Текст книги "Теория относительности для миллионов"

Автор книги: Мартин Гарднер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 9 страниц)

10. Взрыв или устойчивое состояние

Представьте себе картину постепенного расширения космоса, а затем пустите эту картину в обратном направлении, как это делают в кино. Ясно, что в «скрытом мраком прошлом и бездне времен», как однажды сказал Шекспир, должен был быть такой момент, когда огромное количество материи было сконцентрировано в очень малом объеме. Возможно, что весь процесс расширения начался много миллиардов лет назад с огромного первичного взрыва. Это концепция Взрыва, впервые выдвинутая Леметром, а теперь нашедшая своего наиболее рьяного защитника в лице Георгия Гамова.

Гамов в книге «Создание Вселенной» убедительно защищает свою теорию. Леметр считал, что Взрыв произошел около пяти миллиардов лет назад, но оценки возраста Вселенной все время росли в сторону увеличения. Сейчас считают, что возраст от 20 до 25 миллиардов лет является наиболее правдоподобным. Таким образом, согласно Гамову, было время, когда вся материя во Вселенной была сконцентрирована в одном невероятно плотном однородном шаре концентрированной материи Илем ( Илем– древнегреческое название первичной материи). Откуда он возник? Гамов считает, что он образовался в результате предыдущего сжимания Вселенной. Об этом периоде сжатия, очевидно, мы ничего не можем узнать.

Как и модель Леметра, модель Гамова начинается со Взрыва. Иногда момент Взрыва называют «моментом создания», но не в том смысле, что из ничего было создано нечто, объяснял Гамов, а в смысле создания формы из чего-то ранее бесформенного.

Перед самым Взрывом температура и давление Илема были невероятно высоки. Затем произошел чудовищный, невообразимый Взрыв. В книге Гамова детально рассматривается все, что могло произойти после этого. В конце концов из расширяющихся пыли и газа образовались звезды. Расширение Вселенной в настоящее время является продолжением движения, сообщенного материи начальным взрывом. Гамов полагает, что это движение никогда не прекратится.

В настоящее время с гамовской теорией Взрыва соперничает главным образом теория устойчивой Вселенной, предложенная в 1948 г. тремя учеными из Кембриджского университета: Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом. Наиболее убедительной защитой этой теории является популярная книга Хойла «Природа Вселенной». Как и в теории Гамова, в теории устойчивого состояния принимается расширение Вселенной и пространство предполагается открытым и бесконечным, а не закрытым, как в модели Эддингтона. В отличие от теории Гамова эта теория не начинает со Взрыва, в ней вообще нет начального момента. Не случайно заглавие книги Хойла отличается от заглавия книги Гамова только заменой одного слова. Космос Хойла не имеет момента «создания», скорее в нем имеется, как мы увидим, бесконечное число малых созиданий. Хойл формулирует это следующим образом: «Каждое облако галактик, каждая звезда, каждый атом имели начало, но не Вселенная целиком. Вселенная есть нечто большее, чем ее части, хотя этот вывод может показаться неожиданным».

Устойчивая Вселенная всегда находится в состоянии установившегося движения. Если бы мы вернулись на сотни тысяч миллиардов лет назад, мы нашли бы те же самые типы развивающихся галактик в любой части космоса, содержащих те же самые типы стареющих звезд, некоторые из них с теми же самыми типами планет, обращающихся вокруг этих звезд, и на некоторых из этих планет, возможно, подобные формы жизни. Может быть, существует бесконечное число планет, на которых в этот самый момент (независимо от того, что это может означать) мыслящие существа посылают своих первых космонавтов в космос. Космос однороден (в самом общем смысле слова) в бесконечном пространстве и бесконечном времени. Его расширение не есть последствие взрыва. Оно обусловлено какой-то силой отталкивания, природа которой все еще горячо обсуждается.

Эта сила подобна оставленной космологической константе Эйнштейна. Она расталкивает галактики до тех пор, пока они, в конце концов, не исчезают из «поля зрения», уходя за световой барьер. Это исчезновение происходит, разумеется, с точки зрения наблюдателя в нашей Галактике. Когда наблюдатель с Земли видит, что галактика X и ее соседи растаяли, наблюдатели с галактики X видят, что с нашей Галактикой происходит то же самое.

Возникает очень важный вопрос. Если Вселенная всегда расширялась и будет продолжать расширяться, то почему она не становится менее плотной?

