Текст книги "Тайны пространства и времени"

Автор книги: Виктор Комаров

Таким образом, четырехмерное «пространство-время» теории относительности является всего-навсего математическим приемом, вспомогательной математической конструкцией, позволяющей в удобной форме описывать различные физические процессы. Поэтому утверждать, что мы живем в четырехмерном пространстве, можно лишь в том смысле, что все происходящие в мире события совершаются не только в пространстве, но и во времени.

Разумеется, в любых математических построениях, даже в самых абстрактных, находят свое отражение какие-то стороны реальной действительности, какие-то отношения между реально существующими предметами и явлениями. Но было бы грубой ошибкой ставить знак равенства между вспомогательным математическим аппаратом, а также применяемой в математике специфической условной терминологией и объективной реальностью.

В этой связи стоит упомянуть о том, что в математической физике нередко используется прием, который получил название построения «фазовых пространств». Речь идет об условных физико-математических конструкциях, в которых определенные физические параметры, например, масса, импульс, энергия, скорость движения, момент количества движения и т.д., рассматриваются как величины, откладываемые по чисто условным «осям координат». В таких «фазовых пространствах» поведение того или иного физического объекта или системы выглядит как его перемещение по некоторой условной «траектории». И хотя подобный прием является чисто условным, он позволяет – что весьма удобно – получать наглядное представление о состоянии и поведении изучаемого объекта.

В свете этих соображений становится ясно, что утверждать, ссылаясь при этом на теорию относительности, будто бы наш мир фактически четырехмерен – приблизительно то же самое, что отстаивать идею, будто темные пятна на Луне или на Марсе заполнены водой, на том основании, что астрономы называют их морями.

Окружающий нас мир настолько многообразен и многолик, что все его аспекты невозможно описать ни одной, ни даже несколькими всеобъемлющими формулами. О чем-то подобном может идти речь лишь по отношению к каким-либо ограниченным интервалам времени и пространства.

Однако и для решения подобной ограниченной задачи необходимо соответствующим образом усовершенствовать существующую теорию, в частности, избавиться от встречающихся в ней бесконечностей, которые заведомо не могут отражать реального положения вещей и которые появились в ней из-за несовершенства наших представлений о природе. Такое усовершенствование должно, по-видимому, носить кардинальный характер.

И тут на память физикам-теоретикам пришел результат, полученный около 80 лет назад польским физиком Теодором Калуца, работавшим в то время в Кенигсбергском университете. Результат, который на протяжении длительного времени выглядел в высшей степени странным…

Как известно, одним из основных достижений общей теории относительности Эйнштейна является вывод о том, что тяготение имеет чисто геометрическую природу, связанную с искривлением «пространства-времени». Калуца предположил, что электромагнитные силы также имеют геометрическую природу, и показал, что гравитация и электромагнетизм могут быть слиты в единое поле, но уже в пятимерном «пространстве-времени». При этом оказалось, что электромагнетизм является не чем иным, как гравитацией в дополнительном, то есть четвертом пространственном измерении!

Результат, полученный Калуца, в его время выглядел чистой фантастикой, неким своеобразным математическим фокусом. Поэтому Эйнштейн, прежде чем рекомендовать статью польского физика к опубликованию в физическом журнале, раздумывал целых два года!

В последующие десятилетия были открыты еще два типа физических сил – сильные или ядерные и слабые с участием нейтрино. При этом оказалось, что в многомерном «пространстве-времени» все они становятся компонентами чистой гравитации, а для нее может быть построена теория, свободная от бесконечностей.

Расчеты показали, что для того, чтобы единое «суперполе» можно было рассматривать как чистую гравитацию, необходимы шесть или даже семь дополнительных измерений, то есть пространство должно быть десяти – или даже одиннадцатимерным! Но в случае одиннадцатимерного «пространства-времени» в нашем трехмерном мире должны были бы появиться «лишние» поля и частицы. Так что, по-видимому, 10 измерений – это оптимальное число.

Однако возникает закономерный вопрос: почему этих дополнительных измерений мы практически не замечаем и не ощущаем?

В принципе можно построить весьма замысловатые модели многомерных миров, состоящих из экзотических конструкций, образованных мирами трехмерными. Однако у любой конструкции подобного рода есть одно любопытное свойство: между событиями, происходящими в любых пространственно-временных точках нашего трехмерного мира, в этом случае будет существовать связь через четвертое, пятое, шестое и более высокие измерения. А это значит, что в таком многомерном мире можно попадать в прошлое или в будущее и мгновенно перемещаться из одного места в другое. То есть в таком мире происходили бы явные нарушения причинности! Однако подобных «чудес» в нашем мире практически не наблюдается! Более того, весьма точные эксперименты с элементарными частицами пока что никаких нарушений причинности такого рода не обнаружили.

