Тайны пространства и времени

Ему удалось обнаружить совершенно неожиданный факт, не замеченный Эйнштейном. Оказалось, что уравнения общей теории относительности, описывающие эволюцию Вселенной, имеют не только «статические», но и «нестатические» решения. Это означало, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься.

Это было сенсационное открытие, но сделал его никому не ведомый молодой исследователь, дерзнувший посягнуть на мнение признанных корифеев. В свое время в похожую ситуацию попал и сам Эйнштейн. Теперь же, став всемирно известным автором двух великих физических теорий, он, в свою очередь, недооценил результаты, полученные Фридманом.

Трудно сказать, проверял ли Эйнштейн выводы ленинградца с карандашом в руках. Скорее всего, бегло. Должно быть, великий физик положился на интуицию, а она подсказывала, что ничего подобного не может быть: ведь нестационарная Вселенная Фридмана противоречила его собственной стационарной модели. Но как бы там ни было, Эйнштейн, ознакомившись со статьей Фридмана, поместил в очередном номере физического журнала коротенькую заметку, в которой весьма категорично утверждал, что результаты Фридмана вызывают серьезные сомнения и скорее всего неверны.

Прочитав это, Фридман написал Эйнштейну письмо, в котором подробно изложил существо своей работы. На этот раз великий физик проверил все особенно тщательно и к своему удивлению пришел к заключению, что Фридман… абсолютно прав. Возможно, другой на его месте продолжал бы из принципа отстаивать свое первоначальное мнение или, в лучшем случае, просто промолчал. Но Эйнштейну были абсолютно чужды какие-либо амбиции, увы, нередко застилающие глаза даже весьма маститым ученым. Самой главной целью его жизни было познание реальной природы, и потому он никогда не упорствовал в своих ошибках. При этом не имело значения, что его ошибку заметил кто-то другой, для Эйнштейна было гораздо важнее, что ошибка исправлена и тем самым внесено что-то существенно новое в наши знания о мире.

И 13 мая 1923 года в редакцию физического журнала поступило письмо Эйнштейна, которое и было вскоре опубликовано под заголовком «Заметка о работе А. Фридмана о кривизне пространства». «В предыдущей заметке, – писал Эйнштейн, – я критиковал названную работу. Однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана, основывалась на ошибках в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными…».

А спустя несколько лет американский астроном Слайфер обнаружил в излучении галактик так называемое красное смещение. Подобное явление, известное в физике под названием эффекта Доплера, наблюдается в тех случаях, когда расстояние между источником излучения и приемником непрерывно возрастает.

Еще через несколько лет другой американский астроном Хаббл выяснил, что чем дальше находится от нас та или иная галактика, тем быстрее она удаляется. Это означало, что все звездные острова взаимно удаляются друг от друга – мы живем в расширяющейся Вселенной.

Но как мы уже знаем, современное состояние нашей области мироздания должно хранить в себе следы своей предыстории. Поэтому проведем мысленный эксперимент. Да, именно мысленный. Дело в том, что исследовательская работа астрономов заметно отличается от работы физиков, химиков или биологов. И те, и другие, и третьи, как правило, имеют возможность изучать интересующие их объекты непосредственно. Наблюдать их поведение. Проводить эксперименты – то есть изменять по своему желанию их состояние: нагревать, сжимать, облучать и регистрировать последствия подобных воздействий. Исследователи Вселенной таких возможностей практически полностью лишены. Особенно в тех случаях, когда речь идет об изучении космических объектов, расположенных за пределами Солнечной системы. Остается экспериментировать либо теоретически, проигрывая различные варианты на компьютерах, либо мысленно, с помощью воображения… Займемся этим и мы.

Остановим разлетающиеся галактики и повернем их вспять. Тогда все процессы потекут в обратном порядке, и мы придем к поразительному заключению: пятнадцать – двадцать миллиардов лет назад не было ни звезд, ни галактик, ни планет, ни туманностей, а только необыкновенно плотная и необычайно горячая плазма – «зародыш» будущей Вселенной. Разбегание галактик – это тоже «тени минувшего».

Это открытие послужило толчком к созданию теории так называемой горячей расширяющейся Вселенной. Она была разработана главным образом усилиями русского физика Георга Гамова и католического ученого Жоржа Леметра. Согласно этой теории, Вселенная образовалась в результате Большого взрыва первоначального необычайно плотного компактного «сгустка» космического вещества (так называемой сингулярности). Эта теория долгое время считалась общепринятой, однако в дальнейшем обнаружился ряд обстоятельств, которые она объяснить не могла. В частности, при разработке конкретных сценариев и моделей расширяющейся Вселенной ученые столкнулись с целым рядом трудностей и загадочных противоречий. Возникло немало вопросов, требовавших ответа, – появилось новое «знание о незнании».

