Черные дыры и молодые вселенные - Хокинг Стивен Уильям - Страница 14

Как людям, движущимся с разными скоростями, сохранить собственное индивидуальное время, чтобы измерить одну и ту же скорость света? Скорость импульса света — это расстояние, которое он проходит между двумя событиями, деленное на временной интервал между этими событиями (событием в данном случае мы считаем нечто, имеющее место в одной точке пространства в определенный момент времени). Люди, движущиеся с разными скоростями, не сойдутся во мнении насчет расстояния между двумя событиями. Например, если я измерю скорость автомобиля, едущего по дороге, то могу подумать, что он проехал всего один километр, но для наблюдателя на Солнце он переместился на 1800 километров, потому что, пока автомобиль ехал по дороге, Земля переместилась. Поскольку люди движутся с разными скоростями, измеряя разное расстояние между событиями, они должны также измерять разные интервалы времени, если сходятся насчет скорости света.

Первоначальная теория относительности Эйнштейна, выдвинутая им в статье 1905 года, теперь называется специальной теорией относительности. Она описывает, как объекты передвигаются в пространстве и времени, и показывает, что время — не универсальная величина, существующая сама по себе, отдельно от пространства. А будущее и прошлое — это просто направления, как верх и низ, право и лево, вперед и назад, в так называемом пространстве-времени. Во времени вы можете двигаться только в направлении будущего, но можете двигаться немного под углом к нему. Вот почему время может проходить с разными коэффициентами.

Специальная теория относительности Эйнштейна объединила время с пространством, но пространство и время по-прежнему оставались фоном, на котором происходили события. Вы можете выбирать, в каком направлении двигаться в пространстве-времени, но не можете ничего сделать, чтобы изменить предысторию пространства и времени. Однако все изменилось, когда в 1915 году Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности. Он выдвинул революционную идею, что гравитация — это не просто сила, действующая в фиксированном пространстве-времени, а искривление пространства-времени, вызванное массой и заключенной в ней энергией. Объекты, например пушечные ядра, и планеты пытаются двигаться сквозь пространство-время по прямой, но поскольку пространство-время не прямое, а искривлено, изогнуто, траектории искривляются. Земля пытается двигаться через пространство-время по прямой, но его искривление, вызванное массой Солнца, заставляет ее двигаться по кругу. Подобным же образом свет пытается двигаться по прямой, но искривление пространства-времени вблизи Солнца заставляет свет далеких звезд загибаться при прохождении рядом. Но во время затмения, когда большая часть солнечного излучения задерживается Луной, свет этих звезд можно наблюдать. Эйнштейн создал свою общую теорию относительности во время Первой мировой войны, не в самых благоприятных условиях для наблюдений, но сразу же после войны британская экспедиция, наблюдая затмение 1919 года, подтвердила предположение общей теории относительности: пространство-время не прямое, а искривляется заключенными в нем материей и энергией.

Это был величайший триумф Эйнштейна. Его открытие совершенно изменило наше представление о пространстве и времени. Они больше не были пассивным фоном, на котором происходят события. Мы больше не можем представлять пространство и время как длящиеся вечно, независимо от того, что происходит во Вселенной. Это динамические величины, которые сами влияют на события, а происходящие в них события в свою очередь влияют на них.

Важным свойством массы и энергии является то, что они всегда положительны. Вот почему гравитация всегда притягивает тела друг к другу. Например, земная гравитация притягивает нас даже на обратной стороне Земли. Вот почему жители Австралии с нее не падают. Аналогично гравитация Солнца удерживает планеты на орбитах и не дает Земле улететь в темноту или межзвездное пространство. Согласно общей теории относительности, тот факт, что масса всегда положительна, означает, что пространство-время искривляется внутрь себя, как земная поверхность. Если бы масса была отрицательной, пространство-время искривлялось бы по-другому, как седлообразная поверхность. Это положительное искривление пространства-времени, отражающее факт гравитационного притяжения, представлялось Эйнштейну большой проблемой. Тогда было широко распространено мнение, что Вселенная статична, однако если пространство, а особенно время искривляются внутрь себя, как же может Вселенная вечно оставаться в более-менее неизменном состоянии, в том же, что и сейчас?

