Текст книги "Тайны пространства и времени"
Автор книги: Виктор Комаров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 37 страниц)
КОНЕЧНА ИЛИ БЕСКОНЕЧНА?
Изучать Вселенную человек начал с того, что непосредственно видел на небе. А видел он Солнце, Луну, планеты, звезды. Особенно сильное впечатление производила на людей картина ночного звездного неба.
Созерцание звездного неба рождало множество вопросов. И одними из самых интригующих были такие: где «начало» и «конец» этой звездной «бездны»? И всегда ли она была и будет ли существовать вечно? Иными словами, речь шла о конечности или бесконечности окружающего мира в пространстве и во времени.
Однако небесные светила не только пробуждали великое множество вопросов. Они давали и ответы. Наблюдения небесных явлений помогали человеку открывать новые законы природы, познавать мироздание. Великий Эйнштейн любил повторять, что интеллектуальные орудия, без которых было бы невозможно развитие современной техники, обязаны своим появлением в основном наблюдениям звезд. И для подобного заключения у него были весьма убедительные основания.
Николай Коперник пришел к выводу о вращении Земли вокруг собственной оси и ее обращении вокруг Солнца в результате многолетних наблюдений за суточными и годичными перемещениями небесных светил. Иоганн Кеплер понял законы движения планет, размышляя о движении Марса. Галилео Галилей открыл знаменитый принцип инерции, заложивший едва ли не самый главный камень в основание классической механики, во многом благодаря астрономическим наблюдениям. Наконец, один из самых фундаментальных законов науки – закон всемирного тяготения был сформулирован Исааком Ньютоном в результате тщательного анализа обращения Луны вокруг Земли.
Можно предположить, что если бы человек был лишен возможности наблюдать звезды и другие небесные светила, например, жил бы при вечно затянутом сплошными облака ми небе, то развитие земной науки скорее всего пошло бы другим путем. Разумеется, рано или поздно человечество отыскало бы способы изучения космических явлений, но на это, вероятно, ушло бы гораздо больше времени, и кто знает, современниками какого этапа в развитии науки и техники мы с вами оказались бы сегодня… Дело не только в тех трудностях, которые бы пришлось преодолевать землянам. Вечная унылая пелена, нависшая над головами людей, несомненно, давала бы значительно меньше пищи для размышлений, чем ночное небо, манящее россыпью звезд.
Да и сам человек в этом пасмурном мире, с его неизменно серыми, безрадостными буднями скорее всего был бы иным – менее жизнеспособным, менее оптимистичным, лишенным способности мечтать и упорно добиваться поставленных целей…
С давних пор никакой другой вопрос так не волновал человеческую мысль, как вопрос о бесконечности, писал выдающийся математик и мыслитель XIX столетия Давид Гильберт. Бесконечное действует на разум столь побуждающе и плодотворно, как едва ли действует какая-либо другая идея…
Великие мыслители древности пытались решить вопрос о геометрических свойствах Вселенной с помощью простых и, казалось бы, неопровержимых логических рассуждений. Допустим, говорили они, что у Вселенной есть край и человек добрался до этого края. Но стоит ему вытянуть руку, и она окажется за границей Вселенной. Значит, эта граница отодвинется на длину руки. Но подобную операцию можно повторить сколько угодно раз – следовательно, у Вселенной не может быть границ!
«Нет никакого конца ни с одной стороны у Вселенной, ибо иначе края непременно она бы имела», – писал древнеримский философ и поэт Тит Лукреций Кар в своей знаменитой поэме «О природе вещей».
Попытаемся представить себе пространство, простирающееся в любом направлении безгранично далеко. Задача далеко не простая! Но, пожалуй, еще труднее представить, что у пространства есть край, граница, предел. Если это так, тогда возникнет вопрос: а что находится дальше?
Примерно так и рассуждали мудрецы древности. Рассуждали, опираясь на наши привычные, обыденные земные представления, на здравый смысл. Рассуждали, не сомневаясь в том, что эти представления справедливы везде и всегда. Но, увы, наш обыденный здравый смысл, без которого в своей повседневной жизни мы и шагу не могли бы ступить, может служить надежным советчиком не всегда и не во всех случаях. В этом убеждает нас многовековой опыт познания природы, повседневная практика научных исследований.