Очевидно, нет другого способа объяснить устойчивое состояние, кроме как предположив, что непрерывно создается новая материя, возможно, в виде водорода – простейшего из элементов. Согласно Хойлу, если бы водном ведре пространства (почти невозможно писать о взглядах Хойла, не доставив себе удовольствия употребить это образное выражение) создавался один атом водорода примерно каждые 10 миллионов лет, то это поддерживало бы космос в устойчивом состоянии. Разумеется, скорость, с которой образуется материя, должна быть как раз такой, чтобы скомпенсировать процесс уменьшения плотности.

Откуда берутся атомы водорода? Никто не осмеливается ответить на этот вопрос. Это тот пункт, с которого начинается теория Хойла. Если придерживаться веры в создание из ничего, это тот пункт в теории устойчивого состояния, где произошло, а вернее, непрерывно происходит сотворение.

Обе соперничающие теории, теория Взрыва и теория устойчивого состояния, могут быть согласованы со всеми фактами, известными о космосе (точнее, с тем, что в настоящий момент считается известным), а также со всеми принципами относительности.

В настоящее время обе теории одинаково приемлемы.

Каждый год какие-то новые наблюдения подтверждают теорию Взрыва и вызывают сомнения относительно теории устойчивого состояния, но они компенсируются другими новыми наблюдениями, которые подтверждают теорию устойчивого состояния и вызывают сомнения относительно теории Взрыва. Если вы будете читать статью или книгу защитника любой из этих теорий, вы увидите, что автор пишет так, как будто все данные говорят в его пользу и очень мало в пользу его упрямых оппонентов. Вы не должны ему верить. Когда специалисты расходятся во мнениях, разумно не становиться ни на чью сторону, если вы не отдаете сильного эмоционального предпочтения одной теории по сравнению с другой. Гамов откровенно писал о своем эмоциональном предпочтении теории Взрыва. Точно так же Хойл был откровенен в своем эмоциональном предпочтении теории устойчивого состояния. (Насколько мне известно, до сих пор психоаналитики еще не объяснили обе теории на основе неврозов тех людей, которые их защищают, но можете быть уверенными в том, что они в конце концов придут к этому.) Если не привлекать эмоции, разумно подождать выносить суждение до тех пор, пока астрономы не будут в состоянии привести достаточно данных, чтобы чаша весов склонилась в ту или другую сторону.

Имеется много других космических моделей. Некоторые из них были выдвинуты серьезно, некоторые – в виде шутки. Есть модели, в которых пространство закручивается само на себя, как листок Мебиуса (односторонняя поверхность, которая получается, если перевернуть один из концов полоски бумаги и затем склеить оба конца). Если вы обойдете такую Вселенную один раз, вы окажетесь там же, откуда начали свое путешествие, только все будет перевернутым, как в зеркале. Разумеется, вы можете обойти ее еще раз и поставить все на место. Имеются модели осциллирующей Вселенной, в которых Взрывы чередуются с периодами расширения и сжатия.

Этот цикл повторяется непрерывно, как в доктринах вечного возрождения некоторых философов и восточных религий. (Любопытно отметить, что Эдгар По в своей странной космологической работе под названием «Эврика», которую он высоко ценил, защищал модель осциллирующей Вселенной, находящейся в настоящее время в стадии сжатия.) Наиболее эксцентричной из всех моделей, по-видимому, является модель «кинематической относительности», предложенная астрономом из Оксфордского университета Эдуардом Милном. В ней вводится два существенно различных вида времени. В терминах одного времени возраст и размер Вселенной бесконечны, и она совсем не расширяется. В терминах другого времени она имеет конечный размер и расширяется только с момента создания. Какой вид времени выбрать в качестве основного – это вопрос удобства.

Английский математик Эдмунд Уиттекер однажды предложил (в виде шутки) теорию уменьшающейся Вселенной, в которой конечный космос не только сокращается, но и материя непрерывно уходит туда, откуда она приходит в теории Хойлa. Мир в конце концов полностью исчезает, но не со Взрывом, а с последним Вздохом. «Эта теория имеет то преимущество, – пишет Уиттекер, – что она дает очень простую картину конца Вселенной». Конечно, такая теория должна была бы объяснить, почему мы наблюдаем не фиолетовое, а красное смещение в спектре галактик, но это сделать нетрудно. Для этого нужно заимствовать у де Ситтера один из его приемов и предположить, что время ускоряет свой ход (один из физиков в шутку отметил, что это могло бы объяснить, почему по мере того, как мы становимся старше, кажется, что годы летят, как месяцы. Они действительно летят, как месяцы). Свет, который приходит на Землю от далекой галактики, был бы тогда светом той галактики, которая была миллионы лет назад, когда электромагнитные колебания происходили медленнее. Это могло привести к достаточно большему красному смещению, которое превысило бы допплеровский сдвиг в сторону фиолетового края спектра. Разумеется, чем дальше галактика, тем старше и краснее она кажется.

