Вселенная и пространство

Важнейшее научное открытие физики 20 века состоит в том, что окружающий физический мир, пространство в котором мы живем — наша Вселенная существовала не всегда. В современной науке трудно найти более интересную, захватывающую задачу, чем попытка объяснить, почему Вселенная устроена именно такой, какая она есть. За последние годы в этом направлении достигнуты определенные успехи. Их можно считать только небольшим первым шагом, однако именно благодаря этому шагу человечество заявило о попытке создать универсальную физическую концепцию всего наблюдаемого нами мира, которую можно было бы назвать научной теорией всего сущего. Без такой теории невозможно говорить о том, как устроена Вселенная, совершить качественный скачок в понимании окружающей Реальности и месте Человека в ней.

Первые научные результаты, резко изменившие наши представления о мироздании, были получены в конце IX — начале XX вв.; к ним в первую очередь можно отнести создание больших телескопов и изобретение спектроскопа. Обнаружилось, что наблюдаемый на ночном небе Млечный Путь представляет собой «островную Вселенную», состоящую из отдельных звезд, часть из которых похожа на наше Солнце. Сейчас нам может показаться странным, что вплоть до начала прошлого века среди ученых продолжались споры о том, является ли Млечный Путь галактикой, находящейся в абсолютной пустоте, или за ее пределами существуют другие «островные миры». Отдельные астрономы считали возможным, отправившись очень далеко в космос, охватить оттуда взглядом все звезды мира, сосредоточенные в одной области, окруженной со всех сторон бескрайней пустотой.

Современную картину Вселенной удалось установить только в 20-х годах XX-го века, благодаря работам американских астрономов Харшоу Шепли и Эдвина Хабла. Было обнаружено, что так называемые туманности, наблюдаемые астрономами как небольшие расплывчатые пятна, в действительности представляют собой другие галактики, расположенные на таких расстояниях между собой (и от нашей галактики — Млечного Пути), которые многократно превышают размеры самих галактик.

Исторически более сложным оказался вопрос о границах Вселенной. Еще римский поэт Лукреций привлек внимание к ней, задавшись вопросом, что произойдет, если кто-нибудь, дойдя до «края света», метнет копье. Наткнется ли оно на преграду? Впоследствии было создано несколько моделей вселенных. Некоторые из них давали положительный ответ на вопрос Лукреция и подразумевали существование некой границы Вселенной — своего рода стены или непроницаемой поверхности. Эта странная идея просуществовала до времен Кеплера, т. е. до XVI в.

В настоящее время нет никаких оснований полагать, что, путешествуя в открытом космосе со скоростью света, двигаясь строго прямолинейно, мы могли бы упереться в некий барьер, который можно было бы назвать границей Вселенной. Вселенная не имеет ни края, ни центра. Вселенную нельзя считать скоплением галактик, распределенных в пространстве.

И все же размеры Вселенной конечны, хотя она сама границ не имеет. Это утверждение не будет казаться слишком парадоксальным, если мы вспомним свойства шара. Двигаясь по поверхности Земли строго прямолинейно, в каком бы направлении мы не начали свой путь, мы никогда не столкнемся с барьером, который можно было бы назвать границей Земли. Однако, совершив кругосветное путешествие, мы можем вернуться в ту же точку, из которой начали путь Многие астрофизики считают, аналогичное возможно и в результате прямолинейного путешествия по Вселенной; через многие миллиарды лет путешественник смог бы вернуться в исходную точку!

По словам известного британского ученого Пола Дэвиса, если у Вселенной нет внешней границы, то вопрос о нашем местоположении в значительной степени теряет смысл. Само пространство не содержит никаких вех, а крупномасштабная структура Вселенной даже в самых отдаленных от нас местах мало чем отличается от нашего ближайшего галактического окружения. В местном масштабе вопрос о нашем местоположении не лишен смысла, поскольку мы можем достаточно точно определить свое положение относительно какого либо конкретного объекта, например Солнца или центра Галактики. Однако, в пределах Вселенной как целого не существует выделенной точки, относительно которой можно было бы отсчитывать положение объектов. Приведем еще одну аналогию: бессмысленно спрашивать, где на поверхности абсолютно гладкого шара находится царапина!

Кругосветное путешествие вокруг Земли с возвратом в исходную точку стало возможным по следующей причине. Плоскость, в которой мы можем передвигаться (двумерная по координатам X и Y поверхность Земли) искривлена относительно третьей координаты — Z. Поэтому наша Земля, как и всякий шар, является трехмерным объектом.

