Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Если бы у нас был достаточно мощный телескоп, смогли бы мы своими глазами увидеть зарождение Вселенной? Почти, но не совсем. Нынешний рекордсмен по дальности, объект по прозвищу А 1689-zD1, находится от нас на таком расстоянии, что его изображение, видное в космический телескоп «Хаббл», относится к тому времени, когда Вселенная насчитывала всего 700 миллионов лет от роду (около 5 % ее нынешнего возраста), когда ее размер составлял меньше 1/8 нынешнего.

Хуже того, А 1689-zD1 удаляется от нас со скоростью, примерно в 8 раз превышающей скорость света. (Мы подождем, а вы перелистайте книжку назад, на главу 1, где мы четко и недвусмысленно заявили, что это невозможно.) Загадка мгновенно разрешится, если мы вспомним, что это Вселенная расширяется, а не галактика движется. Галактика стоит на месте.

Вам все еще кажется, что мы жульничаем? Вовсе нет. Специальная теория относительности не говорит, что предметы не могут удаляться друг от друга со скоростью больше скорости света. А говорит она следующее: если я отправлю в небо Бэт-сигнал, Бэтмен не сумеет перегнать его на Бэтплане, как бы ни пыжился. В более общем смысле это означает, что никакая информация (например, частица или сигнал) не может двигаться быстрее света. Это абсолютная правда, даже если Вселенная очень быстро расширяется. Мы не в состоянии использовать расширение Вселенной, чтобы обогнать луч света.

На самом деле мы способны заглянуть в прошлое даже дальше, чем А 1689-zD1, но для этого нам нужны радиоприемники. Мы можем заглянуть в то время, когда Вселенной было всего-навсего 380 тысяч лет от роду и она состояла всего лишь из бурлящей смеси водорода, гелия и крайне высокоэнергичного излучения.

Дальше все в тумане — буквально. Поскольку Вселенная на ранних стадиях своего развития была туго набита материей, это все равно что пытаться заглянуть за соседкины шторы[96].

Что за ними, не видно, но мы знаем, как выглядит Вселенная сейчас и как она выглядела в каждый момент времени с ранних стадий до сегодняшнего дня, поэтому можем догадаться, что находится за этой космической шторой. Так и подмывает за нее заглянуть, правда?

Так вот, хотя заглянуть за горизонт мы не в силах, зато видим достаточно много, чтобы удовлетворять собственное и чужое любопытство за государственный счет. Самое прекрасное — чем дольше мы ждем, тем старше становится Вселенная и тем дальше отодвигается горизонт. Иначе говоря, существуют далекие уголки Вселенной, чей свет доходит до нас только сейчас.

А что же находится за горизонтом? Этого никто не знает, но мы вправе делать обоснованные догадки. Помните, что Коперник и его последователи ясно показали нам; «Когда куда-нибудь идешь, то все равно куда-нибудь придешь», поэтому можно предположить, что за горизонтом Вселенная выглядит примерно так же, как и здесь. Конечно, там будут другие галактики, но их окажется примерно столько же, что и вокруг нас, и выглядеть они будут примерно так же, как и наши соседки. Но это не обязательно правда. Мы выдвигаем такое предположение, поскольку у нас нет причин думать иначе.

III. Из чего состоит пустое пространство?

Так, значит, Вселенная расширяется, однако галактики в ней практически не движутся. Как же это все на самом деле устроено? Придется вернуться к эйнштейновской общей теории относительности. Джон Арчибальд Уилер блестяще описал эту теорию известным афоризмом: «Пространство диктует материи, как двигаться, а материя диктует пространству, как искривляться», и именно так и следует о ней думать.

Мы не забыли о своем обещании держаться подальше от математики, однако формулировка Уилера, по сути, — это сухое изложение главного уравнения общей теории относительности — эйнштейновского уравнения поля. Приводить его здесь мы не будем, но кое-что о нем нужно знать.

Левая сторона уравнения поля[97] определяет, насколько две точки далеки друг от друга и в пространстве, и во времени, — эта величина называется «метрика», — а если мы посмотрим, как метрика меняется в пространстве, то сможем описать, насколько оно искривлено.

Метрике отводится настолько важная роль, поскольку частицы ленивы и выбирают именно тот маршрут, который позволяет минимизировать время на дорогу. В плоском (то есть лишенном гравитации) пространстве самый быстрый путь — прямая, как вы, вероятно, и сами догадываетесь, но если пространство искривлено гравитацией, все сильно осложняется.

