Концепции современного естествознания

Для того чтобы записать десятичную дробь, характеризующую положение этой точки на отрезке, поступим следующим образом. Запишем первым знаком после запятой в десятичной дроби любую цифру, отличающуюся от первой цифры после запятой в первой строчке нашей таблицы (то есть в нашем примере не 3, а, скажем, 5). Вторую цифру в нашей дроби запишем любую, но отличающуюся от второй цифры во второй строчке таблицы (в нашем примере не 1); и так далее будем поступать до бесконечности. Ясно, что мы получим дробь, которой нет в нашем списке. Действительно, она не совпадет с первой строчкой, так как заведомо отличается первая цифра после запятой, не совпадает со второй строчкой, так как заведомо отличается вторая цифра после запятой и т.д.

Точка, расстояние которой записано этой дробью, пропущена в нашем бесконечном списке и, значит, не имеет номера.

Казалось бы, можно начать нумеровать с этой точки, а уж потом давать номера всем остальным. Как шутливо замечает голландский математик Г. Фрейденталь, именно так поступил человек, побившийся об заклад съесть 20 картофелин. Съев 19 из них и чувствуя себя не в силах проглотить последнюю картофелину, этот человек со вздохом заметил: «С нее-то мне и следовало бы начать».

Разумеется, если начать нумеровать с только что указанной точки, оставшейся без номера, то тем же способом можно найти другую точку, оставшуюся без номера при новом способе нумерации.

Итак, точек на единичном отрезке прямой заведомо больше, чем бесконечных чисел натурального ряда. Математики говорят, что бесконечность точек на отрезке прямой более мощная, чем бесконечность чисел натурального ряда.

Значит, бесконечности не все одинаковые. Среди них есть более мощные, то есть более богатые элементами, и менее мощные.

Казалось бы, количество точек на всей прямой заведомо больше, чем количество точек на единичном отрезке. Ведь отрезок – часть прямой. Но мы уже осторожны и помним, что в царстве бесконечности тезис «часть больше целого» не работает. И действительно, мощности бесконечного числа точек прямой и отрезка одинаковы. Это одинаковые бесконечности!

Более того, бесконечность числа точек на всей плоскости и даже во всем трехмерном пространстве той же мощности, что и на отрезке прямой. Все это одинаковые бесконечности. Может возникнуть подозрение, что раз множество точек всего бесконечного пространства не больше множества точек отрезка, то вообще не существует бесконечного множества еще более мощного. И эта бесконечность наибольшая.

Но это не так. Математики умеют строить множества все более и более

341

мощные, то есть строить все большие и большие бесконечности. Нет наибольшей бесконечности, этот ряд тоже бесконечен.

Вернемся к расширению вселенной. После всего сказанного, нас уже не удивляет, что бесконечная вселенная может бесконечно расшириться и для этого не требуется чего-то вне вселенной, чего-то «потустороннего».

Подобно тому как в истории Гильберта бесконечное число постояльцев можно было всех переселить только в четные номера, увеличив тем самым вдвое расстояние между ними, так и во Вселенной можно увеличить, скажем, вдвое расстояние между галактиками, оставаясь все в той же бесконечной Вселенной.

Но возникает еще один важнейший вопрос: Вселенная именно расширяется? Что придало галактикам скорость? Еще раз напомним, что теория тяготения не отвечает на этот вопрос. Галактики сейчас движутся по инерции, и их скорость тормозится тяготением.

Наконец еще одно замечание. Иногда приходится слышать утверждение, что вследствие расширения Вселенной расширяется все на свете: не только галактики разбегаются, но и сами галактики расширяются, расширяются отдельные звезды, наша Земля – вообще все тела. Это, конечно, неверно. Разбегание галактик вообще никак не влияет на отдельные тела. Как в разлетающемся облаке газа отдельные молекулы не расширяются, точно так же и в расширяющейся Вселенной гравитационно связанные тела – галактики, звезды, Земля – не подвержены космологическому расширению. Разумеется, они могут и, расширяться и сжиматься, но это вызывается внутренними причинами – процессами, которые происходят внутри этих тел, например землетрясения.

7.4. Расширяется ли Вселенная?

Первозданные оси сдвинуты Во вселенной. Слушай: скрипят!