Следующий шаг к пониманию геометрических свойств мироздания был сделан выдающимся древнегреческим мыслителем и философом Аристотелем, разработавшим стройное учение о мире, учение, которому суждено было господствовать в умах людей на протяжении полутора тысяч лет. В центре – неподвижная шарообразная Земля. А вокруг нее движутся Солнце, Луна, планеты и даже звезды. Усовершенствованное в дальнейшем александрийским математиком Клавдием Птолемеем, это учение получило название геоцентрического.
С появлением системы мира Аристотеля – Птолемея, наконец, возникла возможность подойти и к решению вопроса о конечности или бесконечности Вселенной, исходя из научных представлений о мироздании. Да, да, именно научных! Разумеется, сегодня мы твердо знаем, что система мира, о которой идет речь, неверна. Авторы ее ошибочно полагали, что видимые с Земли суточные перемещения небесных светил – не что иное, как их истинные перемещения. И тем не менее для своего времени предложенная ими система была вполне научной. С единой точки зрения она объясняла видимые движения небесных светил, более того, давала возможность вычислять их будущие положения на небе с точностью, удовлетворявшей потребности эпохи.
Система Аристотеля – Птолемея на вопрос о бесконечности Вселенной отвечала следующим образом. Если все небесные светила обращаются вокруг Земли, успевая совершить один оборот за сутки, следовательно, они должны двигаться с одинаковыми угловыми скоростями. Значит, чем дальше от Земли, тем длиннее окружность, которую планета или звезда должна в течение суток описать. И тем быстрее эта планета или звезда должна двигаться, чтобы ровно через сутки возвратиться в исходную точку. Если существуют звезды, расположенные бесконечно далеко от Земли, то и мчаться они должны с бесконечно большими скоростями!
Современная физика утверждает, что самой большой скоростью передачи физических взаимодействий или движения материальных объектов нашей Вселенной является скорость света в пустоте, равная 300 тысячам километров в секунду. Аристотель же не признавал существования реальных бесконечностей.
«Бесконечность не следует понимать как определенный предмет, – разъяснял он своим ученикам, – как человек или дом, а в том смысле, как, скажем, день или состязание, которые все время находятся в возникновении и уничтожении. Бесконечность – то, что не может быть пройдено. Это процесс, который все время приводит к новому и новому… В самой природе нет бесконечного».
Это означало, что в нарисованной им картине мира бесконечно удаленные небесные тела не могут существовать, да еще нестись с бесконечно большими скоростями. Мир Аристотеля – заведомо конечный мир. Конечной осталась Вселенная и в гелиоцентрической системе Коперника – и у него мир ограничен «сферой неподвижных звезд». Ведь Коперник считал Солнце не только центром нашей планетной семьи, но и центром мироздания, а все небесные светила обращающимися вокруг него. И Аристотель, и Птолемей, и Коперник считали вывод о конечности Вселенной неопровержимым.
Однако дальнейшее развитие астрономии и физики убедительно продемонстрировало, что выводы наук о природе никогда нельзя считать абсолютными и окончательными. И опыт изучения геометрических свойств нашего мира – блестящий тому пример. За сотни лет, отделяющих нас от эпохи Коперника, представления о конечности или бесконечности Вселенной менялись не однажды и притом самым кардинальным образом. История этих изменений вполне способна соперничать с захватывающим детективным романом.
Первым, кто усомнился в непреложности вывода о конечности мира, был великий итальянский мыслитель Джордано Бруно. Вселенная не имеет предела и края, но безмерна и бесконечна, писал он в своих знаменитых «Диалогах».
Правда, идеи Бруно не опирались на какие-либо физические или астрономические данные – они явились плодом чисто философских размышлений. В безграничности Вселенной Бруно видел возможность освобождения человеческого духа от всяческих запретов, сковывавших свободную мысль в мрачную эпоху средневековья. Для Бруно все подобные запреты невольно отождествлялись с «небесной твердью»…
Кристальной сферы мнимую преграду,
Поднявшись ввысь, я смело разбиваю,
И в бесконечность мчусь, в другие дали,
Кому на горе, а кому в отраду,
– Я Млечный Путь внизу вам оставляю…
– писал Бруно в одном из своих сонетов.