И тем не менее нельзя полностью исключить, что четвертое «пространственное» измерение в нашем мире все-таки есть! Но оно скорее всего запрятано очень глубоко в микромире в форме своеобразных микроскопических «отростков», проникающих в четвертое, а возможно и в следующие более высокие измерения.

Если в микромире привычные представления о части и целом физики вынуждены были пересмотреть, основываясь на экспериментальных фактах, то по отношению к мегакосмосу сомнения в справедливости вышеупомянутых представлений пока что возникают лишь на теоретическом уровне.

Как следует из общей теории относительности, чем больше масса данного тела, тем сильнее искривляется вокруг него пространство. И при достаточно большой массе, сконцентрированной в малом объеме, пространство вокруг него может, образно говоря, «замкнуться»! Может образоваться так называемая черная дыра – своеобразный объект, из которого наружу не вырвутся ни частица, ни излучение.

При этом особый интерес представляет собой тот случай, когда замкнувшаяся масса обладает электрическим зарядом, пусть даже столь небольшим, как заряд электрона. В подобной ситуации полной изоляции черной дыры от всего окружающего не произойдет! Этому помешают силовые линии электростатического поля, которые обязательно должны заканчиваться на каком-либо другом заряде и поэтому выходить «наружу». В результате сторонний наблюдатель увидит лишь маленькую «горловину», соединяющую почти замкнувшееся пространство черной дыры с нашим обычным пространством. Но, пожалуй, Самое поразительное состоит в том, что подобная горловина внешне будет неотличима от обычной элементарной частицы. И это, несмотря на любые размеры и любую массу «почти замкнутого» объекта. Следовательно, в подобном случае внешнему наблюдателю даже целая Вселенная может со стороны казаться элементарной частицей, скажем, протоном или электроном!

Теоретически возможность подобной ситуации была показана известным советским физиком-теоретиком академиком М. Марковым. «Экспериментатор, находящийся вдали от центра такого мира, – пишет Марков, – воспринимает его как материальный объект, локализованный в области минимальной сферы, как объект малых масс (если угодно, микроскопических), размеров и обладающий в целом малой (если угодно, микроскопической) массой, хотя внутри этого объекта может содержаться целая Вселенная со своими разнообразными галактиками».

Невольно приходят на память поэтические строки Валерия Брюсова:

 
Быть может, эти электроны –
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков.
Еще, быть может, каждый атом –
Вселенная, где сто планет;
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет…
 

Таким образом, Марков фактически выдвинул интереснейшую идею множественности вселенных, которая в современной теоретической физике и астрофизике, можно сказать, носится в воздухе. С точки зрения академика Маркова, это различные миры, связанные между собой сложнейшими отношениями, несводимыми к обычным пространственно-временным характеристикам нашего мира.

Интересно, что подобные экзотические представления вполне могут быть распространены при определенных условиях и на нашу Вселенную. «Для того, чтобы наша Вселенная, – утверждает Марков, – представляла собой в целом некую частицу с микроскопическими параметрами и микроскопической полной массой, необходимо, чтобы средняя плотность вещества в ней была 10^-29 г/см³. Данные о регистрируемой средней плотности массы в нашей Вселенной пока несколько ниже…».

Возникает совершенно поразительная идея – не являются ли в таком случае все наблюдаемые нами элементарные частицы гигантскими вселенными? Вселенными, которые в нашем мире проявляют себя как элементарные частицы? Иными словами, не исключено, что и в мегамире меньшее может состоять из большего.

Такова теория. Что же касается практической реализации теоретических «конструкций», о которых идет речь, в самой природе, то пока этот вопрос остается открытым. Хотя в принципе подобная возможность известным современной физике фундаментальным законам не противоречит. Следовательно, если академик Марков прав, то и в космических масштабах меньшее, как мы уже отметили, может состоять из большего. Если элементарная частица, тот же электрон, – есть лишь некая наблюдаемая часть гигантского мира, то это означает, что наша Вселенная фактически состоит из великого множества других, подобных ей, вселенных. И не только Вселенная, но и, как это ни удивительно, вообще любой объект нашего мира, в том числе и сам человек!

С точки зрения этой гипотезы, мир – это не иерархия последовательно вложенных друг в друга объектов, наподобие гигантской «матрешки», а сложнейшая система, состоящая из взаимопроникающих и взаимообусловливающих друг друга миров, где мегакосмические и микроскопические явления существуют в единстве.

Эту главу мы начнем с напоминания о том, что согласно современным фундаментальным физическим теориям, пространство и время представляют собой формы существования материи. Быть может, это упоминание покажется некоторым нашим читателям несколько назойливым, но без него – не обойтись! Дело в том, что материальные образования не просто заполняют «пространство-время» общей теории относительности, как заполнили бы пустую коробку беспорядочно брошенные в нее металлические шарики, а определяют его основные свойства!

