Вы здесь: Главная > Астрономия > Вселенная расширяется

Вселенная расширяется

автошкола .

Заглянуть глубже в тайны мироздания, чем это сделал Ньютон, долгое время казалось невозможным. Лишь в начале нашего века в 1915 году появилась работа А. Эйнштейна, которая в конце концов заставила пересмотреть систему мира Ньютона, и, заметим, самым радикальным образом. Здесь нельзя не вспомнить уже упоминавшуюся эпитафию А. Попа, на которую после появления работ Эйнштейна «вышло дополнение»:

…Но сатана недолго ждал реванша —
Пришел Эйнштейн, и стало все, как раньше.

Вряд ли здесь уместно выражение «стало все, как раньше». Но совершенно ясно одно: стало все гораздо интереснее.


Знаменитые уравнения Эйнштейна — основа общей теории относительности — были опубликованы в 1916 году. Они подарили нам новый мир, существенно отличающийся от мира Ньютона. Как образно сказал один из крупнейших современных физиков, Дж. Уилер, в общей теории относительности пространство «говорит» материи, как ей двигаться, а материя «указывает» пространству, как ему искривляться.
Нам сейчас нужно обязательно запомнить чрезвычайно важное обстоятельство, заключающееся в том, что специфические свойства пространства-времени, которые естественно могут быть объяснены при введении такого понятия, как кривизна, проявляются лишь в сильных гравитационных полях. В локальных областях справедливо классическое приближение Ньютона. Кстати говоря, закон всемирного тяготения Ньютона легко выводится из ОТО (как сейчас называют физики общую теорию относительности). «Самая красивая из всех существующих физических теорий», — писали об ОТО советские физики, академики Л. Ландау и Е. Лифшиц.
Поскольку речь у нас сейчас пойдет о космологических проблемах, об истории Вселенной, следует попытаться понять хотя бы основные выводы и следствия из ОТО. Это нелегкая задача, поскольку ОТО имеет дело с четырехмерным пространством, где одной из координат является время.
Трудность состоит в том, что четырехмерный мир нельзя представить себе наглядно. Для нас число «наглядных» измерений не превышает трех. Двухмерна плоскость, трехмерен шар, куб, но как представить себе четырехмерие? Математики имеют дело с пространствами и больших размерностей, но для нас, как, впрочем, и для них, это абстракции.
Четырехмерный мир Эйнштейна, конечно же, не абстракция. Дело в том, что мы живем геометрически в трехмерном пространстве, но все физические процессы в этом мире связаны со временем, а сам ход времени для наблюдателя зависит от свойств пространства, от скорости процессов. Поэтому время связано в мире Эйнштейна с геометрией, а геометрия со временем. Недаром Уилер предложил называть теорию Эйнштейна геометродинамикой.
Геометродинамика, ОТО предсказывает удивительные явления, которые должны происходить в нашем мире: изменение темпа течения времени, искривление лучей света в сильных полях тяготения и многое другое. Но нас сейчас будут интересовать несколько иные вещи.
Обратимся к основному отличию ОТО от классической физики Ньютона при рассмотрении Вселенной, мира. Об этом отличии лучше всего сказал сам Эйнштейн: «Потребовалась жестокая борьба (для Ньютона), чтобы прийти к понятию независимого и абсолютного пространства, неоценимому для развития теории… Выводы Ньютона при современном ему состоянии науки были единственно возможными и, в частности, единственно плодотворными.
…Не менее напряженные усилия потребовались для того, чтобы впоследствии преодолеть это понятие (абсолютного пространства)».
Итак, пространство не абсолютно, оно динамично, оно живет. И самым важным свойством уравнений Эйнштейна, по крайней мере для космологии, является то, что они позволяют представить себе, как жила, живет и будет жить в дальнейшем наша Вселенная.
Начиная рассказ об этом, нельзя не подчеркнуть, что Эйнштейн на первых порах намеренно искал такое решение своих уравнений, которое «давало» бы однородную и статичную Вселенную. То есть сначала и Эйнштейн, так же как и Ньютон, оказался в плену идеи, если так можно выразиться, «статичной вечности».
