Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №01 за 1974 год
Мысль видит лучше, чем глаз. Сегодня, как и столетия назад, наши глаза видят Землю плоской. Но еще задолго до полетов космонавтов разум окончательно и бесповоротно убедил нас, что земная поверхность искривлена в каждой своей точке.
Но если двухмерную замкнутую поверхность, близкую по форме к сферической, не так уж трудно представить (кому незнаком шар!), то попробуйте вообразить искривленное трехмерное пространство. Не получается? Однако именно в таком пространстве мы и живем. В трехмерном, искривленном.
Это доказала теория относительности Эйнштейна. В начале XX века выяснилось, что геометрия Вселенной зависит от распределения материи. Масса вещества искривляет пространство, и тем сильней, чем ее больше. А так как окружающий нас мир отнюдь не является пустым, то пространство Вселенной изогнуто.
Двумерную искривленную поверхность земного шара можно объехать, как это сделал Магеллан. А трехмерное пространство Вселенной — может быть, и его когда-нибудь удастся объехать? Или такой возможности не существует в принципе?
Весь вопрос в том, сколь значительна кривизна Вселенной. Если средняя плотность материи в ней достаточно велика, то искривление настолько сильно, что пространство Вселенной, подобно земной поверхности, замкнуто. В этом случае Вселенная конечна, то есть ее объем выражен неким определенным числом, скажем, кубических километров, подобно тому как поверхность Земли выражена определенным числом квадратных километров. Тогда в принципе, видимо, можно объехать «вокруг света».
Если же Плотность материи меньше некой величины, тогда пространство Вселенной не замкнуто. Оно бесконечно, и, стало быть, бесконечен его объем. И объехать вокруг Вселенной нельзя даже в принципе.
Так эта проблема выглядит в первом приближении. Сразу же оговоримся, что под Вселенной мы здесь понимаем тот мир, который нам известен, а не вообще «все сущее».
Либо да, либо нет! Так эта проблема выглядела сравнительно недавно. Увы (а может, к счастью?) все оказалось гораздо сложней.
Ни да, ни нет
«Порвалась связь времен!» — в величайшей тревоге восклицал шекспировский Гамлет. Если бы датский принц был диалектиком, то он понял бы, что именно тогда, когда рвется «связь времен» — цепь привычных причин и следствий, — создаются наиболее благоприятные условия для прогресса, для скачка в неизвестное.
Нелегко освоить уже и то, что наш обжитой мир в действительности искривлен. Еще труднее представить себе, к чему ведет это неощутимое в обыденном существовании человека искривление в масштабах Вселенной.
Мы сказали: достаточно вычислить плотность материи в пространстве, чтобы установить замкнута или нет наша Вселенная.
Такие подсчеты делались и делаются. Новейшие из них дают величину раз в десять меньшую «критической». В результате выходит, что наша Вселенная пространственно-бесконечна.
Но можем ли мы поручиться, что учли все виды материи? Сравнительно недавно, скажем, считалось, что вакуум — это пустота, ничто, «дырка от бублика». Теперь выяснилось, что вакуум — это тоже форма существования материи. Очень своеобразная, странная с точки зрения здравого смысла, но форма. «Пустота», «ничто», как оказалось, способна в определенных условиях рождать вполне материальные частицы и притом без каких-либо нарушений законов сохранения.
Этот пример заставляет нас с большой осторожностью относиться ко всем определениям средней плотности материи, ибо во Вселенной вполне могут существовать еще не известные ее формы. Впрочем, и современные подсчеты известных форм материи не столь уж надежны. Взять хотя бы нейтрино. Потоки этих неуловимых частиц пронизывают космическое пространство (и нас с вами) во всех направлениях. Но о том, какова общая масса этих частиц во Вселенной, мы пока что можем судить весьма приблизительно.
Допустим, однако, что все эти трудности в конце концов удалось бы преодолеть и вычислить совершенно точное значение средней плотности. Получили бы мы в этом случае ответ на интересующий нас вопрос?
Вот тут-то, пожалуй, и начинается самое удивительное...
Дело в том, что все выводы общей теории относительности, касающиеся геометрии мира, справедливы для так называемой однородной, изотропной Вселенной. То есть такой Вселенной, свойства которой по различным направлениям и в разных, достаточно больших областях примерно одинаковы.
