Вселенная. Вопросов больше, чем ответов — страница 54 из 72

ях действует как сила отталкивания, т. е. как эффективная антигравитация, уравновешивая таким обра­зом силу притяжения¹.

Кстати, слово «эффективная» используется нами не зря. «Истинной» антигравитации, исходя из современных представ­лений о природе тяготения, существовать не может. Роль же именно «эффективной» антигравитации для тяжелого предмета в повседневных условиях с успехом выполняет прочная веревка. Это грубая, но наглядная демонстрация отличия «истинного» от « эффективного ».

Что же представляла собой «Вселенная Эйнштейна»? Это была замкнутая статичная трехмерная сфера (называемая гиперсферой), вложенная (точнее — изучать ее свойства удоб­нее, считая ее вложенной) в некое фиктивное четырехмерное пространство (не путать с четырехмерным пространством- временем\). Привычным нам двухмерным аналогом гиперсферы является обычная сфера — воздушный шарик, например, если пренебречь толщиной его пленки. И так же, как треугольник, нарисованный на поверхности воздушного шарика, будет иметь сумму углов большую, чем имеет треугольник на плоской поверх­ности (180 градусов, как известно), треугольник во Вселенной Эйнштейна (образованный, например, световыми сигналами) тоже будет «поупитанней» своего плоского собрата.

Гипотетическое двухмерное существо, отправившееся в пу­тешествие по поверхности воздушного шарика, через некото­рое время вернется обратно, в ту же точку, откуда начало свое

¹ На самом деле, конечно, действовать как эффективная антигравитация лямбда-член будет на любых расстояниях, но на малых расстояниях эф' фект от его наличия, в силу малости, не представляется возможным из­мерить. — Примеч. авт.

308

путешествие, нигде не встретив при этом никакой границы. Аналогичным образом, световой луч (или, например, косми­ческий корабль) во Вселенной Эйнштейна, двигаясь все вре­мя «прямолинейно», тем не менее вернется обратно — тоже не встретив никакой преграды, не испытав никакого отражения!

Таким образом, мир оказывается замкнутым, имеющим ко­нечные размеры и конечный объем — но при этом безгранич­ным. И не знаем, как вам, читатели, а нам эта мысль доставляет определенное беспокойство — как о самой совершенной в мире тюрьме, откуда невозможно сбежать, ведь в ней нет стен, под ко­торые можно подкопаться, и решеток, которые можно перепи­лить. Не возбраняется куда-то двигаться, но тебя все равно рано или поздно вернет обратно.

И пусть со стороны такие слова кажутся несколько наивными в устах людей, априори запертых на одной-единственной плане­те, — вы-то, думаем, нас понимаете? Ведь это чуточку печальная, но все-таки необъяснимо притягательная возможность и даже своего рода привилегия для всех, интересующихся подобными вопросами, — размышлять о несопоставимо огромных, казалось бы, величинах времени и пространства и даже принимать их близко к сердцу.

Если же попытаться численно оценить размеры Вселенной Эйнштейна, то для плотности вещества ю~²⁹ г/см³ мы получим «радиус» Вселенной около з Гпк, а полную массу — ю²³ масс Солнца, т. е. «кругосветное путешествие» со скоростью света за­няло бы (по часам оставшихся на Земле, конечно) около 70 млрд лет, а число галактик составляло бы порядка одного триллиона. Это вполне значительная (но конечная!) величина, что должно было бы немного утешить Эйнштейна, придерживавшегося в то время так называемого принципа Маха, по которому инерция тела (т. е. сохранение им своей скорости в отсутствии действия внешних сил) обеспечивается гравитационным воздействием °стальных тел Вселенной.

Интересно отметить, что всего через несколько месяцев по- ^Сле опубликования статьи Эйнштейна появилась работа нидер­

309

ландского астронома Виллема де Ситтера, в котором было най­дено другое статическое решение для космологической модели с лямбда-членом — а именно решение с плотностью и давлени­ем вещества равным нулю, т. е. совершенно пустой Вселенной с одним только лямбда-членом. Статической она будет, потому что в ней совершенно ничего со временем не меняется — ведь плотность лямбда-члена, в отличие от плотности любых других компонент вещества и излучения, от времени не зависит. Не рас­тет при расширении, не уменьшается при сжатии — ни в целом (в среднем по Вселенной), ни в отдельных ее частях. Он не об­разует никаких пространственных сгущений или разрежений. Именно поэтому лямбда-член зачастую называется космологи­ческой постоянной.

Таким образом, Вселенная де Ситтера, как и Вселенная Эйнштейна, тоже будет вечной и неизменной. Но если в такую Вселенную поместить несколько пробных (т. е. не оказывающих никакого влияния ни на получившуюся модель, ни друг на дру­га) частиц, то они будут удаляться друг от друга по экспоненци­альному закону.

Забегая немного вперед, скажем, что судьба модели де Ситтера в современной космологии, несмотря, казалось бы, на значительную искусственность (полное отсутствие вещества!), оказалась определенно удачнее судьбы модели Эйнштейна.