Тот факт, что можно сформулировать модель уменьшающейся Вселенной, показывает, насколько гибки уравнения теории относительности. Они могут быть согласованы с множеством различных моделей космоса, каждая из которых очень хорошо объясняет все, что можно наблюдать в настоящее время. Интересно отметить, что английский философ Фрэнсис Бэкон в 1620 г. в своем труде «Novum Organum» писал: «О небесах можно создать много отличающихся друг от друга гипотез, которые, однако, достаточно хорошо согласуются с явлениями». Современная космология не изменилась в этом отношении, хотя число наблюдаемых явлений стало гораздо большим; следовательно, имеются основания предполагать, что современные модели ближе к истине, чем старые. Конечно, космические модели, которые будут через сто лет, основанные на астрономических данных, неизвестных в настоящее время, могут совершенно не походить на любую из наших моделей, рассматриваемых сейчас всерьез.

Есть забавная маленькая сказка ирландского писателя лорда Дансэни (в его книге «Человек, который ел Феникса»), в которой Атлас рассказывает Дансэни, что произошло в тот день, когда благодаря науке смертные перестали верить в древнегреческую модель Вселенной. Атлас говорит, что его задача была довольно глупой и неприятной. Ему было холодно, так как он держал на шее южный полюс Земли, а его руки были всегда мокрыми от двух океанов. Но он продолжал выполнять свое дело до тех пор, пока люди верили в него.

Затем, говорит печально Атлас мир начал становиться «слишком ученым». Атлас решил, что в нем больше не нуждаются. Он оставил мир и ушел.

«Но, – говорит Атлас, – не без раздумий, не без больших раздумий. Однако я был глубоко удивлен; ужасно удивлен тем, что произошло, когда я это сделал».

«А что же произошло?»

«Ровным счетом ничего. Просто совсем ничего».

В этой книге я попытался рассказать историю о том, что произошло в результате более близкого к нам события, когда ньютоновский бог абсолютного движения, после того как Эйнштейн ткнул его пару раз, оставил Землю и ушел. С Землей ничего особенного не произошло, по крайней мере пока. Она продолжала вращаться вокруг своей оси, растягиваться по экватору, обращаться вокруг Солнца. Но в физике все-таки кое-что произошло. Ее возможности объяснять, ее возможности предсказывать и более всего ее возможности изменять лицо Земли в хорошую или плохую сторону стали больше, чем они были когда-либо раньше.

Послесловие

В предисловии уже отмечалось, что освещение некоторых вопросов в книге Гарднера нуждается в уточнении. Следует обратить внимание на следующие моменты.

При построении общей теории относительности Эйнштейн исходил из принципа эквивалентности (гравитационного поля и инерции). С помощью этого принципа он и получил основные уравнения теории.

Однако необходимо помнить, что принцип эквивалентности не является общим принципом и имеет лишь ограниченную область применимости; как отмечает сам Гарднер, инерции эквивалентно лишь однородное (т. е. постоянное по величине и направлению) гравитационное поле.

Но поле можно считать однородным лишь в случае очень небольших участков пространства. Например, силовые линии гравитационного поля Земли расходятся радиально от ее центра. Только внутри объемов пространства, линейные размеры которых во много раз меньше размеров Земли, гравитационное поле Земли можно считать однородным. Поэтому говорят, что принцип эквивалентности локален, т. е. что с помощью перехода в ускоренную систему координат можно исключить гравитационное поле в отдельных участках пространства, но отнюдь не везде.

Общим принципом, применимым без всяких ограничений, является принцип равенства инертной и гравитационной масс. Пользуясь этим принципом, можно построить всю теорию гравитации. Если же исходить из принципа эквивалентности, то для построения теории необходимо сделать дополнительное предположение, что явление гравитации целиком сводится к геометрическим свойствам пространства – времени.

Гарднер проводит мысль, что суть общей теории относительности – это полная равноправность всех систем отсчета, как равномерно, так и ускоренно движущихся. На самом деле суть в том, что пространство – время искривлено. Именно это обстоятельство и заставляет писать уравнения общей теории в такой форме, чтобы ими можно было пользоваться в любой системе координат.

В специальной теории относительности все инерциальные системы были равноправны не потому, что в них уравнения теории имели одни и тот же вид.

Причина была в том, что все физические явления в инерциальных системах имели один и тот же характер. Лучшее доказательство этому то, что никакими опытами, ни механическими, ни электромагнитными, нельзя обнаружить, покоится система или находится в состоянии равномерного движения.

Другое дело, когда речь идет об общей теории.

