Надо быть благодарными, когда есть за что. Благодаря популярным статьям в «Нью-Йорк тайме» и передачам на канале «Дискавери», а также множеству научно-популярных книг по данному вопросу[90], в общественное сознание удалось внедрить некоторые научные фразы.
Спросите первого встречного, что происходит со Вселенной в данный момент, и не исключено, что вам ответят: Вселенная расширяется. Ну, вперед, бегите на улицу, мы подождем.
А теперь вернитесь и спросите у того же встречного, что же это на самом деле значит — «Вселенная расширяется». Мы готовы спорить, что на сей раз готового ответа не найдется. Тут-то кстати подвернемся мы.
Сначала пару слов о том, чего это не значит. Помните сцену из «Гражданина Кейна», где Чарльз с Эмили сидят за завтраком и мы видим, что с течением лет стол становится все шире и шире и дистанция между Кейпом и его женой становится все больше и больше?[91]
Так вот, Вселенная расширяется не так. Ваш стол не расширяется. Земля не расширяется. Солнечная система не расширяется. Наша галактика Млечный Путь, которая имеет в поперечнике десятки тысяч световых лет, — тоже объект слишком «точечный», чтобы участвовать в расширении Вселенной в целом.
Даже галактика Андромеда, расположенная от нас на расстоянии около 2,2 миллиона световых лет, на самом деле падает на нас со скоростью около 440 тысяч километров в час и, вероятно, столкнется с Млечным Путем, — ждать этого события осталось всего каких-нибудь три миллиарда лет. Дуглас Адамс ухватил суть вопроса в «Автостопом по галактике», когда писал: «Космос большой. Очень большой. Даже представить себе невозможно, какой он большой, огромный, колоссальный, сокрушительно-исполинско-великанский. То есть если ты думаешь, что от дома до аптеки тебе пилить и пилить, для космоса это — тьфу». Глава эта по большей части־ посвящена тому, какой космос на самом деле пустой, но чтобы дать вам хотя бы первоначальное представление об этом, скажем, что когда придет роковой час и Млечный Путь запляшет танго с Андромедой, при этом едва ЛИ столкнутся хотя бы две звезды. По всей вероятности, человечество погибнет не от столкновения звезд. К сожалению, вам придется подождать еще пару миллиардов лет — тогда Солнце наконец превратится в красного гиганта и сожжет на Земле все живое.
Хватит рассуждать о том, что кого убьет. Книга у нас веселая, и мы хотим рассказать вам о безобидном на первый взгляд расширении Вселенной. Если посмотреть, что делается примерно в 30 световых годах, окажется, что практически все галактики движутся от нас. Мало того — кажется, что чем дальше от нас галактики, тем быстрее они разлетаются[92].
Первым это отступление галактик отметил еще в 1917 году Весто Слифер из Лоуэллской обсерватории, причем выяснилось, что это едва ли не универсальный закон. Однако ученый не мог знать, насколько далеки эти галактики от нашей. Более того, в то время шли ожесточенные дебаты, что это за тусклые пятна света, которые видно в телескопы: туманности в пределах Млечного Пути или целые самостоятельные «островные вселенные» (как впоследствии и оказалось).
Расстояния до галактик измерить труднее, чем можно себе представить. Что бы ни писали в фантастических романах, нельзя полететь в другую галактику или даже к ближайшей звезде, развертывая за собой рулетку. Так что если астрономы, например, говорят: «До галактики Водоворот 23 миллиона световых лет», вы вправе спросить, откуда у них такие сведения.
Чем дальше от нас находятся звезды и галактики, тем тусклее они кажутся. Этот эффект мы можем использовать к собственной выгоде при помощи «стандартной свечи». Представьте себе, что вы идете в магазин и покупаете там стоваттную лампочку, ввинчиваете ее и начинаете от нее отходить. Чем дальше вы отходите, тем тусклее кажется свет. Вы знаете, насколько он ярок вблизи, поэтому, отходя от него, в состоянии оценить, насколько вы удалились, измерив, насколько тусклой кажется лампочка. Трудность заключается в том, что поскольку галактики не продаются в хозяйственных магазинах, на них не стоит маркировка в ваттах.
Даже Эдвин Хаббл, который, вероятно, был величайшим астрономом-наблюдателем начала XX века, не мог отмерять расстояния так уж четко. В1929 году он откалибровал расстояния и наблюдаемые скорости расхождения других галактик, выдвинув закон, который впоследствии назвали «законом Хаббла».
В своей статье Хаббл недооценил расстояния до галактик в восемь раз, и еще 20 лет назад публиковалось множество статей, где доказывалось, что расстояния, а следовательно, и постоянная Хаббла, вероятно, неверны с погрешностью в два раза[93].
Данные со спутника «Гиппарх», запущенного в 1989 году, и запущенного в 1990 году космического телескопа «Хаббл» (удачное название), позволили астрономам измерить постоянную Хаббла с точностью до нескольких процентов.
Еще один кусочек пазла расширяющейся Вселенной — это измерение скорости, с которой разбегаются от нас галактики. Измеряют ее примерно так же, как инспектор измеряет скорость, с которой вы мчитесь по дороге, — при помощи допплеровского сдвига. Вы наверняка заметили этот странный феномен, который происходит со звуком, когда мимо проносится пожарная машина. Когда машина летит на вас, сирена воет выше обычного. А когда она удаляется, сирена воет ниже. Со светом происходит примерно то же самое — только когда источник света движется на вас, свет кажется немного синее обычного. А когда удаляется — немного краснее. Чем быстрее удаляется источник, тем сильнее сдвиг в красную сторону, называемый астрономами «красное смещение».
Представьте себе, что мы берем Коржика из «Улицы Сезам» и разгоняем его в сторону от Земли со скоростью в 25 % скорости света. Его мех — темно-синий — в наших телескопах будет казаться ярко-красным. На взгляд астронома-наблюдателя Коржик — вылитый Элмо, однако он никогда не будет так бояться щекотки.
Мы знаем, что большинство книг по этому вопросу твердят, что галактики удаляются от нас, и опускают подробности, но мы верим в ваш интеллект. Вселенная растет, а галактики по большей части сидят смирно, зато пространство вокруг них растягивается. На первый взгляд такие поправки кажутся мелочными придирками, но на самом деле это важное уточнение.
Когда какая-нибудь далекая галактика испускает свет, фотоны проделывают долгий путь — от родной галактики до нас. При этом Вселенная расширяется, и тем больше фотонам требуется времени на дорогу, чем больше Вселенная успевает расшириться за время пути. Это расширение влияет на их цвет, как мы уже описали. Когда фотон «расширяется», это на самом деле значит, что увеличивается длина световой волны. Длина световой волны определяет цвет. Так что если Вселенная расширяется, пока фотон путешествует, фотон будет становиться краснее. Чем дальше от нас находится источник, тем сильнее, успеет расшириться Вселенная за время пути и тем больше будет красный сдвиг у фотона.
Если вы хоть немного похожи на нас, то выросли с убеждением, что вы — центр Вселенной, и на первый взгляд наблюдения Хаббла подтверждают эту теорию. Кажется, что все галактики разбегаются от нас врассыпную (хорошо, если хотите, Вселенная расширяется вокруг нас), и напрашивается мысль, что мы выгодно отличаемся от иных прочих. Ведь если все галактики удаляются от нас, значит, мы находимся в центре, как же иначе?
