Как устроена машина времени? - Станислав Зигуненко

Теоретические рассуждения Фридмана получили блестящее подтверждение на практике, в ходе астрономических измерений. В 1929 году американский астроном Э. Хаббл, изучая спектры галактик на звездном небе, обнаружил в них «красное смещение». То есть, говоря иначе, линии спектра, который они излучали, были сдвинуты к красной области по сравнению с нормальным эталонным положением. Из этого наблюдения Хаббл сделал вывод, что смещение это можно истолковать как следствие эффекта Доплера, согласно которому звук и свет, излучаемые движущимся предметом, отличаются от такого же излучения в неподвижном состоянии.

Что касается звука, то эти смещениями можете уловить на слух прислушавшись, например, к гудкам электрички, движущейся на вас и от вас. Они заметно отличаются по тону, как друг от друга, так и от сигнала стоящей электрички.

Смещение светового излучения не столь заметно, на глаз его не определишь. Хотя среди физиков и бытует шутка о неком физике-автолюбителе, который, проехав на красный свет светофора, пытался уверить инспектора ГАИ, что это произошло только потому, что красный свет показался ему зеленым. Наука, дескать, вполне допускает это, если вы движетесь навстречу источнику света.

— И при какой скорости это происходит? — поинтересовался инспектор.

— Легко подсчитать — получается что-то около 75 процентов от скорости света, — быстренько прикинул физик. — В таком случае платите штраф за превышение скорости…

Шутки шутками, но астрономы тем не менее ухитряются «засекать» это смещение с помощью точных приборов. Более полувека назад астроном Пулковской обсерватории использовал этот прием для измерения скорости звезд, а Хаббл воспользовался тем же эффектом для открытия нового Явления во Вселенной — разбегания галактик.

Так получила свое начало теория расширяющейся Вселенной.

Пространство вне времени?

Исходя из созданной им общей теории относительности, А. Эйнштейн попробовал построить космологическую теорию строения окружающей нас Вселенной. При этом он исходил из определённых общих воззрений на нее. В частности, он считал, что Вселенная в целом должна быть однородной. Предполагал он также, что и все направления во Вселенной равноправны.

Однородность и изотропность — это пространственные свойства Вселенной Эйнштейна. Ну а каковы должны быть ее временные свойства? На этот счет тоже существовала традиция начала века, которой последовал и создатель теории относительности. Согласно бытовавшим в то время взглядам считалось, что Вселенная пребывает в неизменном состоянии и никак не подвластна ходу времени. Если где-то погасла звезда или галактика, то ей на смену тотчас же загорается другая, так что в целом картина мира остается принципиально неизменной.

Однако реальная Вселенная оказалась совершенно иной, не статически застывшей, а динамичной и развивающейся. Уравнения Фридмана показали, что вещество Вселенной не может находиться в покое. Оно должно либо расширяться, либо сжиматься.

Ho почему Вселенная не может быть статической? Ответ на этот вопрос достаточно прост. Классическая, механика Галилея и Ньютона приучила человечество к мысли, что тело может находиться в покое или в состоянии равномерного прямолинейного движения только в том случае, если на него не действуют Никакие силы. Или если эти силы — сколько бы их ни было — уравновешивают друг друга.

Может ли такое равновесие наблюдаться во Вселенной? Вряд ли. Потому что на все небесные тела в нашем мире действует, по существу, одна лишь сила — сила небесного тяготения. Никаких иных сил в этом масштабе попросту нет. В итоге сила всемирного тяготения ничем не уравновешивается и вследствие этого приводит мир в движение: планеты обращаются по своим орбитам вокруг солнц, а сами солнца и их скопления — звездные галактики, а также открытые недавно скопления галактик — все это должно двигаться.

На сегодняшний день измерена и скорость этого движения. Постоянная Хаббла, как называют эту скорость, по современным данным, составляет от 50 до 75 километров в секунду на мегапарсек[1]. Более точно эту величину измерить пока не удается по техническим причинам. Но и полученных данных достаточно, чтобы понять: время во Вселенной измеряется миллиардами лет.

