На головну

розширюється Всесвіт

  1.  Вічно відроджується Всесвіт
  2.  Всесвіт
  3.  Всесвіт рясна
  4.  ВСЕСВІТ статус
  5.  Всесвіт - дзеркальне відображення нас самих
  6.  Глава 13. Динамічна ВСЕСВІТ
  7.  Світ-Всесвіт - не шлях знищення і відродження, але шлях вічної Еволюції, де немає іншого принципу, як неумолчное вдосконалення.

Якщо в ясну безмісячну ніч подивитися на небо, то, швидше за все, найяскравішими об'єктами, які ви побачите, будуть планети Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. Крім того, ви побачите величезну кількість зірок, схожих на наше Сонце, але знаходяться набагато далі від нас. При обертанні Землі навколо Сонця деякі з цих «нерухомих» зірок трохи змінюють своє положення відносно один одного, т. Е. На самому ділі вони зовсім не нерухомі! Справа в тому, що вони трохи ближче до нас, ніж інші. Оскільки ж Земля обертається навколо Сонця, близькі зірки видно весь час в різних точках фону більш віддалених зірок. Завдяки цьому можна безпосередньо виміряти відстань від нас до цих зірок: чим вони ближче, тим сильніше помітно їх переміщення. Найближча зірка, яка називається Проксіма Центавра, знаходиться від нас на відстані приблизно чотирьох світлових років (т. Е. Світло від неї йде до Землі близько чотирьох років), або близько 37 трильйонів кілометрів (37 * 1012). Більшість зірок, видимих ??неозброєним оком, віддалені від нас на кілька сотень світлових років. Порівняйте це з відстанню до нашого Сонця, що становить всього вісім світлових хвилин! Видимі зірки розсипані але всьому нічному небу, але особливо густо в тій смузі, яку ми називаємо Чумацьким Шляхом. Ще в 1750 р деякі астрономи висловлювали думку, що існування Чумацького Шляху пояснюється тим, що більша частина видимих ??зірок утворює одну дискообразную конфігурацію - приклад того, що зараз називається спіральною галактикою. Лише через кілька десятиліть астроном Вільям Гершель підтвердив це припущення, виконавши колосальну роботу але складанню каталога положень величезної кількості зірок і відстаней до них. Але навіть після цього уявлення про спіральних галактиках було прийнято усіма лише на початку нашого століття.

Сучасна картина Всесвіту виникла тільки в 1924 р, коли американський астроном Едвін Хаббл показав, що наша Галактика не єдина. Насправді існує багато інших галактик, розділених величезними областями порожнього простору. Для доказу Хабблу було потрібно визначити відстані до цих галактик, які настільки великі, що, на відміну від положень близьких зірок, видимі положення галактик дійсно не змінюються. Тому для вимірювання відстаней Хаббл був змушений вдатися до непрямих методів. Видима яскравість зірки залежить від двох чинників: від того, яка кількість світла випромінює зірка (її світності), і від того, дe вона знаходиться. Яскравість близьких зірок і відстань до них ми можемо виміряти; отже, ми можемо обчислити і їх світність. І навпаки, знаючи світність зірок в інших галактиках, ми могли б обчислити відстань до них, вимірявши їх видиму яскравість. Хаббл помітив, що світність деяких типів зірок завжди одна і та ж, коли вони знаходяться досить близько для того, щоб можна було проводити вимірювання. Отже, міркував Хаббл, якщо такі зірки виявляться в іншій галактиці, то, припустивши у них таку ж світність, ми зуміємо обчислити відстань до цієї галактики. Якщо подібні розрахунки для декількох зірок однієї і тієї ж галактики дадуть один і той же результат, то отриману оцінку відстані можна вважати надійною.

Таким шляхом Хаббл розрахував відстані до дев'яти різних галактик. Тепер відомо, що наша Галактика - одна з декількох сотень тисяч мільйонів галактик, які можна спостерігати в сучасні телескопи, а кожна з цих галактик в свою чергу містить сотні тисяч мільйонів зірок. На рис. 3.1 показано, який побачив би нашу Галактику спостерігач, який живе в якійсь іншій галактиці. Наша Галактика має близько ста тисяч світлових років в поперечнику. Вона повільно обертається, а зірки в її спіральних рукавах кожні кілька сотень мільйонів років роблять приблизно один оборот навколо її центру. Наше Сонце являє собою звичайну жовту зірку середньої величини, розташовану на внутрішній стороні одного з спіральних рукавів. Який же величезний шлях ми пройшли від Аристотеля і Птолемея, коли Земля вважалася центром Всесвіту!

