Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

Грин Брайан

Чтобы лучше ухватить эту ключевую идею, подумаем также о чрезвычайно полезной модели расширяющейся Вселенной в виде воздушного шара, которую часто используют физики (аналогия, столь же давняя, как весёлая карикатура, которую вы можете увидеть в примечании ^{107} и которая появилась в голландской газете в 1930 г. после интервью с Виллемом де Ситтером, учёным, который внёс большой вклад в космологию). Эта аналогия уподобляет наше трёхмерное пространство двумерной поверхности сферического воздушного шара (как на рис. 8.2 а), который раздувается до всё большего и большего размера. Галактики представлены многочисленными равномерно распределёнными монетками пенни с портретом Линкольна, приклеенными к поверхности шара. Так как шар раздувается, все монетки удаляются друг от друга, обеспечивая простую аналогию того, как расширяющееся пространство разносит галактики.

Рис. 8.2.( а)

Если равномерно распределённые монетки приклеены к поверхности сферы, вид, который увидит один Линкольн, изображённый на монетке, будет таким же, который увидит любой другой. Это соответствует тому, что вид из любой галактики во Вселенной в среднем будет таким же, как из любой другой. ( б) Если сфера раздувается, расстояния между всеми монетками увеличиваются. Более того, чем дальше монетки друг от друга разнесены на ( а), тем больше увеличится между ними расстояние на ( б). Это хорошо согласуется с измерениями, которые показывают, что чем более удалена от данной точки отсчёта галактика, тем быстрее она удаляется от этой точки. Отметим, что ни одна монетка не была выделена как специальная, что также согласуется с нашей уверенностью, что во Вселенной ни одна галактика не является как-то выделенной или центром расширения пространства

Важная особенность этой модели состоит в том, что имеется полная симметрия монеток, поскольку вид, который наблюдает какой-либо отдельно взятый Линкольн, будет таким же, как и вид, который наблюдает любой другой Линкольн. Чтобы показать это, представьте, что вы уменьшились, попали на монетку и обозреваете все направления вдоль поверхности шара (вспомним, что в этой аналогии поверхность шара представляет всё пространство, так что взгляд не вдоль поверхности шара лишён смысла). Что вы будете видеть? Конечно, вы увидите монетки, удаляющиеся от вас во всех направлениях, так как шар раздувается. А если вы перейдёте на другую монетку, что вы будете наблюдать? Симметрия гарантирует, что вы будете видеть то же самое: монетки, разбегающиеся во всех направлениях. Этот осязаемый образ хорошо подкрепляет наши убеждения — при поддержке всё более точных астрономических исследований, — что наблюдатель в любой из более чем 100 млрд галактик Вселенной, вглядывающийся в своё ночное небо через мощный телескоп, будет в среднем видеть образ, сходный с тем, что видим мы: окружающие галактики, удаляющиеся прочь во всех направлениях.

Итак, в отличие от взрыва на заводе внутри фиксированного заранее и уже существующего пространства, в рассматриваемой ситуации движение в разные стороны возникает вследствие того, что само пространство растягивается, поэтому не нужна выделенная точка — ни особая монетка, ни особая галактика, — являющаяся центром расходящегося движения. Каждая точка — каждая монетка, каждая галактика — выступает абсолютно наравне с любой другой. Вид из любого места кажетсяпохожим на вид из центра взрыва: каждый Линкольн видит всех других Линкольнов удаляющимися прочь; наблюдатель, вроде нас, в любой галактике видит все другие галактики разбегающимися. Но поскольку это верно для всех положений, не существует специального или уникального места, которое было бы центром, из которого происходит расходящееся движение.

Более того, эта картина не только качественно объясняет такое разбегание галактик, которое является пространственно однородным, но она также объясняет количественные детали, обнаруженные Хабблом и подтверждённые с большей точностью последующими наблюдениями. Как видно из рис. 8.2 б, если воздушный шар раздувается в течение некоторого интервала времени, например, удваиваясь в размере, то все пространственные расстояния будут также удвоены: монетки, которые находились на расстоянии 1 дюйм, теперь будут на расстоянии 2 дюйма, монетки, которые находились на расстоянии 2 дюйма, теперь будут на расстоянии 4 дюйма, монетки, которые находились на расстоянии 3 дюйма, теперь будут на расстоянии 6 дюймов и т. д. Так что в течение любого заданного промежутка времени увеличение расстояний между двумя монетками пропорционально начальному расстоянию между ними. А поскольку большее увеличение расстояния за данный промежуток времени означает большую скорость, монетки, которые удалены дальше друг от друга, разлетаются быстрее. В сущности, чем дальше находятся друг от друга две монетки, тем больше поверхности воздушного шара находится между ними и тем быстрее они разлетаются в стороны, когда шар раздувается. Применяя точно такие же рассуждения к пространству и содержащимся в нём галактикам, мы получаем объяснение наблюдений Хаббла. Чем дальше находятся две галактики, тем больше пространства имеется между ними, и тем быстрее они будут разлетаться друг от друга при расширении пространства.