Что наш разум зубчатый? – лавину ты Не сдержишь, ограды крепя…

В. Брюсов

Вывод о расширении Вселенной далеко не сразу получил всеобщее признание. Уж очень грациозна сама идея эволюции всего окружающего мира. И эта идея ведет ко многим удивительным и далеко идущим следствиям, например, что в далеком прошлом, когда началось расширение, Вселенная была не похожа на сегодняшнюю. Казалось, гораздо привычнее и спокойнее представление о неэволюционирующей, стационарной Вселенной. Все это породило многочисленные попытки дать какое-то иное объяснение наблюдаемому «красному смещению» в спектрах дале-

342

ких галактик, отличное от объяснений его эффектом Доплера. Тогда можно было бы считать галактики не удаляющимися друг от друга, а Вселенную не расширяющейся.

Очень хорошо это умонастроение отражено в памфлете «Здравый смысл и Вселенная» канадского писателя-юмориста и ученого-эконо- миста С. Ликока.

«В течение последних лет, точнее со дня обнародования этой ужасной гипотезы мы, кто как мог, пытались жить в этой расширяющейся Вселенной, каждая часть которой с кошмарной скоростью улетает от всех остальных частей! Это напоминает нам того отчаявшегося влюбленного, который вскочил на коня и поскакал, как безумный, в разных направлениях. Идея была величественная, но создавала какое-то ощущение неудобства».

Попытки «отстоять» стационарность Вселенной иногда встречаются и до сих пор. Что же имеет место в действительности? Нет ли какого-то физического процесса, не связанного с разбеганием галактик, но также вызывающего покраснения квантов света – фотонов?

В принципе такие механизмы существуют.

Чтобы квант краснел, он должен отдавать энергию. Это может происходить, когда квант, длительно путешествуя в космосе, сталкивается с электронами межзвездной среды, а в некоторых вариантах гипотезы – сталкивается с другими фотонами в межгалактическом пространстве. Во всех подобных гипотезах фотон при столкновении теряет не только энергию, но и изменяет направление своего движения. Значит, постепенно кванты света, летящие от галактики точно на нас, приобретают движение по расходящимся траекториям. Изображения далеких галактик должны становиться размытыми, нечеткими.

Ничего подобного не наблюдается. Уже по этой причине этот эффект не может объяснить «красное смещение». Нет надобности говорить, что при этом потребовалась бы фантастическая плотность межгалактической среды, появились бы другие наблюдаемые эффекты.

В качестве другого мыслимого механизма покраснения фотонов предлагали гипотетический процесс постепенного распада фотонов с испусканием каких-то частиц. Советский физик М. Бронштейн еще в 30-е годы XX века показал, что если бы такой процесс существовал (потом выяснилось, что его нет), то вероятность распада фотона была бы обратно пропорциональна частоте. Значит, чем больше длина волны фотона, тем быстрее он должен «краснеть». Кванты радиоволн должны бы краснеть быстрее квантов видимого света. Таким образом, красное смещение спектральных линий в радиоспектрах галактик было бы больше, чем в видимой области спектра. В 60-х годах были проведены точные наблюдения

343

смещение радиолинии с длиной волны 21 сантиметр. Эта линия хорошо видна в радиоспектрах холодного межзвездного газа во многих других галактиках.

У всех 30 галактик, для которых проводились наблюдения, красное смещение в радиодиапазоне оказалось точно таким же, как для волн света, видимого глазом.

Следовательно, предположение о покраснении квантов по причине их старения полностью отпадает.

Единственным возможным объяснением космологического красного смещение является эффект Доплера, вызванный расширением Вселенной.

Подчеркнем здесь еще один раз, что нестационарность Вселенной была предсказана теоретически до её экспериментального обнаружения, и открытие красного смещения только подтвердило это предсказание. Удивляться надо не существованию красного смещения, а расширению Вселенной (нестационарность её есть прямое следствие фундаментальных законов физики), а поразительной живучести консервативных взглядов.

Если бы наблюдения показали отсутствие систематического смещения линий в спектрах галактик, то есть отсутствие нестационарности Вселенной, то это означало бы, что законы тяготения нуждаются в уточнении, что какая-то неизвестная универсальная сила во Вселенной мешает тяготению сделать Вселенную нестационарной.