Представим себе, что вы бросаете мячик приятельнице. Мячик хочет долететь до нее как можно быстрее, так что, вероятно, кратчайший путь — это прямая. Но постойте! Гравитация, как мы видели в предыдущей главе, заставляет время у поверхности Земли идти самую чуточку медленнее, поэтому мяч, вероятно, доберется до вашей приятельницы быстрее, если чуточку поднимется от земли и опишет дугу. С другой стороны, если дуга окажется слишком крутой, мячу придется двигаться быстрее, а мы уже видели, что если мяч летит очень быстро, время для него замедляется. Начинается поиск компромиссов, и мяч следует кривой пространства-времени и летит по дуге. Понятно? Несмотря на все разговоры о релятивистском времени и искривленном пространстве, в слабых гравитационных полях вроде поля Земли гравитация ведет себя именно так, как предсказывал Ньютон.

Но если мы хотим разобраться, как развивается Вселенная в целом, придется вырваться из слабого поля Земли, а для этого нужно сказать два слова о метрике. Напомним, что метрика говорит нам, насколько далеко отстоят друг от друга две точки. Представьте себе, что у вас есть линейка, которая медленно сжимается. И если вы через некоторое время решите измерить, например, расстояние от вас до Парижа, то обнаружите, что оно постоянно увеличивается.

Именно это и происходит в настоящей Вселенной!

Забудьте, чему вас учили в школе: пространство не абсолютно. Мы уже видели, что пространство и время для движущихся наблюдателей и наблюдателей, которые находятся вблизи массивных тел, относительны. Теперь мы понимаем, что по мере старения Вселенной меняется само пространство.

А что же находится по правую сторону эйнштейновского уравнения поля? Уилер нам уже ответил: «Материя диктует пространству, как искривляться». Именно материя Вселенной и говорит Вселенной, как развиваться.

Как же мы разберемся во всем этом, если (на самом деле) даже не знакомы с уравнениями общей теории относительности? Не бойтесь. Помните, что, когда речь заходит о гравитации, физическая интуиция и здравый смысл помогают даже лучше, чем вы думали.

Мы тут довольно бойко рассуждали о расширении пространства, но так ничего и не сказали о том, что же такое это самое пространство. Исаак Ньютон в своих Principia Mathematica много говорил о пространстве и придумал небольшой мысленный эксперимент, позволяющий пояснить, что это такое, на конкретном примере. Вернемся далеко назад — в главу 1, где Рыжий, Галилей и Эйнштейн (не обязательно в этом порядке) обнаружили, что наблюдатель не может определить, двигается он или покоится, если движение происходит равномерно. Играет роль исключительно динамика двух наблюдателей при их относительном движении.

Ньютон представил себе, что на скрученной веревке висит ведро, полное воды. Ведро удерживают в неподвижности, а затем отпускают, и веревка начинает раскручиваться, и ведро вертится. Поначалу вода хочет остаться на месте, и стенки ведра вертятся вокруг нее. Затем вступает в действие сила трения между водой и ведром, и вода начинает крутиться вместе с ведром. И при этом взбирается вверх по стенкам.

Да, понимаем — вы читаете и думаете: «Ну и что?»

Мы так много об этом разглагольствуем, поскольку к концу эксперимента Ньютона относительное движение между ведром и водой отсутствует — тем не менее мы можем сказать, что ведро и вода вертятся. Вот в чем вопрос: откуда ведро «знает», что оно вертится? Почему вода по-прежнему взбирается вверх по стенкам, если она никуда не движется относительно ведра?

Представьте себе одну простую вещь, которую вы увидите в любом научном музее: маятник Фуко. Маятник — это грузик, закрепленный на струне или тросе, который болтается туда-сюда, как в напольных или настенных механических часах. Маятник Фуко подвешивают так, чтобы он качался в любом направлении, куда захочет. Грузик раскачивают в одной плоскости — туда-сюда, — однако если наблюдать за ним достаточно долго, станет заметно, что он еще и вращается. То есть на самом деле маятник раскачивается в одной плоскости, а Земля под ним вращается. Каким-то образом маятник знает, как сохранить свою фиксированную ориентацию относительно пространства.

А лучше представьте себе, что наш старинный приятель Рыжий сидит в большой цилиндрической комнате, оборудованной ракетными двигателями, — нечто вроде аттракциона-центрифуги в парке развлечений.