Позвольте представить: тентакуляне, раса астрономов из галактики, которая находится в миллиарде световых лет от нашей. Один из величайших астрономов — создание по имени доктор Калачик. Хотите познакомиться с доктором Калачиком? К сожалению, вынуждены вас огорчить. Поскольку эта галактика находится в миллиарде световых лет от нашей, то даже если бы мы послали на Тентакулюс VII радиограмму и попросили доктора Калачика ответить, у самого доктора Калачика это вряд ли получилось бы из-за крайне преклонного возраста. Если бы вам очень повезло, вы бы получили ответ от его прапрапра (умножьте миллионов на 50) правнучки, и к тому времени, как она ответила бы вам и указала на ошибку, пройдет еще добрый миллиард лет (даже если она не станет тянуть с ответом, а тогда наши потомки для начала просто забудут, что мы пытались с кем-то там наладить радиосвязь. Так что лично познакомиться с доктором Калачиком мы не можем, поэтому не можем и спросить у него, что же он видит в телескоп.
На самом деле все еще сложнее — ведь Вселенная расширяется. Если мы отправим сигнал на Тентакулюс VII, он будет идти туда больше миллиарда лет — и еще дольше будет идти ответ. Это все равно что пытаться измерить угря. Пока берешь линейку, он извивается со страшной силой, а пока приложишь к линейке голову, понимаешь, что нулевая отметка совсем не там, где ты ее оставил.
Это ничего, мы все равно знаем, что видит доктор Калачик в телескоп. Он видит в точности то же самое, что и мы с Земли, — почти все галактики в небесах разлетаются от Тентакулюса VII, и чем дальше они находятся, тем быстрее, как представляется, летят. Шовинистически настроенные элементы на Тентакулюсе уже постановили интерпретировать эти наблюдения как несокрушимое доказательство того, что Тентакулюс — центр Вселенной.
Разве может быть так, что прав и доктор Хаббл, и доктор Калачик? Разве может быть так, что обе галактики находятся в центре Вселенной?
Представьте себе, что вы жарите оладьи с черникой. Эту добавку мы выбрали по двум причинам: во-первых, любим чернику, во-вторых, черничины, как и галактики, в процессе приготовления оладий сами по себе не расширяются. Когда тесто для оладий поднимается и расширяется, черничины начинают удаляться друг от друга. Если бы они были разумны, все и каждая из них думали бы одно и то же: все прочие черничины разбегаются от меня, а дальние движутся быстрее, чем ближние!»[94]
Это подводит нас к достаточно деликатному вопросу, который вам, вероятно, покажется знакомым, если вы вспомните главу 1. Если у всех во Вселенной складывается впечатление, что все остальные от них разлетаются, разве можно утверждать, будто кто-то вообще двигается?
По всей истории науки красной нитью проходит общая тема «антицентропупизма». Николай Коперников честь которого назван «принцип Коперника») доказал, что Земля — не центр Солнечной системы. В 1918 году Харлоу Шапли из Гарварда показал, что наша Солнечная система находится на глухой периферии галактики Млечный Путь — вопреки распространенному заблуждению. А теперь Хаббл (и доктор Калачик на своей планете) утверждают, что наша Галактика — вовсе не центр Вселенной!
Однако, как мы сказали, с уверенностью назвать себя центром Вселенной не вправе никто. Предлагаем вам аналогию: представьте себе, что вы муравей, живущий на поверхности воздушного шара. Когда шар надувается, вы видите, что все остальные муравьи разлетаются от вас все дальше и дальше.
Заядлый зануда нашел бы возражения против мира муравьев. Он бы сказал: «Минуточку! Я знаю, что если бы мир муравьев надувался, муравьи бы заметили! Ведь я же замечаю, когда моя мама, скажем, нажимает на педаль газа!» Да, это так, но в нашем случае муравьи ничего не замечают, потому то их вселенная расширяется в загадочном третьем измерении, которого они прямо не воспринимают[95].
Вероятно, мы движемся в четвертом пространственном измерении, которое отличается от привычной системы координат из трех пространственных осей и оси времени. Чуть ниже мы поговорим о том, возможно ли, что существуют и другие измерения, кроме трех, которые мы воспринимаем непосредственно. Вероятно, это как раз тот случай, когда аналогия заводит слишком далеко. По принятой сейчас стандартной космологической модели, мы не нуждаемся ни в каких измерениях, кроме трех известных (плюс время).
Разговор о Тентакулюсе VII наталкивает нас на важные размышления. Если бы у нас были такие мощные телескопы, что в них можно было бы разглядеть родную планету доктора Калачика, мы бы увидели не то, что там происходит сегодня, а то, что было примерно миллиард лет назад. А если бы мы поглядели на другую, еще более отдаленную галактику, то заглянули бы в еще более отдаленное прошлое. Именно так ученые и изучают ранние стадии развития Вселенной — они смотрят, что происходит в очень далеких галактиках,
Однако за самыми дальними галактиками существует предел, за который мы заглянуть не в силах. На Земле мы называем этот предел горизонтом, но точно такой же горизонт существует и у Вселенной в целом. Заглянуть за горизонт мы не можем, так как свет распространяется с постоянной скоростью.
А поскольку Вселенная существует относительно недавно, всего каких-то 13,7 миллиарда лет, все, что расположено дальше, чем 13,7 миллиарда световых лет, еще некоторое время не будет доступно нашему глазу.
А откуда, собственно, взялась эта дата «начала Вселенной»? Начнем с конца. Если все галактики во Вселенной удаляются друг от друга, значит, когда-то в прошлом был момент, когда они (или по — крайней мере атомы, которые их составляют) сидели друг у друга на голове. Это «событие» мы называем Большим взрывом, который стал причиной крупных заблуждений, всяческой путаницы и написания следующей главы.
Оценить, когда произошел Большой взрыв, мы сумеем, если вспомним, что скорость — это отношение расстояния ко времени. Предположив (ошибочно, как выясняется, но пока что такая погрешность нас устраивает), будто скорость удаления галактики, где расположен Тентакулюс, с начала времен постоянна, мы можем вычислить скорость Вселенной при помощи простых магоматематических выкладок. Только подумайте: чем дальше от нас галактика находится сегодня, тем старше наша Вселенная, поскольку все разбегается друг от друга в известном нам темпе. Подставим в это простенькое линейное уравнение переменные, справедливые для нашей Вселенной, и прикинем, что возраст Вселенной — около 13,8 миллиарда лет: смотрите, результат почти такой же, как если бы вы проделали все вычисления точно и с нужными поправками.
Если бы у нас был достаточно мощный телескоп, смогли бы мы своими глазами увидеть зарождение Вселенной? Почти, но не совсем. Нынешний рекордсмен по дальности, объект по прозвищу А 1689-zD1, находится от нас на таком расстоянии, что его изображение, видное в космический телескоп «Хаббл», относится к тому времени, когда Вселенная насчитывала всего 700 миллионов лет от роду (около 5 % ее нынешнего возраста), когда ее размер составлял меньше 1/8 нынешнего.