Естественно-научное обоснование идеи Бруно получили лишь спустя почти столетие, когда великий английский физик Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения. Вселенная представлялась Ньютону пустым «вместилищем», где «плавают» притягивающие друг друга небесные тела. При этом из открытого им закона всемирного тяготения следовало, что любая конечная система материальных тел в результате взаимного притяжения должна рано или поздно собраться к одному общему центру. Однако ничего похожего в природе не наблюдается. Следовательно, общее число небесных тел во Вселенной должно быть бесконечно велико! А так как бесчисленное множество небесных светил может «поместиться» лишь в неограниченном пространстве, то Вселенная, по Ньютону, должна быть бесконечной.
Казалось, вопрос о геометрии мира наконец-то был решен – окончательно и бесповоротно.
Был этот мир глубокой тьмой окутан.
Да будет свет! И вот явился Ньютон!..
– восторженно возглашала эпиграмма того времени.
Однако и на этот раз ясность оказалась обманчивой, а положение вещей куда более сложным, чем представлялось современникам и последователям великого основателя классической механики.
В 1905 году в журнале «Анналы физики» появилось несколько статей тогда никому еще не известного технического эксперта патентного бюро в Берне Альберта Эйнштейна. В этих статьях была изложена разработанная им специальная теория относительности (СТО) – теория, ознаменовавшая собой величайший революционный переворот не только в физике, но и в естествознании вообще. Новая теория не только позволяла рассчитывать явления, происходящие при очень высоких скоростях, близких к скорости света, она обосновала принципиально новый взгляд на мир, коренным образом отличающийся от представлений классической физики.
А еще через 11 лет последовало продолжение. На страницах того же самого журнала «Анналы физики» была напечатана новая работа Эйнштейна «Общая теория относительности». Всего 50 страничек! Но этот труд оказался вершиной научной мысли первой половины XX столетия. В этом исследовании были изложены совершенно новые, непривычные представления о пространстве, времени и тяготении…
Вспомним вывод общей теории относительности о том, что пространство и время – это только формы существования материи, что пространство и время материя «создает» сама: нет материи – нет ни пространства, ни времени. В советские времена в устах некоторых наших философов этот вывод стал своеобразной расхожей формулой, точнее лозунгом, который они автоматически повторяли как некое философское заклинание, в которое уже не вкладывалось никакого конкретного физического содержания. Впрочем, для философов, о которых идет речь, это не имело никакого значения и было совсем не важно. Гораздо важнее для них были слова, с помощью которых можно было держать в духовном подчинении физиков.
Но как бы там ни было, связь между материей, пространством и временем заключается не только в том, что материя существует в пространстве и во времени и создает их сама, но и в том, что любое тело, существующее в пространстве, определяет его геометрические свойства. Образно говоря, любая масса искривляет пространство вблизи себя. И тем сильнее, чем больше величина этой массы. И поскольку Вселенная заполнена звездами, галактиками, планетами и туманностями, мы обитаем в искривленном мире. В мире, где лучи света распространяются не по прямым, а по «изогнутым» линиям. Таким образом, геометрические свойства Вселенной непосредственно зависят от распределения масс.
Этот вывод теории получил блестящее экспериментальное подтверждение: во время одного из полных солнечных затмений было зарегистрировано искривление световых лучей более далекой чем Солнце звезды под действием притяжения нашего дневного светила.
Соответствующие уравнения, описывающие свойства гравитационного поля, были выведены Эйнштейном и независимо от него знаменитым геттингенским математиком Д. Гильбертом. Эти уравнения и позволили построить картину Вселенной, коренным образом отличающуюся от картины, вытекавшей из классической физики Ньютона…
Правда, в повседневной жизни люди никакого искривления пространства не замечают. Но только потому, что сталкиваются со сравнительно небольшими массами и незначительными расстояниями. Однако в космических масштабах и гигантских скоплениях вещества искривленность пространства весьма существенна и имеет непосредственное отношение к конечности или бесконечности Вселенной.