7.5. Вселенная Стивена Хокинга

Красота управлений важнее, чем их согласие с экспериментом.

Поль Дирак

…Недавно в Кембридже состоялось не совсем обычное торжество. Профессора и студенты знаменитого Тринити-колледжа – того самого, где профессором был когда-то сам сэр Исаак Ньютон, – пением и аплодисментами приветствовали человека, неподвижно сидевшего в инвалидной коляске.

Человек в коляске был нем и недвижим. Тем не менее именно он сегодня занимает ту кафедру, которую когда-то занимал Ньютон, читает лекции студентам, создает новые книги и научные гипотезы, в том числе наиболее «безумные», а значит,

и чрезвычайно интересные.

344

Беда постигла Стивена Хокинга в юности, когда он учился на первом курсе колледжа. Неизлечимая болезнь практически обездвижила все тело, а неудачная операция привела вдобавок еще и к тому, что Хокинг онемел.

Итем не менее он не сдался.

Вкакой-то мере Хокингу помогает современная техника. Коляска с электроприводом позволяет ему передвигаться самостоятельно, а расположенный под сиденьем кресла компьютер с синтезатором речи дает ему возможность говорить.

Стивен Хокинг сумел не только закончить колледж, но и стать профессором, написать несколько книг. Одна из последних называется «От Большого взрыва до черных дыр». На ней мы и остановимся более подробно.

Она представляет собой относительно небольшую (200 страниц) науч- но-популярную работу, в которой описаны все космологические теории и гипотезы последнего времени.

– Издатель сказал мне, что каждая новая формула будет сокращать

число читателей вдвое, – сказал Хокинг. Поэтому в книге всего одна формула – это знаменитое эйнштейновское уравнение E = mc2. Все остальное я постарался изложить как можно более доступным языком…

И надо сказать, что попытка популяризации Хокингу вполне удалась. В своей книге он рассказывает о гипотезе Большого Взрыва, согласно которой вся наша Вселенная когда-то образовалась из одной-единственной сингулярной точки.

По неведомой пока нам причине в один прекрасный миг эта точка взорвалась, и с той поры ее вещество все время расширяется, преобразуясь по дороге. Затем, как полагают многие ученые, большой маятник Вселенной качнется в обратную сторону – расширение может сменится сжатием до новой сингулярной точки. Таким образом, наша Вселенная должна иметь начало и конец.

Однако Хокинг с такой точки зрения не согласен. Он полагает, что она чересчур пессимистична, поэтому ввел в науку новое понятие – воображаемое время. Используя это понятие, Хокинг создал модель такой Вселенной, у которой нет ни начала ни конца.

«Представьте себе движение по воображаемому шару, – пишет Хокинг. – Вы начали движение по нему с северного полюса и постепенно движетесь к югу, все время меняя широту места…»

Говоря иначе, Хокинг своими словами пересказывает ту притчу о плоскостном мире. Но рассматривает он ее применительно к нашему трехмерному (или, если угодно, четырехмерному) миру и приходит в конце концов к неожиданному выводу.

345

«По мере движения, – продолжает он свой рассказ, – широта места, т.е. длина окружности, будет возрастать, а потом, когда вы перевалите экватор, начнет сокращаться, пока не превратится в нуль. Что это – точка сингулярности?.. Нет, ведь если вы продолжите движение, то широта снова станет возрастать…»

Конечно, все сказанное выглядит весьма схематично. На самом деле мир устроен, наверное, значительно сложнее. Однако в том и есть один из талантов Хокинга – говорить о сложных вещах или емкими, точными формулами, или просто наглядными образами.

Он ввел понятие воображаемого времени, которое не имеет никакой связи с настоящим физическим временем, однако оказалось весьма удобным для описания многих процессов космологии.

Теория воображаемого времени – продолжение работы Хокинга над теорией «черных дыр». Когда он впервые познакомился с феноменом «черных дыр», введенным в обиход профессором Роджером Пенроузом, то был весьма поражен, что «черная дыра» – это такое место во Вселенной, откуда из-за чрезвычайно сильного тяготения, а значит, и искривления пространства не вырывается ничто: ни элементарная частица, ни луч света… «Получается, что «черная дыра» ничего не излучает в пространство, а посему может быть совершенно незаметна, сказал сам себе Хокинг. – Но разве так не бывает?..»