Хуже того, А 1689-zD1 удаляется от нас со скоростью, примерно в 8 раз превышающей скорость света. (Мы подождем, а вы перелистайте книжку назад, на главу 1, где мы четко и недвусмысленно заявили, что это невозможно.) Загадка мгновенно разрешится, если мы вспомним, что это Вселенная расширяется, а не галактика движется. Галактика стоит на месте.
Вам все еще кажется, что мы жульничаем? Вовсе нет. Специальная теория относительности не говорит, что предметы не могут удаляться друг от друга со скоростью больше скорости света. А говорит она следующее: если я отправлю в небо Бэт-сигнал, Бэтмен не сумеет перегнать его на Бэтплане, как бы ни пыжился. В более общем смысле это означает, что никакая информация (например, частица или сигнал) не может двигаться быстрее света. Это абсолютная правда, даже если Вселенная очень быстро расширяется. Мы не в состоянии использовать расширение Вселенной, чтобы обогнать луч света.
На самом деле мы способны заглянуть в прошлое даже дальше, чем А 1689-zD1, но для этого нам нужны радиоприемники. Мы можем заглянуть в то время, когда Вселенной было всего-навсего 380 тысяч лет от роду и она состояла всего лишь из бурлящей смеси водорода, гелия и крайне высокоэнергичного излучения.
Дальше все в тумане — буквально. Поскольку Вселенная на ранних стадиях своего развития была туго набита материей, это все равно что пытаться заглянуть за соседкины шторы[96].
Что за ними, не видно, но мы знаем, как выглядит Вселенная сейчас и как она выглядела в каждый момент времени с ранних стадий до сегодняшнего дня, поэтому можем догадаться, что находится за этой космической шторой. Так и подмывает за нее заглянуть, правда?
Так вот, хотя заглянуть за горизонт мы не в силах, зато видим достаточно много, чтобы удовлетворять собственное и чужое любопытство за государственный счет. Самое прекрасное — чем дольше мы ждем, тем старше становится Вселенная и тем дальше отодвигается горизонт. Иначе говоря, существуют далекие уголки Вселенной, чей свет доходит до нас только сейчас.
А что же находится за горизонтом? Этого никто не знает, но мы вправе делать обоснованные догадки. Помните, что Коперник и его последователи ясно показали нам; «Когда куда-нибудь идешь, то все равно куда-нибудь придешь», поэтому можно предположить, что за горизонтом Вселенная выглядит примерно так же, как и здесь. Конечно, там будут другие галактики, но их окажется примерно столько же, что и вокруг нас, и выглядеть они будут примерно так же, как и наши соседки. Но это не обязательно правда. Мы выдвигаем такое предположение, поскольку у нас нет причин думать иначе.
Так, значит, Вселенная расширяется, однако галактики в ней практически не движутся. Как же это все на самом деле устроено? Придется вернуться к эйнштейновской общей теории относительности. Джон Арчибальд Уилер блестяще описал эту теорию известным афоризмом: «Пространство диктует материи, как двигаться, а материя диктует пространству, как искривляться», и именно так и следует о ней думать.
Мы не забыли о своем обещании держаться подальше от математики, однако формулировка Уилера, по сути, — это сухое изложение главного уравнения общей теории относительности — эйнштейновского уравнения поля. Приводить его здесь мы не будем, но кое-что о нем нужно знать.
Левая сторона уравнения поля[97] определяет, насколько две точки далеки друг от друга и в пространстве, и во времени, — эта величина называется «метрика», — а если мы посмотрим, как метрика меняется в пространстве, то сможем описать, насколько оно искривлено.
Метрике отводится настолько важная роль, поскольку частицы ленивы и выбирают именно тот маршрут, который позволяет минимизировать время на дорогу. В плоском (то есть лишенном гравитации) пространстве самый быстрый путь — прямая, как вы, вероятно, и сами догадываетесь, но если пространство искривлено гравитацией, все сильно осложняется.
Представим себе, что вы бросаете мячик приятельнице. Мячик хочет долететь до нее как можно быстрее, так что, вероятно, кратчайший путь — это прямая. Но постойте! Гравитация, как мы видели в предыдущей главе, заставляет время у поверхности Земли идти самую чуточку медленнее, поэтому мяч, вероятно, доберется до вашей приятельницы быстрее, если чуточку поднимется от земли и опишет дугу. С другой стороны, если дуга окажется слишком крутой, мячу придется двигаться быстрее, а мы уже видели, что если мяч летит очень быстро, время для него замедляется. Начинается поиск компромиссов, и мяч следует кривой пространства-времени и летит по дуге. Понятно? Несмотря на все разговоры о релятивистском времени и искривленном пространстве, в слабых гравитационных полях вроде поля Земли гравитация ведет себя именно так, как предсказывал Ньютон.
Но если мы хотим разобраться, как развивается Вселенная в целом, придется вырваться из слабого поля Земли, а для этого нужно сказать два слова о метрике. Напомним, что метрика говорит нам, насколько далеко отстоят друг от друга две точки. Представьте себе, что у вас есть линейка, которая медленно сжимается. И если вы через некоторое время решите измерить, например, расстояние от вас до Парижа, то обнаружите, что оно постоянно увеличивается.
Именно это и происходит в настоящей Вселенной!
Забудьте, чему вас учили в школе: пространство не абсолютно. Мы уже видели, что пространство и время для движущихся наблюдателей и наблюдателей, которые находятся вблизи массивных тел, относительны. Теперь мы понимаем, что по мере старения Вселенной меняется само пространство.
А что же находится по правую сторону эйнштейновского уравнения поля? Уилер нам уже ответил: «Материя диктует пространству, как искривляться». Именно материя Вселенной и говорит Вселенной, как развиваться.
Как же мы разберемся во всем этом, если (на самом деле) даже не знакомы с уравнениями общей теории относительности? Не бойтесь. Помните, что, когда речь заходит о гравитации, физическая интуиция и здравый смысл помогают даже лучше, чем вы думали.
Мы тут довольно бойко рассуждали о расширении пространства, но так ничего и не сказали о том, что же такое это самое пространство. Исаак Ньютон в своих Рrincipia Маthетаtiса много говорил о пространстве и придумал небольшой мысленный эксперимент, позволяющий пояснить, что это такое, на конкретном примере. Вернемся далеко назад — в главу 1, где Рыжий, Галилей и Эйнштейн (не обязательно в этом порядке) обнаружили, что наблюдатель не может определить, двигается он или покоится, если движение происходит равномерно. Играет роль исключительно динамика двух наблюдателей при их относительном движении.
Ньютон представил себе, что на скрученной веревке висит ведро, полное воды. Ведро удерживают в неподвижности, а затем отпускают, и веревка начинает раскручиваться, и ведро вертится. Поначалу вода хочет остаться на месте, и стенки ведра вертятся вокруг нее. Затем вступает в действие сила трения между водой и ведром, и вода начинает крутиться вместе с ведром. И при этом взбирается вверх по стенкам.
Да, понимаем — вы читаете и думаете: «Ну и что?»
Мы так много об этом разглагольствуем, поскольку к концу эксперимента Ньютона относительное движение между ведром и водой отсутствует — тем не менее мы можем сказать, что ведро и вода вертятся. Вот в чем вопрос: откуда ведро «знает», что оно вертится? Почему вода по-прежнему взбирается־ вверх по стенкам, если она никуда не движется относительно ведра?