В самом деле, если мы предположим, что две галактики находятся друг от друга на расстоянии 100 мегапарсек, то по закону Хаббла, гласящему, что скорость удаления одной галактики от другой равна постоянной Хаббла, умноженной на расстояние между галактиками, получается: одна галактика «убегает» от другой со скоростью где-то около 5 тыс. км в секунду..

По нашим земным понятиям скорость, конечно, весьма прилична. Однако с точки зрения масштабов Вселенной такое движение можно сравнить с черепашьим шагом: время, за которое одна галактика-отойдет от другой на удвоенное расстояние, составит… порядка 20 млрд. лет!

Время Вселенной

Таким образом, получается, что, время во Вселенной все-таки есть. Но движется оно, можно сказать, неспешно. Проходят миллиарды и миллиарды лет, пока становятся зримо видны изменения в строении галактик, или в структуре составляющих их звезд. И человечество, если оно хочет хоть что-нибудь узреть и понять на протяжении короткого промежутка жизни одного поколения, должно запускать машину времени.

Одна из таких «машин» — наше воображение. «Если галактики разбегаются, — говорит оно нам, — то, значит, раньше они были ближе друг к другу. Чем дальше в прошлое, тем теснее они располагались в пространстве…»

Значит, где-то там, в весьма далеком прошлом, у Вселенной есть начало — момент, когда космическая плотность вещества была невообразимо велика и вся Вселенная сжата в одну точку.

Такое начальное состояние бесконечной плотности называется космической сингулярностью. (Кстати, само слово «сингулярность» в переводе означает «особенность». Оно как бы намекает на то, что это состояние совершенно необычно и исключительно).

Но бесконечность, вообще-то, понятие математическое. Что оно может означать физически? Скорее всего, предел, границу применимости модели Фридмана. За ним, в области сингулярности, становятся неприменимы многие законы привычного нам мира, в том числе, по всей вероятности, и общая теория относительности.

…Качается большой маятник Вселенной. От. точки сингулярности к некому пределу, за которым расширение Вселенной сменится ее сжатием. И снова вещество начнет сжиматься в некую точку, как было уже однажды. И пусть это время далеко от нас,> человечество не может не задуматься о том, что его ждет в данном случае.

Эти странные престранные миры

Уникальные фридмоны

И размышления лучших умов человечества привели к обозначению престранной картины. Оказывается, не надо дожидаться «конца света», чтобы увидеть Вселенную, сжимающуюся в невообразимо плотный комок, в точку. Такие Вселенные, вполне возможно, существуют уже сегодня. Они — рядом с нами, возможно, и внутри нас…

Разбегание галактик оказалось лишь одним из следствий, вытекавших из рассмотрения Фридманом уравнений Эйнштейна. Помните, мы говорили об искривлении пространства? Двухмерный мир (лист тонкой жести) нетрудно изогнуть (хотя бы при помощи гирь) таким образом, — что получится какая-нибудь незамкнутая поверхность г— например, нечто похожее по форме на седло. А если, очень уж постараться, то можно согнуть плоский лист и в замкнутую сферу.

Подобным же образом, согласно Фридману, и искривленное трехмерное пространство может быть разомкнутым, а может быть и замкнутым. Каким именно оно станет, зависит от многих обстоятельств.

Например, если плотность материи в таком мире будет ниже некой критической, величины, то он окажется незамкнутым, сможет расширяться до бесконечности. И луч света, выпущенный из какой-либо точки внутри него, никогда не вернется назад, разве что отразится, натолкнувшись на какую-либо преграду)

Если же плотность вещества превысит некоторое критическое значение, то пространство окажется замкнутым. Оно будет то расширяться, то сжиматься, не выходя все-таки за некоторые пределы.

Для наглядности такой пульсирующий замкнутый мир мы можем представить, скажем, в виде баскетбольного мяча, внутри которого то раздувается, то спускает воздух резиновая камера. Само собой разумеется, что при всем старании нам вряд ли удастся раздуть камеру больше внутреннего, объема покрышки. Только в теории Фридман имел дело с более многомерным пространством, чем мы в своей аналогии.

И в таком замкнутом пространстве свет, направленный в одну сторону, может облететь всю полость и вернуться с другой стороны, так и не вырвавшись наружу;