Смертельным ударом для модели Эйнштейна оказалось от­крытие Эдвином Хабблом разбегания галактик. Впрочем, стро­го говоря, первым был американский астроном Весто Слайфер. Исследование спектров других галактик (хотя в то время их на­зывали «внегалактическими туманностями» и кипели споры об их природе) он начал еще в 1912 году. А в том же 1917 году, в кото­ром вышла вышеописанная работа Эйнштейна, он опубликовал статью, где на основе красного смещения линий в измеренных спектрах «туманностей» сделал вывод об их удалении от нас.

Однако, повторим еще раз, так как, ни природа данных «ту­манностей», ни расстояние до них известны еще не были, ника­ких «космологических» выводов в его статье не делалось. Так что лавры первооткрывателя Эдвин Хаббл все же носит по пра­ву. Своими наблюдениями 1927-1929 годов на 250-см телескопе- рефлекторе (самом большом телескопе того времени) обсерва­тории Маунт Вилсон он убедительно доказал, что загадочные «спиральные» туманности на самом деле являются гигантскими звездными системами — галактиками, такими же, как и наша Галактика. Самой первой «туманностью», в которой Хаббл разглядел отдельные звезды, была знаменитая Туманность Андромеды.

Но этим открытия Хаббла отнюдь не ограничились. Он су­мел измерить расстояние до этих галактик! Хаббла «выручили» Цефеиды — звезды типа дельты Цефея, которые изменяют свой блеск по периодическому закону. Ранее было показано (по звез­дам нашей Галактики), что светимость и период изменения бле­ска цефеид находятся во взаимосвязи. Таким образом, измеряя период, мы можем получить светимость звезды-цефеиды. А зная светимость и видимую звездную величину, мы можем вычислить Расстояние (разумеется, здесь есть свои сложности, мы связан­ные, например, с межзвездным поглощением света).

311

Таким путем Хаббл смог определить расстояние до тех двух десятков туманностей, красное смещение (а следовательно, и скорость удаления) которых ранее измерил Слайфер. А это, в свою очередь, позволило ему получить свое знаменитое соот­ношение: v = Hr, где v — скорость удаления от нас галактики, г — расстояние до нее, а Н — постоянная, носящая ныне его имя, «постоянная Хаббла».

Необходимо сразу отметить, что скоростью удаления галакти­ки, фигурирующей в законе Хаббла, является скорость, обуслов­ленная космологическим расширением Вселенной. Это весьма принципиальный момент, который иногда упускают из виду. Так, Большой Взрыв, положивший начало нашей Вселенной, за­частую представляют в виде взрыва некой гигантской космиче­ской «бомбы», после чего начался разлет вещества в простран­стве. Естественно, столь же часто после подобных представлений возникает следующий вопрос: а где же, в таком случае, находится то самое место, откуда «начался» «разлет» Вселенной? В каком оно созвездии и насколько от нас далеко в этом направлении?

А так как задающий подобный вопрос зачастую знает, что га­лактики удаляются от нашей во все стороны, у такого человека может возникнуть идея, что «центр Вселенной» находится где- то в нашей Галактике или, по крайней мере, поблизости от нее.

На самом деле все совсем не так. В момент рождения Вселенной произошел не разлет вещества в пространстве (в са­мые начальные моменты, кстати, никакого вещества еще вооб­ще не было), а начало «раздуваться» само пространство-время. Хорошей аналогией (хотя и не совсем точной) является тут уже упомянутый воздушный шарик. В рамках этого классического примера представим, что галактики — это точки на поверхно­сти шарика, и начнем этот шарик надувать. Где для двухмерного существа, живущего на шарике, будет находиться «центр» рас­ширения? Нигде и в то же самое время — везде. Ведь о центре шарика двумерное существо, живущее на его поверхности, не имеет никакого понятия. Любая (а не одна-единственная, чем-то «выделенная») галактика будет удаляться от всех других.

312

И как раз именно потому, что скорости галактик в законе Хаббла имеют своей причиной «расширение» пространства- времени, они могут превышать скорость света. И никакого противоречия с теорией относительности тут нет — ведь она запрещает сверхсветовые скорости (что конкретно имеется в виду под «сверхсветовыми» скоростями в теории относительно­сти — было объяснено в начале главы) в пространстве — а тут у нас «расширяется», как уже было сказано, само пространство- время. Условно говоря, мы не можем двигать точки по линейке со сверхсветовой скоростью — но тут у нас «увеличивается» сама линейка.

Надо сказать, что идея о сверхсветовых скоростях галактик далеко не сразу была принята многими учеными. В научно- популярных книгах (а иногда даже во вполне научных трудах), изданных в 8о-е, например, годы, часто встречается утвержде­ние, что для красных смещений далеких галактик, близких к единице (и тем более — превышающих ее)¹, необходимо исполь­зовать релятивистскую формулу СТО для эффекта Доплера, ко­торая для любых красных смещений дает скорость удаления, не превышающую скорости света.

Но факт заключается в том, что расширение Вселенной опи­сывает не СТО («заведующая» движениями в пространстве), а ОТО (могущая описать и «расширение» самого пространства- времени). И для связи красного смещения и скорости удаления объекта (за счет расширения Вселенной, подчеркнем еще и еще раз) необходимо использовать именно формулы ОТО. Так что для общепринятой ныне космологической модели получается, что Далекие галактики с красным смещением, превышающим 1,46, действительно удаляются от нас со сверхсветовой скоростью.