Текст книги "Физика времени"
Автор книги: Артур Чернин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 20 страниц)
Небесные сферы
Научная картина мира складывалась по мере того, как шло накопление важнейших знаний о Земле, Солнце, Луне, планетах, звездах.
Еще в VI веке до нашей эры великий математик и философ древности Пифагор учил, что Земля шарообразна. Доказательство этого он видел в том, например, что тень Земли, падающая на Луну во время лунных затмений, круглая. Об этом говорил и другой великий ученый античного мира, Аристотель.
Аристотель и всю Вселенную считал шарообразной, сферической. На эту мысль его наводил округлый вид небосвода. Это подсказывали круговые суточные движения светил на небе. В центре своей картины Вселенной Аристотель помещал Землю. Вокруг нее располагались Солнце, Луна и известные тогда пять планет. Каждому из этих тел соответствовала своя сфера, обращающаяся вокруг нашей планеты. Тело «прикреплено» к своей сфере и поэтому оно тоже движется вокруг Земли. Самой удаленной сферой, охватывающей все остальные, считалась восьмая сфера, к которой «прикреплены» звезды. Она тоже должна была обращаться вокруг Земли в соответствии с наблюдаемым суточным движением неба.
Аристотель полагал, что небесные тела, как и их сферы, сделаны из особого «небесного» материала – эфира, который не имеет свойств тяжести или легкости и совершает вечное круговое движение в мировом пространстве. Созданная Аристотелем картина мира держалась в умах людей на протяжении двух тысячелетий – вплоть до эпохи Коперника.
Книга Коперника, вышедшая в год его смерти, в 1543 году, носила скромное название «О вращении небесных сфер». Но это было полное ниспровержение аристотелева взгляда на мир.
Благодаря Копернику мы узнали, что Солнце занимает надлежащее ему положение в центре планетной системы. Земля же – никакой не центр мира, а одна из планет, обращающихся вокруг Солнца. Все стало на свои места, строение Солнечной системы было разгадано.
Дальнейшие открытия астрономов, уже после Коперника, пополнили семью больших планет. Их девять: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. В таком порядке они занимают свои орбиты вокруг Солнца. Открыто множество малых тел Солнечной системы – астероидов, комет. Но это не изменило коперниковской картины мира. Напротив, все эти открытия только подтверждали и уточняли ее.
Теперь мы понимаем, что живем на небольшой планете, похожей на шар с диаметром-примерно 13 тысяч километров. Земной шар вращается вокруг своей оси – в этом причина суточного движения небосвода. Земля вращается вокруг Солнца по орбите, не слишком отличающейся от окружности. Поперечник Солнечной системы составляет приблизительно 13 миллиардов километров.
Такова картина Вселенной в непосредственной близости от нас. Но Солнечная система – еще не вся Вселенная; можно сказать, что это только наша малая Вселенная. Что же касается далеких звезд, то о них Коперник не рисковал высказывать никакого определенного мнения. Он просто оставил их на прежнем месте, на дальней сфере, где они были у Аристотеля. Коперник лишь говорил – и совершенно правильно, – что расстояние до звезд во множество раз больше размеров планетных орбит. Как и античные ученые, он представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным сферой звезд.
Смелая и неожиданная по тем временам мысль о звездах была высказана Джордано Бруно (1548—1600), замечательным мыслителем, трагическая судьба которого всем известна. Бруно выдвинул идею о том, что наше Солнце – это одна из звезд Вселенной. Всего только одна звезда из великого множества, а не центр мира. Солнце – ближайшая к нам звезда и это центр нашей Солнечной системы. Но и любая другая звезда тоже вполне может обладать своей собственной планетной системой, похожей на нашу. Если Коперник указал место Земле – отнюдь не в центре мира, куда он поместил Солнце, то Бруно лишил этой привилегии и Солнце.