Представьте себе одну простую вещь, которую вы увидите в любом научном музее: маятник Фуко. Маятник — это грузик, закрепленный на струне или тросе, который болтается туда-сюда, как в напольных или настенных механических часах. Маятник Фуко подвешивают так, чтобы он качался в любом направлении, куда захочет. Грузик раскачивают в одной плоскости — туда-сюда, — однако если наблюдать за ним достаточно долго, станет заметно, что он еще и вращается. То есть на самом деле маятник раскачивается в одной плоскости, а Земля под ним вращается. Каким-то образом маятник знает, как сохранить свою фиксированную ориентацию относительно пространства.
А лучше представьте себе, что наш старинный приятель Рыжий сидит в большой цилиндрической комнате, оборудованной ракетными двигателями, — нечто вроде аттракциона-центрифуги в парке развлечений.
Двигатели заводятся, барабан центрифуги начинает вращаться. Проходит совсем немного времени, и они останавливаются, но устройство в целом продолжает вращаться. Если вы видели «Космическую Одиссею-2001» или любой другой научно-фантастический фильм, где силу тяжести на космической станции симулируют вращением, то знаете, что произойдет: Рыжего начнет тащить вверх по стенкам[98].
Если во Вселенной нет ничего, кроме Рыжего с его центрифугой, у нас возникает вопрос: как можно сказать, что они вращаются? Относительно чего они вращаются? Попробуйте ответить на этот вопрос, избежав слова «пространство». Ведь пространство — это всего-навсего ничто, пустота, не так ли?
Философ Эрнст Мах примерно 240 лет спустя так сказал об этом в своей «Механике»: «Исследователь должен ощущать нужду в… знании о непосредственных связях, скажем, между массами во Вселенной. Они будут парить перед ним как идеальное представление о принципах материи в целом, из которого таким же образом вытекают все ускоренные и инерционные движения».
Нельзя сказать, чтобы это было точное научное определение того, как устроена Вселенная, но относительно вероятно, что мы забыли бы, что хотел донести до нас Мах, если бы не тот факт, что «принцип Маха» крайне занимал Эйнштейна (именно Эйнштейн так его и назвал). Он перефразировал это высказывание гораздо лаконичнее: «Инерция — это своего рода результат взаимодействия между телами».
По-прежнему сложно? А если так: «Тамошняя масса влияет на здешнюю инерцию»?
Ну и что? Конечно, далекая материя влияет на движение тел поблизости от нас. Именно это мы называем гравитацией. Но Мах говорил не об этом, и Эйнштейн усмотрел в его словах не это. Мах говорил, что если мы сравним нашу материю с далекими звездами, то уж как-нибудь сообразим, движемся мы или нет — по крайней мере ускоряемся мы или нет.
Принцип Маха в основном и вдохновил Эйнштейна на создание общей теории относительности. Основная идея заключалась в том, что «далекие звезды» в среднем можно считать неподвижными, и мы вправе сказать, что что-то движется или, если уж на то пошло, вращается, только относительно неподвижных звезд.
Верен ли принцип Маха?
Не обязательно. С математической точки зрения это решение уравнений Эйнштейна для пустого пространства. То есть для пространства, где материя как таковая отсутствует. Очевидно, что в таком случае не может быть и речи ни о каких далеких звездах, однако эйнштейновская специальная теория относительности все равно предсказывает, что если вы вдруг окажетесь в этой пустой вселенной, то «почувствуете», что вращаетесь.
Но ведь абсолютно пустая вселенная — это не правило, а исключение. В нашей Вселенной есть вещество. Общая теория относительности инкорпорирует во Вселенную материю. Это и есть то «свертывание» пространства, которое ощущается где угодно, в том числе и здесь.
Сразу после того, как Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, Джозеф Лензе и Ханс Тирринг из Венского университета заметили, что если взять достаточно массивное тело, скажем, черную дыру, и привести это тело во вращение, то пространство вокруг черной дыры тоже потянется за ней. Иначе говоря, если вы попытаетесь стоять на месте, покажется, будто вы вращаетесь. И это не просто догадка. С тех пор было запущено множество спутников, которые зарегистрировали вращение пространства, вызванное вращением Земли и Марса.
Мы хотим сказать, что на крупных масштабах получается, будто именно материя и «создает» пространство, даже если локальное пространство выглядит так, будто в нем ничего и нет.
На последних нескольких страницах нас увело в сторону эзотерики — мы слишком много рассуждали о природе пространства и обо всем таком прочем, а теперь пора перейти к более конкретным разговорам. Так вот, давайте договоримся: если вы согласитесь, что галактики во Вселенной в общем и целом никуда не движутся, а Вселенная вокруг них расширяется, мы сргласимся что можно иногда предаваться невинным фантазиям, что мы-де находимся в центре Вселенной. Для подтверждения согласия как следует встряхните эту книжку.
Мы сочтем, что вы тем самым сказали «да».
И даже можем проделать кое-какие корректные физические выкладки на основе «центропупистской» модели. Начнем с основного вопроса — замедляется расширение Вселенной или ускоряется?
Посмотрите на это с точки зрения Вселенной и постарайтесь проделать следующий эксперимент.
1. Выйдите на улицу с футбольным мячом.
2. Бросьте его вертикально вверх.
3. Быстренько отойдите в сторонку.
Сколько бы вы ни повторяли эксперимент, происходит одна старая история — что взлетает вверх, то падает вниз.
Разумеется, причиной того, что мы сумели построить ракеты, которые летают на Марс, стало следующее: если запустить мячик или ракету достаточно быстро, они вырвутся из гравитационного поля Земли. Скорость, с которой можно улететь с Земли, составляет примерно 40 тысяч километров в час — это называется «вторая космическая скорость». Ракеты взлетают в космос, поскольку двигаются быстрее.
А на Луне вторая космическая скорость составляет чуть больше 8000 километров в час. То есть если бы вы стояли на Луне и запустили сверхскоростной мячик со скоростью 16 тысяч километров в час, то обнаружили бы, что он вышел в открытый космос. А если бросить мяч с той же скоростью с Земли, то он в конце концов с размаху шлепнется обратно. Еще один пример для наглядности: вторая космическая скорость у Деймоса — спутника Марса — около 21 километра в час. Даже мы могли бы запустить мяч с Деймоса в открытый космос! Ну, наверное.
Так чем же Деймос так отличается от Земли? Массой. У Земли масса гораздо больше, а значит, больше и гравитация. Чем меньше масса, тем меньше сила гравитации, которая притягивает мяч обратно к планете (планетоиду, спутнику и т. п.), вот почему вторая космическая скорость у Деймоса такая маленькая. Для массивных предметов вроде галактик это тоже справедливо.
Если бы Вселенная была совершен до пуста (а это, к счастью для нас, совсем не так), то она бы расширялась вечно с абсолютно неограниченной скоростью. Не было бы материи, которая бы ее затормозила. Если бы у нас была настолько пустая вселенная, а мы поместили бы в нее немного вещества, то расширение бы немного замедлилось. Не забывайте: материя влияет на пространство, так что если бы мы поместили в эту вселенную целую кучу вещества, то она бы впоследствии схлопнулась.
