следующей главе). Главная задача современной космологии — определить, которая из моделей лучше описывает строение Вселенной.
Поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, искривление, вызванное гравитацией, имеет место не только в трехмерном пространстве, но и в четырехмерном пространстве-времени. В искривленном пространстве-времени искажения затрагивают не только пространственные соотношения, описываемые геометрией, но и продолжительность промежутков времени. Время здесь течет не с такой скоростью, как в «плоском пространстве-времени». Она изменяется вместе со степенью искривления пространства, которое зависит от наличия вблизи массивных объектов. Но важно помнить, что изменения в скорости времени в том или ином месте может заметить только наблюдатель, который находится в другом месте по отношению к часам, фиксирующим изменения. Если наблюдатель, например, стоит там, где время течет медленнее, все его часы тоже замедляют ход и он утрачивает способность измерить изменение.
На Земле гравитация действует на пространство и время незначительно, но в астрофизике, которая имеет дело с телами исключительно большой массы — планетами, звездами и галактиками, — искривление пространства-времени очень важно. Имеющиеся наблюдения подтверждают правильность выводов Эйнштейна и дают нам уверенность в том, что пространство-время искривлено. Самым ярким проявлением искривления представляются процессы, происходящие во время гравитационной гибели массивной звезды. Согласно современной астрофизике, каждая звезда достигает определенного этапа развития, на котором она прекращает свое существование из-за взаимного гравитационного притяжения частиц, составляющих ее. Поскольку по мере сокращения расстояния между частицами это притяжение резко возрастает, процесс сжатия ускоряется. Если звезда обладает достаточно большой массой (как минимум вдвое больше массы Солнца), ни один известный нам процесс не может предотвратить ее бесконечный коллапс.
По мере того как звезда сжимается, увеличивается ее плотность, гравитация на ее поверхности проявляется сильнее, и пространство-время вблизи нее всё больше искривляется. Благодаря возрастанию гравитации на поверхности звезды становится всё сложнее удалиться от нее. В результате звезда достигает стадии, на которой никакие частицы, включая свет, не могут ее покинуть. Тогда вокруг звезды формируется «горизонт событий»[163], поскольку ни один сигнал не способен сообщить окружающему миру о том, что происходит на ее поверхности. Пространство, окружающее звезду, настолько искривлено, что даже свет не может вырваться за его пределы. Мы не можем увидеть ее, поскольку ее свет не доходит до нас. Поэтому такие звезды называются «черными дырами». Существование «черных дыр» было предсказано на основе теории относительности еще в 1916 г. Позже о них вспомнили в связи с недавно открытыми явлениями, которые могут косвенно указывать на то, что тяжелые звезды способны вращаться вокруг неких невидимых космических объектов (возможно, это и есть «черные дыры»).
«Черные дыры» принадлежат к числу самых загадочных и необычных объектов, исследуемых современной астрофизикой, и являются яркой иллюстрацией действия теории относительности. Сильная искривленность пространства-времени в районе черной дыры не только не позволяет лучам света достичь нас, но и оказывает столь же поразительное влияние на текущее там время. Если бы на поверхности звезды, которая приближается к своей гибели, находились испускающие световые сигналы часы, то мы наблюдали бы, как меняется, замедляясь, течение времени вокруг нее. А когда звезда превратилась бы в «черную дыру», никаких сигналов времени с ее поверхности уже не исходило бы. Для стороннего наблюдателя течение времени на поверхности звезды замедляется по мере приближения момента ее коллапса, а в момент пересечения «горизонта событий» останавливается совсем. Поэтому можно утверждать, что процесс абсолютного коллапса звезды бесконечен. Однако с самой звездой в момент достижения ею «горизонта событий» ничего особенного не происходит. Течение времени остается тем же, и звезда прекращает существование через некоторый конечный промежуток времени, сокращаясь до размеров точки с бесконечной плотностью. Сколько же времени занимает коллапс звезды — некий промежуток или бесконечность? В мире теории относительности такой вопрос не имеет смысла. Продолжительность существования сжимающейся звезды, как и все прочие промежутки времени, относительна и зависит от системы координат, выбранной наблюдателем.
