Дао физики
Шрифт:
Для того, чтобы лучше выяснить, что именно понимается под расширением Вселенной, нужно не забывать о том, что явления макромира рассматриваются в общем контексте общей теории относительности Эйнштейна. Согласно последней, пространство является не «плоским», а «искривленным», причем характер искривления зависит от распределения вещества во Вселенной. Эту зависимость описывают выведенные Эйнштейном уравнения поля. Эти уравнения, положенные в основу современной космологии, характеризуют общую структуру Вселенной.
Говоря о расширяющейся Вселенной в контексте общей теории относительности, мы имеем в виду расширение в плане более высокого измерения. Эта фраза приобретает более ясный смысл, если мы обратимся к аналогии из двух измерений, как мы делали в случае понятия искривленного пространства. Представим себе воздушный шарик, поверхность которого
Возникает вполне естественный вопрос о том, как началось это расширение. Приняв в расчет зависимость между удаленностью той или иной галактики и теперешней скорости ее удаления от нас (эта зависимость известна под названием закона Хаббла), можно вычислить, в какой момент началось расширение Вселенной или, иными словами, ее возраст. Если мы предположим, что скорость расширения не изменялась, что, впрочем далеко не очевидно, то получим цифру 10.000 миллионов лет. Итак, мы узнали возраст Вселенной. Большинство современных ученых-космологов считают, что наша Вселенная произошла в результате взрыва первичного сгустка вещества, происшедшего более 10.000 миллионов лет тому назад. Зафиксированное в наши дни расширение Вселенной представляет собой «отголосок» этого далекого взрыва. Согласно теории «большого взрыва», последний привел к возникновению Вселенной и появлению пространства и времени. При попытке представить себе, что могло предшествовать этому моменту, мы снова попадаем в затруднительное положение из-за особенностей нашего мышления и языка. По словам сэра Бернарда Ловелла, «Здесь перед нами вырастает непреодолимый психологический барьер, связанный с тем, что мы не знаем, как воспринимать понятия пространства и времени на этом этапе, когда они еще не существовали в нашем традиционном понимании. У меня при этом появляется такое ощущение, как будто я внезапно попал в густой туман, в котором предметы теряют свои привычные очертания» [51,93].
Что касается дальнейшего расширения Вселенной, то уравнения Эйнштейна имеют несколько возможных решений, и выбор какого-либо из них определяется нашей моделью Вселенной. Некоторые модели предполагают, что расширение будет продолжаться вечно; согласно другим, оно уже замедляется, чтобы смениться противоположным процессом сжатия. Последние модели описывают «пульсирующую Вселенную», которая сначала в течении биллионов лет расширяется, а потом снова сжимается до тех пор, пока ее масса не станет равна небольшому сгустку огненного вещества, после чего снова начнет расширяться, и так бесконечно.
Образ периодически расширяющейся и сокращающейся Вселенной был разработан не только современными физиками. В индийской мифологии такой образ существует в далекой древности. Индусы, считавшие, что мирозданию присущи два происходящих качества — гармоничность и ритмичность всех происходящих процессов, — создали динамическую космологическую модель Вселенной, которая оказывается довольно близкой к современным представлениям. Один из аспектов этой модели связан с индуистским понятием «ЛИЛА», что означает «божественная игра», в процессе которой Брахман преображает себя в мир (см. гл. 5). Лила имеет фазы, которые ритмически сменяют друг друга: космическое Целое дает начало множественности форм, которые вновь сливаются в Целом. Все это происходит с четкой периодичностью. В «Бхагавадгите» бог Кришна использует для описания этой божественной игры творения следующие слова:
"Когда завершается ночь времени, все вещи возвращаются к моей природе; при первом же проблеске зари нового дня я снова явлюсь миру света.
Так, при присвоении своей сущности я осуществляю акт всеобщего творения, который повторяется с круговращением времени.
Тем не менее, дело творения не вовлекает меня в свой круговорот. Я существую, я наблюдаю за драмой становления.
