Дао физики

Изучая Вселенную как единое космическое целое с миллионами галактик, мы сталкиваемся с высшими масштабами пространственно-временного континуума и с удивлением обнаруживаем, что и здесь Вселенная не статична — она расширяется! Это явление было одним из важнейших открытий современной астрономии. Тщательный анализ световых волн, достигших нашей планеты из отдаленных галактик, позволил ученым обнаружить, что россыпь галактик постоянно расширяется по строгим законам. Скорость удаления любой из них от наблюдателя прямо пропорциональна разделяющему их расстоянию: при его двукратном увеличении скорость тоже возрастает вдвое. Это утверждение верно не только для нашей галактики, но и для остальных. В какой бы галактике мы ни оказались, остальные — соседние — будут удаляться от нас: ближние — со скоростью несколько тысяч километров в секунду, а дальние — почти со световой. Свет, исходящий от еще более удаленных галактик, не может дойти до нас, потому что они удаляются от Земли быстрее скорости света[186]. Говоря словами английского астрофизика сэра Артура Эддингтона, их свет «похож на бегуна, движущегося по дорожке стадиона, которая постоянно удлиняется, так что финишная черта удаляется от него быстрее, чем он может бежать».

Чтобы лучше понимать, как именно расширяется Вселенная, нужно не забывать, что явления макромира следует рассматривать в контексте общей теории относительности Эйнштейна. Согласно ей, пространство не «плоское», а «искривленное», причем характер искривления зависит от распределения вещества во Вселенной. Эту зависимость описывает выведенное Эйнштейном уравнение поля. Оно положено в основу современной космологии и характеризует общую структуру Вселенной.

Говоря о расширяющейся Вселенной в контексте общей теории относительности, мы имеем в виду более высокое измерение. Здесь тоже уместно обратиться к плоскостной аналогии. Представим воздушный шарик, поверхность которого усеяна множеством точек (рис. 32). Он изображает Вселенную, его двумерная искривленная поверхность — двумерную плоскость, а точки на ней — галактики Вселенной. Когда мы надуваем шарик, расстояния между точками увеличиваются. Если мы находимся на одной из них, все остальные будут удаляться от нас. Так же происходит расширение Вселенной: в какой бы галактике ни оказался наблюдатель, остальные галактики будут удаляться от него.

Рис. 32. Плоскостная аналогия расширяющейся Вселенной

Возникает естественный вопрос: как началось это расширение? Приняв в расчет зависимость между удаленностью галактики и текущей скоростью ее удаления от нас (она известна под названием закона Хаббла[187]), можно вычислить, в какой момент началось расширение Вселенной, т. е. определить ее возраст.

Если мы предположим, что скорость расширения не менялась (а это отнюдь не очевидно), то получим оценку в 10 млрд лет. Это и есть возраст Вселенной[188]. Большинство современных ученых-космологов считают, что Вселенная возникла в результате катастрофического события — взрыва первичного сгустка вещества, происшедшего более 10 млрд лет назад. Зафиксированное в наши дни расширение Вселенной — «отголосок» этого давнего события. Согласно теории Большого взрыва, в момент, когда он произошел, возникла Вселенная и появились пространство и время. Если мы попытаемся представить себе, что предшествовало этому, мы снова попадем в тупик из-за особенностей нашего мышления и языка. Вот как об этом говорил известный английский астроном сэр Бернард Ловелл.

Здесь перед нами вырастает непреодолимый психологический барьер, связанный с тем, что мы начинаем испытывать сложности с понятиями пространства и времени, которые раньше мы воспринимали на основе нашего повседневного опыта. У меня при этом появляется ощущение, будто я внезапно въехал на машине в полосу густого тумана, в котором знакомый мир исчезает[189].

Что касается будущего расширения Вселенной, то уравнения Эйнштейна не дают однозначного ответа. Они имеют несколько возможных решений, соответствующих разным моделям. Некоторые предполагают, что расширение будет продолжаться бесконечно; согласно другим, оно уже замедляется и может смениться процессом сжатия. Эти модели описывают «пульсирующую Вселенную», которая сначала в течении миллиардов лет расширяется, а потом снова сжимается, пока не превратится в небольшой шар огненного вещества, после чего снова начнет расширяться, и так до бесконечности.