Астрономические данные, имеющиеся в нашем распоряжении, свидетельствуют о том, что в достаточно больших масштабах однородность Вселенной сколько-нибудь заметным образом не нарушается. Но следует помнить о том, что мы умеем наблюдать далеко не все космические объекты. Ведь еще совсем недавно мы даже не подозревали о существовании нейтронных звезд — пульсаров и квазаров... А сколько еще таких космических объектов, о существовании которых мы даже не подозреваем?
А в неоднородной, анизотропной Вселенной ситуация, как это недавно показал советский космолог А. Л. Зельманов, существенно усложняется. Получается так, что пространство Вселенной может быть сразу и конечным и бесконечным.
Теория этого вопроса (или, если угодно, парадокса) чрезвычайно сложна. Впрочем, возможно, столь же сложной была для современников Магеллана теория шарообразности Земли. («Позвольте, а почему тогда антиподы не падают с Земли, ведь они стоят по отношению ко мне вверх ногами?!») Так что попробуем расставить кое-какие ориентиры.
Абсолютны или относительны пространственно-временные отношения окружающих нас объектов? Всегда ли и всюду метр — это метр, а секунда — это секунда? Прошло уже более полувека, как Эйнштейн показал, что все эти величины относительны, что их характер целиком зависит от состояния движения данной системы. Так, в движущейся системе течение времени замедляется, а все масштабы длин сокращаются. Иначе говоря, в самолете метр короче, а секунда длиннее, чем на поверхности Земли. Правда, в этом случае разница столь неощутима, что ее пока невозможно обнаружить никакими приборами. Но при скорости системы, близкой к скорости света, эта разница дает о себе знать явственно. Сейчас это уже не только вывод теории, а и экспериментальный факт: «для нас», как показали опыты, время жизни сверхбыстрой элементарной частицы одно, «для частицы» — совсем другое. Равно как и ее размеры.
Но отсюда вытекает, что понятия «конечность», «бесконечность» тоже, видимо, относительны. Если Вселенная однородна, изотропна, то в ней есть одна-единственная физически преимущественная система координат. (Она как бы «вморожена в вещество».) Но если Вселенная неоднородна, анизотропна, то систем координат может быть множество. И тогда в одной движущейся системе Вселенная окажется бесконечной, а в другой — конечной. Подобно тому как метр в ракете не тождествен метру, лежащему на поверхности Земли.
Вот как далеко увела нас теория от классического вопроса: «Конечна или бесконечна?» Согласен, трудно смириться с новой постановкой вопроса. Но, с другой стороны, почему великая природа Вселенной обязательно должна согласовываться с выводами нашего земного, куцего «здравого смысла»?
«Тоннели» в иные миры?
Известный американский физик Р. Оппенгеймер рассмотрел в свое время любопытную теоретическую возможность. Предположим, очень большая масса вещества очутится в очень малом объеме. Тогда ее сжатие под действием собственного тяготения может стать неудержимым. Произойдет гравитационный коллапс — пространство замкнется...
Это было чисто теоретическое рассуждение, исследование по принципу: «рассмотрим некую воображаемую ситуацию и попробуем выяснить, что получится...» (Любимый, кстати, фантастами прием.) Однако за последние годы в глубинах Вселенной был открыт целый ряд явлений, которые говорят о вполне реальной концентрации огромных масс в сравнительно небольших областях пространства. При определенных условиях такая масса начинает катастрофически сжиматься.
Происходит как бы падение всей огромной массы коллапсирующего вещества в одну точку, где плотность достигает чуть ли не бесконечной величины. Явление совершенно неправдоподобное с обыденной точки зрения, но неумолимо вытекающее из формул общей теории относительности...
Но в процессе сжатия происходят еще более удивительные вещи. Поскольку масса сжимающегося вещества не меняется, а поверхность постепенно стягивается, то сила тяжести на ней все возрастает. Наконец наступает момент, когда эта сила становится столь большой, что уже ни одна частица, ни один электромагнитный сигнал, в том числе и световой луч, не может преодолеть огромного притяжения и вырваться наружу. Другими словами, пространство сколлапсированного объекта «схлопывается», «самозамыкается».
Это и есть «черная дыра» — пространственная бездна, куда все проваливается, но откуда ничего не выходит наружу — область, поглощающая сама себя и окружающую материю.