Зірки знаходяться так далеко від нас, що здаються просто світяться точками в небі. Ми не розрізняємо ні їх розмірів, ні форми. Як же можна говорити про різні типи зірок? Для переважної більшості зірок існує тільки одна характерна властивість, яке можна спостерігати - це колір йде від них світла. Ньютон відкрив, що, проходячи через тригранний шматок скла, званий призмою, сонячне світло розкладається, як у веселці, на колірні компоненти (спектр). Налаштувавши телескоп на якусь окрему зірку або галактику, можна аналогічним чином розкласти в спектр світло, що випускається цією зіркою або галактикою. Різні зірки мають різні спектри, але відносна яскравість різних кольорів завжди в точності така ж, як в світі, який випромінює якийсь розпечений до червоного предмет. (Світло, що випромінюється розпеченим до червоного непрозорим предметом, має дуже характерний спектр, що залежить тільки від температури предмета - теплової спектр. Тому ми можемо визначити температуру зірки по спектру випромінюваного нею світла). Крім того, ми виявимо, що деякі дуже специфічні кольори взагалі відсутні в спектрах зірок, причому відсутні кольори різні для різних зірок. Оскільки, як ми знаємо, кожен хімічний елемент поглинає свій певний набір характерних кольорів, ми можемо порівняти їх з тими квітами, яких немає в спектрі зірки, і таким чином точно визначити, які елементи присутні в її атмосфері.

У 20-х роках, коли астрономи почали дослідження спектрів зірок інших галактик, виявилося щось ще більш дивне: у нашій власній Галактиці виявилися ті ж самі характерні набори відсутніх квітів, що і у зірок, але всі вони були зрушені на одну і ту ж величину до червоного кінця спектра. Щоб зрозуміти сенс сказаного, слід спочатку розібратися з ефектом Доплера. Як ми вже знаємо, видиме світло - це коливання, або хвилі електромагнітного поля. Частота (число хвиль в одну секунду) світлових коливань надзвичайно висока - від чотирьохсот до семисот мільйонів мільйонів хвиль в секунду. Людське око сприймає світло різних частот як різні кольори, причому самі низькі частоти відповідають червоного кінця спектра, а найвищі - фіолетовому. Уявімо собі джерело світла, розташований на фіксованій відстані від нас (наприклад, зірку), випромінює з постійною частотою світлові хвилі. Очевидно, що частота хвиль, що приходять буде такою ж, як та, з якою вони випромінюються (нехай гравітаційне поле галактики невелике і його вплив несуттєво). Припустимо тепер, що джерело починає рухатися в нашу сторону. При випущенні наступної хвилі джерело виявиться ближче до нас, а тому час, за яке гребінь цієї хвилі до нас дійде, буде менше, ніж в разі нерухомої зірки. Стало бути, час між гребенями двох прийшли хвиль буде менше, а число хвиль, що приймаються нами за одну секунду (т. Е. Частота), буде більше, ніж коли зірка була нерухома. При видаленні ж джерела частота приходять хвиль буде менше. Це означає, що спектри віддаляються зірок будуть зрушені до червоного кінця (червоне зміщення), а спектри наближаються зірок повинні відчувати фіолетове зсув. Таке співвідношення між швидкістю і частотою називається ефектом Доплера, і цей ефект звичайний навіть в нашому повсякденному житті. Прислухайтеся до того, як йде по шосе машина: коли вона наближається, звук двигуна вище (т. Е. Вище частота що випускаються ним звукових хвиль), а коли, проїхавши повз, машина починає віддалятися, звук стає нижче. Світлові хвилі і радіохвилі ведуть себе аналогічним чином. Ефектом Доплера користується поліція, визначаючи здалеку швидкість руху автомашин за частотою радіосигналів, що відбиваються від них. Довівши, що існують інші галактики, Хаббл всі наступні роки присвятив складання каталогів відстаней до цих галактик і спостереження їх спектрів. У той час більшість вчених вважали, що рух галактик відбувається випадковим чином і тому спектрів, зміщених в червону сторону, має спостерігатися стільки ж, скільки і зміщених в фіолетову. Яке ж було здивування, коли у більшої частини галактик виявилося червоне зміщення спектрів, т. Е. Виявилося, що майже всі галактики віддаляються від нас! Ще більш дивним було відкриття, опубліковане Хабблом в 1929 р .: Хаббл виявив, що навіть величина червоного зсуву не випадкова, а прямо пропорційна відстані від нас до галактики. Іншими словами, чим далі знаходиться галактика, тим швидше вона видаляється! А це означало, що Всесвіт не може бути статичним, як думали раніше, що насправді вона безперервно розширюється і відстані між галактиками весь час зростають.