Линия, отделяющая вселенную, которой суждено расширяться бесконечно, от вселенной, которой суждено схлопнуться, называется критической плотностью вселенной, и она гораздо ниже, чем вы думаете.
Обычно представление о том, насколько плотно космос набит материей, сильно преувеличено, поэтому, вероятно, нужно устроить проверку реальностью, и начнем мы с того, что происходит у нас по соседству. Вспомните сцену из «Звездных войн», когда Хан Соло на «Тысячелетнем Соколе» пробивается сквозь пояс астероидов. Тогда звездолет едва не развалился. Как вам, наверное, известно, у нашей Солнечной системы тоже есть пояс астероидов — между орбитами Марса и Юпитера (соответственно четвертой и пятой планетами, считая от Солнца). Что же произойдет, если вы преисполнитесь неблагоразумной отваги и рванете на своем звездолете к Юпитеру?
Ничего особенного.
Хотя астрономы не уверены, сколько в точности там астероидов, разумная оценка — 10 миллионов — показывает, что среднее расстояние между этими каменюками — больше полутора миллионов километров. Если вы не представляете себе, сколько это, поясним: полтора миллиона километров — это примерно в четыре раза больше, чем до Луны, а настолько далеко забирались пока едва ли пара десятков человек.
Если мы покинем Солнечную систему и двинемся к другим звездам, окажется, что от ближайшей звезды Проксима Центавра нас отделяет расстояние в четыре световых года, а по пути все довольно пусто. В среднем каждый кубический сантиметр (средний размер игрального кубика) межзвездного пространства содержит всего один атом водорода. Для сравнения — это примерно в 1016 раз менее плотно, чем земной воздух, и примерно в миллион раз менее плотно, чем самый-самый чистый искусственный вакуум, которого мы способны добиться в лаборатории.
Пространство между галактиками, даже если бы Вселенная обладала критической плотностью, еще в миллион раз менее плотно. Это значит, что на каждый кубометр пространства (это примерно объем вашего холодильника) приходится всего пять атомов водорода.
Вы, конечно, подозревали, что в космическом пространстве пусто. Потому-то оно и называется пространством. В некотором смысле.
Поскольку астрофизики не любят, когда у них в распоряжении остается так мало атомов, нас интересует, в сущности, только то, обладает Вселенная плотностью меньше критической или больше, поэтому мы определяем соотношение. Это соотношение сравнивает количество материи (любой материи) во Вселенной с количеством материи, которое мы ожидали бы при критической плотности. Это соотношение мы называем:
Ω м.
Если вы хотите рассказать маме, чему вас научила эта книга[99], а картинку по телефону не покажешь или просто бумажки под рукой нет, имейте в виду, что это называется «омега материи».
А сейчас мы испортим весь сюрприз и скажем, что по самым точным оценкам Ωм составляет 28 % (плюс-минус, крохотулечная погрешность) материи — именно такая доля вещества во Вселенной заставит ее схлопнуться. По мере расширения Вселенной материя в ней становится все более диффузной, так что с течением времени Вселенная будет казаться все более пустой. А значит, плотность Вселенной будет уменьшаться (пространства становится больше, а новой материи не вырабатывается), поэтому соотношение тоже будет уменьшаться,
Это очень важное число, особенно для чокнутых астрономов, и за последние два десятка лет основные усилия классической космологии были направлены на то, чтобы получить это число и еще несколько других[100], из которых можно вывести возраст, судьбу, будущее и прошлое Вселенной.
Но это число особенно важно, поскольку оно говорит нам, собирается ли Вселенная снова впасть в коллапс или будет расширяться бесконечно. Чтобы вычислить это соотношение, нам нужно измерить, сколько вещества нас окружает, и поэтому главный вопрос звучит так: как нам взвесить Вселенную?
В наблюдаемой Вселенной свыше 100 миллиардов галактик, и в них сосредоточена большая часть массы. Если мы сообразим, как взвесить галактики или скопления галактик, то просто сложим массу в пределах определенного участка пространства и вычислим таким образом плотность Вселенной.
Незачем пытаться взвесить всю Вселенную — достаточно найти способ точно вычислять вес отдельных галактик, и дело в шляпе. Как вам такая мысль: посчитать, сколько в галактике звезд, и предположить, что все они примерно похожи на Солнце. В конце концов, когда смотришь на ночное небо, все, что видишь, — это звездный свет или, как в случае Луны и планет, отраженный звездный свет нашего же Солнца. Более того, в нашей Солнечной системе 99,99 % массы — именно звездная (масса Солнца), поэтому, наверное, предположение, что (практически) вся масса галактик сосредоточена в звездах, не такое уж и безумное. Если мы переработаем цифры в нашем навороченном компьютере, то получим универсальную плотность — ΩЗВЕЗД — всего в 0,2 %.
Это означает, что галактики, как и автоботы с децептиконами, не совсем то, чем кажутся. В большинстве галактик солидную долю «вещества» составляет огромное количество газа, который испускает рентгеновское излучение, а не видимый свет. Так что если вы когда-нибудь приведете любимую галактику в рентгенкабинет, доктор сразу скажет вам, сколько в ней газа, измерив рентгеновское излучение. Если вы включите в свои расчеты ту массу, которая найдется благодаря этому эффекту, и приплюсуете ее к массе звезд, то обнаружите, что Ωм составляет 5 %, то есть Вселенная по-прежнему, прямо скажем, пуста.
Эти пять процентов — своего рода сюрприз, причем неприятный. Они отражают количество массы, которое содержится в обычной материи — физики любят называть ее «барионы», а это, как вы помните[101], всего лишь протоны и нейтроны.
А значит, все элементы состоят из барионов, что, в свою очередь, значит, что все атомы и молекулы стоят из барионов, а из этого следует, что мы с вами, Солнце, Земля, звезды, газ, пыль и все, что вы видели или с чем имели дело, состоит из барионов. Есть уйма разных оценок, которые можно проделать, чтобы подсчитать количество барионов во Вселенной. По всем получается, что ΩВ, то есть доля критической плотности в барионах, составляет всего около 5 %.
Все было бы прекрасно, если бы не любопытное наблюдение, которое сделала в 1970 году Вера Рубин с коллегами. Она отметила, что звезды вращаются вокруг галактик и вся эта конструкция держится на гравитации. Если в галактике недостает массы, звезды от нее разлетятся. Именно это происходит, если, разухарившись, начинаешь вертеть вокруг себя раскидайчик и тут кто-то злокозненный перерезает шнурок. Раскидайчик больше не крутится по «орбите», а отлетает в сторону, вероятно, подбив кому-нибудь злокозненному глаз[102].
Суть вот в чем: мы измерим, с какой скоростью двигаются звезды вокруг центра галактики, если вычислим доплеровский сдвиг, а затем уже на основании этих данных оценим общую массу этой галактики. И знаете, что оказалось? Оказалось, что галактики примерно в шесть раз массивнее, чем мы думали! Иначе говоря, Ωм составляет около 28 %, но только в том случае, если мы предположим, что большая часть массы, около 85 %, состоит из некоей загадочной «темной материи», которую нам не видно.
