Физика времени - Чернин Артур Давидович - Страница 34

Метагалактика

Дальность действия современных телескопов достигает примерно 10—15 миллиардов световых лет. Это самые большие пространственные масштабы, доступные современной науке. Наблюдаемую область Вселенной в астрономии называют Метагалактикой (приставка мета — греческого происхождения и означает после, за). Она включает в себя все планеты, звезды, галактики, содержащиеся в гигантском шаре с радиусом 10 — 15 миллиардов световых лет.

Удивительно, что при всем разнообразии входящих в нее небесных тел Метагалактика сама по себе в высшей степени однообразна и проста по устройству. Чтобы судить об этом, следует взглянуть на Метагалактику как на некое единое целое. Нужно охватить мысленно сразу весь ее объем. И тогда окажется, что Метагалактика везде одинакова — небесные тела рассеяны по всему ее пространству довольно равномерно.

Об этом можно сказать и точнее. Представим себе, что мы разглядываем в пространстве очень большой кубический объем с ребром, скажем, 500 миллионов световых лет. Подсчитаем, сколько галактик содержится в этом гигантском кубе. Произведем затем такие же подсчеты для других, но столь же больших объемов, расположенных в различных частях Вселенной. Если все это проделать и сравнить результаты, то окажется, что в каждом таком объеме, где бы его ни взять, содержится одинаковое число галактик. То же самое будет и при подсчете не галактик, а скоплений или даже ячеек. Это означает, что Метагалактика в большом масштабе предстает перед нами однородной. Это ее важнейшая черта, самое главное свойство пространства видимой Вселенной.

Нужно сказать, что люди уже давно подозревали об этом. И в своих рассуждениях исходили именно из соображений максимальной простоты устройства. Например, физик и знаменитый мыслитель Блез Паскаль (1623—1662) говорил, что мир — это круг, центр которого везде, а окружность нигде. Так с помощью наглядного геометрического образа он утверждал пространственную однородность Вселенной.

В однородном мире все «места», можно сказать, равноправны. Любое из них имеет право претендовать на то, что оно центр мира. А если так, то, значит, никакого центра мира вовсе не существует.

Вне времени?

Подходя к построению космологии, основанной на только что созданной им общей теории относительности, Эйнштейн следовал определенным общим воззрениям на Вселенную. Прежде всего, он разделял соображения о максимальной простоте ее устройства. Он считал, что Вселенная в целом должна быть однородной. Это, как мы знаем, означает равноправность всех ее «мест», или, математически говоря, всех точек ее пространства. Он предполагал также и равноправность всех направлений в пространстве: в какую сторону ни взглянуть, увидишь одно и то же. Это свойство равноправности направлений называют изотропией. Она тоже, конечно, (как и однородность) присуща картине мира лишь в самом крупном масштабе. В «мелком» масштабе, например в масштабе нашей Солнечной системы, никакой изотропии (как и однородности), очевидно, нет.

Эти взгляды не вытекали сами по себе ни из теории относительности, ни из каких-либо первых принципов физики. Не существовало тогда и никаких конкретных астрономических сведений о крупномасштабных свойствах Метагалактики. Это были традиционные интуитивные представления об общих чертах Вселенной, восходящие к истокам науки нового времени, к идеям Коперника и Бруно. Дальнейшее развитие наблюдательной астрономии полностью их подтвердило: Метагалактика как целое действительно оказалась однородной и изотропной.

Однородность и изотропия — это пространственные свойства наблюдаемой Вселенной. А каковы ее временные свойства?

Нужно сказать, что на этот счет тоже имелась традиция, которой следовал и Эйнштейн. Он считал, что Вселенная в целом пребывает в неизменном состоянии и никак не подвластна ходу времени. Конечно, здесь и там в мире могут рождаться и умирать звезды или даже галактики. Но вся Вселенная как таковая не испытывает от этого изменений. Если погасли какие-то галактики или звезды, то вместо них возникают другие, а картина мира в крупном масштабе остается одной и той же. Так не изменяется и остается самим собой лес, хотя одно за другим сменяют в нем друг друга поколения деревьев.

Эйнштейн говорил о статической, то есть неподвижной, вечной и неизменной во времени Вселенной. В такой Вселенной каждый момент времени — всего лишь мгновение между бесконечным прошлым и бесконечным будущим. В каждое мгновение Вселенная одна и та же. И потому сами эти мгновения тоже одинаковы и неразличимы. Из таких одинаковых неразличимых мгновений складывается общее время Вселенной. Это время можно назвать однородным — все его мгновения равноправны между собой.

В первые 2—3 десятилетия нашего века такие представления о Вселенной и ее времени казались естественными и даже очевидными. Таково было, по-видимому, общее умонастроение.

Но реальная Вселенная оказалась совсем иной. Не статической, не вечно застывшей, а, напротив, динамичной и развивающейся увидели ее вскоре физики и астрономы. Как и в масштабе отдельных планет, звезд или галактик, Вселенная во всем своем объеме изменяется, переходит из одного состояния в другое. Как и все, что известно нам в физическом мире, Вселенная существует не вне времени. Она тоже подчиняется его стремлению.

В 20-е годы, всего за несколько лет, был найден верный теоретический подход к космологии, к проблеме космического времени. Было получено и надежное подтверждение теории в астрономических наблюдениях.

Фридман

Картина развивающейся Вселенной создавалась в 1922—24 годах советским математиком Александром Александровичем Фридманом. Это стало одним из самых крупных достижений всей отечественной науки.

Фридман родился в 1888 в Петербурге, учился в Санкт-Петербургском университете, вся его короткая и исключительно яркая научная жизнь прошла в городе на Неве. Он считал себя математиком. Метеорологи называют его классиком своей науки — он вывел математические соотношения для атмосферных вихрей, имеющие фундаментальное значение в теории прогноза погоды. В гидромеханике высоко ценятся его работы по теории хаотических турбулентных движений. Это основные области его научной работы.

 Фридман был директором Главной геофизической обсерватории в 1924—25 годах, читал лекции в университете и Политехническом институте. Ему приходилось летать с исследовательскими целями на дирижаблях, а в июле 1925 года он поднялся на аэростате, достигшем рекордной по тому времени высоты 7400 метров.

Заинтересовавшись в 1920 году общей теорией относительности, он очень быстро овладел ею, и уже в 1922 году была опубликована первая из двух его космологических статей, которым суждено было дать начало современной космологии. Эта статья называлась «О кривизне пространства». Вторая статья, появившаяся двумя годами позднее, носила название «О возможности мира с постоянной отрицательной кривизной пространства». В 1923 году вышла его научно-популярная книга «Мир как пространство и время» — первая книга о новой космологии.

Фридман был математиком, и его космологическая теория возникла из решения строгой математической задачи. Как видно из названия его статей, это была задача о геометрии Вселенной, о ее пространстве и времени.

В качестве условия задачи Фридман принял, что вещество распределено по объему Вселенной равномерно, однородно. В духе общей теории относительности и само пространство нужно тогда считать однородным. Принято было также, что пространство обладает и свойством изотропии. Вот что было «дано» в задаче, которую поставил перед собой Фридман. «Найти» требовалось пространство-время Вселенной. Чтобы решить такую задачу, нужно воспользоваться уравнениями общей теории относительности.