Первоначальная Эйнштейнова формула общей теории относительности предсказывала, что Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Поэтому Эйнштейн добавил в формулу дополнительное условие, связывающее массу и энергию во Вселенной с искривлением пространства-времени. Это так называемое космологическое условие имело отталкивающий гравитационный эффект. Таким образом становилось возможным уравновесить притяжение материи отталкиванием космологического условия. Другими словами, отрицательное искривление пространства-времени, вызванное космологическим условием, могло компенсировать положительное искривление, вызванное массой и энергией Вселенной. Это позволило получить модель Вселенной, остающейся вечно в одном и том же состоянии. Если бы Эйнштейн настоял на своей первоначальной формуле, не вводя космологического условия, он бы предсказал, что Вселенная или расширяется, или сжимается. А так никто не думал, что она изменяется со временем, до 1929 года, пока Эдвин Хаббл не открыл, что удаленные галактики движутся от нас. Вселенная расширяется. Позднее Эйнштейн назвал космологическое условие «величайшей ошибкой в своей жизни».

Но с космологическим условием или без такового, тот факт, что материя заставляет пространство-время искривляться внутрь себя, оставался проблемой, хотя не все это признавали. Из него следовало, что материя может искривить область внутрь себя настолько, что эта область окажется изолированной от остальной Вселенной. Она превратилась бы в то, что мы называем черной дырой. Объекты могли бы падать в черную дыру, но ничто не могло бы вырваться оттуда. Чтобы вырваться, объекту пришлось бы двигаться со сверхсветовой скоростью, чего теория относительности не позволяла. Таким образом, материя внутри черной дыры оказалась бы в ловушке и сжалась бы до какого-то неведомого состояния с чрезвычайно большой плотностью.

Эйнштейна очень обеспокоил вывод об этом коллапсе, и он отказался поверить, что такое случается. Но в 1939 году Роберт Оппенгеймер показал, что старые звезды, более чем вдвое превышающие массой Солнце, неизбежно коллапсируют, когда выработают все свое ядерное топливо. Потом вмешалась война, Оппенгеймер был вовлечен в проектирование атомной бомбы и потерял интерес к гравитационному коллапсу. Других ученых больше заботила физика, которую можно изучать на Земле. Они не верили предсказаниям о далеких уголках Вселенной, так как казалось, что их нельзя проверить наблюдениями. Однако в шестидесятых годах огромный прогресс в широте и качестве астрономических наблюдений вызвал новый интерес к гравитационному коллапсу и к ранней Вселенной. Что же точно предсказывала общая теория относительности Эйнштейна насчет этих ситуаций, оставалось неясно, пока Роджер Пенроуз и я не доказали несколько теорем. Эти теоремы показали, что из факта искривления пространства-времени внутрь себя вытекает, что должны быть сингулярности — места, где пространство-время имеет начало и конец. Оно должно было иметь начало в Большом Взрыве примерно пятнадцать миллиардов лет назад и должно закончиться коллапсом звезды, когда все упавшее в черную дыру сжавшаяся звезда оставит в прошлом.

Тот факт, что общая теория относительности Эйнштейна предсказывала неизбежность существования сингулярностей, привел к кризису физики. Уравнения общей теории относительности, связывающие искривление пространства-времени с распределением массы и энергии, теряют смысл в сингулярной точке. Это означает, что общая теория относительности не может предсказать, что получается из сингулярности. В частности, общая теория относительности не может предсказать, как должна возникать Вселенная при Большом Взрыве. Таким образом, общая теория относительности — не завершенная теория. Ее нужно дополнить некоторой составляющей, которая определила бы, что происходит, когда материя коллапсирует иод действием собственной гравитации.