Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
* * *
Здесь вы могли бы спросить: а расширяются ли сами галактики внутри Вселенной? Я ответил бы встречным вопросом: а расширяемся ли мы с вами? Нет, мы с вами не расширяемся (если, конечно, не любим хорошенько поесть), потому что электромагнитные силы сдерживают наши тела в определенных границах. А что насчет Солнечной системы? Расширяется ли она? Нет, тоже не расширяется. Гравитационное воздействие со стороны Солнца не дает Солнечной системе расширяться вместе во Вселенной. Точно так же и галактики не могут расширяться, поскольку их сдерживает гравитация.
С более крупными астрономическими объектами все становится немного сложнее. Если говорить о сверхскоплениях, размер которых может достигать миллиарда световых лет, силы гравитации становится недостаточно, чтобы не позволить им расширяться вместе со Вселенной. Вообще, сверхскопления остаются наикрупнейшими конструкциями во Вселенной именно потому, что в условиях расширяющейся Вселенной любой объект крупнее сверхскопления перестает удерживать свою форму.
* * *
А теперь давайте пробежимся по этой главе в обратном порядке. Если все галактики отдаляются друг от друга, у нас есть серьезное основание полагать (но не делать преждевременного вывода), что когда-то это расширение началось. Событие, положившее начало расширению Вселенной, принято называть Большим взрывом. Этот термин был впервые предложен в 1949 году астрономом Фредом Хойлом.
Большой взрыв не был взрывом в прямом смысле этого слова, и никто бы не услышал его, даже если бы оказался в тот момент рядом. Было бы также неправильно представлять себе Большой взрыв в виде обыкновенного расширения, происходящего в уже существующем пространстве, ведь если за пределами Вселенной ничего нет, значит, ей просто некуда расширяться. Пространство-время, каким мы его знаем, появилось в момент Большого взрыва.
Наконец, мы часто слышим, что в момент Большого взрыва вся материя во Вселенной была сосредоточена в одной точке, которая и должна была быть центром, но поскольку Вселенная не имеет центра, это утверждение не может быть верным.
Резиновая лента поможет понять, что к чему. Представьте, что она уже растянута и что A, B, C и D расположились далеко друг от друга. А теперь начинайте медленно ослаблять натяжение до тех пор, пока все галактики не вернутся на свои изначальные места. Время, за которое все они это сделают, и будет являться возрастом Вселенной с момента Большого взрыва. Закон Хаббла говорит нам о том, что расстояние, проходимое каждой галактикой, выражается формулой d = v/H. Но расстояние, проходимое каждой галактикой, – это просто скорость, помноженная на время пути, что можно записать как d = vt. Получается, что vt = v/H, где t = 1/H.
Значение, обратное постоянной Хаббла, называется возрастом Хаббла и представляет собой приблизительное количество времени, прошедшее с момента Большого взрыва.
Тогда ничто не удерживало точки на месте. Более того, если мы представим себе бесконечно длинную резиновую ленту с бесконечным числом точек A, B, C и т. д. (допустим, буквы в нашем алфавите тоже не будут заканчиваться), мы неизбежно придем к выводу, что Большой взрыв охватывает собой всю одномерную поверхность резиновой ленты.
В момент Большого взрыва вся материя в обозримой Вселенной действительно была собрана в одной точке. Но обозримая Вселенная – это еще не вся Вселенная. Расстояние, пройденное светом с момента Большого взрыва, называется космологическим горизонтом, и, как можно догадаться из названия, мы не можем увидеть, что скрывается за ним. Мы лишь знаем, что в момент Большого взрыва все, что находилось в пределах этого горизонта, было собрано в одной точке.
Чтобы измерить постоянную Хаббла, астрономами было разработано множество методов куда более изощренных, чем простое измерение расстояний от одних галактик до других. Проблема заключается в том, что не все эти методы между собой согласуются. С некоторыми из них я познакомлю вас в следующих главах, а пока скажу только, что возраст Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого взрыва, составляет около 14 миллиардов лет, а точнее, 13,7 миллиарда лет.
* * *
Общая теория относительности ставит своей целью описание космоса, чтобы показать, из чего он состоит и каковы принципы распределения его содержания. Уравнения теории показывают, как эволюционирует Вселенная.
Это утверждает теория относительности, но не Эйнштейн. Как было сказано ранее, сам он полагал, что Вселенная статична и не расширяется. И ему действительно удалось воспроизвести модель такой Вселенной, добавив в свои уравнения дополнительный компонент – печально известную космологическую постоянную. Этот ход был чистой воды спекуляцией, и, как только расширение Вселенной было доказано, Эйнштейн отрекся от него как от «главного заблуждения своей жизни».
С высоты современности добавление постоянной в уравнение выглядит довольно странно. Если бы ракета, начиненная фейерверками, взорвалась в открытом космосе, вырвавшееся в момент взрыва облако частиц поначалу распространялось бы с высокой скоростью, а затем, при достаточной массивности частиц, начало бы замедляться из-за гравитационного притяжения частиц со стороны друг друга. В зависимости от массы частиц облако может расширяться или сжиматься. Единственное, что оно не будет делать, – оставаться без движения.
Если, исследуя космос, мы используем уравнения общей теории относительности, не прибегая к различным математическим спекуляциям, мы убедимся в том, что он динамичен. Вселенная, без всяких лишних коэффициентов, автоматически расширяется или сжимается со скоростью, определяемой плотностью ее компонентов. Опираясь на это свойство Вселенной, общая теория относительности помогает понять, как работает гравитация. Но точно так же, как физика Ньютона ничего не говорит нам о количестве и составе фейерверков, которые нужно загрузить в ракету, теория общей относительности ничего не говорит о том, из чего состоит та или иная версия Вселенной. Как только компоненты выявлены, в игру вступает гравитация, определяющая эволюцию конкретной модели Вселенной.
Именно такую динамичную модель космоса, базирующуюся на уравнениях Эйнштейна, предложил в 1922 году русский метеоролог Александр Фридман. И поскольку сам Эйнштейн не был готов признать, что Вселенная эволюционирует, именно модель Фридмана в итоге послужила математической базой для теории Большого взрыва[13]. Важная особенность Вселенной Фридмана заключается в том, что она настолько проста, насколько это вообще возможно для космологической модели. Согласно этой модели, все объекты внутри нашей Вселенной распределены по ней равномерно и расширяется она тоже равномерно. Другими словами, Вселенная вся целиком расширяется с одинаковой скоростью.
Главное уравнение Фридмана объясняет, в чем именно выражается зависимость коэффициента расширения Вселенной – или, как
