Физика времени
Шрифт:
Но реальная Вселенная оказалась совсем иной. Не статической, не вечно застывшей, а, напротив, динамичной и развивающейся увидели ее вскоре физики и астрономы. Как и в масштабе отдельных планет, звезд или галактик, Вселенная во всем своем объеме изменяется, переходит из одного состояния в другое. Как и все, что известно нам в физическом мире, Вселенная существует не вне времени. Она тоже подчиняется его стремлению.
В 20-е годы, всего за несколько лет, был найден верный теоретический подход к космологии, к проблеме космического времени. Было получено и надежное подтверждение теории в астрономических наблюдениях.
Фридман
Картина развивающейся Вселенной создавалась
Фридман родился в 1888 в Петербурге, учился в Санкт-Петербургском университете, вся его короткая и исключительно яркая научная жизнь прошла в городе на Неве. Он считал себя математиком. Метеорологи называют его классиком своей науки — он вывел математические соотношения для атмосферных вихрей, имеющие фундаментальное значение в теории прогноза погоды. В гидромеханике высоко ценятся его работы по теории хаотических турбулентных движений. Это основные области его научной работы.
Фридман был директором Главной геофизической обсерватории в 1924—25 годах, читал лекции в университете и Политехническом институте. Ему приходилось летать с исследовательскими целями на дирижаблях, а в июле 1925 года он поднялся на аэростате, достигшем рекордной по тому времени высоты 7400 метров.
Заинтересовавшись в 1920 году общей теорией относительности, он очень быстро овладел ею, и уже в 1922 году была опубликована первая из двух его космологических статей, которым суждено было дать начало современной космологии. Эта статья называлась «О кривизне пространства». Вторая статья, появившаяся двумя годами позднее, носила название «О возможности мира с постоянной отрицательной кривизной пространства». В 1923 году вышла его научно-популярная книга «Мир как пространство и время» — первая книга о новой космологии.
Фридман был математиком, и его космологическая теория возникла из решения строгой математической задачи. Как видно из названия его статей, это была задача о геометрии Вселенной, о ее пространстве и времени.
В качестве условия задачи Фридман принял, что вещество распределено по объему Вселенной равномерно, однородно. В духе общей теории относительности и само пространство нужно тогда считать однородным. Принято было также, что пространство обладает и свойством изотропии. Вот что было «дано» в задаче, которую поставил перед собой Фридман. «Найти» требовалось пространство-время Вселенной. Чтобы решить такую задачу, нужно воспользоваться уравнениями общей теории относительности.
О свойствах пространства Вселенной Фридман делал, как мы видим, то же предположение что и Эйнштейн. В этом их подходы совпадали. Но что касается поведения Вселенной во времени, то Фридман не стал загадывать наперед. Для решения математической задачи ничего, кроме однородности и изотропии пространства, предполагать не требовалось. Так пусть же сами уравнения теории покажут, каковы взаимоотношения Вселенной со временем.
И вот оказалось, что вещество во Вселенной не может находиться в покое. Общее однородное распределение вещества должно либо сжиматься, либо расширяться как целое. Применительно к наблюдаемой крупномасштабной картине мира это означает: галактики и скопления не стоят на месте, они движутся, и расстояния между ними изменяются со временем.
Но как выбрать между двумя возможностями, открытыми теорией? Расширяется ли в действительности все вещество Вселенной или оно сжимается? Ответ мог быть получен только в астрономических наблюдениях.
В 1929 году американский астроном Э. Хаббл, изучая спектры далеких галактик, обнаружил в них систематическое красное смещение. Линии излучения были сдвинуты к красному концу спектра по сравнению с их «нормальным», лабораторным положением. Хаббл истолковал это как следствие эффекта Доплера и заявил, что красное смещение указывает на удаление от нас всех галактик. Так было открыто явление разбегания галактик. (Мы уже упоминали о нем в главе 6.)
Галактики не стоят на месте — они удаляются от нас. Но именно так и должна выглядеть картина Вселенной, если в ней происходит общее расширение. Конечно, галактики разбегаются не от нас, не от Земли или нашей Галактики. Общее расширение происходит так, что движение всей совокупности галактик представляется одинаковым, из какой бы галактики его ни наблюдали. (А иначе различные галактики и занимаемые ими «места» в пространстве Вселенной не были бы равноправны, отсутствовала бы однородность мира.)
После открытий Хаббла теория развивающейся Вселенной, теория космологического расширения получила всеобщее признание. Позднее, подводя итоги исследований, заложивших основу современной науки о Вселенной, Эйнштейн писал: «Первым на этот путь ступил Фридман».
Фридману не суждено было дожить до триумфа его теории. Он умер в 1925 году в возрасте 37 лет.
Динамика Вселенной
Почему же Вселенная не может быть статической? Почему общее распределение вещества не находится в покое? Почему галактики и скопления не остаются на своих местах, а движутся?
Как мы сейчас увидим, ответ на вопрос, в сущности, очень прост. И чтобы подойти к нему, забудем пока что обо всех «премудростях» общей теории относительности. Попробуем взглянуть на вещи с точки зрения «обычной» механики.
Классическая механика Галилея и Ньютона научила нас, что тело может находиться в покое (или в состоянии равномерного движения) только в том случае, если на него не действуют силы. Или если этих сил две или несколько, но их сумма — равнодействующая — обращается в нуль. Может ли находиться в покое какая-то галактика или скопление? В масштабе общего распределения вещества во Вселенной эти огромные астрономические тела представляются всего лишь точками или, как говорят в механике, точечными массами. На каждую такую массу действует сила всемирного тяготения. Эта сила создается всеми остальными массами во Вселенной. Никаких иных сил в масштабе всего мира просто нет. Силу всемирного тяготения ничто не уравновешивает и, значит, тело, испытывающее ее действие, должно двигаться. Таков физический смысл ответа, который получил Фридман из решения своей задачи: раз есть сила, должно быть и движение.
Казалось бы, все так просто, что об этом можно было догадаться очень давно, хоть на другой день после того, как Ньютон открыл законы движения и всемирного тяготения. И в самом деле, о динамике однородного распределения вещества говорил в 1692 году еще сам Ньютон. В одном письме, которое потом стало знаменитым, он рассуждал о том, как должно вести себя однородное, равномерное распределение вещества, заполняющего всю Вселенную. Ньютон говорил, что вещество может либо сжиматься все в целом, либо распадаться на отдельные сжимающиеся сгустки. Но его интересовала не космология, а космогония. Ему хотелось понять, как образовались планеты, Солнце и звезды. И он считал, что они могли бы сгуститься, сжаться под действием собственного тяготения из разреженной допланетной, дозвездной среды, которая первоначально была равномерно рассеяна по всему пространству Вселенной. Эта идея оказалась чрезвычайно плодотворной — она дала толчок теории происхождения небесных тел, которая и сейчас развивается в этом направлении*).