T.Redzhe "Etyudy o Vselennoi", Mir/NiT<< 1.6. Gravitacionnye linzy | Oglavlenie | 1.8. Bol'shoi vzryv >>
1.7. Vvedenie v kosmologiyu
Glubina i bogatstvo soderzhaniya obshei teorii otnositel'nosti proyavlyayutsya v naibol'shei mere, kogda teoriya gravitacii Einshteina ispol'zuetsya dlya izucheniya yavlenii kosmicheskih masshtabov. V etom smysle obshaya teoriya otnositel'nosti v gromadnoi stepeni stimulirovala razvitie kosmologii.
Kosmicheskie masshtaby
Skol' velika Vselennaya? Na etot vopros, kotoryi mne zadayut ochen' chasto, trudno dat' udovletvoritel'nyi otvet v neskol'kih slovah. Ved' nevozmozhno podstupit'sya k vazhnym temam sovremennoi kosmologii, ne imeya chetkogo predstavleniya hotya by v obshih chertah o razmerah Vselennoi i teh ob'ektov, kotorye ee zapolnyayut. Inogda udaetsya ob'yasnit'sya, ispol'zuya tak nazyvaemuyu desyatitysyachnuyu shkalu. Rech' idet o posledovatel'nosti ob'ektov ili rasstoyanii, kazhdyi iz kotoryh v desyat' tysyach raz bol'she predydushego, prichem otschet nachinaetsya s razmerov privychnyh, chelovecheskih, i dohodit do razmerov Vselennoi.
Itak, dlya nachala voz'mem harakternyi razmer – vysotu potolka, kotoruyu polozhim ravnoi chetyrem metram; zatem umnozhim ee na desyat' tysyach i vyidem pri etom v stratosferu (40 km). Sleduyushii shag privedet nas na Lunu (400000 km), a umnozhiv eshe odin raz na desyat' tysyach, my popadem na granicu Solnechnoi sistemy, udalennuyu na 4 mlrd. km, t.e. na rasstoyanie, kotoroe svet proidet za chetyre chasa. My uzhe nahodimsya na chetvertoi stupeni, sootvetstvuyushei predelu, kotorogo dostigali avtomaticheskie stancii, poslannye s Zemli. Sleduyushii shag katapul'tiruet nas pryamo k Al'fe Centavra – blizhaishei k nam zvezde, udalennoi na rasstoyanie v 40000 mlrd. km. Teper' uzhe odin kilometr okazyvaetsya smehotvorno malen'kim, i v kachestve edinicy izmereniya ispol'zuetsya svetovoi god, kotoryi, kak my govorili vyshe, nemnogim men'she 10000 mlrd. km, Al'fa Centavra nahoditsya kak raz na rasstoyanii 4,3 svetovogo goda, i takovo tipichnoe rasstoyanie mezhdu zvezdami, raspolozhennymi vblizi Solnca.
Shestaya stupen'ka privedet nas v nedra Galaktiki – gromadnoi linzoobraznoi massy, zapolnennoi sotnyami milliardov zvezd. Solnce, kotoroe nahoditsya na periferii, otdaleno ot centra Galaktiki chut' men'she chem na 40000 svetovyh let. Sleduyushii shag otneset nas na rasstoyanie v 400 mln. svetovyh let; pri etom zvezdy uzhe zavedomo slishkom maly, chtoby byt' vidimymi s Zemli, i Vselennaya kazhetsya nam ravnomerno zapolnennoi milliardami galaktik, rasstoyaniya mezhdu kotorymi v srednem ravny neskol'kim millionam svetovyh let. Dal'she prodvigat'sya my ne mozhem: soglasno predstavleniyam sovremennoi kosmologii i imeyushimsya nablyudatel'nym dannym, nevozmozhno uvidet' ob'ekty, otdalennye na rasstoyaniya, bol'shie, chem primerno 12 mlrd. svetovyh let. Takim obrazom, nam ne hvatilo do poslednei stupen'ki vsego lish' mnozhitelya, ravnogo 30.
V svoei ischerpyvayushei, no, k sozhaleniyu, adresovannoi lish' specialistam knige, posvyashennoi gravitacii i kosmologii, izvestnyi fizik Stiv Vainberg otmechaet, chto sovremennaya nauka beret nachalo s otkrytiya togo, chto Zemlya ne yavlyaetsya centrom Vselennoi. Posle provedennogo zdes' obsuzhdeniya, dazhe esli filosofy i specialisty po istorii nauki budut nam vozrazhat', my smozhem bez truda soglasit'sya s etim po prichinam, o kotoryh ya ne reshayus' govorit' ran'she vremeni. Vo vsyakom sluchae razvenchanie nashei planety yavilos' i nachalom sovremennoi kosmologii: ono porodilo kosmologicheskii princip.