Возможно, в наших выкладках есть какая-то ошибка, а может быть, мы что-то неверно измерили. Бритва Оккама велит нам считать самое простое решение самым лучшим, а гораздо проще сказать, что мы где-то ошиблись, чем сказать, что мы почему-то не видим 85 % массы Вселенной! Нужны дальнейшие изыскания.
В последние годы симпатичные умницы-астрономы стали для измерения масс галактик и скоплений галактик пользоваться техникой, известной как «гравитационные линзы». Эта техника опирается на то, что массивные объекты вроде галактик немного искривляют пространство, а лучи света следуют кривизне пространства. Например, если галактика, где находится Тентакулюс, расположена между Землей и другой, более далекой галактикой, изображение задней галактики будет искажено массой галактики Тентакулюса. Чем больше масса, тем сильнее искажение.
Поблизости от скоплений галактик этот феномен еще заметнее, поскольку скопления галактик иногда имеют массу в целый квадрильон (1015) масс Солнца. Если скопления искажают своей линзой галактики на заднем плане, то астрономы на Земле будут наблюдать эти галактики не в нормальном виде, а в виде всяческих дуг, а иногда одна и та же галактика будет представлена двумя изображениями — примерно как в лупу под определенным углом видно, скажем, два ваших указательных пальца вместо одного.
Налицо редкий случай, когда забавная картинка не поможет; взгляните на изображение скопления галактик Abell 2218, сделанное космическим телескопом «Хаббл».
Если приглядеться, станет видно, что некоторые галактики — очень яркие и округлые. Это галактики в скоплении. Однако, присмотревшись еще внимательнее, вы увидите, что на фотографии много узких продолговатых мазков и выгнутых дуг. Хотите верьте, хотите нет, это тоже обычные галактики, просто они (если смотреть с Земли) находятся за скоплением, и их изображения беспардонно искажены гравитационным полем.
Гравитационные линзы позволяют измерять массу галактик, а следовательно, и Вселенной, еще одним способом, и все вычисления приводят к одному выводу: во Вселенной вшестеро больше массы, чем суммарная «обычная» барионная масса. В 2006 году Маруся Брадач, которая тогда работала в Стэнфорде, и ее коллеги изучили столкновение пары скоплений, так называемое скопление «Пуля», и получили поразительные результаты.
Как мы уже видели, большинство обычной массы в скоплениях составляют не звезды, а горячий газ. Звезды, та часть галактик, которую мы видим глазами, — всего лишь крошечное меньшинство. Так что если бы эта темная материя — материя, неразличимая глазом, — на самом деле состояла из обычного вещества, можно было бы ожидать, что она будет образовывать те-же структуры, что и газ.
Так вот, Брадач и ее сотрудники обнаружили, что в скоплении не просто больше массы, чем масса газа, — хуже того, темная материя, судя по всему, находится даже не рядом с газом! Иначе говоря, даже хотя мы не знаем, что это такое — темная материя, зато знаем, как ее искать. К вопросу о том, что же такое на самом деле темная материя, мы вернемся в главе 9.
Примерно до 1998 года положение дел в космологии практически полностью определялось поисками темной материи. Поскольку результаты измерения массы галактик еще только ожидались, космологическое сообщество в большинстве своем было убеждено, что Ωм нужно дополнять до 100 %. Убедительных свидетельств в пользу обратного не было, а большинство теорий опиралось именно на это число[103].
Однако серия наблюдений в середине 1990-х годов не оставила от этой идеи камня на камне.
Не так давно мы упоминали о том, что самый распространенный и простой способ измерить расстояние до других галактик — разобраться, насколько они яркие сами по себе, и, измерив, насколько яркими они нам кажутся, оценить дистанцию. Природа предусмотрительно снабдила нас превосходными «стандартными свечами» — в виде определенного типа взрывающихся звезд под названием «сверхновые типа 1а».
Сверхновые типа 1а состоят из белого карлика и красного гиганта, вращающихся по орбитам вокруг друг друга. Белый карлик — тлеющее ядро звезды, довольно плотное. Красный гигант очень большой, и его гравитации не хватает на то, чтобы удержать все его владения под контролем. В нашем случае это означает, что газ из внешней атмосферы красного гиганта падает на поверхность белого карлика.
Белые карлики — объекты очень компактные. Когда наше Солнце превратится в белого карлика, оно станет маленьким, как Земля[104].
Эти звезды такие плотные, что отдельные электроны в них буквально наталкиваются друг на друга. Белые карлики примерно в миллион раз плотнее гранита, и сжать белый карлик еще сильнее очень и очень трудно. Так вот, в конце концов на поверхность белого карлика нападает столько «отбросов» с красного гиганта, что белый карлик уже не сможет их принять, и протоны и электроны в этой звезде соединятся в нейтроны, образуя так называемую нейтронную звезду. При этом происходят колоссальный взрыв и выброс материи — это и есть сверхновая типа 1а. За несколько недель эта вспышка выделяет столько энергии, сколько Солнце за всю свою жизнь.
Когда сверхновая взрывается, лучше держаться подальше. Даже если она вспыхнет на расстоянии десяти световых лет, Земля в результате такого взрыва погибнет. К счастью, в каждой отдельной галактике происходит примерно одна такая вспышка в столетие, а наша галактика имеет в поперечнике тысячи световых лет, так что нам, скорее всего, пока ничего не грозит. Вынуждены, однако, вас огорчить: предсказать, когда сверхновая взорвется, невозможно.
Зато астрономы (как правило, мизантропы) обожают эти космические катаклизмы. Из сверхновых получаются отменные стандартные свечи, поскольку они: 1) невероятно яркие, а значит, их видно на очень солидных расстояниях; 2) взрываются примерно на одной и той же стадии развития (когда на поверхность белого карлика нападает достаточно вещества с красного гиганта), а значит, выглядят более или менее одинаково — следовательно, мы можем легко вычислить, на каком они расстоянии.
В 1998 году две группы исследователей под руководством соответственно Сола Перлмуттера и Адама Райсса вычислили расстояния до примерно 50 сверхновых, а поскольку они к тому же измерили красные смещения, то не только узнали, насколько эти сверхновые далеко, но и выяснили, насколько Вселенная с тех пор расширилась.
Обе группы — одновременно и независимо — пришли к интереснейшим выводам. Вселенная не замедляется, что произошло бы, если бы в нее засунули кучу вещества. Более того, она ускоряется.
Эйнштейн пришел к примерно такому же заключению, когда задумал общую теорию относительности. Эйнштейн назвал это космологической константой, и если вы когда-нибудь занимались математическим анализом, то помните, что в интегралах бывает «плюс константа». Если вы никогда не занимались математическим анализом, то не много потеряли.
Эйнштейн придумал космологическую константу, чтобы сделать Вселенную статичной, и был очень смущен, когда Хаббл открыл, что она расширяется. Однако, невзирая на замысел, космологическая константа обеспечивается безупречной математикой, и когда были получены результаты по сверхновым, интерес к космологической константе вспыхнул с новой силой. Однако на сей раз константу стали считать «темной энергией», которая наводняет Вселенную.