Точно также трехмерное пространство Вселенной (метагалактики), в котором мы живем, искривлено относительно четвертой координаты.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна (ОТО) четвертой координатой является физическое время. В самом деле: время можно было бы измерять в метрах.

А. Эйнштейн.

Один метр времени — это время, за которое свет преодолевает расстояние в один метр. Представьте себе, что в одной и той же точке пространства взрывается сначала одна хлопушка — происходит событие А; затем, скажем, через миллион световых метров — другая — событие Б. В трехмерном пространстве точка, А совпадает с точкой Б. Но в четырехмерном пространстве между этими точками есть расстояние!

Нам очень сложно представить себе четырехмерное пространство, поскольку наш жизненный опыт подсказывает нам, что к одной и той же точки можно провести не более трех независимых перпендикуляров (т.е. взаимно перпендикулярных кривых) — поэтому мы считаем, что пространство имеет только три координаты — X, Y и Z. Тем не менее, математики с одинаковым успехом могут оперировать не только трех-, четырехмерным пространством, но и многомерным (n-мерным) пространством, число измерений которого равно произвольной целочисленной переменной - n.

Гравитационное поле звезды, образуя искривленное трехмерное пространство, отклоняет луч света, поступающий от звезды.

Согласно ОТО, четвертая координата — время искривляется вблизи массивных объектов. Представьте себе хорошо натянутый лист резины — это неискривленное двумерное пространство. Но стоит только опустить на его поверхность стальной шарик, как появляется воронкообразный прогиб — теперь двумерная поверхность нашего резинового листа искривлена относительно третьей координаты. Если мы поместим близко друг от друга на поверхность резинового листа два шарика, они начнут скатываться друг к другу. Не правда ли, очень похоже на притяжение? По этой же причине, луч света, проходящий вблизи массивного тела, должен изменять свою траекторию, как бы притягиваясь к телу (см. рисунок) Точно также, вблизи нашего шарика, как и любого другого объекта, обладающего массой, происходит искривление трехмерного пространства относительно координаты времени. Аналогично нашему примеру с листом резины, близко расположенные в трехмерном пространстве массивные объекты притягиваются друг к другу, и мы воспринимаем это притяжение как силу гравитации.

По чисто геометрическим соображениям из этого следует, что вблизи массивных объектов время замедлено. Экспериментально можно обнаружить это действительно так! Однако, справедливости ради заметим, что современная наука не обладает возможностью обнаружить и измерить замедление времени вблизи объекта массой несколько килограмм или даже тонн. Но другое дело, объект такой массы, как наша планета. Экспериментально показано, что очень точные часы, находящиеся на орбите искусственного спутника Земли, будут на несколько миллисекунд в год отставать от точно таких же часов, но расположенных на поверхности Земли. В другом разделе нашего учебника, посвященном Черным Дырам, мы обсудим возможность существования настолько массивных объектов, что время в их окрестностях не просто замедлено — оно стоит!

Результаты экспериментов по измерению замедления времени в зависимости от расстояния до поверхности Земли первоначально были предсказаны Альбертом Эйнштейном и послужили, таким образом, одним из блестящих доказательств ОТО.

Мы должны четко понимать, что предположение о роли физического времени, как четвертой пространственной координаты, было высказано Эйнштейном не красоты ради, не просто потому, что ему этого так хотелось, а постольку, поскольку тогда, как и сейчас, не существует никаких других способов непротиворечиво объяснить силы гравитации.

По-видимому, наша Вселенная является настолько массивным объектом, что ее трехмерное пространство, в котором мы живем, не просто искривлено, а замкнуто. Уверенность в таком выводе астрофизикам придают расчеты, проведенные с учетом основных постулатов ОТО и оценок массы Вселенной 1050 тонн и ее размеров — 12−15 млрд. световых лет.

Итак, мы выяснили, что наше трехмерное пространство в обыденном понимании не имеет начала и конца. Очевидно, что не имеют начала и конца привычные нам координаты X, Y и Z. А как обстоит дело с координатой t физическим временем? Если нельзя задать вопрос «Где?», то можно ли задать вопрос «Когда?» и ответить на него?