Первым человеком, которому удалось на основании уравнений Эйнштейна получить принципиально новые выводы о структуре нашей Вселенной, был советский математик А. Фридман. Ему было всего 37 лет, когда он умер от брюшного тифа в Ленинграде в 1925 году.
Фридман был разносторонним человеком. Он выполнил интересные работы в области метеорологии и гидромеханики. Но имя свое ученый обессмертил работами по космологии. Первая статья 1922 года, где он нашел новое космологическое решение уравнений ОТО, говорила о том, что наш мир, наша Вселенная нестационарна. Она замкнута и непрерывно расширяется. Эйнштейн отреагировал на эту статью отрицательно, немедленно опубликовав «Замечание», в котором содержалось опровержение выводов Фридмана. Но великий Эйнштейн оказался неправ. Он признал это в 1923 году: «Я считаю результаты г. Фридмана правильными и проливающими новый свет…»
Сегодня в научной литературе прочно утвердился термин «Вселенные Фридмана». Что же это такое?
Фридман нашел два решения уравнений Эйнштейна, каждое из которых зависит от средней плотности материи во Вселенной. Если средняя плотность ρ меньше некоторой величины ρкр или равна ей, то Вселенная может быть пространственно как бесконечной, так и конечной, но расширение ее будет продолжаться всегда. Если же значение средней плотности больше критической (ρ > ρкр), неизбежно получается замкнутая (но безграничная!) Вселенная. Силы гравитации в этом случае должны в конце концов остановить расширение Вселенной, и она рано или поздно начнет сжиматься.
Попробуем пояснить, как совмещаются понятия конечности и безграничности. Наглядный пример здесь достаточно прост. Возьмем поверхность резинового надувного шарика. Она конечна, как бы мы этот шар ни раздували. Но в то же время она и безгранична, так как, путешествуя по этой поверхности, мы никогда не доберемся до границы. В крайнем случае вернемся туда, откуда начали свой путь. Эту аналогию полезно запомнить, она еще не раз нам пригодится.
Итак, на сцене появились динамические модели Вселенной. И сразу же возникло множество вопросов. Ведь модели Фридмана — его Вселенные — построены пером теоретика (да и вообще все, что мы до сих пор обсуждали, было гениальными теоретическими построениями), и только данные наблюдательной астрономии могли подтвердить или опровергнуть эти модели — модели расширяющейся Вселенной. О чем же они свидетельствовали в то время?
Еще в 1914–1917 годах астрономы выяснили поразительный факт, которому, к сожалению, сначала не придали значения: большинство далеких галактик разбегаются от нашей Галактики с довольно большими скоростями, причем самые далекие из них с самыми большими скоростями.
На последнее обстоятельство обратил внимание еще в 1919 году американский астроном X. Шепли, но не сумел объяснить его («Вселенные Фридмана» еще не были созданы!). И лишь в 1929 году американский астроном Э. Хаббл вывел свой знаменитый закон, гласящий, что скорость разлета галактик прямо пропорциональна расстоянию от нашей Галактики. V = Hr, где V — скорость галактики, r — расстояние, H — так называемая постоянная Хаббла. Закон Хаббла — один из краеугольных камней современной космологии, и поэтому нам следует остановиться на этом явлении подробнее.
Каждый, кто стоял на железнодорожной платформе и наблюдал приближающийся и проходящий мимо скорый поезд, знает, что тон гудка меняется при движении поезда. Частота звука увеличивается, когда поезд подходит к платформе, и понижается, когда он удаляется от вас. Это следствие так называемого эффекта Доплера, хорошо известного в физике.
Пример движущегося по направлению к нам, а потом удаляющегося от нас источника звукового сигнала является прекрасной его иллюстрацией. Звук представляет собой бегущие в воздухе волны. Пусть источник звука дает постоянную частоту, длину волны. Длина звуковой волны — это произведение скорости звука на интервал времени между «гребнями волны». Если источник звука неподвижен, то человек всегда будет слышать один и тот же тон.