С другой стороны, «пространство-время» вместе с «населяющими» его объектами представляет собой сложнейшую саморегулирующуюся систему с бесчисленными обратными связями. И материальные объекты, формируя его физические и другие свойства, в свою очередь подвергаются его разнообразным воздействиям и зависят от них.

Именно по этой причине мы решили очередную главу нашей книги посвятить тем материальным образованиям и их системам, которые в совокупности с «пространством-временем» составляют космическую среду нашего обитания…

Когда речь идет о познании каких-либо явлений, чрезвычайно важно понять их истоки, их первопричины. В частности, существование человечества тесно связано с космической историей и космической природой нашей планеты – Земли.

Эта идея, высказанная академиком В.И. Вернадским, оказалась пророческой, и в настоящее время ни у кого нет сомнений в том, что планета, на которой мы живем, и все те природные явления, которые на ней происходят, нельзя рассматривать независимо от окружающего «космического фона» – Вселенной, частью которой она является.

Необходимость подобного синтетического, или, как сейчас его называют, системного, подхода в науках о Земле диктуется не только обнаружением тех или иных конкретных связей между земными и космическими явлениями, но и общими принципами современного естествознания. Целостное восприятие мира – характерная черта современного стиля научного мышления!

Идея единства человека и мироздания пользовалась популярностью уже в глубокой древности. Можно лишь удивляться тому, что уже в рамках мифологического миросозерцания человек (или микрокосм) и вся природа (или макрокосм) воспринимались как живые существа, созданные по единому образцу и наделенные единой душой. А с появлением натурфилософии – микрокосм и макрокосм стали рассматриваться как высокоорганизованные миры, аналогичные по своему устройству и функционирующие по одним и тем же законам.

То, что человек и человечество – это неотъемлемая часть Вселенной, в настоящее время факт очевидный. А это значит, что человечество подчиняется не только законам общественного развития, но и тем физическим и другим законам, которые действуют во Вселенной и распространяются на все ее составные элементы. Следовательно, все процессы, которые протекают во Вселенной, и те изменения, которые в ней происходят, не могут не затрагивать и земную среду нашего обитания!

Изучение взаимосвязи и взаимозависимости космических процессов и земных явлений, безусловно, принадлежит к числу наиболее актуальных направлений фундаментальных научных исследований в современном естествознании. Выяснение закономерностей, о которых идет речь, чрезвычайно важно для самого нашего существования и выживания, для оптимальной организации нашей практической деятельности.

Сегодня под Вселенной мы понимаем не весь материальный мир, а ту его часть, которая выделена в процессе практической и познавательной деятельности человека. В принципе за пределами нашей Вселенной может находиться бесчисленное множество других вселенных, обладающих иными свойствами и граничащих с нашей весьма сложным образом…

В безлунные ночи на небе хорошо заметна серебристая дуга Млечного Пути. Она кажется скоплением светящихся туманных масс. Однако на фотографиях, полученных с помощью телескопов, отчетливо видно, что Млечный Путь состоит из множества звезд, которые вместе с миллиардами других звезд образуют гигантский звездный остров. Этот «остров» астрономы назвали Галактикой.

Если расстояния между телами Солнечной системы исчисляются десятками и сотнями миллионов километров или, что то же самое, световыми минутами и часами, то межзвездные расстояния во много раз больше.

Так, если от Солнца до самой далекой планеты Солнечной системы – Плутона – пять с половиной световых часов, то до ближайшей нашей соседки в Галактике – звезды Проксимы из созвездия Центавра – четыре с третью световых года.

Аналогичные расстояния характерны и для других космических объектов. Правда, с Земли кажется, что многие звезды расположены довольно близко друг к другу. Однако эта картина обманчива. Взаимная близость звезд в созвездиях, как правило, иллюзорна. В действительности они могут быть разделены гигантскими расстояниями и лишь проектироваться для земного наблюдателя в соседние точки небесной сферы.

С другой стороны, около 70% всех звезд входит в так называемые кратные системы, состоящие из двух, трех и большего числа звезд, обращающиеся вокруг общего центра масс. Однако и в таких системах расстояния между звездами достаточно велики.

Существуют еще и звездные скопления – группы звезд, связанные силами взаимного тяготения. Одно из подобных звездных скоплений – так называемое рассеянное звездное скопление Плеяды (на Руси его называли Стожары) – хорошо видно невооруженным глазом. Оно расположено на расстоянии около 400 световых лет от Земли и находится в созвездии Тельца – одном из самых примечательных созвездий нашего зимнего неба. В древности появление Плеяд над горизонтом перед восходом солнца возвещало начало года. А их вечерняя видимость определяла начало зимы.