В истории человечества нам известны многочисленные попытки сделать какие либо выводы о длительности существования Вселенной. В условиях почти полного отсутствия экспериментальной науки мыслители древности допускали, что получить ответ на этот вопрос можно только путем логических умозаключений и философских рассуждений. Так, Платон считал, что мир, поскольку он сотворен Богом, является совершенным и поэтому он неизменен в своих основных чертах. Более того, если Бог существует бесконечно долго, то и мир он мог создать бесконечно давно. Здесь, правда, недолго и зайти в тупик: существует также и диаметрально противоположная точка зрения, согласно которой, если допустить что мир существует бесконечно долго, то в нем не мог не возникнуть Бог, как самодостаточная сущность, что тоже было бесконечно давно.

Присутствие в естественнонаучной картине мира идеи о существовании Бога отнюдь не предопределяет вывод о бесконечности Вселенной. Другая традиционная точка зрения основана на концепции сотворенного мира, имеющего возраст и непрерывно претерпевающего качественные изменения. В момент творения мир был совершенен, однако и другие, отличные от начальной, более поздние фазы его существования тоже совершенны, поскольку Бог сотворил не застывшую Реальность, а совершенный процесс.

К первой, по-настоящему обоснованной научной версия о эволюции Вселенной как единого целого можно, пожалуй, отнести теорию советского физика и математика А. А. Фридмана, который математически показал возможность существования многомерного пространства (Вселенной) с изменяющейся во времени кривизной.

А.А. Фридман.

Позднее идея о изменении свойств Вселенной во времени была подтверждена астрономическими наблюдениями американца Э. Хаббла, проведенными в 20-х годах XX века. Тщательно исследовав спектры далеких галактик, он выявил неожиданную вещь. Дело том, что звезды, такие как наше Солнце и звезды в других галактиках, на фоне своих непрерывных спектров излучения обнаруживают тонкие темные полосы это так называемы линейчатый спектр поглощения. Его существование обусловлено присутствием в составе оболочек звезд атомов легких элементов. Химический состав многих звезд не сильно отличается, поэтому не сильно отличаются и линейчатые спектры. Однако, наблюдая очень удаленные галактики, Хаббл обнаружил, что их спектральные линии немного смещены в красную сторону спектра. Из своего наблюдения Хаббл сделал единственно возможный в то время вывод: спектры далеких галактик смещены вследствие эффекта Доплера.

Напомним: эффект Доплера проявляется в том, что если источник волн (все равно каких — звуковых, электромагнитных, или волн на поверхности воды) и наблюдатель сближаются друг с другом, то наблюдатель будет воспринимать излучение с меньшей длиной волны, чем если бы они не двигались относительно друг друга. И наоборот: при удалении с той или иной скоростью друг от друга наблюдатель заметит увеличение длины волны. Для электромагнитных волн видимого диапазона такое увеличение означает сдвиг спектра в «красную» сторону.

Итак, если спектры далеких галактик смещены в сторону более длинных волн (т.н. красное смещение), то они с большой скоростью удаляются от нас, и чем дальше они от нас находятся, тем скорость удаления и красное смещение больше!

И все же разбегание галактик очень трудно представить себе наглядно. Трудно удержаться от искушения представить себе процесс разбегания как последствие взрыва сгустка вещества, осколки которого разлетаются в беспредельном изначально существовавшем вакууме.

Однако, очень многие данные говорят, что на самом деле картина гораздо сложнее: расширяется само пространство. Это значит, что увеличиваются расстояния между галактиками, сами галактики, и может быть, расстояния между атомами.

Не существует точки, про которую можно было бы сказать, что центр расширяющейся Вселенной. Представим себе надувающийся воздушный шарик. Если две точки на его поверхности расположены близко друг от друга, то скорость их удаления друг от друга будет невелика. Если далеко — то скорость удаления (разбегания) будет больше. Заметим, что сами точки на поверхности не движутся в направлении к чему-нибудь или от чего-нибудь. Взаимное удаление точек происходит вследствие расширения самой поверхности. Таким образом, наблюдаемое нами разбегание галактик вовсе не означает, что мы находимся в центре расширяющейся Вселенной.

Наш пример с шариком — это пример расширения двумерного пространства. Расширение Вселенной — это расширение трехмерного пространства.

Но, если Вселенная расширяется и мы знаем с какой скоростью это происходит (оценка по величине красного смещения), а также знаем расстояние до галактик, то мы можем рассчитать, когда расширение началось. Расчеты дают цифру 15 млрд. лет — эту величину мы принимаем за возраст Вселенной, существованию которой положил некий сгусток материи необычайно высокой плотности, называемый точкой сингулярности. В этом заключается смысл т.н. теории Большого взрыва, в соответствии с которой наша Вселенная возникла в результате гигантского взрыва, а наблюдаемое разбегание галактик — является последствием такого взрыва.

