Взрыв первичного атома Леметра

Теория Леметра обосновывала оригинальную концепцию возникновения Вселенной из особого начального состояния с очень высокой плотностью материи. В духе физических знаний своего времени он интерпретировал этот момент как распад некого первичного атома, который существовал вне времени и пространства. Леметр вычислил последующую эволюцию «взорвавшейся» Вселенной на основе уравнений общей теории относительности и теоретически вывел линейную зависимость между радиальной скоростью галактик и их удаленностью от Солнечной системы.

 

Компьютерная модель эволюции Мироздания (сверху вниз)

 

ВЗРЫВ ВАКУУМА

 

Что же удержало в свое время квантовый пузырек нашей Вселенной от практически мгновенного схлопывания? Теоретики считают, что здесь мог проявиться своеобразный эффект «неустойчивости нестабильности», в силу действия которого Вселенные типа нашей являются ярко выраженными аномалиями. Первично неустойчивое состояние вакуума в результате флуктуации топологии (образования пузырька новой Вселенной) могло привести к тому, что внутри возникшего мира вакуум начал неожиданно изменять свои свойства, стремясь к новому устойчивому пределу. Этот процесс перестройки вакуума должен, по теоретическим расчетам, сопровождаться гигантским выделением энергии, результатом чего и явился Большой взрыв. Этот процесс можно представить как своеобразный взрыв вакуума – взрыв непустой пустоты!

Естественно, что грандиозность масштаба таких взрывных процессов, скрывающихся в окружающем нас мире, вызывает очень много вопросов к обсуждаемой новой космологии. Однако исторический опыт науки, особенно последних десятилетий, показывает плодотворность подобных смелых попыток заглянуть за границу известного. В принципе – вопросы расставлены, и ответы на них должны дать будущие исследователи, которые сегодня еще учат физику в школе!

Вероятностная интерпретация событий в микромире в свое время составила основу знаменитой полемики между Эйнштейном и Бором, разделив физиков на несколько спорящих групп. Одни из них, следуя Бору, Гейзенбергу и Борну, считают, что непредсказуемый характер единичных квантовых событий является фундаментальной особенностью окружающей природы и не имеет под собой никакого более глубокого фундамента. Другие, исходя из выводов научных школ Эйнштейна и Шрёдингера, доказывают, что неопределенность хода физических процессов микромира неизбежно приводит к целому ряду логических проблем (кот Шрёдингера) и даже явных противоречий, так что квантовые представления не являются достаточно полными. Третьи, подобно Луи де Бройлю, академикам В. А. Фоку и Д. И. Блохинцеву, занимают свою оригинальную позицию, часто предлагая собственные варианты понимания квантовой теории.

Спор между сторонниками и противниками абсолютной фундаментальности квантовой теории еще далеко не закончен и изредка разгорается с новой силой, вводя в круг обсуждаемых вопросов весьма необычные и даже фантастические предметы, такие, как «сознание наблюдателя». Все это еще раз подчеркивает, насколько далеки от повседневной действительности современные концепции теоретической физики. Во всяком случае, они, так или иначе, во многом противоречат обыденным представлениям об окружающем нас классическом мире. Исходя из этого, многие ученые, особенно занимающиеся другими разделами физики, просто считают квантовую теорию очень удачным математическим образом, позволяющим успешно предсказывать исход тех или иных экспериментов в микрофизике.

Тут пришло время прервать наш рассказ о чудесах квантовой механики и немного рассказать о втором «столпе», на котором сооружен храм современной физики, – теории относительности. Мне кажется, что это прекрасно сделал один из самых знаменитых физиков современности, член Королевского научного общества Великобритании Стивен Уильям Хокинг.

Каждое утро английские студенты из знаменитого Тринити‑колледжа в Кембридже, где заведовал кафедрой физики еще великий Ньютон, видят необычный самодвижущийся экипаж – коляску, в которой сидит человек с безвольно склоненной набок головой. Это спешит на лекции нынешний хозяин кафедры Ньютона замечательный физик‑теоретик Стивен Хокинг. Страшный недуг поразил его тело, но не смог сломить силу воли и разум. Хокинг посещает все интересные конференции по физике во всех частях света, выступает с лекциями в других университетах и даже читал доклад по приглашению американского президента на лужайке перед Белым домом. А еще профессор Хокинг пишет прекрасные научно‑популярные книги.

