Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Как мы убедимся далее, реальная Вселенная почти что плоская. Другими словами, мы с вами живем в евклидовой Вселенной. Из-за этого современная космология зачастую довольствуется концепцией Ньютона, в то время как большая часть формального аппарата общей теории практически всегда оказывается излишней. И все же выводы теории относительности имеют ключевое значение. Вблизи таких объектов, как черные дыры, гравитационное поле может быть экстремально сильным, пространство-время заметно искажено, что требует применения всех постулатов общей теории относительности.
* * *
До сих пор, говоря об общей теории относительности, я не затрагивал второй его постулат. Название у него довольно нелепое, поэтому давайте просто назовем его «обобщенным» принципом относительности. Вы уже знаете, что специальная теория относительности рассматривала лишь движение с постоянной скоростью или, если быть точнее, лишь те системы отсчета, которые движутся с постоянной скоростью; Эйнштейн объявил, что законы природы в них во всех одинаковы. Работая уже над общей теорией относительности, он сказал, что нужно научиться описывать движение в любой возможной системе отсчета, и в том числе – в движущейся с ускорением.
Его заявление породило много глубоких и важных вопросов. Большинство из нас наверняка бывали в парке развлечений и помнят аттракцион, в котором кабинки вращаются по кругу и вокруг своей оси, как в центрифуге. Обычно мы говорим, что центробежная сила придавливает нас к стенке кабинки, стремясь выбросить наружу. Так это ощущается внутри. Однако сторонний скептик-наблюдатель, стоящий на земле, заявил бы, что это только наше воображение. Если бы кабинка внезапно исчезла, мы бы полетели по прямой, в соответствии с законом инерции Ньютона. Центробежная сила, которую мы ощущаем, – вымысел, и на самом деле это стена кабины давит на нас, не давая из нее вылететь.
Этот вращающийся аттракцион тоже является ускоряющейся системой отсчета, и, как написано во многих учебниках, физику на примере таких систем изучать нельзя. Центробежная сила – плод нашего воображения, потому что на земле, не пребывающей в состоянии ускорения, она исчезает. И все же мы видели, как гравитация исчезает в падающем лифте, который в данном случае эквивалентен системе отсчета, движущейся без ускорения. Может, гравитация – тоже выдумка?
На этот вопрос возможен только один ответ: если мы доверяем общей теории относительности, то у нас нет иного выбора, как признать, что реальны либо гравитация, либо те самые вымышленные силы. Иного не дано.
* * *
Эта дилемма ставит перед нами еще более глубокий вопрос. Представьте, что мы сидим в поезде. Согласно специальной теории относительности, мы не можем определить, движется ли он с постоянной скоростью или находится в состоянии покоя. Тем не менее мы точно знаем, в какой момент он начинает ускоряться, – это происходит, когда движение поезда отталкивает нас к спинкам кресел.
Вопрос заключается в том, относительно чего ускоряется поезд. Исаак Ньютон сказал бы, что ускорение происходит относительно абсолютного пространства – эфира, пребывающего в неизменном состоянии абсолютного покоя. Вводные курсы физики как бы разделяют его точку зрения и создают тем самым основу для иллюзорного существования эфира.
Значительное влияние на Эйнштейна и его общую теорию относительности оказали работы немецкого физика и философа Эрнста Маха, который был уверен, что абсолютное пространство – плод фантазии Ньютона. Если же обнаружить абсолютное пространство невозможно, остается говорить об ускорении только относительно других материальных объектов – например, звезд. Эту мысль Эйнштейн окрестил «принципом Маха».
На самом деле этот принцип был продемонстрирован еще в 1851 году в Париже, когда Леон Фуко подвесил к куполу Пантеона очень длинный маятник. В течение дня казалось, что плоскость, в которой раскачивался маятник, медленно вращается относительно пола Пантеона, но в реальности это Пантеон двигался вокруг маятника, который раскачивался в той же плоскости, но относительно звезд. Что же заставило маятник Фуко раскачиваться в плоскости, вращающейся относительно звезд? Может, система отсчета в виде звезд случайно совпала с абсолютным пространством? Для одних людей в этом нет никакой проблемы, для других это – одна из глубочайших тайн физики.
Эйнштейн намеревался встроить принцип Маха в общую теорию относительности. Во Вселенной, в которой исчезла бы вся материя, никто не смог бы обнаружить никакого ускорения. Насколько успешной оказалась попытка Эйнштейна, до сих пор остается предметом споров, но, чтобы раскрыть эту тему, нам бы понадобилась еще одна книга. Поэтому я предпочитаю на этом остановиться.
Как описывает Вселенную теория относительности?
4
Расширяющаяся Вселенная
Сегодня идея расширяющейся Вселенной пользуется такой популярностью, что уже успела укорениться в массовой культуре. Но что за ней стоит? Когда после любого публичного выступления на тему космологии слушатели начинают подниматься на сцену, первый их вопрос звучит так: «Если все остальные галактики от нас удаляются, означает ли это, что мы находимся в центре Вселенной?» Второй их вопрос: «Куда расширяется Вселенная?» Если уж совсем честно, иногда они следуют в обратном порядке. Так или иначе, эти вопросы довольно естественны, в то время как концепция расширяющейся Вселенной – нет.
Мы точно можем сказать, что она принадлежит не Эйнштейну: в 1916 году, когда он только опубликовал исследование, посвященное общей теории относительности, у науки еще не было никаких астрономических доказательств, что Вселенная расширяется. А когда Эйнштейн в том же году приступил к разработке первой современной модели космоса, он все еще полагал, что Вселенная статична. В течение следующего десятилетия астрономы приблизились к пониманию, что Вселенная расширяется, когда поняли, что звездные туманности находятся не в нашей галактике, как все думали раньше, а за пределами Млечного Пути; более того, стало понятно, что эти туманности от нас удаляются.
Теория расширяющейся Вселенной получила признание после 1929 года, когда Эдвин Хаббл представил свой знаменитый закон, утверждающий, что скорость удаления одной галактики от другой прямо пропорциональна расстоянию между ними. По причинам, которые, надеюсь, вскоре станут понятны, закон Хаббла также подразумевает, что галактики удаляются не только от Млечного Пути, но и друг от друга[10].
Именно так астрономы понимают расширение Вселенной: все галактики отдаляются друг от друга. Это открытие стало важнейшим в истории космологии и легло в основу всей теории Большого взрыва, ведь если бы Вселенная не расширялась, Большого взрыва не