И он-таки нашел возможность доказать, что «черная дыра» может посылать в пространство некое излучение, радиацию, которую теперь так и называют – радиация Хокинга.

«Представьте себе, что поверхность шара, по которому мы только что двигались, вибрирует, – продолжает свои рассуждения Стивен Хокинг. – Эта вибрация едва заметна, ее величина 10–23 см, то есть в 10–20 меньше, чем диаметр протона. Но, тем не менее, этой величины вполне достаточно, чтобы поверхность шара претерпела изменения, а значит, от него в пространстве распространялись некие волны излучения…» говоря иначе, Хокинг с другой стороны подошел к теории замкнутой или почти замкнутой Вселенной. Он попытался объединить два понятия, существовавших до этого раздельно, – фридмоны и «черные дыры». Это объединение привлекло за собой далеко идущие последствия.

346

мы сами при изучении первоначал появления нашей Вселенной?

Гут и его коллеги определили условия, необходимые для начала развития «аневризмы». Они считают, что для создания новой вселенной не требуется даже предшествовавшей «Большому взрыву» сингулярности, т.е. такой области в пространстве-времени, где температура и плотность вещества принимают бесконечные значения, а известные нам сегодня законы физики теряют свою силу. «Удивительно, но можно дать начало новой вселенной, используя энергию, эквивалентную всего лишь нескольким фунтам вещества, – говорит Гут, – если найти какой-то способ сжать это вещество до плотности 10 – 15 энергограммов в кубическом сантиметре и как-то запустить процесс. А раздувание должно сделать все остальное».

За очень короткое время, менее чем за микросекунду, новая вселенная должна раздуться до огромных размеров, создавая для себя все вещество

и энергию, которые ей затем суждено вмещать. «Конечно, - признает Гут,

-это не только превышает возможности нашей техники, но и лежит за пределами любой мыслимой техники». Впрочем, какая-нибудь сверхцивилизация когда-нибудь могла это в принципе и сделать...

Уже сегодня в царстве квантовой физики, физики ядерных частиц и ультрамалых расстояний учеными обнаружена своеобразная физическая сущность, которую называют «отрицательной энергией». «Отрицательная энергия», математически описываемая как энергия, меньшая, чем даже энергия вакуума, может существовать в пространстве, которое релятивистски деформировано вокруг ультракомпактной массы – куска материи, сжатого до плотности, имеющей огромную величину, гораздо большую, чем та, что наблюдается где-либо во Вселенной.

Все дело заключается именно в том, что «отрицательная энергия» фигурирует в гутовской схеме создания в лабораторных условиях новых вселенных.

На основе последних исследований доктор Гут и его коллеги заключают, что если каким-то образом сжать 10 кг вещества так, чтобы они занимали пространство меньшее, чем одна квадриллионная объёма элементарной частицы, то результатом такого процесса было бы «семя», которое могло бы способствовать рождению новой вселенной. Другими словами, после упомянутого «сжатия» 10 кг вещества превратятся в так называемый фальшивый вакуум, т.е. область с «отрицательной энергией», которая вызовет раздувание новой вселенной. Последняя возникнет, как пузырь, из нашей Вселенной и будет связана с ней «червоточиной» (своеобразным прообразом «черной дыры»), которая, в конце концов, сожмется и разорвется. Новая вселенная, если выразиться образно, может быть готова

348

к «употреблению», то есть к дальнейшей эволюции, росту энтропии, зарождению жизни и т.д.

Означает ли вышесказанное, что наша Вселенная тоже могла быть создана в результате сознательного акта неких разумных существ в некоей другой, «материнской» для нас вселенной? «Эту возможность мы изучаем, – говорит Гут, – и ничего пока не исключает ее». Вполне понятно, что такие причудливые для многих людей размышления могут перейти границы доверия, но Гут – известный интеллектуальный исследователькосмолог, который не только поражает научную общественность неординарными идеями, но обосновывает их строгими и корректными математическими выкладками. Это позволяет ему увеличивать постоянно ряды своих сторонников и получать поддержку целого ряда ведущих физиков мира.