 

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕНИ

 

В небольшом фрагменте одной из таких книг С. Хокинга – «Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр» – и описывается теория относительности, причем сделано это мастерски, очень образно и доступно.

«Теория Максвелла предсказывала, что радиоволны и свет должны распространяться с некоторой фиксированной скоростью. Но поскольку теория Ньютона покончила с представлением об абсолютном покое, теперь, говоря о фиксированной скорости света, нужно было указать, относительно чего измеряется эта фиксированная скорость. В связи с этим было постулировано существование некой субстанции, названной „эфиром“, которой наполнено все, даже „пустое“ пространство. Световые волны распространяются в эфире так же, как звуковые в воздухе, и, следовательно, их скорость – это скорость относительно эфира. Наблюдатели, с разными скоростями движущиеся относительно эфира, должны видеть, что свет идет к ним с разной скоростью, но скорость света относительно эфира должна оставаться при этом неизменной. В частности, коль скоро Земля движется в эфире по своей орбите вокруг Солнца, скорость света, измеренная в направлении движения Земли (при движении в сторону источника света), должна превышать скорость света, измеренную под прямым углом к направлению движения (то есть когда мы не движемся к источнику). В 1887 году Альберт Майкельсон (впоследствии ставший первым американцем, удостоенным Нобелевской премии по физике) и Эдвард Морли поставили в Кливлендской школе прикладных наук очень точный эксперимент. Майкельсон и Морли сравнивали значение скорости света, измеренной в направлении движения Земли, с ее значением, измеренным в перпендикулярном направлении. К своему огромному удивлению, они обнаружили, что оба значения совершенно одинаковы!

С 1887 по 1905 год был сделан ряд попыток (наиболее известная из которых принадлежит датскому физику Хендрику Лоренцу) объяснить результат эксперимента Майкельсона и Морли тем, что все движущиеся в эфире объекты сокращаются в размерах, а все часы замедляют свой ход. Но в 1905 году никому доселе не известный служащий Швейцарского патентного бюро по имени Альберт Эйнштейн опубликовал ставшую потом знаменитой работу, в которой было показано, что никакого эфира не нужно, если отказаться от понятия абсолютного времени. Через несколько недель ту же точку зрения высказал один из ведущих французских математиков Анри Пуанкаре. Аргументы, выдвинутые Эйнштейном, были ближе к физике, чем аргументы Пуанкаре, который подошел к этой задаче как к математической. Об Эйнштейне обычно говорят как о создателе новой теории, но и имя Пуанкаре связывают с разработкой важной ее части».

Здесь Хокинг обращает наше внимание на то, что фундаментальный постулат теории относительности состоит в том, что абсолютно все известные на сегодняшний день физические законы, так или иначе, должны быть абсолютно одинаковы для всех стоящих, шагающих, едущих или даже летящих с околосветовой скоростью наблюдателей, причем совершенно независимо от скорости их движения. Эта важнейшая основа всей современной физики, да и науки в целом приводит к совершенно парадоксальному и многими до сих пор так и не понимаемому выводу о скорости света: скорость света совершенно одинакова вне зависимости от движения самого наблюдателя!

Вот как разъяснял этот удивительный парадокс сам А. Эйнштейн:

«В двух далеко друг от друга удаленных местах железной дороги А и В ударила молния. К этому я присоединяю, что оба удара последовали одновременно. Если я спрошу тебя, любезный читатель, имеет ли какой‑либо смысл это утверждение, то, конечно, ты ответишь мне убежденным „да“. Но если я буду настаивать на более точном разъяснении смысла этого утверждения, то после некоторого раздумья ты заметишь, что ответ на этот вопрос не так прост, кок кажется на первый взгляд.

После некоторого размышления ты предложишь мне следующим образом установить одновременность. Соединяющий оба места отрезок АВ будет измерен по рельсам, и в середине его будет поставлен наблюдатель. Последний снабжен приспособлением, позволяющим ему одновременно видеть оба место – А и В. Если теперь наблюдатель одновременно воспримет оба удара молнии, то, значит, они одновременны.