Відкриття Всесвіту було одним з великих інтелектуальних переворотів двадцятого століття. Заднім числом ми можемо лише дивуватися тому, що ця ідея не прийшла нікому в голову раніше. Ньютон і інші вчені повинні були б збагнути, що статична Всесвіт незабаром обов'язково почала б стискатися під дією гравітації. Але припустимо, що Всесвіт, навпаки, розширюється. Якби розширення відбувалося досить повільно, то під дією гравітаційної сили воно врешті-решт припинилося б і перейшло до стиснення. Однак якби швидкість розширення перевищувала деяке критичне значення, то гравітаційної взаємодії не вистачило б, щоб зупинити розширення, і воно тривало б вічно. Все це трохи нагадує ситуацію, яка виникає, коли з поверхні Землі запускають вгору ракету. Якщо швидкість ракети не дуже велика, то через гравітації вона врешті-решт зупиниться і почне падати назад. Якщо ж швидкість ракети більше деякої критичної (близько одинадцяти кілометрів на секунду), то гравітаційна сила не зможе її повернути, і ракета буде вічно продовжувати свій рух від Землі. Розширення Всесвіту могло бути передбачене на основі ньютонівської теорії тяжіння в XIX, XVIII і навіть в кінці XVII століття. Однак віра в статичну Всесвіт була настільки велика, що жила в умах ще на початку нашого століття. Навіть Ейнштейн, розробляючи в 1915 р загальну теорію відносності, був упевнений в статичності Всесвіту. Щоб не вступати в протиріччя зі статичністю, Ейнштейн модифікував свою теорію, ввівши в рівняння так звану космологічну постійну. Він ввів нову «антигравітаційну» силу, яка на відміну від інших сил не породжувати будь-яким джерелом, а була закладена в саму структуру простору-часу. Ейнштейн стверджував, що простір-час саме по собі завжди розширюється і цим розширенням точно врівноважується тяжіння всієї іншої матерії у Всесвіті, так що в результаті Всесвіт виявляється статичної. Мабуть, лише одна людина повністю повірив у загальну теорію відносності: поки Ейнштейн та інші фізики думали над тим, як обійти нестатічность Всесвіту, пророкує цією теорією, російський фізик і математик А. А. Фрідман, навпаки, зайнявся її поясненням.

Фрідман зробив два дуже простих вихідних припущення: по-перше, Всесвіт виглядає однаково, в якому б напрямку ми її ні спостерігали, і по-друге, це твердження має залишатися справедливим і в тому випадку, якщо б ми виробляли спостереження з якого-небудь іншого місця. Чи не вдаючись ні до яких інших припущеннями, Фрідман показав, що Всесвіт не повинна бути статичною. У 1922 р, за кілька років до відкриття Хаббла, Фрідман в точності передбачив його результат!

Припущення про однаковість Всесвіту в усіх напрямках насправді, звичайно, не виконується. Як ми, наприклад, вже знаємо, інші зірки в нашій Галактиці утворюють чітко виділяється світлу смугу, яка йде пo всьому небу вночі - Чумацький Шлях. Нo якщо говорити про далеких галактиках, то їх число в усіх напрямках приблизно однаково. Отже, Всесвіт дійсно «приблизно» однакова в усіх напрямках - при спостереженні в масштабі, великому в порівнянні з відстанню між галактиками, коли відкидаються дрібномасштабні відмінності.

Довгий час це було єдиним обгрунтуванням гіпотези Фрідмана як «грубого» наближення до реальної Всесвіту. Але потім за якоюсь випадковості з'ясувалося, що гіпотеза Фрідмана і справді дає дивно точний опис нашого Всесвіту.

