Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

Сегодня астрономы могут оценить расстояние до любого объекта по его спектру; для этого нужно лишь, чтобы в спектре можно было выделить достаточно спектральных линий, чтобы определить красное смещение[82]. Практически все галактики демонстрируют красное смещение, так что мы вполне можем вычислить, как далеко от нас они находятся. Все они движутся от нас прочь. Так что либо Земля лежит в центре громадной расширяющейся области — что противоречит принципу Коперника, согласно которому мы не представляем собой ничего исключительного, — либо вся Вселенная увеличивается в размерах и инопланетяне в другой галактике видят вокруг себя ту же картину.

Открытие Хаббла стало серьезным аргументом в пользу Леметрова «космического яйца». Если отыграть расширяющуюся Вселенную назад во времени, то все сожмется в точку. Теперь, вновь запуская время в нормальном направлении, мы видим, что Вселенная должна была начаться с точки. Вселенная не появляется из яйца: она и есть яйцо. Яйцо это появляется из ниоткуда и растет. И пространство, и время рождаются из ничего, и, как только они возникают, начинается развитие сегодняшней Вселенной[83].

Когда наблюдения Хаббла убедили Эйнштейна в том, что Леметр с самого начала был прав, он понял, что вполне мог заранее предсказать космическое расширение. Его стационарное решение можно было модифицировать в расширяющееся, и расширение предотвратило бы гравитационный коллапс. Тогда не возникло бы нужды в досадной космологической константе Λ: по существу, ее роль заключалась в том, чтобы служить подпоркой неверной теории. Эйнштейн исключил Λ из своей теории и позже сказал, что ее включение было его самым серьезным заблуждением.

Вершиной всей этой работы стала стандартная модель пространственно-временной геометрии Вселенной — метрика Фридмана — Эйнштейна — Робертсона — Уолкера, окончательно сформулированная в 1930-е годы. На самом деле это целое семейство решений, каждое из которых дает возможный вариант геометрии. Там присутствует и параметр, определяющий кривизну, которая может быть положительной, отрицательной или равной нулю. Каждая вселенная в этом семействе гомогенна (однородна, одинакова во всех точках) и изотропна (одинакова во всех направлениях) — это главные условия, принятые при выводе формулы. Пространство-время может расширяться или сжиматься, а его базовая топология может быть простой или сложной. Эта метрика допускает также включение космологической константы.

* * *

Поскольку время родилось с Большим взрывом, нет никакой логической необходимости говорить о том, то происходило «до того». Никакого «до того» не было. Физика была готова к этой радикальной теории, поскольку квантовая механика показывает, что частицы могут возникать спонтанно из ничего[84]. Если это может делать частица, то почему не Вселенная? Если на это способно пространство, то почему не время? Космологи и сегодня считают, что по существу это верно, хотя они уже начинают сомневаться, действительно ли можно «до того» так легко отбросить. Подробные физические расчеты позволяют построить сложную и очень точную хронику, согласно которой Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад как точка[85] и с тех пор непрерывно расширяется.

Одна из самых загадочных черт Большого взрыва заключается в том, что отдельные галактики и даже гравитационно связанные скопления галактик не расширяются. Мы можем оценить размеры далеких галактик, и статистическое распределение размеров среди них примерно такое же, как и среди близлежащих галактик. Наблюдаются гораздо более странные процессы. Меняется шкала расстояний пространства. Галактики расходятся друг от друга прочь, потому что между ними появляется новое пространство, а не потому, что они разлетаются в противоположных направлениях в каком-то фиксированном пространстве.

Это приводит к некоторым парадоксальным эффектам. Галактики на расстоянии более 14,7 миллиарда световых лет удаляются от нас так быстро, что по отношению к нам они движутся со скоростью, большей скорости света. Тем не менее мы их все еще видим.

В этих утверждениях, кажется, три вещи не могут быть правильными. Поскольку возраст Вселенной составляет всего 13,8 миллиарда лет, а первоначально все ее вещество находилось в одной точке, то как что бы то ни было может оказаться от нас на расстоянии 14,7 миллиарда световых лет? Это что-то должно было бы все это время двигаться быстрее света, хотя теория относительности это запрещает. По той же причине галактики в настоящее время не могут двигаться быстрее света. Наконец, если бы они это делали, мы бы не могли их видеть.

Чтобы понять, почему эти утверждения все же имеют смысл, мы должны чуть лучше разобраться в теории относительности. Да, она запрещает материи двигаться быстрее света, но этот предел берется по отношению к окружающему пространству. Однако теория относительности не запрещает пространству расширяться быстрее света. Так что некая область пространства вполне могла бы превысить световой предел, тогда как материя внутри этой области сохраняла бы скорость ниже скорости света по отношению к вмещающему ее пространству. Мало того, материя вообще могла покоиться относительно окружающего ее пространства, в то время как само пространство расширялось бы куда-то со скоростью, в 10 раз превосходящей скорость света. В точности как мы можем мирно сидеть, попивать кофе и почитывать газету внутри пассажирского самолета, летящего со скоростью 700 километров в час.

Этим же объясняется и тот факт, что упомянутые выше галактики могли оказаться от нас за 14,7 миллиарда световых лет. Им самим не пришлось преодолевать это расстояние. Выросло количество пространства, лежащего между ними и нами.

Наконец, свет, посредством которого мы наблюдаем эти далекие галактики, — это вовсе не тот свет, который они излучают в настоящее время. Это свет, который они испустили в прошлом, когда находились к нам ближе. Вот почему наблюдаемая Вселенная оказывается больше, чем мы могли бы ожидать.

Возможно, за обдумыванием всего этого вам захочется выпить кофе и почитать газету.

А вот еще одно забавное следствие.

Согласно закону Хаббла, у далеких галактик красное смещение больше, так что они должны двигаться быстрее. На первый взгляд это противоречит метрике Фридмана — Леметра — Робертсона — Уолкера, которая предсказывает, что расширение с течением времени должно замедляться. Но, опять же, мы должны думать релятивистски. Чем дальше находится галактика, тем больше времени нужно свету, чтобы дойти до нас. Ее нынешнее красное смещение соответствует ее скорости тогда. Поэтому из закона Хаббла следует, что, чем дальше в прошлое мы заглядываем, тем быстрее пространство тогда расширялось. Иными словами, первоначально расширение было стремительным, но затем замедлилось в соответствии с Фридманом — Леметром — Робертсоном — Уокером.