Идея Бруно породила немало далеко идущих следствий. Из нее возникала, например, оценка расстояний до звезд. Действительно, Солнце – это звезда, как и другие, но только самая близкая к нам. Поэтому-то Солнце такое большое и яркое. А на какое расстояние нужно было бы отодвинуть Солнце, чтобы и оно выглядело звездой, как, скажем, Сириус? Великий голландский физик и астроном Христиан Гюйгенс, о котором мы уже упоминали, дал ответ на этот вопрос. Он сравнил яр-
кость Солнца и Сириуса, и вот что оказалось: Сириус находится от нас в сотни тысяч раз дальше, чем Солнце.
Чтобы лучше представить, сколь велико расстояние до звезды, можно сказать, что свет, пролетающий за 1 секунду 300 тысяч километров, затрачивает на путешествие от Сириуса к нам несколько лет. Расстояние до этой звезды составляет несколько световых лет. По современным данным, уточняющим первую оценку, расстояние до Сириуса – 8,7 световых лет. А расстояние от нас до Солнца – всего 8 световых минут.
Конечно, разные звезды отличаются друг от друга (это и учтено в современных расчетах расстояния до Сириуса). Поэтому определение расстояний до небесных тел и сейчас часто остается еще очень трудной, а иногда и неразрешимой задачей для астрономов, хотя со времен Гюйгенса придумано для этого немало новых способов.
Замечательная идея Бруно и основанный на ней расчет Гюйгенса стали новым шагом в изучении Вселенной. Благодаря этому границы наших знаний о мире, о его масштабах сильно раздвинулись, они распространились за пределы Солнечной системы и достигли звезд.
Картина мира
С XVII века важнейшей целью астрономии стало изучение Млечного Пути – гигантского скопления звезд, протянувшегося через все небо. Астрономы стремились узнать, каково полное число звезд Млечного Пути, определить его действительную форму и границы, найти размеры. Лишь к XIX веку удалось понять, что все эти звезды составляют единую звездную систему, заключающую в себе все видимые глазом звезды на небе и еще великое множество других звезд. На равных правах со всеми звездами входит в эту систему и наше Солнце, а с ним Земля и планеты. Они располагаются далеко не в центре системы, а на ее окраине.
Потребовались еще многие десятилетия тщательных наблюдений и глубоких раздумий, прежде чем перед астрономами раскрылось во всей полноте строение Галактики. Так стали называть звездную систему, которую мы видим – изнутри ее – как полосу Млечного Пути. Слово галактика образовано из греческого галактос, что значит млечный.
Оказалось, что Галактика имеет довольно правильное строение и форму, несмотря на видимую беспорядочность, с которой, как кажется, рассеяны звезды Млечного Пути.
Галактика складывается из диска, гало и короны – трех ее составных частей. Как видно из нашего схематического рисунка, диск похож на две сложенные краями тарелки. Он образован звездами, которые внутри этого объема движутся по(почти) круговым орбитам вокруг центра Галактики.
Диаметр диска составляет приблизительно сто тысяч световых лет. Это означает, что свету потребуется сто тысяч лет, чтобы пересечь диск из конца в конец по диаметру. Число звезд в диске – приблизительно сто миллиардов.
В гало содержится сравнимое с этим число звезд (слово гало по-гречески значит круглый). Они заполняют слегка сплюснутый сферический объем. Звезды гало движутся не по круговым, а по сильно вытянутым орбитам. Плоскости этих орбит проходят через центр Галактики; по разным направлениям они распределены более или менее равномерно.
Диск и окружающие его гало погружены вместе в корону Галактики. Радиусы диска и гало близки друг другу, тогда как радиус короны в 5, а может быть, и в 10 раз больше этих радиусов.
О диске и гало астрономы знают уже больше полувека. А корона была открыта совсем недавно, в последнее десятилетие. Она обнаруживает себя только создаваемым ею тяготением. Дело в том, что корона невидима – из нее не исходит никакого света. Изучать невидимую корону, очевидно, нелегко.
Из-за этого не слишком точна пока оценка ее размера и массы. Но главная загадка короны в другом – мы не знаем, из чего она состоит. Мы не знаем, содержатся ли в ней звезды, пусть даже и какие-то необычные, совсем не излучающие света. Сейчас многие предполагают, что ее масса складывается, может быть, вовсе не из звезд, а из мельчайших элементарных частиц – нейтрино *).
*) Об открытии и исследовании короны Галактики можно прочитать в книге: Чернин А. Д. Звезды и физика. – М.: Наука, 1984.– Вып. 38. – (Б-чка «Квант»).
В начале нашего века, когда границы разведанной Вселенной раздвинулись настолько, что включили в себя Галактику, многие, если не все, думали, что эта огромная звездная система и есть вся Вселенная в целом. Но в 20-е годы были построены первые крупные телескопы, и перед астрономами открылись новые неожиданные горизонты. Оказалось, что за пределами Галактики мир не кончается. Наша Галактика – лишь один «звездный островок» из несметного их множества. Миллиарды звездных систем, галактик, похожих на нашу Галактику и отличающихся от нее, рассеяны тут и там по просторам Вселенной.
Фотографии галактик, сделанные с помощью самых больших телескопов, часто удивляют нас красотой и разнообразием своих форм. Правильностью округлых форм отличаются эллиптические галактики. Замечательны спиральные галактики – настоящие вихри звездных облаков. А иные звездные системы не обнаруживают никакого правильного строения: неправильные галактики клочковаты и бесформенны.
Эти три типа галактик – спиральные, эллиптические и неправильные – получившие названия по своему виду на фотографиях, открыты американским астрономом Э. Хабблом в 20—30-е годы нашего века.
Если бы мы могли увидеть нашу Галактику издалека, то она предстала бы перед нами совсем не такой, как на схематическом рисунке, по которому, мы знакомились с ее строением. Мы не увидели бы ни диска, ни гало, ни, конечно, короны, которая и вообще невидима. С больших расстояний виднелись бы лишь самые яркие звезды Галактики. А все они, как выяс-
нилось, собраны в широкие полосы, которые яркими дугами выходят из центральной области Галактики. Ярчайшие звезды Галактики образуют ее спиральный узор. Только этот узор и был бы различим издалека. Наша Галактика на снимке, сделанном астрономом из какой-нибудь далекой галактики, выглядела бы очень похожей на Туманность Андромеды, какой мы видим ее с Земли.
Исследования последних лет показали, что крупные спиральные галактики, к их числу принадлежит и наша Галактика, а также и крупные эллиптические галактики (в которых звезд может быть еще в десятки раз больше, чем в Галактике) обладают, как и Галактика, протяженными и массивными невидимыми коронами. И это очень важно: если основная доля массы галактик приходится на короны, то, значит, и вообще чуть ли не вся масса во Вселенной, или во всяком случае подавляющая ее часть – это загадочная, невидимая, но тяготеющая «скрытая» масса.
Наша Галактика вместе с Туманностью Андромеды и тремя десятками других менее крупных галактик образуют Мест-
ную группу галактик. В свою очередь, эта группа существует не изолированно, она сама входит в крупное скопление галактик, центр которого лежит в направлении на созвездие Девы. И само это скопление галактик называют скоплением в Деве. В скоплении содержится около тысячи галактик.
Скопление в Деве служит ядром еще более крупного образования, называемого Местным сверхскоплением. Вместе с «нашим» скоплением в Деве в него входит еще несколько скоплений и групп галактик. Местное сверхскопление имеет не слишком четко очерченную форму. В целом оно выглядит довольно уплощенным. Его наибольший продольный размер достигает ста миллионов световых лет. Поперечный размер приблизительно в 5 раз меньше.
Известны и другие сверхскопления, кроме «нашего» Местного, лежащие далеко за его пределами, но довольно отчетливо различимые в современные крупные телескопы.