Идеи и гипотезы, подобные тем, которые выдвинуты профессором Аланом Гутом, несомненно, помогут ученым исследовать наиболее фундаментальные проблемы космологии: как возникла Вселенная, как она развивается и каков может быть ее конец...

Мы часто и подолгу задумываемся над вопросом: как устроен физический мир в своей глубинной основе? Куда может привести нас бесконечность движения в недра материи? Молекулы, атомы, ядра атомов, протоны, электроны и нейтроны ?... А что же дальше? А если двинуться в «другую сторону»? Уходят в бесконечность этажи мироздания. На одном из них планеты и планетные системы со своими светилами, на другом – галактики и галактические скопления, на третьем – Вселенная. Где границы этого огромного мира, существуют ли они?

Мы живем в геометрически трехмерном мире. И очень может быть, что этот мир, затерянный где-то в середине Большой Бесконечности Мироздания, – лишь ничтожный кирпичик мира, а наш мир, в свою очередь, состоит из невообразимо большого числа миров, которые мы считаем частицами. И так до бесконечности как вширь, так и вглубь.

Но если, как писал поэт, каждая из элементарных частиц – мир, то, вероятно, внутри каждой из них светят мириады звезд, освещающих неисчислимое множество планет. Среди них могут быть, и такие которые населены разумными существами, способными размышлять о бесконечности окружающего их мира... Кстати подобную идею высказал еще в V веке н.э. греческий мыслитель Анаксагор, который говорил, что в каждой частице, какой бы малой она ни была, «есть города населенные людьми, обработанные поля и светит солнце, луна и другие звезды как у нас».

Итак, хотя представление о «множественности миров» уже веками витает в умах, однако научное обоснование оно получило лишь в последние

349

десятилетия при исследовании свойств замкнутой Вселенной или так называемого замкнутого мира Фридмана, возможность существования которой (которого) вытекала из гравитационных уравнений общей теории относительности.

Замкнутый мир – это такая область Вселенной, где взаимное притяжение всех находящихся в ней тел-звезд, межзвездного газа и пыли, галактик и их совокупностей – равно энергии их общей массы, т.е. энергии, которая заключена в веществе согласно известной эйнштейновской формуле: Е = mc2. Другими словами, наступает равенство инертной и гравитационной энергии. Плюс на минус – суммарная энергия (она же – масса) может стать сколь угодно малой и даже равной нулю. Тело же с нулевой массой – не более чем точка... Так огромная Вселенная может оказаться в почти замкнутом, по Фридману, мире, а ее внешние размеры могут быть микроскопическими и даже нулем. Разумеется, так кажется внешнему наблюдателю: малая масса локализована внутри сферы микроскопически малого радиуса. Для наблюдателей же изнутри все выглядит совершенно по-другому: внутри этой кажущейся «малой» сферы в принципе может помещаться целая Вселенная со всеми своими галактиками, звездами и скоплениями галактик.

Эта теория, позволяющая одни и те же объекты рассматривать и как элементарные частицы, и как макросистемы, получила развитие в трудах академика М.А. Маркова. Объекты, таящие или содержащие в себе вселенные, назвали в честь А.А. Фридмана фридмонами.

Возможность существования этих объектов вытекает из общей теории относительности. Для внешнего наблюдателя, например для нас, землян, фридмоны могут появиться в «образе» тяжелых элементарных частиц с массой, составляющей 10–5 – 10–6 г, размером около 10–33 см и электрическим зарядом, равным заряду электрона. Фридмон может проявить себя и как микроскопическая «черная дыра». Теория допускает существование неограниченного числа фридмонов. Для того чтобы наша Вселенная стала микрочастицей – фридмоном, необходимо, чтобы средняя плотность вещества была 10–29 г/см. Пока регистрируемые данные несколько ниже – 10–30 г/см, но, как отмечалось выше, во Вселенной может существовать электрически нейтральная «скрытая масса». В этом случае вполне возможно, что и мир, в котором мы живем, не что иное, как фридмон.

Важным моментом в данном случае является то, что фридмон в том виде, как он представляется в расчетах академика М.А. Маркова, еще не замкнут. Иными словами, у него имеется как бы горлышко, через которое можно попасть внутрь сферы и выйти из нее, в другой внешний мир, т.е. в совсем иную вселенную. Следовательно, фридмоны представляют

350