Конкретный вид физических процессов здесь, конечно, различен в разных системах координат, и некоторые системы являются выделенными. Возьмем, например, специальную теорию относительности. Она, как известно, является частным случаем общей теории, так что в принципе мы можем пользоваться не только инерциальными системами координат, но и произвольным образом ускоренными. Формально это сделать можно, но это не означает, что с точки зрения физики все системы будут равноправны: во всех инерциальных системах свет всегда распространяется по прямой с одной и той же скоростью. В ускоряющихся системах координат путь света будет искривлен. Таким образом, существует объективный критерий, который в этом случае заставляет считать инерциальные системы выделенными.

А. И. БАЗЬ

Словарь терминов

Настоящий словарь терминов составлен с целью дать простые, ясные определения, которые не выходили бы за рамки элементарных книг, а не точные строгие определения. О точном определении «кривизны», например, не может быть иречи: это потребовало бы нескольких страниц. Читателю, который хотел бы найти более строгие определения, следует обратиться к соответствующей энциклопедии или учебнику.

Абсолютное движение– движение относительно неподвижного эфира или какой нибудь столь же универсальной, выделенной системы отсчета.

Антиматерия– материя, состоящая из античастиц.

Античастица– элементарная частица, такая же, как и обычная частица, за исключением того, что она имеет противоположный заряд и (или) магнитный момент. В случае заряженных частиц противоположно и то и другое. В случае нейтральных частиц, которые не имеют заряда, различие основано на противоположности магнитного момента.

Галактика– объединение миллиардов звезд, часто в форме чечевицы, движущееся в пространстве как единое целое.

Галилеева система– см. инерциальная система.

Геодезическая линия– «наиболее прямая» линия, проведенная между двумя точками на данной поверхности или в данном пространстве или пространстве – времени: линия соединяющая две точки, которая имеет экстремальную длину (самую большую или самую маленькую).

Гиперболическая геометрия– неевклидова геометрия, в которой на плоскости через данную точку, расположенную вне данной линии, может быть проведено бесконечное число параллельных ей линий.

Гиперсфера– четырехмерная сфера.

Гравитационная масса– масса тела, рассматриваемая как источник поля тяготения или как испытывающая действие такого поля. На Земле она измеряется как вес тела.

Длина волны– расстояние, измеряемое вдоль направления движения волны от данной точки волны до следующей, имеющей в данный момент ту же фазу.

Допплер-эффект– изменения в измеряемой длине звуковой или электромагнитной волны, обусловленные относительным движением наблюдателя к источнику волн или от него.

Евклидова геометрия– геометрия, основанная на постулатах Евклида.

Евклидово пространство– пространство с нулевой кривизной.

Илем– первичная субстанция, которая, как предполагают, взорвалась миллиарды лет назад, образовав теперешнюю расширяющуюся Вселенную.

Инертная масса– масса тела, рассматриваемая с точки зрения его сопротивления ускорению. Измеряется силой, требующейся для придания телу данного ускорения.

Инерциальная система– система координат, движущаяся в пространстве равномерно относительно других инерциальных систем. То же самое, что Галилеевская система.

Инерция– тенденция материального тела, если на него не действует внешняя сила, оставаться в покое относительно инерциальной системы или двигаться с постоянной скоростью вдоль прямой.

Координата– одно из набора чисел, используемых для определения положения точки. Для линии требуется одна координата, для плоскости – две, для пространства – три, для пространства – времени – четыре.

Космос– вся пространственно временная Вселенная.

Красное смещение– сдвиг длин волн света к красному краю спектра. Такой сдвиг может быть обусловлен: 1. Движением источника от наблюдателя. 2. Влиянием сильного поля тяготения. 3. Тем, что свет был испущен в более ранние периоды, если предполагать, что время ускоряет свой ход.

Кривизна– отклонение линии, плоскости или пространства от «прямого» или «плоского».

Лоренц – Фитцджеральдово сокращение– релятивистское сокращение тела в направлении его движения.

Масса– грубо говоря, количество материи, содержащееся в теле.

Масса покоя– месса тела, покоящегося относительно наблюдателя.

Мировая линия– траектория движущегося тела, изображенная в четырехмерной пространственно-временной координатной системе.

Мысленный опыт– опыт, который можно только мысленно представить, но не выполнить в действительности.

Неевклидова геометрия– геометрия, в которой один или несколько постулатов Евклида заменены другими постулатами.

Нулевое g– нулевое тяготение, состояние невесомости в пространстве вдали от материальных тел или внутри космического корабля, находящегося в состоянии свободного падения.

