Физика с Хокингом. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас
Галактики образуют между собой еще более крупные структуры: группы, скопления и даже сверхскопления, состоящие из десятков тысяч звездных островов. В целом распределение материи во Вселенной напоминает мыльную пену в раковине: пена соответствует сверхскоплениям тысяч скоплений галактик, внутренняя часть воздушных пузырей соответствует космическим пустотам между ними. И пустых пространств становится все больше и больше, об этом свидетельствуют астрономические измерения. Диаметр наблюдаемой Вселенной составляет более 92 миллиардов световых лет. Но так не будет продолжаться вечно.
Рост космоса
Вселенная меняется. И это поистине потрясающее открытие: космос растёт! После Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад, он постоянно расширяется. Только таким образом материя могла разжижаться, охлаждаться и постепенно конденсироваться в звезды и планеты. На самом деле, даже просто глядя в окно ночью, можно увидеть – по крайней мере, если вы космолог – что мы живем в расширяющемся, а не в статичном пространстве. Свет от далеких звезд «растягивается» расширением, и мы больше не можем его видеть (так как длины волн увеличиваются). По этой причине, а также потому, что звезды есть не везде или их свет еще не успел достичь Земли, ночью не так светло, как днем.
Космос – это не «ничто». Он не постоянный и не неизменный, а гибкий, изменчивый и динамичный. Этот факт – одно из самых невероятных открытий. Однако это трудно проиллюстрировать, поскольку в повседневной жизни мы этого никак не замечаем. Тем не менее, человеческий мозг оказался достаточно изобретательным – по крайней мере, у некоторых ученых – чтобы осознать эту идею, обработать ее математически… и, наконец, даже подтвердить ее физическими данными!
«Мы живем в странной и прекрасной Вселенной. Требуется необыкновенное воображение, чтобы оценить ее возраст, размеры, мощь и красоту».
Если представить себе пространство как тесто, а скопления галактик – как изюминки, то расширяющаяся Вселенная будет напоминать поднимающееся тесто для пирога, в котором все изюминки отдаляются друг от друга.
В 1915 году Альберт Эйнштейн в общей теории относительности описал, как искривляется пространство в присутствии материи или энергии. Он также понял, что пространство и время – это не сцена, на которой все происходит. Скорее, они образуют единое целое. Они играют активную роль в космической драме как так называемый пространственно-временной континуум. Это понимание стало революционным. В последующие годы Эйнштейн и другие исследователи открыли, что пространство не является статичным, стабильным и неподвижным, а должно расширяться (или сжиматься) как единое целое.
Это был неожиданный вывод. Едва ли тогда кто-то воспринял это всерьез, даже сам Эйнштейн. Но вскоре астрономы обнаружили веские доказательства этого явления. В частности, измерения, проводимые Эдвином Хабблом с 1929 года, показали, что почти все галактики удаляются от Млечного Пути. И чем дальше они находятся, тем быстрее они движутся. Но это не значит, что Млечный Путь является центром огромного взрыва, от которого все разлетается. Напротив, это явное свидетельство того, что все наблюдаемое пространство расширяется. Само пространство расширяется и раздвигает галактики. Это похоже на дрожжевое тесто для пирога: когда оно поднимается в духовке, расстояние между изюминками увеличивается.
Вселенная как воздушный шар
Проявив немного воображения, каждый сможет сделать вторую модель расширяющейся Вселенной: взять мелкий сахар, посыпать им мокрый воздушный шар и надуть его. Сахарные крупинки могут символизировать скопления галактик, а поверхность воздушного шара – космос. Расширение резиновой оболочки при этом соответствует расширению пространства. Сахарные крупинки будут отдаляться друг от друга. С точки зрения каждой крупинки будет создаваться впечатление, будто она находится в центре воображаемого взрыва, а все частицы вокруг нее разлетаются в стороны. Но это оптическая иллюзия, потому что такое же впечатление создается с точки зрения любой другой крупинки сахара. На оболочке воздушного шара вообще нет центра – все движется в противоположных направлениях, как во Вселенной.
Конечно, это сравнение некорректно во многих отношениях. Воздушный шар образует гладкую поверхность, а пространство имеет три измерения. Никто не знает, является ли оно шарообразным или бесконечно велико.
Пространство расширяется, и галактики удаляются друг от друга подобно точкам на поверхности надуваемого воздушного шара. В ходе этого процесса вещество разбавляется.
Воздух надувается в воздушный шарик извне, а Вселенная не получает никакой энергии или чего-либо еще снаружи, а расширяется сама по себе. Однако воздушный шар надувают в помещении или на открытом воздухе. Вселенная же не расширяется в другое пространство, а скорее растет «внутренне» – идея, которая неизбежно выходит за рамки повседневного понимания вещей.
Если бы Вселенная имела положительную кривизну, то ее объем был бы конечным, но она не имела бы границ. Это можно представить, используя аналогию с поверхностью воздушного шара: на этой поверхности двумерный, «плоский» жук вернулся бы в исходную точку, если бы упорно полз прямо вперед.
Это увеличение объема происходит в огромных пустых пространствах между скоплениями галактик. Внутри галактик, которые удерживаются вместе гравитацией своих звезд и газовых масс, расширения не происходит. Так что вы не станете толще за одну ночь только потому, что пространство расширяется. Каждую секунду наблюдаемая Вселенная приобретает объем целой галактики!
У воздушного шара также есть центральная точка, расположенная внутри. В космосе картинка совсем иная. Если мысленно прокрутить событие в обратном порядке – или просто выпустить воздух из шарика – резиновая оболочка сожмется. В модели точка, до которой оболочка идеально сокращается, соответствует Большому взрыву. Это была отправная точка, а не тот хлопок, который раздается, когда надуваешь шарик так сильно, что он лопается.
Но эта точка – не единственная отправная точка расширения! Большой взрыв был не местом, из которого все возникло, а скорее самим началом космоса. Если рассматривать это с такой точки зрения, то Большой взрыв произошел повсюду – даже прямо у нас под носом.
Расширяющаяся Вселенная подобна надуваемому воздушному шару.
Расширяющаяся резиновая оболочка соответствует растущей Вселенной, а ее увеличивающееся расстояние от внутреннего центра соответствует времени, прошедшему с момента Большого взрыва.
Большой взрыв был не событием в космосе, которому можно было бы воздвигнуть памятник, а процессом создания пространства.
Граница прошлого
Научная карьера Стивена Хокинга началась очень стремительно. Его докторская диссертация
