Вся физика в 15 уравнениях

Мансулье Бруно

В сущности, это не более того, что каждый может почувствовать, глядя на небо, полное звезд. Паскаль признавался: «Вечная тишина этих бесконечных пространств пугает меня». И поверьте, понимание уравнения Эйнштейна не приносит никакого успокоения! Обратив взгляд на небо, человека действительно может охватить благоговейный трепет, или же он просто удовлетворит свое тщеславие узнаванием созвездий, планет Солнечной системы или еще чем-то. Космология сводится к изучению реальности гигантских расстояний и временных интервалов, а также к количественному, чувственному, личностному ощущениям размера и места человека во Вселенной.

Опираясь на общую теорию относительности и благодаря длинной цепи наблюдений и астрономических

измерений с Земли и со спутников, космология пытается описать эволюцию Вселенной. Это революция, которая началась в конце 1920-х гг., когда священник Жорж Леметр^[47] предложил решение уравнений Эйнштейна в виде непрерывно расширяющейся Вселенной и предсказал некоторые наблюдаемые на Земле следствия такого расширения. Спустя два года измерения Эдвина Хаббла, по-видимому, подтвердили гипотезу Леметра. До сего момента Вселенная считалась вечной и неизменной; внезапно мы обнаружили, что это, скорее всего, не так.

Расширение и Большой взрыв

Это расширение означает, что две отдаленные точки во Вселенной, например галактики, удаляются друг от друга. Позвольте мне развеять распространенное заблуждение, что это расширение означает «взрыв в бесконечном пространстве из крошечного объема». Нет, вполне возможно иметь бесконечные размеры и в то же время подвергаться расширению. Чтобы визуализировать это, вам просто нужно нарисовать бесконечную прямую линию, без ограничений слева или справа. Мы можем удалить все точки друг от друга, умножив расстояния в два раза, таким образом, линия растягивается сама в себя. Нет проблем, поскольку нет ограничений… Это именно то, что происходит с нашей Вселенной, но в трех пространственных измерениях (длина, ширина, высота). Может показаться странным, что вычисляемое с легкостью для прямой линии становится сложнее для трехмерного пространства!

Итак, нынешняя Вселенная расширяется. И поскольку она ведет себя более или менее как газ, то постепенно остывает^[48]. Но что произойдет, если мы прокрутим фильм назад, двигаясь во времени, начиная с сегодняшнего дня? Мы увидим, как Вселенная сжимается и нагревается. Мы могли бы представить себе, что, если бесконечно продолжить этот процесс, плотность и температура Вселенной станут бесконечными в бесконечное время в прошлом. Но уравнения говорят немного о другом: если возвращаться назад во времени, скорость увеличения плотности и температуры возрастает настолько, что плотность становится бесконечной строго в определенное время в прошлом. Если точно, то эта сингулярность существовала краткий миг — согласно современным расчетам, примерно 13,8 млрд лет назад. Это и есть знаменитая модель Большого взрыва.

Эволюция Вселенной

После появления общей теории относительности и благодаря развитию ядерной физики были установлены механизмы свечения и производства энергии звездами. Ученые также поняли, что почти все химические элементы, окружающие нас сегодня, не существовали при рождении Вселенной, а были произведены в ядерных реакциях в процессе эволюции звезд или во время их взрывов, таких как сверхновые звезды. Это придает конкретный смысл выражению «мы все — звездная пыль»… Только несколько «первичных» элементов, таких как водород и гелий, появилось в самые первые минуты существования Вселенной, и модель Большого взрыва способна описать условия синтеза этих первых атомных ядер. Измерение в середине XX в. относительного содержания различных элементов в космосе обеспечило весьма яркое (вот уж действительно!) подтверждение модели Большого взрыва. С тех пор при помощи многочисленных наблюдений и измерений эта модель многократно проверялась на прочность и все эти испытания выдерживала

на «отлично».

Если мы отбросим креационистские тезисы и начнем полагаться только на экспериментальные наблюдения, то сама идея «возраста Вселенной» будет выглядеть революционной. Если опираться на человеческий опыт, то что может быть более постоянным, чем движение планет и звезд? Смена времен года, положения планет, затмения — все указывает людям, что их пребывание на Земле — лишь крошечный миг в неизменной Вселенной. Согласитесь, наша жизнь очень коротка по сравнению с почти 14 млрд лет Вселенной, но благодаря нашему знанию мы поняли, что Вселенная не всегда была такой, как сейчас. И мы смогли это осознать лишь благодаря размышлениям и наблюдениям. В результате чего вновь освободили самих себя от чувств и интуиции…

Черные дыры: лаборатория… в воображении

Благодаря современной технике для оптических наблюдений с их компьютерной обработкой некоторые эффекты общей теории относительности теперь можно увидеть наглядно, причем самым впечатляющим образом: световые лучи от далеких галактик, следуя за пространственно-временным континуумом, искаженным присутствием материи, проецируют гравитационные миражи, грандиозные светящиеся дуги или множественные изображения типа гало. Не так давно, используя необычайно чувствительный измерительный прибор^[49], физики обнаружили прохождение через Землю гравитационных волн, возникших при слиянии двух очень далеких черных дыр. Это наблюдение опять-таки оказалось очередным подтверждением общей теории относительности.

Хорошо известные широкой публике черные дыры являются прямым следствием уравнения Эйнштейна. Они представляют собой настолько сконцентрированную массу, что пространство-время искривляется, формируя замкнутую поверхность, из-за которой наружу не могут вырваться даже лучи света. Теперь нам кажется, что эти дыры есть везде, начиная с центра нашей галактики, Млечного Пути, где находится черная дыра «среднего» размера весом почти 4 млн солнечных масс — пустяк по сравнению с 17 млрд солнечных масс самой гигантской черной дыры, известной на сегодня…

Черные дыры — это в первую очередь необычные астрофизические объекты, но они также являются прекрасной областью исследований для фундаментальной физики. В чрезвычайно компактном мире черной дыры, замкнутом на себя, все законы меняются. Это касается также и понятия об информации: что происходит с информацией о природе, энергии, направлении движения частиц или объектов, когда они попадают в черную дыру?

Данная загадка до сих пор смущает ученых, тем более что благодаря Стивену Хокингу мы знаем о медленном испарении черных дыр… и, как только черная дыра полностью испаряется, куда исчезает информация, которую несли все поглощенные ею частицы? Наверное, здесь надо заметить, что испарение Хокинга является чисто квантовым эффектом, а общая теория относительности находится в ужасном противоречии с квантовой механикой. Черная дыра — действительно лучшее место, чтобы противопоставить, пусть пока лишь мысленно, два столь разных представления о мире: общую теорию относительности, идеальную, гладкую и геометрически выверенную, и квантовую механику, такую странную, зыбкую и неопределенную.

Здесь и сейчас

Революционным аспектом в открытии общей теории относительности стала, пожалуй, возможность (или, по крайней мере, намерение) рассматривать всю Вселенную как объект для измерений и исследований. Может быть, это всего лишь очередная суета, и люди будущего будут относиться к нам так же, как мы относимся к нашим предкам из Средневековья, которые думали, что населяют плоскую землю под бархатным навесом, усыпанным хрустальными звездами.