Kosmologicheskii princip
Etot princip utverzhdaet, chto v srednem Vselennaya vyglyadit odinakovo, v kakom by meste ona ni rassmatrivalas'.
Slova "v srednem" oznachayut, chto my dolzhny issledovat' oblast' Vselennoi s diametrom poryadka neskol'kih millionov svetovyh let, chto sootvetstvuet poslednemu otschetu nashei shkaly. Naskol'ko mozhno sudit', vse imeyushiesya nablyudatel'nye dannye soglasuyutsya s takoi rabochei gipotezoi. Kosmologicheskii princip neobhodim takzhe i po menee blagorodnym prichinam: bez nego bylo by pochti nevozmozhno reshit' slozhneishie uravneniya polya Einshteina, kotorye opisyvayut evolyuciyu Vselennoi.
Biografiya kosmologicheskogo principa pouchitel'na, i ee stoit rasskazat'. V 1744 g. shveicarskii astronom de Shezo i nezavisimo ot nego v 1826 g. Ol'bers sformulirovali sleduyushii paradoks, kotoryi privel k krizisu togdashnih naivnyh kosmologicheskih modelei. Predstavim sebe, chto prostranstvo vokrug Zemli beskonechno, vechno i neizmenno i chto ono ravnomerno zapolneno zvezdami, prichem ih plotnost' v srednem postoyanna. S pomosh'yu neslozhnyh vychislenii Shezo i Ol'bers pokazali, chto polnoe kolichestvo sveta, posylaemoe na Zemlyu zvezdami, dolzhno byt' beskonechnym, iz-za chego nochnoe nebo budet ne chernym, a, myagko govorya, zalito svetom. Chtoby izbavit'sya ot svoego paradoksa, oni predpolozhili sushestvovanie v kosmose obshirnyh bluzhdayushih neprozrachnyh tumannostei, zaslonyayushih naibolee otdalennye zvezdy. Na samom dele tak vyiti iz polozheniya nel'zya: pogloshaya svet ot zvezd, tumannosti ponevole nagrevalis' by i sami izluchali svet tak zhe, kak i zvezdy.
Itak, esli spravedliv kosmologicheskii princip, to my ne mozhem prinyat' ideyu Aristotelya o vechnoi i ne izmenyayusheisya Vselennoi. Zdes', kak i v sluchae otnositel'nosti, priroda, pohozhe, predpochitaet v svoem razvitii simmetriyu, a ne mnimoe aristotelevo sovershenstvo.
Vozvedenie amerikanskim astronomom-mecenatom Heilom bol'shih teleskopov v observatoriyah Maunt-Vilson i Palomar privelo k celoi serii klyuchevyh s tochki zreniya sovremennoi kosmologii otkrytii. Prezhde vsego vyyasnilos', chto pri obsuzhdenii paradoksa Ol'bersa rech' dolzhna idti o galaktikah, a ne ob otdel'nyh zvezdah; krome togo, byla ustanovlena shkala rasstoyanii v prostranstve, o kotoroi ya uzhe rasskazyval v neskol'ko svobodnom stile. Stol' zhe vazhnym okazalos' priznanie togo, chto Vselennaya nepreryvno izmenyaetsya, yavlyayas' arenoi vnushitel'nyh evolyucionnyh yavlenii, a takzhe vvedenie pravil'noi shkaly vremeni dlya processov, tam proishodyashih.
Bylo ustanovleno, chto zvezdy obretayut svoyu energiyu, prevrashaya vodorod v bolee tyazhelye elementy s pomosh'yu serii slozhnyh termoyadernyh reakcii. Eto ne mozhet proishodit' beskonechno; kogda goryuchego ne ostaetsya, kazhdaya zvezda gasnet, perezhivaya po-svoemu bolee ili menee burnyi konec. Takaya zvezda, kak nashe Solnce, zhivet v srednem okolo desyatka milliardov let.
Rasshirenie Vselennoi
Dlinnaya cep' otkrytii uvenchalas' v vysshei stepeni vazhnym sobytiem v 1929 g., kogda Habbl obnaruzhil, chto v kosmose "vse razbegaetsya". Soglasno Habblu da i bol'shinstvu sovremennyh astrofizikov, galaktiki razbegayutsya so skorostyami, proporcional'nymi rasstoyaniyam do nih. Galaktika, nahodyashayasya na rasstoyanii 100 mln. svetovyh let, udalyaetsya ot nas so skorost'yu poryadka 2000 km/s; esli rasstoyanie do galaktiki v dva raza bol'she, to i skorost' udaleniya udvaivaetsya, i t.d. Vselennaya rasshiryaetsya, sledovatel'no, ona ne yavlyaetsya neizmennoi. Rech' idet o global'nom kosmicheskom yavlenii, imeyushem ogromnye masshtaby, takie, chto sami galaktiki uzhe kazhutsya vsego lish' pylinkami.