Пусть по рельсам идет очень длинный поезд с постоянной скоростью. Пассажиры его с удобством примут свой поезд за то твердое исходное тело (систему координат), к которому они будут приурочивать все события. Всякое событие, совершающееся вдоль полотна железной дороги, происходит также у определенного пункта поезда. Возникает следующий вопрос. Два события (например, два удара молнии – А и В) будут ли также одновременны по отношению к поезду? Мы сейчас убедимся, что ответ будет отрицателен.

Когда мы говорим, что удары молний одновременны по отношению к насыпи, то это означает следующее: лучи света, выходящие из мест удара молнии А и В, встречаются в середине М участка насыпи АВ. Но событиям А и В соответствуют также места А и В в поезде; М* есть середина участка АВ поезда. Пункт М* в момент удара молнии (если судить с полотна дороги) совпадает с пунктом М, но он движется со скоростью поезда. Если бы наблюдатель, сидящий в поезде в пункте М* не подвигался с той же скоростью, а все время оставался в пункте М, то оба световые луча от молний А и В достигли его одновременно, то есть встретились бы как раз у него. Но в действительности наблюдатель движется (если судить с полотна дороги) навстречу лучу света, идущему из В, и удаляется от луча, нагоняющего его из А. Поэтому он раньше увидит луч из В, чем луч из А. Следовательно, пассажиры, для которых вагон служит исходным телом, должны будут прийти к заключению, что удар молнии в В произошел раньше, чем в А. Мы приходим, таким образом, к следующему важному выводу.

События, которые одновременны в отношении к железнодорожному полотну, не одновременны в отношении к поезду, и наоборот (относительность одновременности). Каждое исходное тело (система координат) имеет свое особое время. Указание времени только тогда получает смысл, когда указано исходное тело, к которому оно относится».

Из этого простого принципа – продолжает С. Хокинг, – вытекает ряд замечательных следствий:

«Самые известные из них – это, наверное, эквивалентность массы и энергии, нашедшая свое выражение в знаменитом уравнении Эйнштейна E= mc2 (где E – энергия, m – масса, а c – скорость света), и закон, согласно которому ничто не может двигаться быстрее света. В силу эквивалентности массы и энергии энергия, которой обладает движущийся объект, должна теперь добавляться к его массе. Другими словами, чем больше энергия, тем труднее увеличить скорость. Правда, этот эффект существенен лишь при скоростях, близких к скорости света. Если, например, скорость какого‑нибудь объекта составляет 10 % скорости света, то его масса лишь на 0,5 % больше нормальной, тогда как при скорости, равной 90 % скорости света, масса уже в 2 раза превышает нормальную. По мере того как скорость объекта приближается к скорости света, масса растет все быстрее, так что для дальнейшего ускорения требуется все больше и больше энергии. На самом деле скорость объекта никогда не может достичь скорости света, так как тогда его масса стала бы бесконечно большой, а поскольку масса эквивалентна энергии, для достижения такой скорости потребовалась бы бесконечно большая энергия. Таким образом, любой нормальный объект в силу принципа относительности навсегда обречен двигаться со скоростью, не превышающей скорости света. Только свет и другие волны, не обладающие „собственной“ массой, могут двигаться со скоростью света.

Другое замечательное следствие из постулата относительности – революция в наших представлениях о пространстве и времени. По теории Ньютона, если световой импульс послан из одной точки в другую, то время его прохождения, измеренное разными наблюдателями, будет одинаковым (поскольку время абсолютно), но пройденный им путь может оказаться разным у разных наблюдателей (так как пространство не является абсолютным). И поскольку скорость света есть пройденное светом расстояние, деленное на время, разные наблюдатели будут получать разные скорости света. В теории относительности же все наблюдатели должны быть согласны в том, с какой скоростью распространяется свет. И коль скоро у них нет согласия в вопросе о расстоянии, пройденном светом, у них не должно быть согласия и в том, сколько времени шел свет. (Время прохождения – это пройденное светом расстояние, относительно которого нет согласия у наблюдателей, деленное на скорость света, относительно которой все согласны.) Иными словами, теория относительности покончила с понятием абсолютного времени! Оказалось, что у каждого наблюдателя должен быть свой масштаб времени, измеряемого с помощью имеющихся у него часов, и что показания одинаковых часов, находящихся у разных наблюдателей, не обязательно согласуются».