Бесконечность – один из тех математических образов, который трудно себе представить не только неспециалистам, но и ученым. Один известный математик, преподававший геометрию на физическом факультете Московского университета, доверительно признавался студентам, что когда он пытается представить себе бесконечность, то чувствует, как начинает мутиться рассудок.
Тем не менее и математикам, и физикам, и астрофизикам в своих исследованиях приходится иметь дело с бесконечностями, с бесконечно большими величинами и оперировать ими. Причем бесконечности, оказывается, бывают разными, и их даже можно сравнивать между собой.
Самая простая, самая «элементарная» бесконечность и в то же время самая «маленькая» – это бесконечность чисел натурального ряда. Ее можно получить, прибавляя раз за разом к единице одну единицу за другой.
Поскольку подобная операция ничем не ограничена и ее можно повторять сколь угодно долго, то в результате мы и получим бесконечное множество целых чисел – «счетное» множество, как его называют математики. Эта удобная во многих отношениях бесконечность играет роль своеобразной «мерной линейки», некоего эталона для измерения других бесконечностей. Для этого их элементы необходимо попытаться просто пронумеровать. И посмотреть, что из этого получится…
Просто? А почему бы и нет? Считать-то от одного и так далее мы ведь умеем. Но тут нас подстерегает совершенно непредвиденная неожиданность. Одна из тех, с которыми мы встречаемся чуть ли не на каждом шагу, когда имеем дело с бесконечностями. Например, «приложим» к бесконечному множеству всех четных чисел наш эталон. Двойку – самое малое четное число, пронумеруем единицей, четверку – двойкой, шестерку – тройкой, и так далее, и так далее… И с удивлением обнаружим, что номеров не только вполне хватает для обозначения всех четных чисел – этого-то нужно было ожидать, – но остаются и свободные номера.
Выходит, что обе бесконечности – счетная и бесконечность всех четных чисел – одинаковы? Как же так? Ведь из каждых двух следующих друг за другом чисел натурального ряда четным является только одно. Значит, таких чисел должно быть вдвое меньше, чем всех целых! Иными словами, множество всех четных чисел составляет лишь часть множества всех целых. А соответствующие им бесконечности – одинаковы, имеют, как говорят математики, одинаковую мощность.
Но ведь так не бывает, не может быть! Множество любых предметов не может быть равно своей собственной части! Да, действительно, не может, пока мы имеем дело с конечными образованиями. Но у бесконечностей свои законы – причудливые, разумеется, с обыденной точки зрения, – но тем не менее вполне строгие. Между прочим, на то, что бесконечные множества могут быть равны собственным подмножествам, обратил внимание еще Галилей… К немалому своему удивлению!
Однако всякое открытие, как мы уже знаем, неизбежно влечет за собой новые вопросы. Не составляет исключения и то, о котором идет речь. Возникает, например, такой вопрос: существуют ли бесконечные множества более «мощные», чем счетное? Вот отрезок прямой линии. Сколько на нем помещается точек? Ясно, что их бесчисленное множество. Но сколько именно?
Прибегнем еще раз к помощи нашего эталона – счетного множества. И в конце концов обнаружим, что на этот раз чисел в натуральном ряду слишком мало для того, чтобы пронумеровать все точки выбранного нами отрезка. В математике на этот счет доказывается строгая теорема: сколько бы точек отрезка мы ни пронумеровали, всегда будут оставаться точки, для которых не хватит чисел натурального ряда. Таким образом, мы обнаружили бесконечность более высокого порядка, чем счетное множество – бесконечность, получившую название континуума. Но и континуум не предел. В принципе можно строить бесконечности сколь угодно высокого ранга.