Общая теория относительности– вторая (общая) теория относительности Эйнштейна, обобщающая его специальную теорию так, что в нее включаются ускоренное двиукение, тяготение и инерция.

Оптический горизонт– предельная сфера (в расширяющейся Вселенной), которая может быть достигнута с помощью идеальных телескопов; за этим пределом галактики двигались бы от наблюдателя со скоростью, равной или большей скорости света.

Опыт Кеннеди – Торндайка– повторение опыта Майкельсона – Морли с использованием прибора, имеющего плечи разной длины.

Опыт Майкельсона – Морли– знаменитый опыт, доказавший отсутствие эфирного ветра при движении Земли в пространстве.

Осциллирующая Вселенная– вселенная, которая попеременно то расширяется, то сжимается.

Отрицательная масса– гипотетическое свойство тела, которое, если оно существует, приводило бы к тому, что это тело двигалось в направлении, противоположном направлению действующей на него силы.

Отрицательное ускорение– уменьшение скорости.

Парадокс близнецов– парадокс часов, примененный к гипотетической паре близнецов. Один из близнецов отправляется в путешествие в пространство с большой скоростью; относительно инерциальной системы Земли процесс его старения замедляется, и при возвращении на Землю он оказывается моложе своего брата, остававшегося на Земле.

Парадокс Олберса– удивительный расчет, показывающий, что если галактики равномерно распределены в пространстве, а Вселенная бесконечна во времени и пространстве и не расширяется, то все небо должно всегда сиять ярче Солнца.

Парадокс часов– поразительное утверждение теории относительности, что двое синхронизованных часов могут быть удалены друг от друга, а затем сведены вместе таким образом, что они уже не будут показывать одинаковое время, хотя и те и другие часы идут точно.

Постулат– положение, принятое без доказательства, которое составляет основу логической системы. Иногда называется аксиомой.

Принцип Маха– теория, считающая, что инерция обусловлена ускоренным движением тела по отношению ко всем материальным телам Вселенной.

Принцип эквивалентности– утверждение, составляющее основу общей теории относительности, что тяготение и инерция являются двумя различными способами рассмотрения по существу одних и тех же явлений.

Пространство – время– четырехмерная система координат в теории относительности.

Пространственно-временной интервал– расстояние между двумя событиями, измеряемое в пространстве – времени.

Пространственно-временная структура– геометрическая структура пространства – времени.

Свет– видимая часть электромагнитного спектра.

Свободное падение– движение тела под действием только сил тяготения.

Сигнал– любая цепь причинносвязанных событий, происходящих на разных телах.

Система отсчета– система координат, которая предполагается неподвижной и относительно которой производятся измерения времени, движения, длины, массы и т. д.

Сохранение массы– энергии – утверждение, что полное количество массы – энергии во Вселенной не может ни уменьшаться, ни увеличиваться.

Специальная теория относительности– первая теория относительности Эйнштейна, в которой шла речь только о наблюдателях в инерциальных системах отсчета.

Теория единого поля– теория, еще не получившая удовлетворительного развития, в которой тяготение и электромагнетизм объединены в единой системе уравнений.

Теория устойчивого состояния– теория, в которой считается, что мир во времени не имеет ни начала, ни конца, но поддерживается в «устойчивом состоянии» благодаря тому, что непрерывно создается новая материя, которая заменяет материю, уходящую в бесконечность в результате расширения Вселенной.

Топология– грубо говоря, изучение свойств фигуры, которые не изменяются при ее непрерывной деформации.

Ускорение– изменение скорости или направления (или и того и другого) движущегося тела.

Центробежная сила– сила инерции, которая принуждает тело или части тела двигаться от центра вращения.

Цилиндрическая Вселенная– первая модель Вселенной Альберта Эйнштейна. В ней пространство имеет положительную кривизну, временная координата прямая.

Четвертое измерение– любая четвертая координата в системе координат. В теории относительности в качестве четвертой координаты удобно рассматривать время.

Электромагнитная волна– излучение, испускаемое при колебаниях электрического заряда. Оно проходит через пустое пространство с постоянной относительно равномерно движущегося наблюдателя скоростью независимо от скорости своего источника или скорости наблюдателя.

Электромагнитный спектр– полный интервал электромагнитных излучений, от волн очень большой длины до волн очень малой длины.

Эллиптическая геометрия– неевклидова геометрия, в которой на плоскости через данную точку, расположенную вне данной прямой, не может быть проведено ни одной линии, параллельной этой прямой.

Эфир– вещество, которое, как считали физики девятнадцатого века, заполняет все пространство и служит средой для распространения электромагнитных волн.

Эфирный ветер– движение эфира мимо движущегося в нем тела.