Prokruchivaya retrospektivno kinolentu o zhizni Vselennoi, my mogli by uvidet', chto bylo vremya, a imenno okolo 15 - 20 mlrd. let tomu nazad, kogda vse galaktiki byli sobrany vmeste v odnoi tochke. Razumeetsya, k takoi ocenke nuzhno otnosit'sya s ostorozhnost'yu i predstavlyat', chto ona spravedliva tol'ko po poryadku velichiny. Vo-pervyh, gravitacionnoe prityazhenie nepreryvno zamedlyaet dvizhenie galaktik; vo-vtoryh, pochti navernyaka galaktiki sami obrazovalis' lish' primerno cherez milliard drugoi let posle nachala rasshireniya. No ostaetsya faktom, chto Vselennaya kogda-to nachinala svoe razvitie, buduchi namnogo bolee plotnoi i zanimaya oblast' namnogo men'shuyu, chem v nastoyashee vremya; ee evolyuciyu mozhno sravnit' razve chto s gigantskim vzryvom global'nogo masshtaba – s tak nazyvaemym "bol'shim vzryvom". Primechatel'no, chto ukazannyi masshtab vremeni v obshem soglasuetsya s rezul'tatami, poluchennymi pri issledovanii evolyucii zvezd.
Kak uzhe govorilos', chem dal'she nahodyatsya uchastki Vselennoi, tem bystree oni ot nas udalyayutsya; galaktiki predstavlyayutsya nam takimi, kakimi oni byli v dalekom proshlom, poskol'ku svetu, idushemu ot nih, trebuetsya vremya, chtoby do nas doiti. Takim obrazom, bol'shie teleskopy sovershayut, krome vsego prochego, puteshestvie v proshloe. Nablyudaya vse bolee dalekie ob'ekty, my vidim, kak oni razletayutsya so skorostyami, kotorye vse blizhe i blizhe k nepreodolimomu bar'eru – skorosti sveta. Sushestvuyut kvazary – ob'ekty, kraine yarkie i vidimye na gromadnyh rasstoyaniyah, – kotorye udalyayutsya so skorostyami v 285000 km/s, chto lish' nemnogo men'she skorosti sveta, ravnoi 300000 km/s.
Esli by my mogli uvidet' kakie-nibud' ob'ekty, "pristavlennye k stenke skorosti sveta", to oni by vyglyadeli tak zhe, kak u istokov Vselennoi. No ne vse ob'ekty, soderzhashiesya vo Vselennoi, mozhno budet kogda-nibud' uvidet' (vot vyhod iz paradoksa Ol'bersa!); svet ot ob'ektov, raspolozhennyh dal'she opredelennogo rasstoyaniya, tak i ne uspevaet doiti do nas, i oni navsegda ostayutsya skrytymi ot nashih vzorov, tak zhe kak slishkom dalekoe zdanie na poverhnosti Zemli skryto za gorizontom.
No, esli vse galaktiki udalyayutsya ot nashei, ne oznachaet li eto, chto Zemlya – centr Vselennoi?
Otvet po-prezhnemu otricatel'nyi. Rasstoyaniya mezhdu lyubymi galaktikami uvelichivayutsya so skorostyami, proporcional'nymi samim rasstoyaniyam, i chelovek, okazavshiisya sluchaino v predelah drugoi galaktiki, obnaruzhit spravedlivost' togo zhe zakona Habbla. Pri etom ego gorizont okazhetsya smeshennym, i on smozhet uvidet' to, chto skryto ot nas, v to vremya kak drugie ob'ekty, vidimye s Zemli, budut skryty ot nego.
Iskrivlenie Vselennoi
Obshaya teoriya otnositel'nosti, sozdannaya Einshteinom v 1916 g., prosto i estestvenno uchityvaet mehanizm "bol'shogo vzryva". V etoi teorii prisutstvie veshestva privodit k izmeneniyu geometrii prostranstva na kosmicheskom urovne. Do sih por iz-za nehvatki nablyudatel'nyh dannyh eti izmeneniya ne mogut byt' oceneny v polnoi mere; v chastnosti, poka net dostatochno tochnyh dannyh o polnom kolichestve veshestva vo Vselennoi. Soglasno modeli (nazyvaemoi model'yu Fridmana), kotoruyu predpochital Einshtein, Vselennaya soderzhit dostatochno veshestva, chtoby byt' iskrivlennoi nastol'ko, chto ona zamykaetsya na samu sebya, kak, naprimer, vozdushnyi sharik. Esli naduvat' takoi sharik, to lyubaya kartinka, narisovannaya na ego poverhnosti, uvelichivaetsya v razmere, sohranyaya pri etom te zhe proporcii mezhdu svoimi chastyami. Kakim-nibud' murav'yam, zhivushim v takom mire, pokazhetsya, chto oni drug ot druga udalyayutsya, no ni odin iz nih ne budet imet' dostatochnogo osnovaniya schitat' sebya centrom Vselennoi. Soglasno predstavleniyam etoi modeli, rasshirenie Vselennoi dolzhno prekratit'sya primerno cherez 40 mlrd. let, posle chego dolzhno nachat'sya szhatie, v rezul'tate chego eshe cherez 100 mlrd. let Vselennaya snova okazhetsya v sostoyanii bol'shoi plotnosti.