Однако не будем углубляться дальше в необычный, хитроумный и парадоксальный мир математических бесконечностей. Главное – мы знаем: бесконечности бывают разные…
Вернемся к вопросу о геометрических свойствах Вселенной. Возможно, вы обратили внимание на то, что при обсуждении этой проблемы упоминается то возможная бесконечность мирового пространства, то его неограниченность. В «обычном» мире, для которого справедлива геометрия Евклида, та самая геометрия, которую мы изучаем в школе, эти понятия по сути дела равнозначны, обозначают одно и то же. Хотя некоторые различия все же есть. Строго говоря, бесконечность – это свойство количественное, «метрическое»: бесконечность длины, площади, объема. А неограниченность?..
«Что мы хотим выразить, говоря, что наше пространство бесконечно? – писал Эйнштейн, обладавший счастливым умением выражать самые отвлеченные идеи с помощью наглядных образов. – Ничего другого, как то, что мы можем прикладывать одно к другому равные тела, скажем, кубики в каком угодно числе, и при этом никогда не наполним пространство. Такое построение никогда не закончится. Всегда останется место, чтобы прибавить еще один кубик…»
Вот что такое бесконечное пространство. Что же касается неограниченности, – то это свойство структурное, как говорят математики, топологическое. Это обстоятельство особо подчеркивал в свое время выдающийся математик Бернгард Риман.
«При рассмотрении пространственных построений в направлении бесконечно большого, – отмечал он, – следует различать свойства неограниченности и бесконечности: первое из них есть свойство протяженности, второе – метрическое свойство».
В евклидовом пространстве любая прямая, продолженная неограниченно, является бесконечной. Но ведь мы живем в искривленном мире… В таком мире бесконечность и неограниченность различаются еще более существенным образом. Вплоть, до того – еще один неожиданный парадокс, – что неограниченное пространство может быть как бесконечным, то есть не имеющим границы, «края», так и конечным!
Чтобы несколько смягчить этот очередной удар по здравому смыслу, воспользуемся аналогией. Аналогии в науке не являются строгими доказательствами, но они позволяют лучше разобраться в сущности тех или иных сложных явлений.
Представьте себе обычный шар конечного радиуса. Шаровая поверхность – это двумерное образование, искривленное в трехмерном пространстве. Представьте себе некое фантастическое плоское существо, обитающее на этой поверхности и даже не подозревающее, что существует еще какое-то третье измерение. Путешествуя по своему искривленному миру в любых направлениях, существо это нигде не наткнется на какую-либо границу. И в этом смысле поверхность шара есть неограниченное пространство. Но поскольку радиус нашего шара конечен, то и площадь его поверхности также имеет конечную величину. Таким образом, неограниченный и в то же время конечный мир предстал перед нами во всей своей реальности. Оказалось возможным то, что на первый взгляд представлялось абсолютно неосуществимым.
Следующий шаг потребует от нас еще большей силы воображения. Речь пойдет о трехмерном шаре, который находится в четырехмерном пространстве… К сожалению, наглядно представить себе подобную ситуацию нам – существам трехмерного мира – не менее трудно, чем воображаемому обитателю шаровой поверхности представить себе двумерную сферу, изогнутую в трехмерном пространстве.
Но в теории относительности наш мир выглядит именно таким: он искривлен в четырехмерном пространстве, где, впрочем, роль четвертого измерения играет время. По Эйнштейну, мы живем в четырехмерном «пространстве-времени». При этом великий физик считал, что наш искривленный мир обладает конечным объемом, он как бы замкнут в самом себе.
История изучения геометрических свойств Вселенной совершила еще один крутой поворот. От классических ньютоновских представлений о бесконечном и безграничном пространстве пришлось отказаться. Они сыграли свою роль, но мир оказался сложнее.
Так был осуществлен очередной, чрезвычайно важный шаг в понимании сокровенных свойств нашего мира. Впрочем, математическая, точнее, геометрическая, модель нашей Вселенной, построенная общей теорией относительности, сама по себе еще не могла считаться доказательством конечности реального пространства. Но сам Эйнштейн считал такой вариант наиболее разумным.
Однако и это еще не был конец пути. До него было еще очень и очень далеко. Новый уровень, на который вышло изучение геометрических свойств нашего мира, породил целый ряд вопросов, на которые и сегодня пока не найдены ответы.