У 1965 р два американських фізика, Арно Пензіас і Роберт Вільсон, які працювали на фірмі Bell Laboratories в шт. Нью-Джерсі, відчували дуже чутливий «мікрохвильовий», т. Е. Надвисокочастотний (СВЧ), детектор. (Мікрохвилі - це те ж, що і світлові хвилі, але їх частота всього лише десять тисяч мільйонів хвиль в секунду). Пензиас і Вільсон помітили, що рівень шуму, що реєструється їх детектором, вище, ніж повинно бути. Цей шум не був спрямованим, що приходять з якоїсь певної сторони. Спочатку названі дослідники виявили в детекторі пташиний послід і намагалися пояснити ефект іншими причинами подібного роду, але потім все такі «чинники» були виключені. Вони знали, що будь-який шум, що приходить з атмосфери, завжди сильніше не тоді, коли детектор спрямований прямо вгору, а коли він нахилений, тому що промені світла, що йдуть з-за обрію, проходять через значно більш товсті шари атмосфери, ніж промені, що потрапляють в детектор прямо зверху. «Зайвий» ж шум однаковий, куди б не направляти детектор. Отже, джерело шуму повинен знаходитися за межами атмосфери. Шум був однаковим і вдень, і вночі, і взагалі протягом року, незважаючи на те що Земля обертається навколо своєї осі і продовжує своє обертання навколо Сонця. Це означало, що джерело випромінювання знаходиться за межами Сонячної системи і навіть за межами нашої Галактики, бо в іншому випадку інтенсивність випромінювання змінювалася б, оскільки в зв'язку з рухом Землі детектор змінює свою орієнтацію. Як ми знаємо, по дорозі до нас випромінювання проходить майже через всю спостережувану Всесвіт. Коль скоро ж воно однаково в усіх напрямках, то, значить, і сам Всесвіт однакова у всіх напрямках, по крайней мере в великому масштабі. Тепер нам відомо, що, в якому б напрямку ми не проводили спостереження, цей шум змінюється не більш, ніж на одну десятитисячний. Так Пензиас і Вільсон, нічого не підозрюючи, дали дивно точне підтвердження першого припущення Фрідмана.

Приблизно в цей же час два американських фізика з розташованого по сусідству Прінстонського університету, Боб Дікке і Джим Піблс, теж займалися дослідженням мікрохвиль. Вони перевіряли припущення Джорджа Гамова (колишнього учня А. А. Фрідмана) про те, що рання Всесвіт була дуже гарячою, щільною і розпеченій дочиста. Дікке і Піблс висловили ту думку, що ми можемо бачити світіння раннього Всесвіту, бо світло, випущений дуже далекими її областями, міг би дійти до нас тільки зараз. Але через розширення Всесвіту червоне зміщення світлового спектру має бути така велика, що дійшов до нас світло буде вже мікрохвильовим (СВЧ) випромінюванням. Дікке і Піблс готувалися до пошуку такого випромінювання, коли Пензіас і Вільсон, дізнавшись про роботу Дікке і Піблс, зрозуміли, що вони його вже знайшли. За цей експеримент Пензиас і Вільсон були удостоєні Нобелівської премії 1978 р (що було не зовсім справедливо, якщо згадати про Дікке і Піблс, не кажучи вже про Гамова!).

Правда, на перший погляд, той факт, що Всесвіт здається нам однаковою в усіх напрямках, може говорити про якусь вибраного нашого місця розташування у Всесвіті. Зокрема, раз ми бачимо, що всі інші галактики віддаляються від нас, значить, ми знаходимося в центрі Всесвіту. Але є й інше пояснення: Всесвіт буде виглядати однаково в усіх напрямках і в тому випадку, якщо дивитися на неї з якоїсь іншої галактики. Це, як ми знаємо, друга гіпотеза Фрідмана. У нас немає наукових доказів ні за, ні проти цього припущення, і ми прийняли його, так би мовити, зі скромності: було б дуже дивно, якби Всесвіт здавалася однаковою в усіх напрямках тільки навколо нас, а в інших її точках цього не було! У моделі Фрідмана всі галактики віддаляються один від одного. Це начебто як надута кулька, на який нанесені точки, якщо його все більше надувати. Відстань між будь-якими двома точками збільшується, але жодну з них не можна назвати центром розширення. Притому чим більше відстань між точками, тим швидше вони віддаляються один від одного. Але і в моделі Фрідмана швидкість, з якою будь-які дві галактики віддаляються один від одного, пропорційна відстані між ними. Таким чином, модель Фрідмана пророкує, що червоне змішання галактики повинно бути прямо пропорційно її віддаленості від нас, в точній відповідності з відкриттям Хаббла. Незважаючи на успіх цієї моделі і на згоду її прогнозів зі спостереженнями Хаббла, робота Фрідмана залишалася невідомою на Заході, і лише в 1935 р американський фізик Говард Робертсон і англійський математик Артур Уолкер запропонували подібні моделі в зв'язку з відкриттям Хаббла.