Osnovnaya trudnost', kotoraya vstrechaetsya pri ob'yasnenii modeli Fridmana, voznikaet pri opredelenii togo, chto soboi predstavlyaet vnutrennii ob'em vozdushnogo sharika, V nashem mire mozhno peredvigat'sya vdol' treh napravlenii: sever – yug, zapad – vostok, vverh – vniz; v mire, kotoryi raspolozhen na poverhnosti vozdushnogo sharika, ostayutsya tol'ko pervye dva. Tret'e napravlenie (izmerenie) ispol'zuetsya zdes' dlya oboznacheniya krivizny k nosit, takim obrazom, lish' metodicheskii harakter. Poetomu, hotya nasha Vselennaya takzhe imeet kriviznu, no neobhodimost' vvedeniya kakih-libo izmerenii, krome privychnyh treh, sushestvuet lish' s metodicheskoi ili matematicheskoi tochek zreniya; kak uchili Gauss i Riman, net smysla pokidat' nash mir, chtoby poznavat' ego svoistva.
Vsled za nachalom
Kakoi zhe byla Vselennaya v moment svoego rozhdeniya? Nash vopros imeet smysl, tol'ko esli on otnositsya k mgnoveniyu, sleduyushemu neposredstvenno za nachalom, t.e. k momentu vremeni, kogda primenenie fizicheskih zakonov stanovitsya uzhe razumnym. Spustya vsego odnu sotuyu sekundy posle nachala kosmos zanimal gorazdo men'shii ob'em, chem teper', i byl zapolnen szhatym veshestvom pri temperature v milliardy gradusov s plotnost'yu v trilliony raz vyshe, chem plotnost' vody. V etih usloviyah ne mogli sushestvovat' ni yadra, ni tem bolee atomy, kotorye byli by razrusheny burnym teplovym dvizheniem. Rasshirenie Vselennoi proishodilo s ochen' bol'shoi skorost'yu.
Cherez neskol'ko minut rasshirenie Vselennoi i ee ohlazhdenie dostigli takoi stepeni, chto stalo vozmozhnym obrazovanie atomnyh yader. Spustya eshe million let temperatura upala nizhe treh tysyach gradusov, i nachalos' obrazovanie atomov. Brosiv vzglyad vokrug sebya v tu epohu, my uvideli by prostranstvo, zapolnennoe oblakom iz raskalennyh gazov i osleplyayushim svetom. Eshe cherez milliard let nachalos' obrazovanie galaktik, zvezd i stabil'nogo veshestva v sovremennom vide.
Svet, izluchennyi pervonachal'nym gazovym oblakom, vse eshe brodit vo Vselennoi; preterpev sil'nye izmeneniya pri rasshirenii Habbla, on seichas zameten tol'ko v vide mikrovolnovogo fona (tak nazyvaemogo "reliktovogo izlucheniya"). Eto samoe drevnee iz vseh izvestnyh svidetel'stv istorii nashei Vselennoi. Ono bylo obnaruzheno dvumya astrofizikami iz laboratorii firmy "Bell telefon" Penziasom i Uilsonom, udostoennymi za svoe otkrytie Nobelevskoi premii v 1978 g.
My podoshli k poslednemu voprosu: kakova nauchnaya dostovernost' teorii "bol'shogo vzryva"? Razumeetsya, ne mozhet byt' polnoi uverennosti v vyvodah, sdelannyh na granice chelovecheskih znanii i osnovannyh na riskovannyh ekstrapolyaciyah. No v samyh obshih chertah teoriya "bol'shogo vzryva" kazhetsya vpolne spravedlivoi, i uzh navernyaka ona predstavlyaet soboi nailuchshuyu iz imeyushihsya v nastoyashee vremya rabochih gipotez. Vo vsyakom sluchae, panorama, kotoruyu otkryvaet nam eta teoriya, grandiozna i poistine zahvatyvayusha.
<< 1.6. Gravitacionnye linzy | Oglavlenie | 1.8. Bol'shoi vzryv >>|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy
Publikacii so slovami: Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