Тут надо вслед за британским физиком отметить, что если пренебречь гравитационными эффектами, то мы придем к одной из красивейших концепций современной физики – специальной (или частной) теории относительности. Для каждого события в пространстве‑времени можно построить световой конус (представляющий собой множество всех возможных путей, по которым распространяется свет, испущенный в рассматриваемой точке), а поскольку скорость света одинакова для любого события и в любом направлении, все световые конусы будут одинаковы и ориентированы в одном направлении. Кроме того, согласно этой теории, ничто не может двигаться быстрее света. Это означает, что траектория любого объекта во времени и пространстве должна представляться линией, лежащей внутри световых конусов.

Рассказывая о специальной теории относительности, Хокинг делает акцент на том, что именно она позволила объяснить постоянство скорости света для всех наблюдателей (установленное в опыте Майкельсона и Морли) и правильно описывала, что происходит при движении со скоростями, близкими к скорости света. Но при этом он замечает, что новая теория противоречила ньютоновской теории гравитации, согласно которой объекты притягиваются друг к другу с силой, зависящей от расстояния между ними. Последнее означает, что, если сдвинуть один из объектов, сила, действующая на другой, изменится мгновенно. Иначе говоря, скорость распространения гравитационных эффектов должна быть бесконечной, а не равной (или меньшей) скорости света, как того требовала теория относительности.

Переходя к понятию гравитации, С. Хокинг пишет:

«Это не обычная сила, а следствие того, что пространство‑время не является плоским, как считалось раньше; оно искривлено распределенными в нем массой и энергией. Такие тела, как Земля, вовсе не принуждаются двигаться по искривленным орбитам гравитационной силой; они движутся по линиям, которые в искривленном пространстве более всего соответствуют прямым в обычном пространстве и называются геодезическими. Геодезическая – это самый короткий (или самый длинный) путь между двумя соседними точками. Например, поверхность Земли есть искривленное двумерное пространство. Геодезическая на Земле называется большим кругом и является самым коротким путем между двумя точками. Поскольку самый короткий путь между двумя аэропортами – по геодезической, диспетчеры всегда задают пилотам именно такой маршрут. Согласно общей теории относительности, тела всегда перемещаются по прямым в четырехмерном пространстве‑времени, но мы видим, что в нашем трехмерном пространстве они движутся по искривленным траекториям.

Лучи света тоже должны следовать геодезическим в пространстве‑времени. Искривленность пространства означает, что свет уже не распространяется прямолинейно. Таким образом, согласно обшей теории относительности, луч света должен изгибаться в гравитационных полях и, например, световые конусы точек, находящихся вблизи Солнца, должны быть немного деформированы под действием массы Солнца. Это значит, что луч света от далекой звезды, проходящий рядом с Солнцем, должен отклониться на небольшой угол, и наблюдатель, находящийся на Земле, увидит эту звезду в другой точке. Конечно, если бы свет от данной звезды всегда проходил рядом с Солнцем, мы не могли бы сказать, отклоняется ли луч света, или же звезда действительно находится там, где мы ее видим. Но вследствие обращения Земли все новые звезды заходят за солнечный диск, и их свет отклоняется. В результате их видимое положение относительно остальных звезд меняется.

Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что вблизи массивного тела типа Земли время должно течь медленнее. Это следует из того, что должно выполняться определенное соотношение между энергией света и его частотой (числом световых волн в секунду): чем больше энергия, тем выше частота. Если свет распространяется вверх в гравитационном поле Земли, то он теряет энергию, а потому его частота уменьшается. (Это означает, что увеличивается интервал времени между гребнями двух соседних волн.) Наблюдателю, расположенному на большой высоте, должно казаться, что внизу все происходит медленнее».

Таким образом, общая теория относительности представляет пространство и время самосогласованными величинами. Действительно, любое движение материи изменяет кривизну пространства‑времени, и в то же время сам «рельеф» пространства‑времени влияет на движение тел и действие сил. Получается, что как без представлений о пространстве и времени нельзя говорить о событиях во Вселенной, так и в общей теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной.