Текст книги "Физика времени"
Автор книги: Артур Чернин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 14 (всего у книги 20 страниц)
Часы Вселенной
Но вот вопрос, который мы должны были, наверное, давно уже поставить. В какой системе отсчета измеряется время расширения, возраст Вселенной? Теория относительности учит нас, что промежуток времени между двумя событиями зависит от того, в какой системе отсчета находятся часы, по которым мы его измеряем. Если производить измерения двумя часами, движущимися друг относительно друга, то результаты будут различны.
Когда мы говорим о разбегании галактик, мы, очевидно, связываем свою точку зрения с Землей, с Солнечной системой, с нашей Галактикой. Мы наблюдаем динамику Вселенной из нашей Галактики и с помощью наших приборов измеряем их скорости и расстояния до них. Сопоставляя скорости и расстояния (связанные законом Хаббла), находим по их измеренным значениям искомое время. Отсюда ясно, что в качестве системы отсчета нам служит Галактика.
Но Галактика – лишь одна из многочисленных «частичек» вещества Вселенной, участвующих в ее общей динамике. Все эти «частички» равноправны между собой в силу однородности Метагалактики. Раз так, время расширения, измеренное по часам нашей Галактики, совпадает с временем, измеренным по часам любой другой галактики.
Время расширения, возраст Вселенной относятся ко всей Метагалактике в целом и, по сути дела, сама однородная Метагалактика служит системой отсчета, в которой это время измеряется. Мысленно можно представить себе часы, расположенные на всех галактиках, и все они идут «в ногу», отсчитывая общее время Вселенной.
Об этом стоит, пожалуй, сказать немного подробнее и точнее.
Прежде всего, нужно учесть, что в действительности каждая галактика совершает вообще-то довольно сложное движение. Главное ее движение – это участие в общем разбегании по закону Хаббла. Но к этому добавляется еще всякий раз и какое-то индивидуальное (собственное, как говорят астрономы) движение, связанное, например, с притяжением соседних галактик. Так вот от этих индивидуальных, собственных движений нужно отвлечься. Нужно мысленно представить себе сетку, наброшенную на всю Метагалактику. Эта сетка равномерно растягивается во все стороны в соответствии с общим регулярным расширением общей картины. Часы, расположенные в узлах такой сетки, и будут давать «чистое» время Вселенной, освобожденное от случайностей поведения индивидуальных галактик. Это собственное время всей Метагалактики как целого.
Одновременность
Мы уже говорили, что сингулярность служит естественным началом отсчета космического времени. Это было событие, одновременное для всей Вселенной. Ее вещество начало расширяться в этот момент и притом все разом. Сингулярность – событие, происшедшее в одном месте, даже в одной точке, где находилось в тот момент все вещество. Так что смысл одновременности в этом случае вполне ясен и однозначен.
Но когда речь заходит о более поздних событиях в истории Вселенной и притом происходящих в разных местах пространства, нужно всякий раз заботиться о том, чтобы точно определить, в каком именно смысле понимается одновременность событий. Например, мы должны хорошо представлять себе, что в точности означает утверждение об однородности Вселенной. Ведь речь идет здесь о разных местах пространства, которые сравнивают между собой.
Мы говорим, что сейчас плотность вещества одинакова по всей Вселенной. Сейчас – значит в нынешний момент времени. И именно в этот момент мы сравниваем плотность вещества в разных областях Метагалактики. Подразумевается, что мы видим всю картину распределения галактик как бы сразу, в один единый миг. Плотность, с которой размещаются во Вселенной галактики, убывает со временем из-за космологического расширения. Поэтому считать ее всюду по пространству одинаковой можно только при том условии, что каждая область Метагалактики, каждый ее участок, рассматривается на одном и том же этапе расширения. Иначе один участок выглядел бы более плотным (то есть более молодым), а другой – менее плотным (то есть более старым), когда бы мы наблюдали первый на более раннем, а второй – на более позднем этапе расширения. Видеть все участки одинаковыми – значит видеть их через один и тот же промежуток времени от начала расширения. В этом и состоит смысл одновременности. Это одновременность в собственной системе отсчета Метагалактики.
Можно сказать, что Метагалактика предстает перед нами однородной лишь на «моментальной фотографии», снятой в таких воображаемых лучах, которые распространяются мгновенно, с бесконечной скоростью. Иначе как бы мы увидели ее всю сразу и одновременно. А как выглядела бы Метагалактика, «снятая» в реальных световых лучах?
Астрономические наблюдения – оптические и радио-, в инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучах – ведутся с помощью электромагнитных волн различной частоты. Они распространяются вдоль светового конуса и показывают картину неба с запаздыванием на определенное время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние, разделяющее нас и наблюдаемый объект. Солнце мы видим с задержкой 8 мин; свет от звезд Галактики идет к нам десятки и сотни лет, а от далеких галактик и скоплений – миллионы и сотни миллионов лет. Чем дальше объект, тем в более раннюю эпоху мы видим его. Наблюдая распределение и движение галактик, мы получаем сведения о тех их свойствах, которыми они обладали в очень отдаленном, по нашим обычным понятиям, прошлом. Но по масштабам Вселенной разница в сотни миллионов лет не очень велика. Ее расширение происходит в таком темпе, что расстояния, а с ними и космическая плотность вещества заметно меняются лишь за миллиарды лет. Потому-то плотность в близкой области Вселенной, где видны галактики, и представляется нам одинаковой, однородной.
Если бы, однако, можно было заглянуть на большие расстояния, то есть в более далекое прошлое, мы, очевидно, обнаружили бы, что там (то есть тогда) плотность больше, чем вблизи (то есть сейчас). Снимок, сделанный в реальных лучах, показал бы, таким образом, Вселенную неоднородной по плотности: чем дальше от нас, тем плотнее. На таком снимке и само физическое пространство, в соответствии с общими принципами эйнштейновской теории, должно быть неоднородным по своим геометрическим свойствам.
Срезы времени
Итак, имеются два разных «снимка»: какой из них правильный? Казалось бы, второй, он соответствует действительной процедуре наблюдений. Но и первый (моментальный), хотя и не может быть получен непосредственно в наблюдениях, тоже показывает реальную Вселенную. Снимки сильно отличаются друг от друга и, прежде всего, тем что в одном случае космическая плотность и само пространство однородны, а в другом никакой однородности нет.
Различия касаются свойств видимой Вселенной в целом. Но если не уходить далеко, а ограничиться какой-то не очень большой окрестностью, оба снимка, очевидно, покажут приблизительно одно и то же. Различия, связанные с запаздыванием света, тем меньше, чем меньше область наблюдений. В действительности оба снимка правильные и друг другу не противоречат. Но их различие показывает, что, когда речь идет о больших объемах пространства и больших промежутках времени, само пространство и само время по-разному проявляют себя в разных наблюдениях.
Согласно принципам общей теории относительности, как время, так и пространство не абсолютны, их свойства не заданы раз навсегда, а зависят, как уже не раз упоминалось, от тяготеющих масс. Время и пространство не абсолютны еще и в другом смысле: они по-разному могут быть отделены друг от друга, выделены из единого четырехмерного пространства– времени.
Такое разъединение времени и пространства происходит для нас тогда, когда мы выбираем определенную систему отсчета и устанавливаем в ней приборы для измерения времени и расстояний. Наблюдения с помощью этих приборов дают нам сведения не о времени вообще и не о пространстве вообще, а именно о конкретном времени и конкретном пространстве, какими они представляются из нашей системы отсчета. В другой системе отсчета картина отдельно времени и отдельно пространства может оказаться совершенно иной. Одинаковыми остаются во всех системах отсчета лишь те данные, которые характеризуют пространство и время вместе, как единое целое (соответствующие физические величины называют инвариантами пространства-времени).
Проиллюстрируем разные способы разделения времени и пространства простым примером из геометрии. Представим себе обыкновенный цилиндр. Это объемное тело будет представлять для нас «единое трехмерное пространство». Из него можно выделить «двумерное пространство», произведя сечение цилиндра плоскостью. Такое двумерное пространство – это, так сказать, подпространство нашего «единого трехмерного пространства»; число измерений подпространства на единицу меньше. Результат выделения подпространства зависит от принятого способа сечения. В сечении можно получить фигуры разной формы, разной площади.
Если произвести сечение плоскостью, перпендикулярной оси цилиндра, то получим двумерное подпространство в виде круга. Если же рассечь цилиндр плоскостью, параллельной его оси, получим прямоугольник. Какое из двух сечений правильно передает свойства двумерного подпространства этого тела? Вопрос не имеет смысла. Двумерное подпространство не абсолютно, его можно выделить разными способами.
Нет ничего удивительного и в том, что трехмерное физическое пространство, подпространство единого четырехмерного пространства-времени, предстает перед нами разным на разных «снимках» Вселенной. Эти снимки дают разные сечения четырехмерного пространства-времени Вселенной. Снимок в реальных лучах нужно понимать геометрически как сечение световым конусом. Моментальный же снимок – сечение плоскостью постоянного космического времени.
Эти снимки Вселенной в разных срезах времени соответствуют разным системам отсчета, разным способам отделения времени от пространства. Плоскость постоянного космического времени дает срез в системе отсчета, связанной с самой расширяющейся Метагалактикой. Срез световым конусом соответствует другой системе отсчета. Эта система представляет собой как бы жесткую сетку, «привязанную» к земному наблюдателю, к нашей Галактике. Такая сетка не растягивается космологическим расширением. Напротив, она остается неизменной, и все галактики, кроме нашей собственной, «расползаются» относительно нее – они движутся по закону Хаббла.
Мы уже говорили о том, как выглядит пространство в этой системе отсчета – оно оказывается неоднородным. И время в этой системе отсчета иное, отличное от общего космического времени. Оно должно измеряться по часам, которые расположены всюду в пространстве на неизменных расстояниях от нас и друг от друга. Эти часы не разбегаются. А часы на разбегающихся га тактиках, когда мы смотрим на них из неподвижном системы отсчета, представляются отстающими от наших неподвижных часов. Так, разумеется, и должно быть по теории относительности: время в движущейся системе отсчета течет медленнее, чем в неподвижной.
Горизонт
Прямым свидетельством такого замедления времени служит красное смещение в спектрах излучения далеких галактик. Ведь красное смещение означает увеличение периода колебаний принятого света. Периоды же колебаний растягиваются из-за того, что по нашим часам любые колебания, а с ними и само время на движущихся относительно нас телах замедляются. Это эффект Доплера, о котором мы говорили в главе 6.
По закону Хаббла, чем дальше от нас галактика, тем больше скорость ее удаления от нас. Из-за этого красное смещение и замедление времени усиливаются с расстоянием. Рассматривая все более и более удаленные галактики, мы замечаем все большее и большее красное смещение и, следовательно, все более значительное замедление времени. Согласно космологической модели Фридмана, существует такое большое, но вполне определенное, конечное расстояние, на котором красное смещение становится бесконечно большим. Период принимаемого света оказывается при этом бесконечным, а его частота (величина, обратная периоду) обращается в нуль. С точки зрения наблюдений это означает, что источник света остановится для нас невидимым. Пусть его собственная мощность излучения и будет сколь угодно велика, все равно его нельзя увидеть.
Таким образом, можно говорить о существовании во Вселенной горизонта, в пределах которого только и возможны наблюдения. Расстояние до горизонта составляет 15 – 18 мил– миллиардов световых лет. Это путь, который свет успевает пройти за время от начала космологического расширения до современной эпохи.
О горизонте мы уже говорили в главе 7, когда речь шла о световом конусе. Конус прошлого служил горизонтом видимости, горизонтом событий. Природа космологического горизонта, по существу, та же: все дело в том, что за конечное время свет проходит конечный путь. То, что происходит вблизи космологического горизонта, очень похоже и на явления вблизи критической поверхности черной дыры (см. главу 8). Там тоже любой источник света, сколь бы ярким сам по себе он ни был, становится невидимым для удаленного наблюдателя, но на путь от критической поверхности до наблюдателя свету требуется бесконечное время.
Вывод о существовании горизонта во Вселенной никак не зависит от того, имеются ли в действительности астрономические тела, которые столь ярки, что могут посылать нам свет со сколь угодно больших расстояний. Этот вывод имеет характер принципиального ограничения, вытекающего из свойств космического времени.
В космологической модели Фридмана объем пространства, заключенного в пределах горизонта, является ограниченным по величине, конечным. Конечна и содержащаяся в этом объеме масса вещества. Отсюда вытекает одно важное заключение общего характера.
Уже многие века ведутся споры о том, конечна или бесконечна Вселенная. Теория относительности и основанная на ней космология дают возможность получить ответ на этот вопрос. В утверждениях «Вселенная конечна» или «Вселенная бесконечна» речь идет об объеме трехмерного пространства. Но этот объем (как и вообще геометрические свойства пространства) зависит от того, каким именно образом пространство выделено из единого четырехмерного целого, которое оно составляет вместе с временем. Значит, ответ на вопрос о конечности или бесконечности Вселенной зависит от системы отсчета. Пространство не абсолютно. Не абсолютен и его объем.
Как мы уже сказали, в неподвижной системе отсчета, когда трехмерное пространство выделяется путем сечения световым конусом, объем пространства конечен. В движущейся системе отсчета, связанной с общим космологическим расширением, объем трехмерного пространства может быть как конечным, так и бесконечным.
Конечность объема в одной системе отсчета не исключает бесконечности в другой. Здесь для иллюстрации снова можно воспользоваться геометрическим примером с цилиндром. Если цилиндр бесконечен вдоль своей оси, то в сечении плоскостью может получиться фигура конечной площади, например круг. При сечении бесконечного цилиндра плоскостью, параллельной его оси, получим прямоугольник бесконечной площади. Две эти фигуры представляют собой два разных подпространства бесконечного цилиндра. Одно из подпространств конечно, а другое бесконечно.
Если наша Вселенная не единственна и в мире имеется множество вселенных, вопрос о конечности и бесконечности должен ставиться, очевидно, иначе. Тут требуется новый подход и новое понимание, выходящие за рамки теории Фридмана. У для Вселенной в фридмановском смысле ответ на вопрос, бесконечна ли она, не сводится просто к «да» или «нет». Глубоко нетривиальным окажется, должно быть, и ответ на вопрос о мире. Но пока космология мало что может об этом сказать.
Будущее
История Вселенной насчитывает 15—18 миллиардов лет. А сколь продолжительно предстоящее ей будущее? Простирается ли оно неограниченно во времени или у будущего тоже есть предел длительности?
Теория Фридмана предлагает четкий рецепт для получения ответа на этот вопрос. Она устанавливает связь между динамикой Вселенной и ее будущим. Динамика же допускает две возможности: либо неограниченное расширение, либо расширение, сменяющееся сжатием. В первом случае время, очевидно, длится неограниченно и не имеет конца. Во втором случае сжатие сменяет расширение через конечное время и само затем продолжается ровно столько, сколько до этого длилось расширение. При сжатии плотность космического вещества возрастает со временем и в определенный момент достигает бесконечно большого значения. Так достигается новая сингулярность. Полное время жизни Вселенной конечно, и в этом случае шкала времени ограниченна. Она заключена в пределах между двумя сингулярностями, начальной и конечной.
Теория указывает нам, как определить судьбу Вселенной по современным ее чертам. Что же нужно наблюдать и измерять, чтобы узнать будущее?
Мы уже говорили (в предыдущей главе), что космологическое расширение – это движение против силы тяготения. С точки зрения механики в нем много общего с движением подброшенного вверх мяча или запущенной в космос ракеты. Мяч, взлетев на какую-то высоту, падает затем на землю. Это означает, что его начальная скорость невелика и тяготение берет над ней верх, возвращает тело назад. Начальная скорость ракеты может быть большой, и если она превышает некоторое значение – вторую космическую скорость, то ракета сможет навсегда оторваться от Земли и уже никогда назад не вернется. Чтобы оторваться от Земли, ракете нужна большая скорость, а большая скорость – это большая кинетическая энергия. Для отрыва от Земли кинетическая энергия должна превышать энергию тяготения, связывающего ракету с Землей.
То же и с галактиками: все дело в их кинематической энергии. Достаточна ли она, чтобы преодолеть действующее на галактику тяготение? О кинематической энергии можно судить по наблюдаемым скоростям разбегания галактик. А об энергии тяготения – по массам, создающим притяжение. Массы же определяются плотностью космической среды. Чем больше плотность, тем сильнее тяготение.
Так что для нахождения динамики Вселенной, а с ней и продолжительности будущего, нужно уметь измерять скорости галактик и плотность космической среды. Первое не составляет большого труда: о скоростях мы судим по закону Хаббла. Постоянная Хаббла, правда, определена не слишком точно. Но в действительности гораздо больше неопределенности в плотности. В этом главная трудность задачи.
Плотность не поддается непосредственному определению, мы судим о ней по косвенным признакам. Например, по яркости излучения далеких галактик и скоплений.
Подсчитывая галактики в больших объемах (размером 300 миллионов световых лет и более), содержащих много галактик и скоплений, находят их среднюю концентрацию в пространстве. А зная массы галактик, можно оценить и среднюю плотность вещества в таких объемах. По современным данным эта плотность составляет 3 • 1028 кг/м3.
Правда, астрономические оценки масс не очень надежны. Задача осложняется тем, что помимо светящегося вещества самих галактик в пространстве вокруг них существуют, по-видимому, значительные массы вещества, наблюдать которые непосредственно не удается. Это скрытые массы, о которых мы уже упоминали, когда говорили о невидимых коронах галактик
(см. главу 10). Скрытые массы проявляют себя только тяготением, которое сказывается на движении галактик в группах и скоплениях. По этим признакам оценивают связанную с ними среднюю плотность, и не исключено, что она может быть в 5—10 раз больше усредненной плотности галактик.
Большинство специалистов склоняется к тому мнению, что даже с учетом скрытых масс космическая плотность еще не достаточна, чтобы остановить разбегание галактик. Но, конечно, окончательное решение и последнее слово принадлежат не большинству, а более точным измерениям. И остается надеяться, что когда-нибудь они станут, наконец, возможными.
Для всех, вместе с тем, очевидно, что нет веских причин, чтобы полностью исключить и более высокую оценку космической плотности, которая означала бы смену расширения сжатием. Если остановка расширения и произойдет, то не раньше чем еще через 5 – 10 миллиардов лет. При этом полный «жизненный цикл» Вселенной составил бы примерно 30 – 60 миллиардов лет.
Стоит сравнить последнюю величину с предсказываемой физикой продолжительностью жизни Солнца. Оно может еще светить с нынешней мощностью не меньше 10 миллиардов лет. Так что если Вселенной предстоит в дальнейшем перейти от расширения к сжатию, наше дневное светило до этой поры вполне может дожить в более или менее неизменном виде.
