Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

Выражаясь математическим языком, мы можем сказать, что формулы Фридмана описывают многосвязную Вселенную, состоящую из бесчисленного множества трехмерных миров, живущих в своем собственном ритме времени. Воображения не хватает все это себе представить!

Не стоит, впрочем, огорчаться из-за этого. Сами физики в наглядности не идут дальше двух или трех измерений, а более сложные фигуры представляют себе в виде как бы срезов, находя соответствующие двух- и трехмерные аналогии лишь для отдельных деталей. При известной тренировке можно держать в голове сразу нескольких таких срезов. Мысленный взор быстро их перебирает, и возникает иллюзия многомерного видения. Получается нечто вроде того, как мы восстанавливаем форму предметов по их теням.

Пожалуй, труднее всего уяснить себе, как может существовать сразу несколько «пузырей»-вселенных. Ведь, казалось бы, все же должно быть что-то такое, во что они погружены; и вот это «что-то», наверное, как раз и есть настоящая, единая для всех Вселенная.

Это было бы так, если бы на «пузыри»-вселенные можно было бы взглянуть со стороны. Но этого-то как раз и нельзя сделать. Согласно теории относительности на мир можно смотреть лишь изнутри — из «пузырей», и каждый наблюдатель увидит свою Вселенную и только ее одну. Чтобы представить себе это нагляднее, вообразим на минутку, что «пузыри» соединены сверхузкими коридорами — как бы микроскопическими проколами из одного мира в другой. Тогда все миры будут частями единой Вселенной. Такая Вселенная обнимает все пространство. Вне ее ничего нет. Если теперь коридоры будут становиться все уже и уже, то в конце концов мы получим парадоксальную картину разделенных и полностью замкнутых миров.

Но каким бы строгим с математической точки, зрения ни был вывод о множестве не ощущающих друг друга миров, в философском отношении они встречают серьезные возражения. Ведь одно из самых главных положений диалектики состоит в признании связи между всеми существующими, в природе явлениями, вследствие чего не может быть абсолютно изолированных пространственных областей и материальных объектов, принципиально недоступных познанию («вещей в себе» — как называл их Кант). Это противоречие заставляет думать, что формулы Фридмана — лишь первое приближение к более общей теории, в которой все миры непременно будут связаны между собой физическими процессами.

И действительно, если мы учтем квантовые поправки, «замкнутые миры» превратятся в «полузамкнутые». Если вернуться к рассмотренной выше модели соединенных каналами миров-«пузырей», то следует принять во внимание, что, когда толщина канала становится сравнимой с размерами элементарных частиц, в них начинаются процессы рождения и поглощения виртуальных частиц, и тем интенсивнее, чем уже канал. Эти процессы размывают границы, делают их диффузными и не позволяют каналу «сжаться в нуль». Иначе говоря, чем уже канал, тем сильнее препятствующее его сжатию давление «газа» виртуальных частиц. Поэтому все «пузыри»-вселенные остаются взаимосвязанными на уровне микромасштабов и образуют единое всеобъемлющее пространство-время. Противоречие устраняется.

И все же кажется просто невероятным: огромная Вселенная, Метагалактика, и в то же время — крохотный «пузырек» в пространстве и времени! В это трудно поверить. Тем более что непонятно, каким образом могут образоваться в природе почти замкнутые миры-вселенные...

Открытие Фридмана вызвало огромный интерес. Во многих странах ученые исследовали свойства найденных им решений, изучали условия, при которых могут существовать такие миры. Возникла целая наука — релятивистская космология. И вот в ходе этих исследований довольно быстро выяснилось, что среди многих физических явлений, предсказываемых теорией относительности, есть процесс, который как будто может приводить к образованию замкнутых миров.

Если масса тела велика, то расталкивающего действия излучений и мощных потоков вещества, порожденных ядерными реакциями в недрах этого тела, может оказаться недостаточно, чтобы противостоять стягивающим силам гравитационного притяжения. Равновесие нарушится, и тело сначала медленно, как бы нерешительно, а затем все быстрее и быстрее начнет сжиматься, «опадать». Это и понятно: чем меньше объем, в котором сконцентрирована масса тела, тем больше сила гравитации. Происходит то, что физики называют гравитационным коллапсом — катастрофическое сжатие тела в точку с бесконечной массой, «схлопывание» пространства-времени и полное «выпадение» тела из нашего мира. Правда, квантовые эффекты рождения элементарных и суперэлементарных частиц, по-видимому, остановят сжатие и предотвратят полное «выпадение» тела. От него останется «микрослед», но такой ничтожный по сравнению с исходными размерами тела, что им можно будет пренебречь и сказать: вот образовался еще один полузамкнутый мир, практически не связанный с нашим.