Распространение звуковых волн от неподвижного источника.
Пусть источник двигается по направлению к наблюдателю. Скорость звука не меняется. Но поскольку источник двигается к наблюдателю, то за тот же промежуток времени, что и в случае с неподвижным источником, мимо наблюдателя пройдет большее число гребней, чем в случае, когда источник неподвижен. Другими словами, наблюдателю будет казаться, что он воспринимает меньшие длины волны или более высокие частоты.

Эффект Доплера.
Тот же самый случай мы имеем, когда движется источник света. Если он приближается, то наблюдателю будет казаться, что свет синеет. Если источник удаляется, то фотоны краснеют, длина их волны увеличивается.
Астрономы наблюдали спектры далеких туманностей и установили, что хорошо известные линии, например, ионизированного кальция или водорода, находятся «не на своих местах», сдвинуты далеко в красную сторону спектра. Так был обнаружен факт разлета галактик, и вскоре в науке появился знаменитый термин «красное смещение». Закон Хаббла был установлен в 1929 году, и модели расширяющейся Вселенной получили таким образом первое надежное экспериментальное подтверждение.
Нужно сказать о том, что закон Хаббла и красное смещение разрешают и знаменитый парадокс Ольберса.
Здесь мне хочется сделать небольшое отступление и подробнее остановиться на некоторых поистине удивительных ситуациях, с которыми сталкиваешься, рассматривая историю научных открытий.
Уже говорилось, что закон Всемирного тяготения Ньютона легко выводится из ОТО. Но не это самое интересное. В 30-х годах было показано, что из закона Всемирного тяготения можно получить законы расширения и сжатия Вселенной, и ОТО для этого в принципе не нужна!
Это поистине поразительный факт, свидетельствующий лишний раз о том, насколько притягательна идея вечной и стационарной Вселенной. Нам трудно себе представить, что модели расширяющегося мира в принципе могли быть получены задолго до рождения Эйнштейна, к примеру, еще во времена Ньютона. И не построены были эти модели по чисто психологическими причинам.
Для самого Ньютона не существовал вопрос о начале мира, для него непреложным фактом было сотворение мира Творцом. Человечество не было еще готово к постановке подобного вопроса на научной основе. Прошло два столетия со дня смерти Ньютона, и уже великий Эйнштейн не хочет говорить с аббатом Леметром о вопросе начала: «Это слишком похоже на акт творения. Сразу видно, что Вы священник». А ведь аббат Леметр, будущий президент папской Академии в Ватикане, был одним из тех, кто наряду с Фридманом исследовал решения ОТО. Термин «вселенные Леметра» прочно вошел в научную литературу. Именно он ввел понятие первичного атома, при взрыве которого и образовался наш мир.
Парадокс, а может быть, и нечто большее, чем парадокс, состоял в том, что и Эйнштейн, и многие другие ученые в течение нескольких лет после выхода в свет работ Фридмана (а затем и Леметра) не рассматривали всерьез космологические решения ОТО, зависящие от времени. Переворот в сознании и соответствующая переоценка произошли лишь после открытия Хаббла.
Надеюсь, что рассказанная здесь история не дискредитировала ОТО в глазах читателя. Ведь эта теория — «непревзойденная вершина теоретической физики» — стала истинной основой всей современной космологии. Выше же речь шла лишь о трудных и порой неожиданных поворотах на пути развития человеческого знания, об исключительно интересной проблеме «своевременности» научных открытий.
А теперь вернемся к явлению разбегания галактик.
Закон Хаббла утверждает, что чем дальше от нас находится какая-нибудь галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется. При этом должна возрастать величина красного смещения. В конце концов оно станет настолько большим, что мы не сможем увидеть источник света. Как говорят в космологии, красное смещение создает «горизонт» видимости, за который наш взгляд не может проникнуть. К тому же расширение Вселенной происходит достаточно быстро. Ну а поскольку свет от объектов, лежащих за горизонтом, мы не можем воспринять, а внутри горизонта число звезд по астрономическим масштабам невелико — ≈ 1025, парадокс Ольберса, основанный на введении бесконечного числа источников света и бесконечной Вселенной, разрешается просто в рамках моделей расширяющейся Вселенной.
При анализе закона Хаббла возникает еще один вопрос. Если все наблюдаемые галактики разлетаются от нас, то не находимся ли мы, земные наблюдатели, в центре мира?
Казалось бы на первый взгляд, что наше положение «привилегированно».
Вернемся снова к аналогии с поверхностью резинового надувного шара. Предположим, что это и есть наша Вселенная (мы не можем покинуть поверхность или проникнуть внутрь шара). Нанесем на поверхность шара точки и будем считать каждую точку галактикой. Начнем надувать шар от радиуса R до радиуса 2R (модель расширяющейся Вселенной!). Все точки (галактики) естественно останутся на поверхности шара, расстояние между ними также увеличится в два раза.
Но вот что самое интересное! В какую бы «галактику» на нашей сфере мы ни поместили наблюдателя (А или В), ему будет казаться, что все остальные галактики от него удаляются, и именно он находится в центре мира. Внимательно посмотрев на рисунок, читатель сам в этом убедится.

Таким образом, наша Вселенная не имеет выделенного центра. Но давайте пойдем назад — начнем выпускать воздух из нашего шарика и предположим, что он сожмется в точку. Конечно, с реальным воздушным шариком этого не произойдет, но в качестве мысленного эксперимента подобная операция не вызывает трудностей. Тогда мы увидим, что при стремлении радиуса шара к 0 поверхность его также стремится к 0, и, естественно, расстояния между точками его поверхности (галактиками) беспредельно уменьшаются.
Именно здесь мы и подходим к одному из основных вопросов космологии: что было вначале? Вопрос вполне правомочный. Ведь если Вселенная расширяется, то когда-то этот процесс должен был начаться. И здесь физика — наука, претендующая на то, что она может объяснить любое явление в окружающем нас мире, — обязана была сказать свое слово.

Комментирование записей временно отключено.