Эйнштейн заменил, что газ под сильным давлением обладает более сильной гравитацией, чем газ без давления вообще. Это важно, поскольку с математической точки зрения темная энергия обладает отрицательным давлением, то есть ведет себя как своего рода антигравитация, и именно поэтому Вселенная и расширяется. Мало того, по мере расширения Вселенной плотность этой энергии не снижается. Это как будто бы у вас была резинка, которую вы бы растягивали, растягивали, растягивали, а она почему-то не становилась бы тоньше. Вот типичная ситуация, в которой здравый смысл подведет кого угодно.
Думаете, это как-то неправдоподобно? Да нет. Мы уже видели что-то подобное в главе 2. Помните, мы говорили, что Вселенная наполнена энергией вакуума, поскольку фотоны то появляются, то исчезают? Помните, что если растянуть или смять коробочку с вакуумной энергией, ее плотность останется прежней?
Да, конечно, на первый взгляд мы просто играем с формулами, так что, вероятно, вам станет спокойнее, если мы скажем, что этот аффект уже пронаблюдали. В 1948 году Хэнк Казимир из Лейденского университета отметил, что если взять две металлические пластины в вакууме и держать их на небольшом расстоянии друг от дуга, они, как ни странно, начнут притягивать друг друга. А если пластины не заряжены электричество!!! такого быть не должно. Все это обретает смысл, если мы предположим, что всю Вселенную пронизывает вакуумное поле. Поскольку электрические поля исчезают внутри металлов, вакуумное поле между пластинами окажется слабее, чем снаружи, и в результате пластины притянутся друг к другу.
«Эффект Казимира» — одно из самых ярких и прямых свидетельство, что энергия вакуума и в самом деле существует и обладает в точности теми качествами, которые мы искали в темной энергии.
Это нас радует.
А огорчает нас другое — ответ на вопрос, сколько во Вселенной темной энергии. Поскольку материя и энергия эквивалентны (как мы видели в главе 1), мы можем спросить, какова плотность темной энергии, и выясним, что ΩDE составляет около 72 % от космологических измерений. Мы написали DE, так как хотим напомнить, что говорим о темной энергии — Dark Energy. Это число должно нас обрадовать, поскольку если сложить плотность обычного вещества (ΩB, около 5 %), темной материи (ΩDM, около 23 %) и темной энергии (ΩDE, около 72 %), то окажется, что общая энергетическая плотность во Вселенной обладает критическим Ωтот в 100 %. Из этого проистекает несколько пикантнейших следствий.
Так вот что нас должно огорчать! Если мы правильно понимаем эксперимент с металлическими пластинами в вакууме, значит, и лабораторные эксперименты, и большинство теорий показывают, что энергии вакуума во Вселенной должно быть примерно 10100 раз больше, чем показывают космологические измерения.
Вот что для нас, физиков, и является «проблемой».
Мы придаем столько значения ΩTOT, поскольку плотность Вселенной не только говорит нам о том, как Вселенная будет развиваться, но и показывает, какой она формы.
Вот что мы имеем в виду. И Земля, и Тентакулюс VII, как мы уже говорили, занимают во Вселенной более или менее неподвижное положение. Далеко-далеко, в миллиарде световых лет от обеих планет, расположена цивилизация гиперразумных роботов кланконов под предводительством царя-астронома ХР-4. По чудесному совпадению в один прекрасный день Хаббл, ХР-4 и доктор Калачик одновременно получают изображения других двух звездных систем и измеряют угол между ними.
Погодите! При чем тут углы? Наверное, вы заметили, что, когда смотришь в ночное небо, трехмерной картины Вселенной не получается. Две соседние звезды могут быть действительно соседками, а могут оказаться рядом по случайности, потому что одна от нас далеко, а другая близко. На земле эти загадки легко решаются при помощи нашего волшебного бинокулярного зрения (благодаря тому что у нас два глаза, мы воспринимаем глубину пространства), но когда имеешь дело с далекими галактиками» то ничего не разобрать, поэтому единственное измерение, которое мы можем сделать при помощи простого наблюдения, — это угол, под которым расположены две звезды или галактики.
Продолжим наш извращенный эксперимент: все три цивилизации передают свои данные об углах друг другу. Теперь (ну, или через миллиард с чем-то лет) каждая из них знает величину внутренних углов равностороннего треугольника в пространстве.
Если нарисовать такой треугольник на листе бумаги, то заранее ясно, что каждый угол будет равен 60 градусам. Это схема того, что произошло бы в плоском мире, а мир был бы именно плоским, если бы Ωтот составляла ровно 100 %.. Хорошо жить в плоских вселенных — там вполне можно положиться на интуицию.
Однако вселенная не обязательно должна быть плоской. Помните, что сказал нам Уилер, — что материя диктует пространству, как искривляться? Если Ωтот больше, чем 100 %, как это было бы, если бы во вселенной имелось гораздо больше вещества, космологи говорят, что вселенная «замкнута». На самом деле представить себе замкнутую геометрию проще простого. Она ведет себя практически как поверхность Земли. Если соединить три точки в треугольник, станет видно, что сумма его углов больше 180 градусов.
Извините за такое заумное геометрическое объяснение — просто нам хочется рассказать про наши треугольники еще одну пикантную сплетню. Возьмите галактику и поместите ее подальше от Земли в плоской вселенной, а затем (если существуют параллельные вселенные) проделайте то же самое в замкнутой вселенной. В замкнутой вселенной галактика покажется крупнее.
Пора устроить небольшой опрос. Если вселенные, в которых Ωтот больше 100 %, замкнутые, как вы думаете, как называются вселенные, в которых Ωтот меньше 100 %? Если вы ответили: «Открытые», мы завтрашней же почтой вышлем вам диплом кандидата наук. Как и ожидается, открытые вселенные обладают таким качеством, что далекие объекты в них кажутся меньше, чем в плоской вселенной.
В какой же вселенной мы живем? Если верить нашим космологическим наблюдениям, то в плоской или со крайней мере в почти совсем плоской. На практике нет никакой разницы между плоской и почти плоской вселенной. Это все равно что находиться на поверхности Земли. Земля, конечно, круглая, но в повседневной жизни об этом запросто можно забыть.
Замкнутые вселенные — единственный тип вселенных, имеющий границы. Мы не хотим сказать, что можно дойти до конца такой вселенной. Просто она как сфера — если долго-долго идти по ней, то в конце концов придешь туда, откуда вышел, но ни в какую границу при этом не упрешься.
С другой стороны, плоские (и открытые) вселенные принято считать бесконечными. Объяснить, что это на самом деле значит, не так-то просто, но в этом случае края у вселенной точно нет. Кроме того, это, вероятно, означает, что вселенная именно что бесконечна — в буквальном смысле. То есть по ней можно путешествовать вечно и не побывать дважды в одном и том же месте.
А может быть, и нет.
Общая теория относительности, в сущности, описывает так называемую геометрию вселенной. Если свернуть лист бумаги в трубку, он останется листом бумаги, то есть с геометрической точки зрения он по-прежнему «плоский». Все, что мы тут наговорили о треугольниках, справедливо для листа бумаги, скатанного в шар.
Не исключено, что вселенная свернута сама на себя, примерно как лист бумаги в трубку. Это называется «топология вселенной», и у нас нет ни одной физической теории, которая говорила бы, свернута вселенная или нет и если да, то как именно.