Связывая наблюдаемое движение галактик с расширением пространства, общая теория относительности даёт объяснение, которое не только трактует все положения в пространстве симметрично, но также одним махом объясняет

все результаты Хаббла. Это объяснение, в котором преодолевается исключительность нашего положения во Вселенной, решает задачу настолько элегантно, утончённо симметрично и с количественной точностью, что физики рассматривают его как слишком красивое, чтобы быть неверным. В настоящее время имеется практически полное общее согласие в том, что ткань пространства растягивается.

Время в расширяющейся Вселенной

Используя небольшую вариацию модели воздушного шара, теперь можно более точно понять, как симметрия пространства, хотя пространство и расширяется, приводит к понятию времени, которое одинаково применимо в любом месте космоса. Представьте, что мы заменяем каждую монетку одинаковыми часами, как на рис. 8.3. Из теории относительности мы знаем, что при наличии различных физических воздействий — движения или различных гравитационных полей, одинаковые часы отсчитывают время с различным темпом. Но простое, хотя и ключевое, наблюдение заключается в том, что полная симметрия среди всех Линкольнов на раздувающемся шаре переносится на полную симметрию среди всех часов. Все часы помещены в одинаковые физические условия, так что все тикают в точности с одинаковым темпом и фиксируют одинаковое количество прошедшего времени. Аналогично, в расширяющейся Вселенной, в которой имеется высокая степень симметрии среди всех галактик, часы, которые двигаются вместе с той или иной галактикой, также должны тикать с одинаковым темпом и, следовательно, фиксировать одинаковое количество истёкшего времени. Как может быть иначе? Каждые часы выступают наравне с любыми другими, находясь в среднем примерно в одинаковых физических условиях. Это снова показывает ошеломляющую силу симметрии. Без каких-либо расчётов или детального анализа мы выяснили, что однородность физического пространства, как это подтверждается однородностью микроволнового фонового излучения и однородным распределением галактик в пространстве, ^{108} позволяет сделать заключение об однородности времени.

Рис. 8.3.Часы, которые двигаются вместе с галактиками — чьё движение в среднем возникает только благодаря расширению пространства — обеспечивают универсальный космический хронометраж. Они остаются синхронизированными, хотя отделены друг от друга, поскольку они двигаются вместес пространством, но не черезпространство

И хотя данное обоснование довольно прозрачно, тем не менее заключение может сбить с толку. Поскольку все галактики разбегаются в разные стороны по мере расширения пространства, часы, которые двигаются вместе с галактиками, разбегаются вместе с ними. Более того, галактики двигаются друг относительно друга с гигантским разнообразием скоростей, определяемым гигантским разнообразием расстояний между ними. Не станет ли это движение причиной рассинхронизации часов, как нас учил Эйнштейн в специальной теории относительности? По ряду причин ответ — нет; вот один особенно полезный способ подумать над этим.

Вспомним из главы 3, что Эйнштейн установил, что часы, движущиеся через пространство различными способами, отсчитывают время с различными скоростями (поскольку они переводят различное количество их движения через время в движение через пространство; вспомните аналогию с Бартом на его скейтборде, сначала двигающимся на север, а затем переводящим некоторое количество своего движения на северо-восток). Но часы, которые мы сейчас обсуждаем, совсем недвигаются через пространство. Точно так же, как каждая монетка приклеена к одной точке воздушного шара и движется относительно других монет только вследствие раздувания поверхности шара, каждая галактика занимает одну область в пространстве и, большей частью, движется относительно других галактик только вследствие расширения пространства. А это значит, что по отношению к самому пространству все часы в действительности стационарны, так что они отсчитывают время идентично. Это именно те часы — часы, движение которых происходит только в результате расширения пространства, — которые обеспечивают синхронизацию космических часов, используемых для измерения возраста Вселенной.

Конечно, вы можете взять часы, прыгнуть на борт ракеты и носиться по пространству с такой громадной скоростью, что будете иметь существенное движение в дополнение к космическому потоку, связанному с расширением пространства. Если вы это сделаете, ваши часы будут идти с другой скоростью, и вы обнаружите другую продолжительность истёкшего после Большого взрыва времени. Это допустимая точка зрения, но она совершенно индивидуалистична: измеренное истёкшее время тесно связано с историей вашего специального местоположения и состояния движения. Когда астрономы говорят о возрасте Вселенной, они стремятся к чему-то универсальному — они стремятся измерить то, что имеет одинаковое значение где угодно. Однородность изменений всюду в пространстве даёт возможность это сделать. ^{109}