Вещество в точке сингулярности должно было находится при очень высокой температуре. Атомы, элементарные частицы и даже кванты электромагнитного излучения в таких условиях существовать не могли. Важным подтверждением этого предположения явилось обнаружение в 1965 г необычного излучения, идущего из космического пространства сразу со всех направлений (изотропного излучения). Астрофизики установили, что оно представляет собой реликтовое тепловое излучение — последствие гигантской вспышки, произошедшей 15 млрд. лет назад.

Перед современной наукой по-прежнему остается открытым вопрос — что находится за пределами нашей Вселенной? Безусловно, Большой взрыв — это событие, в котором возникло наше пространство. Поэтому, с точки зрения наблюдателя, обладающего «трехмерным» зрением и находящегося внутри нашей Вселенной другого пространства не существует. Некоторые исследователи делают из этого вывод, что другого пространства не существует вообще, Вселенная возникла буквально из ничего и является единственным объектом, который можно отнести к объективной реальности. Такая точка зрения достаточно близка к библейской.

Другие специалисты настаивают на возможности наблюдения Вселенной со стороны. Предполагается, что Вселенных, похожих на нашу, существует бесконечное количество. Наблюдатель, обладающий четырехмерным зрением, мог бы увидеть множество Вселенных, расположенных на различном расстоянии друг от друга, а некоторые из них, возможно, оказались бы вложены друг в друга. Подобного рода модель окружающей объективной реальности получила название вселенской пены.

Теория Большого взрыва является наиболее популярной среди ученых теорией, но не единственной.

В 70-е гг. XX в. советским ученым, чл.-корр. АН СССР Троицким была создана теория строения Вселенной, получившая название теории гравитационного старения фотона. Она основана на том, что кванты электромагнитного излучения, направляясь к нам от удаленных галактик, двигаются не в абсолютном вакууме, а в среде, плотность которой хоть и немного, но отличается от нуля. Даже в пространстве между галактиками обнаруживается разреженный газ и различные излучения. Поскольку кванты все же имеют незначительную массу, они могут взаимодействовать со средой и при этом отдавать часть своей энергии. Однако энергия кванта обратно пропорциональна длине его волны. Следовательно, кванты, проходя гигантские расстояния, должны увеличивать свои длины волн. Это и воспринимается нами в качестве красного смещения.

Расчеты, проведенные Троицким, показали, что известной плотности нашей Вселенной вполне достаточно, чтобы полностью объяснить явление красного смещения. Отсюда вытекает: Вселенная существовала вечно, или, по крайней мере, в тысячи раз больший срок, чем 15 млрд. лет. А вот размеры Вселенной, по Троицкому, будут меньше — около 5 млрд. световых лет.

Астрофизиков волнует не только прошлое Вселенной, но и ее будущее. Здесь существуют две принципиальные возможности: либо Вселенная будет расширяться бесконечно долго, либо расширение через несколько миллиардов лет сменится сжатием, будет пройдена точка сингулярности, снова произойдет Большой взрыв и такие циклы будут повторятся неоднократно. Последний сценарий получил название пульсирующей Вселенной. Выбор между первым или вторым вариантом зависит от оценки массы и плотности Вселенной. Если плотность Вселенной окажется выше некоторого критического значения, то рано или поздно в ней возобладают гравитационные силы притяжения, расширение сменится сжатием. В противоположном случае расширение не остановится никогда. Нам приблизительно известна величина плотности Вселенной, но беда в том, что она довольно близко совпадает с расчетным критическим значением. В такой ситуации даже небольшая ошибка в оценке плотности может дать принципиальную ошибку нашего глобального прогноза.

Проблема усугубляется тем, что в последнее время астрофизики все чаше говорят о существовании в космосе т.н. «темной энергии». Название темной эта энергия получила постольку, поскольку совершенно непонятно, что является ее материальным субстратом. Предполагается, что она равномерно заполняет Вселенную и приводит к отталкиванию находящихся в ней массивных тел.

Впервые вопрос о темной энергии возник в связи с обнаруженными отклонениями траекторий американских космических кораблей, покинувших нашу Солнечную систему — «Пионера» и «Вояджера». Если предположение о существовании темной энергии подтвердится, то нашу Вселенную ждет вечное расширение.