Кварки, протоны, Вселенная
Шрифт:
И все же кажется просто невероятным: огромная Вселенная, Метагалактика, и в то же время — крохотный «пузырек» в пространстве и времени! В это трудно поверить. Тем более что непонятно, каким образом могут образоваться в природе почти замкнутые миры-вселенные...
Открытие Фридмана вызвало огромный интерес. Во многих странах ученые исследовали свойства найденных им решений, изучали условия, при которых могут существовать такие миры. Возникла целая наука — релятивистская космология. И вот в ходе этих исследований довольно быстро выяснилось, что среди многих физических явлений, предсказываемых теорией относительности, есть процесс, который как будто может приводить к образованию замкнутых миров.
Если масса тела велика, то расталкивающего действия излучений и мощных потоков вещества, порожденных ядерными реакциями
Это похоже на то, как если бы от большого пузыря отпочковался маленький. Связывающая их горловина становится все уже и, наконец, обрывается. Разумеется, это условная картина: так выглядел бы процесс образования нового мира в глазах наблюдателя, находящегося в воображаемом четырехмерном пространстве. В нашем реальном мире мы видим лишь стягивающуюся горловину, все остальное мы можем представить себе лишь с помощью формул.
Следует, правда, заметить, что далеко не все массивные тела, если ослабнут протекающие внутри них ядерные реакции, должны обязательно сжаться до микроскопически малых размеров. Так было бы, если бы в окрестностях сжимающегося тела не менялись свойства пространства и времени. Но гравитационное поле, то есть кривизна пространства и времени, становится там чрезвычайно большой, и, как предсказывают формулы теории относительности, ход времени при этом замедляется. Это значит, что скорость процессов, происходящих вблизи коллапсирующего тела, будет постепенно уменьшаться. Даже скорость света, которому все труднее и труднее станет преодолевать путы тяготения. Наконец, гравитационное поле сделается настолько сильным, что скорости всех процессов обратятся в нуль и время остановится — замрет. Ни свет, ни какие-либо другие излучения уже не смогут вырваться из гравитационного омута, и коллапсировавшее тело — звезда или целая галактика — станет невидимой для наблюдения черной дырой, которая поглощает все, что на нее падает, но сама ничего, абсолютно ничего не испускает. Оттого-то она и невидимка.
Правда, невидимкой черная дыра останется лишь для внешнего наблюдателя, рассматривавшего гравитационный коллапс со стороны. Для наблюдателя, который сам бы падал на коллапсирующее тело, все выглядело бы иначе. Подобно пассажиру кабины свободно падающего лифта, он не чувствовал бы тяготения, поэтому и скорости происходящих вокруг процессов оставались бы для него прежними. Конечно, когда перепады гравитационных сил сделались бы заметными на расстояниях, сравнимых с размерами самого наблюдателя, положение изменилось бы. Как ни странно, разные части его тела начали бы тогда жить в различном пространстве и времени. На него действовали бы растягивающие и разрывающие силы, подобные тем, что вызывают приливы и отливы на нашей планете. В конце концов сам бы он распался на молекулы и атомы, а затем превратился в пучок суперэлементарных частиц и геометрических квантов. Картина — прямо для романа ужасов!
Сам Фридман никаких соображений о черных дырах нам не оставил, хотя от его формул до гравитационного, коллапса рукой подать. Возможно, этому помешала его ранняя смерть — он умер через три года после того, как в немецком физическом журнале были опубликованы его две статьи о сжимающихся и расширяющихся мирах. Существование черных дыр предсказал незадолго до второй мировой войны вместе со своим ассистентом американский физик Роберт Оппенгеймер — тот самый, кто через несколько лет возглавил в Лос-Аламосе исследования по созданию атомной бомбы.
Интересно,
Чем массивнее тело, тем большую черную дыру образует оно в пространстве. Дыры, возникающие в результате сжатия галактик, в сотни и даже тысячи раз превосходят размеры нашей Солнечной системы. Триллионы километров в поперечнике! Сам термин «дыра» кажется здесь неуместным, лучше было бы говорить «черный провал».
Размеры самых маленьких черных дыр — километры. Такие дыры образуются при коллапсе тел с массой раза в полтора-два тяжелее нашего Солнца. Менее тяжелые тела вообще не могут коллапсировать — их гравитационное поле слишком слабо, чтобы превозмочь стабилизирующие вещество межатомные и ядерные силы. Для образования дыр, которые были бы меньше нескольких километров, нужен какой-то другой механизм. Указания на него мы находим все в той же общей теории относительности Эйнштейна.
Из полученных Фридманом формул следовало, что размеры нашего замкнутого мира не остаются постоянными, а изменяются с течением времени и что в некоторый «исходный момент» времени радиус мира мог быть равным нулю, а плотность содержащегося в нем вещества — бесконечности.
Конечно, если учесть квантовые эффекты рождения и поглощения виртуальных частиц, то сингулярности не получится, место точки займет очень малая пространственно-временная область, но по сравнению с нашими привычными масштабами ее все равно можно считать точкой. А в 1922—1923 гг., когда Фридман делал свои расчеты, квантовой физики вообще еще не было и в выводы русского ученого о нестационарности, о зависимости свойств Вселенной от времени, о ее рождении как бы из ничего, из точки — во все это было крайне трудно поверить. Выводы Фридмана резко расходились с принятой в то время картиной строения мира, согласно которой изменения могут происходить лишь в отдельных районах Вселенной, а в целом, в общих своих свойствах, она стационарна. По этой причине даже Эйнштейн решил сначала, что расчеты Фридмана ошибочны. «Эти результаты кажутся мне подозрительными»,— сказал он, прочитав статью Фридмана, и более того, выступил с ее критикой публично. Но уже через год, особенно после того как Фридман написал ему, что расчеты он перепроверил и продолжает на них настаивать, изменил свое мнение и написал: «Моя критика, как я убедился из письма Фридмана, основана на ошибках в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет...»
Тем не менее большинство ученых продолжали относиться к теории Фридмана просто как к интересной математической модели. Однако в 1929 г. американский астроном Хаббл открыл так называемое красное смещение галактик, то есть получил доказательство предсказанного Фридманом расширения Вселенной. В 1965 г. было открыто реликтовое излучение, пронизывающее всю видимую часть Вселенной. Эти и другие факты вместе с новыми математическими расчетами привели физиков и космологов к выводу о том, что около 20 миллиардов лет назад произошел взрыв какого-то сверхплотного «правещества», породивший окружающий нас мир. И этот мир до сих пор продолжает расширяться — «распухать» в каждой своей точке, наподобие того, как растягивается пленка выдуваемого мыльного пузыря.
За неимением более подходящего наглядного образа первоначальную точку расширения Вселенной часто называют Большим взрывом, или, используя звучный английский термин, Биг Бэнгом.
В катаклизме этого первородного Биг Бэнга, в колоссальных перепадах давлений и плотностей могли возникать области очень малых размеров и такой большой массы, что вокруг них происходило почти полное сворачивание пространства-времени и возникали черные, дыры. Их размеры и массы могли быть самыми различными — от очень больших до субъядерных, как у элементарных частиц. Вот такие черные дыры-малютки и представляют сейчас для нас особый интерес. Для внешнего наблюдателя каждая из них и по размерам и по массе будет выглядеть как микрочастица, хотя может и содержать в себе целую вселенную космических тел. Точь-в-точь гомеомерии Анаксагора — мириады вселенных в пылинке!