Общая теория относительности отказывается от классических представлений о пространстве и времени как о категориях, имеющих абсолютную и самостоятельную природу. Относительны не только все измерения в пространстве и времени, зависящие от передвижений наблюдателя, но и сама структура пространства-времени определяется распределением материи во Вселенной. В разных частях Вселенной пространство характеризуется той или иной степенью искривленности, и время течет в них с разной скоростью. Таким образом, наши представления о трехмерном евклидовом пространстве и линейном времени ограничены нашим обычным опытом существования в физическом мире и должны быть отброшены, когда мы выходим за рамки этого опыта.
Восточные мудрецы тоже говорят о выходе за пределы своего опыта при переходе к более высоким состояниям сознания. И они признают, что одной из неотъемлемых характеристик таких состояний сознания становится кардинально иное восприятие времени и пространства. Они подчеркивают, что медитация открывает им путь за пределы обычного трехмерного пространства, и особо упирают на то, что при этом меняется привычное ощущение хода времени. Они утверждают, что вместо линейной последовательности мгновений они имеют дело с бесконечным, безвременным, но меняющимся настоящим. В приведенных ниже отрывках три восточных мистика рассуждают о восприятии «вечного сейчас»: даосский мудрец Чжуан-цзы, шестой патриарх дзен Хуэй-нэн и современный исследователь буддизма Дайсэцу Судзуки.
Ведь всё, что ныне процветает, родилось из земли и вернется в землю, поэтому я покину тебя и пройду во врата бесконечности, чтобы странствовать в беспредельных просторах[164].
Абсолютный покой (нирваны) есть настоящее мгновение. И хотя он в этом мгновении — ему нет конца и в нем — вечная радость[165].
В этом духовном мире не существует разграничения времени на прошлое, настоящее и будущее: они сливаются в одном мгновении животрепещущего бытия… Этот момент озарения содержит в себе прошлое и будущее, но он не остается на месте со всем своим содержанием, а находится в непрестанном движении[166].
Передать ощущения бесконечности и безвременности настоящего почти невозможно, поскольку слова вроде «безвременный», «настоящее», «прошлое», «мгновение» и т. д. относятся к нашим обычным представлениям о времени. Поэтому очень сложно понять истинное значение приведенных выше высказываний мистиков. Но здесь нам снова поможет современная физика: она может быть использована для того, чтобы графически представить, как ее теории преодолевают ограниченность обычных представлений о времени.
В релятивистской физике история объекта — скажем, частицы — может быть запечатлена на так называемой пространственно-временной диаграмме (рис. 23).
Рис. 23. Мировые линии частиц
На этих диаграммах горизонтальная ось соответствует пространству[167], а вертикальная — времени. Путь частицы в пространстве-времени называется ее «мировой линией». Если частица даже находится в состоянии покоя, она движется во времени, и ее мировая линия в этом случае представляет собой вертикальную прямую. Если частица перемещается в пространстве, ее мировая линия становится наклонной: чем больше наклон, тем выше скорость частицы. Во времени частицы могут двигаться на диаграмме только вверх, а в пространстве способны перемещаться как вперед, так и назад. Их мировые линии могут в разной степени приближаться к горизонтальной оси, но никогда не совпадают с последней: это означало бы, что перемещение частицы из одной точки в другую не требует времени.
Пространственно-временные диаграммы используются в релятивистской физике для изображения взаимодействия между различными частицами. Для каждого процесса можно построить диаграмму и вывести математическую формулу, характеризующую его вероятность. Так, процесс столкновения, или «рассеяния», электрона и фотона можно представить в виде следующей диаграммы (рис. 24).
Рис. 24. Рассеяние при столкновении электрона с фотоном
Эта диаграмма читается следующим образом (снизу вверх согласно течению времени): электрон, обозначенный как е—, сталкивается с фотоном (γ); электрон поглощает фотон, продолжая движение с несколько изменившейся скоростью (на диаграмме это отражается изменением угла наклона его мировой линии); через некоторое время электрон испускает фотон и изменяет первоначальное направление движения.
Дисциплина, рассматривающая системы этих пространственно-временных диаграмм и математических формул, называется квантовой теорией поля. Это одна из самых важных релятивистских теорий современной физики (их мы рассмотрим позже). Для обсуждения пространственно-временных диаграмм нам достаточно ознакомиться с двумя самыми характерными ее особенностями. Первая состоит в том, что все взаимодействия сводятся к возникновению и исчезновению частиц, например к поглощению и последующему испусканию фотона, изображенному на диаграмме. Вторая имеет отношение к принципиальной симметричности частиц и античастиц. Для каждой частицы есть античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Так, античастица электрона называется позитроном и обычно обозначается как