Слово Плеяды происходит от греческого слова «плейас», что значит – «множество». Кроме видимых 6-9 звезд в это скопление входят еще несколько сотен звезд. Все они связаны не только силами тяготения, но и общностью происхождения. Плеяды – молодая группа звезд, ее возраст, по-видимому, не превосходит нескольких миллионов лет. Именно по этой причине звезды Плеяд еще не успели разойтись на значительные расстояния – поперечник этого скопления составляет всего около 20 световых лет. Образно говоря – это «звезды-младенцы», еще не успевшие вылететь из «родного гнезда» и продолжающие существовать, «тесно прижавшись» друг к другу.

Рассеянных скоплений, подобных Плеядам, в нашей Галактике насчитывается более восьмисот.

Наряду с рассеянными звездными скоплениями в нашей звездной системе существуют еще около 200-300 шаровых скоплений, содержащих каждое до нескольких сотен тысяч и даже свыше миллиона звезд. Наибольшее количество звезд сосредоточено вблизи центральной части таких скоплений, а по мере удаления от центра их число в единице объема постепенно уменьшается.

От центра Галактики Солнечную систему отделяют 34 тысячи световых лет. А расстояние от одной видимой окраины нашего звездного острова до другой составляет около 100 тысяч световых лет.

Внутреннее положение Солнца и Земли в Галактике затрудняет ее изучение. Однако, несмотря на это, современная наука располагает методами, позволяющими составить представление о строении Галактики и природе происходящих в ней процессов. Один из них – метод сравнения. В пространстве Вселенной «разбросано» великое множество галактик, в том числе сходных по своему строению с нашей. И мы можем наблюдать их со стороны в различных ракурсах и на различных этапах их эволюции.

Если бы нам удалось вылететь за пределы Галактики и взглянуть на нее со стороны, мы увидели бы гигантский объем, похожий на шар, заполненный примерно 200 миллиардами звезд. Мы увидели бы также, что звезды распределены в этом объеме неравномерно. Наибольшее количество звезд сконцентрировано в плоском диске с шарообразным утолщением в центре – балджем. Поперечник балджа – около 13 световых лет.

В галактическом диске, приблизительно на половине расстояния между центральной частью Галактики и ее окраиной, расположено Солнце вместе с планетами.

Балдж и диск окружены своеобразным звездным «гало», поперечник которого достигает 120 тысяч световых лет. Таким образом, в Галактике существует как бы два подмножества – диск и гало, отличающиеся как по своей геометрии, так и по характеру движения. Кроме того, различные объекты Галактики относятся еще и к одной из двух подсистем – плоской и сферической. В частности, самые старые звезды принадлежат к сферической подсистеме.

Что касается рассеянных звездных скоплений, то самое молодое из них возникло около 5 миллиардов лет назад. А самые старые объекты – шаровые звездные скопления, принадлежащие галактическому гало. Самое древнее из них сформировалось около 12 миллиардов лет назад. Таким образом, шаровые звездные скопления старше рассеянных в среднем на 5-10 миллиардов лет. Это означает, что формирование Галактики представляет собой длительный процесс, сильно растянутый во времени. Во всяком случае образование диска началось лишь через несколько миллиардов лет после того, как завершилось формирование сферической подсистемы. Если справедлива конденсационная теория образования звезд, то столь большой разрыв во времени можно объяснить тем, что формирование звезд диска началось только тогда, когда газ, оставшийся после образования звезд сферической подсистемы, осел к галактической плоскости и его концентрация оказалась достаточной для звездообразования.

Подобная точка зрения связана с представлением о том, что не только звезды, но и сама Галактика сформировалась из газового водородно-гелиевого облака в результате его гравитационного сжатия под действием собственного тяготения. Сперва формировались звезды гало, и этот процесс сопровождался выделением огромного количества энергии. Как считают некоторые астрономы, энергия эта выделялась в результате многократных вспышек сверхновых звезд. Однако подобное объяснение отнюдь не является единственно возможным. Источником энергии могли быть процессы, происходившие в ядре Галактики, а также другие явления, нам еще не известные.

Но если энергия действительно выделялась в больших количествах, это должно было привести к разогреву газа и временному прекращению процесса звездообразования. Возможно, этим и объясняется столь значительный разрыв во времени между завершением формирования сферической подсистемы и началом формирования диска.

Кроме диска и гало у нашей Галактики, по-видимому, есть еще и своеобразный ореол – галактическая корона. На это указывает целый ряд фактов, однако природа космических объектов, из которых состоит Галактика, до сих пор остается невыясненной. Это – одна из наиболее интригующих проблем современной галактической астрономии.