Итак, Земля входит в Солнечную систему, Солнечная система входит в Галактику, Галактика входит в Местную группу, Местная группа входит в скопление в Деве, скопление в Деве входит в Местное сверхскопление. Что дальше?
Несколько лет назад астрономы составили удивительную карту Вселенной. На этой карте каждая галактика представляется всего лишь точкой. На первый взгляд эти точки рассеяны на карте без всякого порядка. Если же приглядеться внимательно, то можно обнаружить группы, скопления и сверхскопления, в которые собраны многие точки-галактики. Сверхскопления выглядят на такой карте цепочками точек. Но что поразительнее всего, карта позволяет обнаружить, что некоторые такие цепочки соединяются и пересекаются, образуя какой-то сетчатый или ячеистый узор, напоминающий кружева или, может быть, пчелиные соты.
Покрывает ли такая «сеть» всю Вселенную, еще предстоит выяснить. Но несколько отдельных примеров ячеек, очерченных сверхскоплениями, удалось подробно изучить. Внутри ячеек галактик почти совсем нет, они собраны в ограничивающие ячейки «стенки». Размеры ячеек: 100 – 300 миллионов световых лет.
«Ячейка» – это еще пока не окончательное, лишь рабочее название для самого крупного образования во Вселенной. Еще более крупных по размерам систем в природе определенно нет. Это с полной надежностью показывает карта Вселенной, о которой мы говорили. Астрономия пришла, наконец, к завершению одной из самых грандиозных своих задач – вся последовательность (или, как еще говорят, иерархия) астрономических систем теперь целиком известна.
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.
О свойствах пространства Вселенной Фридман делал, как мы видим, то же предположение что и Эйнштейн. В этом их подходы совпадали. Но что касается поведения Вселенной во времени, то Фридман не стал загадывать наперед. Для решения математической задачи ничего, кроме однородности и изотропии пространства, предполагать не требовалось. Так пусть же сами уравнения теории покажут, каковы взаимоотношения Вселенной со временем.
И вот оказалось, что вещество во Вселенной не может находиться в покое. Общее однородное распределение вещества должно либо сжиматься, либо расширяться как целое. Применительно к наблюдаемой крупномасштабной картине мира это означает: галактики и скопления не стоят на месте, они движутся, и расстояния между ними изменяются со временем.
Но как выбрать между двумя возможностями, открытыми теорией? Расширяется ли в действительности все вещество Вселенной или оно сжимается? Ответ мог быть получен только в астрономических наблюдениях. И разгадка недолго заставила себя ждать.
В 1929 году американский астроном Э. Хаббл, изучая спектры далеких галактик, обнаружил в них систематическое красное смещение. Линии излучения были сдвинуты к красному концу спектра по сравнению с их «нормальным», лабораторным положением. Хаббл истолковал это как следствие эффекта Доплера и заявил, что красное смещение указывает на удаление от нас всех галактик. Так было открыто явление разбегания галактик. (Мы уже упоминали о нем в главе 6.)
Галактики не стоят на месте – они удаляются от нас. Но именно так и должна выглядеть картина Вселенной, если в ней происходит общее расширение. Конечно, галактики разбегаются не от нас, не от Земли или нашей Галактики. Общее расширение происходит так, что движение всей совокупности галактик представляется одинаковым, из какой бы галактики его ни наблюдали. (А иначе различные галактики и занимаемые ими «места» в пространстве Вселенной не были бы равноправны, отсутствовала бы однородность мира.)
После открытий Хаббла теория развивающейся Вселенной, теория космологического расширения получила всеобщее признание. Позднее, подводя итоги исследований, заложивших основу современной науки о Вселенной, Эйнштейн писал: «Первым на этот путь ступил Фридман».
Фридману не суждено было дожить до триумфа его теории. Он умер в 1925 году в возрасте 37 лет.
