самом деле это всего лишь иллюзия понимания. Понятно, что рано или поздно птичка доберется до основания горы, хотя ей придется затратить очень много времени и сил. Так что невообразимость вечности никуда не делась, она просто отодвинулась в несусветную даль.
Притчи притчами, но у модели стационарной Вселенной, бесконечной во времени и пространстве, есть куда более серьезные недостатки. Если бы дело ограничивалось только психологической неприемлемостью категории бесконечного, на подобную мелочь можно было бы спокойно закрыть глаза. Беда в том, что постулат о Вселенной, существующей неограниченно долго, наталкивается на неразрешимое противоречие. Вечность можно уподобить геометрической прямой, которая простирается в обе стороны – и в прошлое, и в будущее. Другими словами, она не имеет ни начала, ни конца. Но в таком случае в любой произвольно выбранный момент времени (например, сегодня) Вселенная уже существует бесконечно долго. Следовательно, все процессы, в ней происходящие, должны давным-давно завершиться и Вселенная обязана пребывать в состоянии некоего абсолютного равновесия. Однако астрономические наблюдения неопровержимо свидетельствуют, что мир все время эволюционирует, причем эволюционирует достаточно быстро. Когда мы смотрим в телескоп, мы заглядываем в далекое прошлое Вселенной и видим, что 10 миллиардов лет назад она была совсем не такой, как сегодня. Скажите на милость, откуда взяться эволюции, если у нас за спиной неисчислимое количество лет? Мы уже не говорим о том, что вечность по определению не может быть исчерпана – на то она и вечность. Тогда как же она умудрилась доползти до наших дней?
Не лучше обстоит дело и с бесконечностью в пространстве. В 1823 году немецкий астроном Генрих Ольберс опубликовал работу с критикой модели бесконечной стационарной Вселенной. Он рассуждал следующим образом. Сначала сформулируем три предпосылки: 1) протяженность Вселенной бесконечна; 2) число звезд тоже бесконечно, и они равномерно распределены в пространстве; 3) все звезды имеют в среднем одинаковую светимость. Ну что же, вполне разумные предпосылки. А теперь посмотрим, что у нас получится. Мысленно поместив Солнечную систему в центр, Ольберс разделил все пространство за ее пределами на ряд концентрических слоев, или сфер. Вселенная стала напоминать луковицу. Пусть слой В лежит втрое дальше слоя А. Тогда объем слоя В будет в 9 раз больше, чем объем слоя А (З2= 9), так как объемы слоев возрастают пропорционально квадрату расстояния каждого слоя от центра. Если звезды равномерно «размазаны» по всем слоям (предпосылка 2), то слой В, чей объем в 9 раз больше объема слоя А, будет содержать в девять раз больше звезд. С другой стороны, светимость отдельных звезд убывает пропорционально квадрату расстояния, из чего следует, что яркость каждой звезды слоя В при условии их равной светимости (предпосылка 3) составит (1/3)2= 1/9 яркости отдельной звезды слоя А. Но ведь звезд в слое В при этом ровно в 9 раз больше! Другими словами, светимость слоев А и В будет совершенно идентичной, и Солнечная система получит от этих слоев равное количество света.
Та же самая картина справедлива и для всех других слоев, а поскольку их количество бесконечно (предпосылка 1), то небосвод должен сиять нестерпимым блеском даже ночью. Небо превратится в одно сплошное гигантское Солнце, чего в действительности не наблюдается.
Ольберс предположил, что свет, идущий к нам от далеких звезд, ослабевает из-за поглощения в пылевых облаках, расположенных на его пути. Однако этот контраргумент тоже несостоятелен, поскольку облака должны постепенно нагреться и со временем начать светиться столь же ярко, как и сами звезды. Единственная возможность разрешить парадокс Ольберса (его еще называют фотометрическим парадоксом) состоит в допущении, что число звезд выражается конечной величиной.
Другой парадокс, получивший название гравитационного парадокса, или парадокса Зеелигера, базируется на законе всемирного тяготения Ньютона.
Вспомним, читатель, что, согласно этому закону, тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. А поскольку звезды не распределены строго равномерно на фиксированных расстояниях друг от друга, то перепады плотности среди звездного населения неминуемо приведут к тому, что они рано или поздно соберутся в кучу. Между прочим, этот вывод справедлив и для конечной стационарной Вселенной. Правда, сам Ньютон полагал, что концепция бесконечной Вселенной позволяет избежать этого парадокса, потому что бесконечное число звезд, распределенных более или менее равномерно, никогда не стянется в точку, так как в бесконечном пространстве нет выделенного центра. Сохранилось даже его письмо к Ричарду Бентли на эту тему.
Разумеется, сэр Исаак заблуждался, о чем хорошо написал его земляк Стивен Хокинг в книге «Краткая история времени»:
Эти рассуждения – пример того, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечной Вселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от нее число звезд бесконечно. Лишь гораздо позже поняли, что более правильный подход – взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь к центру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд, распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. По закону Ньютона, дополнительные звезды в среднем никак не повлияют на первоначальные, т. е. звезды будут с той же скоростью падать в центр выделенной области. Сколько бы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру. В наше время известно, что бесконечная статическая модель Вселенной невозможна, если гравитационные силы всегда остаются силами взаимного притяжения.
Таким образом, стационарная модель бесконечной Вселенной оказалась неработоспособной, потому что не соответствовала наблюдательным данным. Но если Вселенная имеет конечные размеры, немедленно возникает сакраментальный вопрос: а что же находится за ее краем? Выход из положения нашел великий немецкий физик Альберт Эйнштейн, когда в 1915 году опубликовал теорию, которая сегодня называется общей теорией относительности (ОТО). Он предположил, что связующим звеном между гравитацией и пространством-временем является геометрия. Это была подлинная революция в физике: в рамках общей теории относительности пространство-время мыслилось не плоским, как считали испокон веков, но искривленным под влиянием распределенных в нем масс и энергий. Это легко понять из простой аналогии. Материальные тела искривляют пространство-время, подобно тому как увесистый шарик вызывает прогиб растянутой пленки или резинового листа. На такой искривленной поверхности шарик номер два меньшей массы уже не сможет двигаться прямолинейно и равномерно: он либо скатится в ямку, образованную тяжелым шариком (притянется к нему), либо изменит траекторию своего движения. Подобным образом обстоит дело и с небесными телами: например, орбитальное движение Земли обусловлено вовсе не гравитационным притяжением Солнца, но особенностями метрики пространства-времени. Кратчайшим расстоянием между двумя точками в искривленном пространстве будет не прямая, а так называемая геодезическая, более всего соответствующая прямой линии в обычном плоском пространстве Евклида. Таким образом, гравитация в общей теории относительности рассматривается как следствие искривления пространства-времени, а материя не вложена в пустой ящик, где время и пространство живут самостоятельно, но образует с ними неразрывное единство. Если из Вселенной вынуть всю материю, времени и пространства тоже не будет.