Я наблюдаю,
Индуистские мудрецы не останавливались перед тем, чтобы распространить сферу существования этой божественной игры на все мироздание. Они считали, что Вселенная претерпевает периодические, чередующиеся друг с другом процессы сжатия и расширения, и называли промежутки времени между началом и концом одного сотворения Вселенной КАЛЬПАМИ. Масштабность картины, нарисованной древними индуистами, представляется воистину впечатляющей. Для того, чтобы придти к сходным концепциям научным путем, человечеству понадобилось больше двух тысячелетий. Вернемся из бездонного космоса в мир бесконечно малого. В двадцатом веке ученые все глубже проникаются в мир субмикроскопических измерений, основными действующими лицами которого являются атомы, ядра и нуклоны. Главным стимулом для подобных вопросов служил вопрос, занимавший величайшие научные умы на протяжении столетий: «Из чего состоит вещество?». Люди задались этим вопросом с момента возникновения натурфилософии, но только в наше время для него удалось получить экспериментальные данные. Сложнейшие приборы позволили ученым заглянуть сначала во внутренний мир атома, узнав, что атом состоит из ядер и электронов, а затем исследовать строение атомных ядер, компонентами которых оказались протоны и нейтроны, получившие общее наименование нуклонов. За последние двадцать лет наука еще сделала шаг вперед, добившись значительных успехов в изучении строения нуклонов — компонентов атомного ядра, — которые, в свою очередь, тоже не являются последним уровнем строения вещества и тоже состоят из более мелких частиц.
Первое же знакомство с миром атомов привело к тому, что представление физиков об устройстве мироздания изменилось кардинальнейшим образом, что уже отмечалось в предыдущих главах. Второй шаг — проникновение в мир атомных ядер и их компонентов — имел ничуть не меньшее значение. В этом мире нам приходится иметь дело с частицами, размеры которых в сотни тысяч раз меньше, чем размеры атома, что обуславливает их более высокую скорость по сравнению с атомами. Они движутся так быстро, что для их описания необходима специальная теория относительности.
Поэтому для понимания свойств субатомных частиц и характера их взаимодействий используется такой подход, который сочетает квантовую теорию с теорией относительности, причем главная роль изменения наших представлений о мироздании принадлежит теории относительности.
Как уже говорилось выше, самая характерная особенность релятивистского подхода заключается в том, что он выявляет связи между такими фундаментальными понятиями, которые до этого представлялись ученым совершенно самостоятельными. Один из наиболее важных примеров — это эквивалентность понятий энергии и массы, сформулированная Эйнштейном в виде знаменитого уравнения «Е=mc^2». Для того, чтобы уяснить фундаментальное значение их эквивалентности, рассмотрим сначала понятия массы и энергии по отдельности.
Энергия — одно из важнейших понятий, используемое для описаний природных явлений. Как и в повседневной жизни, в физике мы говорим, что тело обладает некоторой энергией, если оно способно совершить какую-либо работу. Энергия имеет множество разнообразных воплощений. Среди них энергия движения, тепловая энергия, энергия гравитации, электрическая энергия, химическая энергия и другие. Независимо от формы, энергия означает способность совершать работу. Например, камень, поднятый на некоторую высоту над землей, обладает гравитационной энергией. Если отпустить его, гравитационная энергия перейдет в энергию движения (кинетическую энергию), при падении же на землю камень может совершить механическую работу, разбив что-нибудь. Еще один пример — преобразование электрической или химической энергии в тепловую в бытовых приборах. В физике энергия всегда связана с протеканием тех или иных процессов, с теми или иными видами деятельности, и фундаментальное значение этого понятия заключается в том, что общее количество энергии, принимающей участие в процессе, подчиняется закону сохранения. Энергия может изменить свою форму, но не может прекратить свое существование вообще. Закон сохранения энергии принадлежит к числу важнейших законов физики. Ему подчиняются абсолютно все законы природы, и до сих пор не было обнаружено никаких свидетельств его несоответствия действительности.