В принципе, доктор Калачик мог бы посмотреть в ночное небо и увидеть кланконскую звезду на противоположных сторонах небосвода. В 1998 году Нил Корниш из Университета штата Монтана и его сотрудники решили посмотреть, не наблюдается ли подобный феномен в виде сигналов на микроволновом уровне — то есть на уровне отголосков Большого взрыва. Нет, таких сигналов обнаружено не было. Это не означает, что вселенная не свернута, но если она свернута, то это происходит на масштабах куда дальше горизонта.
Может показаться, будто все эти разговоры о геометрии и динамике к делу не относятся. Однако теперь мы готовы разобраться, куда же на самом деле расширяется Вселенная. Беда в том, что общая теория относительности и наши наблюдения на этот вопрос не отвечают. Помните: физика говорит нам только о том, что происходит при определенных обстоятельствах, а не о том, как на самом деле устроена Вселенная на фундаментальном уровне. А у космологии вообще свои проблемы. Мы же в принципе наблюдаем только одну Вселенную. И если ответы вам не нравятся, вероятно, вы задаете неправильные вопросы.
Так вот, к сожалению, мы не можем дать вам определенного ответа на этот вопрос. Зато можем предоставить уйму поводов для размышления.
Итак, куда расширяется Вселенная? Выбирайте.
А. Никуда.
По нашему мнению, это самый лучший ответ. Если вспомнить о том, как устроена общая теория относительности, единственное, что определяет устройство пространства, — это метрика, то есть то, насколько отстоят друг от друга две точки. В результате никакого «вне вселенной» не существует. С этой точки зрения мы и писали данную главу. Можно лететь сколько угодно и так и не добраться до края. Даже ограниченная вселенная может быть свернута сама на себя.
Б. Неважно.
Мы понимаем, это не ответ. Но дело в том, что единственная наблюдаемая физика — это то, что происходит в пределах нашего горизонта. Вполне можно представить себе, что вне наблюдаемой Вселенной нет ничего, кроме полной пустоты, в которой нет никакой материи. Вероятно, там все фиолетовое в крапинку или плавают другие «островные вселенные», устроенные совсем не так, как наша.
Мы не знаем. Если это находится за пределами нашего горизонта, то и не узнаем никогда. Помните, что предположение Коперника о том, что в нас нет ничего особенного, предполагает, что Вселенная одна и та же, где бы ты ни находился, поэтому, вероятно, ничего интересного мы не пропускаем.
С другой стороны, Вселенная продолжает расширяться, и наши горизонты тоже раздвигаются, мы видим все больше и больше и все лучше и лучше понимаем, занимаем мы особое место во Вселенной или нет. В определенных рамках.
Случилось так, что в нашей Вселенной есть темная энергия, и хотя с течением времени обычная материя и темная материя проникают друг в друга все сильнее, темная энергия ни с чем не смешивается. Все это просто ускоряется, а значит, каждая конкретная точка в пространстве улетает от нас все быстрее и быстрее. А это значит, что в нашей Вселенной горизонт когда-нибудь совместится с некоторым максимально далеким горизонтом. Если дальше что-нибудь и есть, мы об этом никогда не узнаем.
В. Другие измерения?
Мы упоминали о вероятности того, что во Вселенной кроме привычных для нас измерений — вправо-влево, вверх-вниз и вперед-назад — есть и другие измерения. Конечно, еще одно измерение — это время, и в некотором смысле Вселенная расширяется и во время, но как физическая теория это ничего не дает.
В последние несколько десятилетий появился целый фейерверк моделей Вселенной, основанных более чем на трех пространственных измерениях, среди которых самая известная — теория струн, а самая сложная — М-теория, с которой мы познакомились в главе 4 и которая предполагает 10 измерений. Как вы помните, согласно теории струн, разница между частицами — чистой воды выдумка. По сути все частицы — это струны, и одна струна способна расщепиться на две, а две — слиться в одну[105].
Однако М-теория, в частности, предсказывает существование более сложных структур. Если «струна» в теории струн на самом деле представляет собой одномерную структуру, М-теория опирается на существование более сложных — двух- и трехмерных — «бран» (сокращение от «мембран»). Отдельные частицы, например фотоны, «прилипают» к конкретной бране.
Для нас главное то, что Вселенная в целом, вероятно, представляет собой просто гигантскую трехмерную брану, а мы движемся вокруг в пространстве с более высоким числом измерений. Вероятно, рядом парят и другие «вселенные», но поскольку наши фотоны «заключены» в нашей собственной бране, а их фотоны — в их бране, мы их не видим. М-теория предполагает, однако, что мы в состоянии их почувствовать — или по крайней мере ощутить их гравитационное воздействие, — а еще эти браны время от времени случайно сталкиваются, от чего наша «вселенная» погибает и возрождается.
В этом смысле наша Вселенная, наша «брана», возможно, на самом деле движется во вселенную с более высоким количеством измерений.
Итак, в конечном итоге Вселенная, по всей видимости, расширяется в никуда. Конечно, еще может оказаться, что то «вовне», куда мы расширяемся (или по крайней мере движемся), — это более высокие измерения, которые мы, вероятно, не в состоянии воспринять непосредственно. Ну что, достаточно «головокружительная картина Вселенной»?
В которых, однако, почти никогда нет забавных картинок.
Если не помните, не пожалейте времени на то, чтобы посмотреть этот фильм. Бытует едва ли не единодушное мнение, что это лучший американский фильм всех времен.
Скоро вы поймете, что это слово «кажется» играет в нашей комедии едва ли не главную роль.
Впоследствии множество представителей других направлений физики потешались над космологами (и до сих пор потешаются) за жалкие и занудные потуги на точность.
Кроме того, они думали бы: «Боже мой, меня сейчас заварят заживо!»
И машину муравьи не водят.
Нет-нет, мы не считаем, что вы пытались это сделать. Мы о вас лучшего мнения.
Да, мы пишем слова вроде «левая сторона уравнения», чтобы не писать само уравнение. Иначе вы окончательно расслабитесь.
А ёсли он будет крутиться достаточно долго, его начнет тошнить вверх по стенкам. Гы-гы-гы.
«Мам, привет, это я. Я тут читаю одну книжку про физику, так там говорится, как подсчитать плотность нашей Вселенной относительно критической».
Это непревзойденно удачная попытка астрономов получить точные числа.
А вы, конечно, помните.
М-да. Опасные шутки с раскндайчиком, рентген для галактики… Эта глава сделает вас завсегдатаем травматологического пункта.
Главная теория была и есть известна под названием «Теория инфляции», и о ней мы подробно поговорим в следующей главе. Нынешние оценки показывают, что Ωм составляет около 28 % (в противоположность 100 %, предсказанным первыми моделями инфляции), и это должно разнести эту теорию в пух и прах раз и навсегда. Однако теоретики каким-то образом сообразили, что можно подправить формулы, и все снова запорхает. Это должно стать для вас ценным уроком доверия к физикам-теоретикам, которые утверждают, будто в чем-то уверены.
Поскольку к тому моменту Солнце уже давно пройдет стадию красного гиганта и спалит Землю дотла, нас это уже не будет интересовать.
Возьмите обычную струну, сделайте из нее петлю, а потом разрежьте струну пополам и сделайте по петле из каждого куска.