Предположения о прошлом не должны вступать в конфликт с настоящим, а между тем некоторые свойства современной Вселенной явно противоречили теоретическим предположениям о предшествующих фазах ее эволюции.

Так, например, согласно существующим представлениям, современная Вселенная однородна и изотропна. Иными словами, свойства ее достаточно больших областей приблизительно одинаковы и все пространственные направления физически равноправны. Универсальный характер космических систем является отправной точкой современной космологии. Звезды напоминают по своему строению наше Солнце, другие галактики – наш Млечный Путь. Удаленные небесные тела состоят из тех же атомов, из которых состоят тела на Земле. А физические процессы, протекающие в дальнем космосе, по-видимому, идентичны тем процессам, которые развертываются в ближнем космосе.

Был сформулирован так называемый космологический принцип: «Ближний космос можно рассматривать как типичный образец Вселенной в целом». Это относится ко всей «организации» Вселенной – в частности, к распределению галактик как по удалению, так и по направлениям (однородность и изотропия). Эти свойства сохраняются и в процессе расширения Вселенной.

То, что пространственные направления физически равноправны, в рамках теории расширяющейся Вселенной выглядит крайне загадочным. В самом деле, в мире, в котором мы обитаем, никакие физические взаимодействия не могут распространяться со скоростью, превосходящей скорость света, – таковы законы физики! Из этого следует очень важный вывод: область Вселенной, которую мы непосредственно наблюдаем, всегда имеет конечные размеры, в ней существует оптический «горизонт», за который в данную эпоху мы не в состоянии заглянуть. Объекты, расположенные за этим «горизонтом», находятся от нас на столь больших расстояниях, что электромагнитные излучения не успели преодолеть их за то время, в течение которого Вселенная существует.

Мало того, во Вселенной всегда есть такие «точки», которые находятся друг от друга на расстояниях, превосходящих расстояние оптического «горизонта». Между такими точками, очевидно, не может существовать никакой причинной зависимости. Образно говоря, ни одна из таких «точек» не может «знать», что происходит в другой. Не так уж трудно подсчитать, что к числу подобных «независимых» точек относятся, например, точки, расположенные на границах наблюдаемой области Вселенной и отстоящие друг от друга на угловые расстояния, превосходящие тридцать градусов. Между тем астрономические наблюдения выявили удивительный факт: оказывается, материя, расположенная у границ наблюдаемой Вселенной, везде – везде! – обладает приблизительно одинаковыми свойствами. Как же так? Каким образом это могло произойти? Если Вселенная равномерно расширяется, то в ней нет и не может быть никакого механизма, способного выравнивать неоднородности на расстояниях, превосходящих расстояние оптического горизонта.

Возникла и еще одна трудность, судя по всему, непреодолимая в рамках теории горячей расширяющейся Вселенной… Известно, что герои литературных произведений, вызванные к жизни воображением автора, затем по ходу развития действия приобретают самостоятельность, независимо от желаний и воззрений своего создателя. Сформулированный фантазией писателя образ в какой-то момент перестает ему подчиняться. В тех или иных ситуациях, возникающих в процессе повествования, герой может поступать только так и не иначе, в соответствии со своей предысторией и с тем характером, которым он наделен, независимо от того, хочет этого автор или не хочет. Обретя заданные писателем свойства и взгляды, он уже не может в дальнейшем подчиняться авторскому произволу. Любое насилие над образом сразу же сделает произведение противоречащим жизненной правде, а значит и не художественным.

Нечто подобное происходит порой и в науке. Разработанная тем или иным ученым теория обретает самостоятельную жизнь, может выйти из-под «контроля» своего создателя и привести к выводам, противоречащим его собственным представлениям о природе. Так произошло и с теорией относительности. Хотя сам Эйнштейн и был убежден в конечности Вселенной, из уравнений созданной им теории в принципе вытекала и другая возможность. Степень искривления пространства, согласно общей теории относительности, зависит от массы тяготеющего вещества. Поэтому, чем больше масса – тем сильнее кривизна. И при достаточно больших массах она может сделаться настолько значительной, что произойдет «свертывание», «самозамыкание» пространства – оно станет конечным.