Это похоже на то, как если бы от большого пузыря отпочковался маленький. Связывающая их горловина становится все уже и, наконец, обрывается. Разумеется, это условная картина: так выглядел бы процесс образования нового мира в глазах наблюдателя, находящегося в воображаемом четырехмерном пространстве. В нашем реальном мире мы видим лишь стягивающуюся горловину, все остальное мы можем представить себе лишь с помощью формул.

Следует, правда, заметить, что далеко не все массивные тела, если ослабнут протекающие внутри них ядерные реакции, должны обязательно сжаться до микроскопически малых размеров. Так было бы, если бы в окрестностях сжимающегося тела не менялись свойства пространства и времени. Но гравитационное поле, то есть кривизна пространства и времени, становится там чрезвычайно большой, и, как предсказывают формулы теории относительности, ход времени при этом замедляется. Это значит, что скорость процессов, происходящих вблизи коллапсирующего тела, будет постепенно уменьшаться. Даже скорость света, которому все труднее и труднее станет преодолевать путы тяготения. Наконец, гравитационное поле сделается настолько сильным, что скорости всех процессов обратятся в нуль и время остановится — замрет. Ни свет, ни какие-либо другие излучения уже не смогут вырваться из гравитационного омута, и коллапсировавшее тело — звезда или целая галактика — станет невидимой для наблюдения черной дырой, которая поглощает все, что на нее падает, но сама ничего, абсолютно ничего не испускает. Оттого-то она и невидимка.

Правда, невидимкой черная дыра останется лишь для внешнего наблюдателя, рассматривавшего гравитационный коллапс со стороны. Для наблюдателя, который сам бы падал на коллапсирующее тело, все выглядело бы иначе. Подобно пассажиру кабины свободно падающего лифта, он не чувствовал бы тяготения, поэтому и скорости происходящих вокруг процессов оставались бы для него прежними. Конечно, когда перепады гравитационных сил сделались бы заметными на расстояниях, сравнимых с размерами самого наблюдателя, положение изменилось бы. Как ни странно, разные части его тела начали бы тогда жить в различном пространстве и времени. На него действовали бы растягивающие и разрывающие силы, подобные тем, что вызывают приливы и отливы на нашей планете. В конце концов сам бы он распался на молекулы и атомы, а затем превратился в пучок суперэлементарных частиц и геометрических квантов. Картина — прямо для романа ужасов!

Сам Фридман никаких соображений о черных дырах нам не оставил, хотя от его формул до гравитационного, коллапса рукой подать. Возможно, этому помешала его ранняя смерть — он умер через три года после того, как в немецком физическом журнале были опубликованы его две статьи о сжимающихся и расширяющихся мирах. Существование черных дыр предсказал незадолго до второй мировой войны вместе со своим ассистентом американский физик Роберт Оппенгеймер — тот самый, кто через несколько лет возглавил в Лос-Аламосе исследования по созданию атомной бомбы.

Интересно, что статья Оппенгеймера о черных дырах почти не привлекла внимания физиков — в то время уже ощущалось дыхание приближающейся войны и умами ученых овладевали волнующие и тревожные вопросы, связанные с использованием энергии атома. О черных дырах вспомнили после запуска первых советских спутников, когда космос с его загадками и тайнами стал вдруг совсем близким.

Чем массивнее тело, тем большую черную дыру образует оно в пространстве. Дыры, возникающие в результате сжатия галактик, в сотни и даже тысячи раз превосходят размеры нашей Солнечной системы. Триллионы километров в поперечнике! Сам термин «дыра» кажется здесь неуместным, лучше было бы говорить «черный провал».

Размеры самых маленьких черных дыр — километры. Такие дыры образуются при коллапсе тел с массой раза в полтора-два тяжелее нашего Солнца. Менее тяжелые тела вообще не могут коллапсировать — их гравитационное поле слишком слабо, чтобы превозмочь стабилизирующие вещество межатомные и ядерные силы. Для образования дыр, которые были бы меньше нескольких километров, нужен какой-то другой механизм. Указания на него мы находим все в той же общей теории относительности Эйнштейна.