Сам Фрідман розглядав тільки одну модель, але можна вказати три різні моделі, для яких виконуються обидва фундаментальних припущення Фрідмана. У моделі першого типу (відкритої самим Фрідманом) Всесвіт розширюється досить повільно для того, щоб в силу гравітаційного тяжіння між різними галактиками розширення Всесвіту сповільнювався і врешті-решт припинялося. Після цього галактики починають наближатися один до одного, і Всесвіт починає стискатися. На рис. 3.2 показано, як змінюється з часом відстань між двома сусідніми галактиками. Воно зростає від нуля до якогось максимуму, а потім знову падає до нуля. У моделі другого типу розширення Всесвіту відбувається так швидко, що гравітаційне тяжіння хоч і сповільнює розширення, не може його зупинити. На рис. 3.3 показано, як змінюється в цій моделі відстань між галактиками. Крива виходить з нуля, а в кінці кінців галактики віддаляються один від одного з постійною швидкістю. Є, нарешті, і модель третього типу, в якій швидкість розширення Всесвіту тільки-тільки достатня для того, щоб уникнути стиснення до нуля (колапсу). У цьому випадку відстань між галактиками теж спочатку дорівнює нулю (рис. 3.4), а потім весь час зростає. Правда, галактики «розбігаються» все з меншою і меншою швидкістю, але вона ніколи не падає до нуля.

Модель Фрідмана першого типу дивовижна тим, що в ній Всесвіт не нескінченна в просторі, хоча простір не має меж. Гравітація настільки сильна, що простір, викривляючись, замикається з самим собою, уподібнюючись земної поверхні. Адже, переміщаючись в певному напрямку по поверхні Землі, ви ніколи не натрапите на абсолютно непереборну перешкоду, не випала через край і врешті-решт повернетеся в ту ж саму точку, звідки вийшли. У першій моделі Фрідмана простір таке ж, але тільки замість двох вимірювань, поверхня Землі має три виміри. Четвертий вимір, час, теж має кінцеву протяжність, але воно подібно відрізку прямої, що має початок і кінець. Потім ми побачимо, що якщо загальну теорію відносності об'єднати з квантово-механічним принципом невизначеності, то виявиться, що і простір, і час можуть бути кінцевими, не маючи при цьому ні країв, ні кордонів.

Думка про те, що можна обійти навколо Всесвіту і повернутися в те саме місце, годиться для наукової фантастики, але не має практичного значення, бо, як можна показати, Всесвіт встигне стиснутися до нуля до закінчення обходу. Щоб повернутися у вихідну точку до настання кінця Всесвіту, довелося б пересуватися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, а це неможливо!

У першій моделі Фрідмана (в якій Всесвіт розширюється і стискується) простір викривляється, замикаючись саме на себе, як поверхня Землі. Тому розміри його кінцеві. У другій же моделі, в якій Всесвіт розширюється нескінченно, простір викривлений інакше, як поверхню сідла. Таким чином, у другому випадку простір нескінченно. Нарешті, в третій моделі Фрідмана (з критичною швидкістю розширення) простір плоске (і, отже, теж нескінченне).

Але яка ж з моделей Фрідмана годиться для нашого Всесвіту? Перестане Всесвіт нарешті розширюватися і почне стискатися або ж буде розширюватися вічно? Щоб відповісти на це питання, потрібно знати нинішню швидкість розширення Всесвіту і її середню щільність. Якщо щільність менше деякого критичного значення, що залежить від швидкості розширення, то гравітаційне тяжіння буде занадто мало, щоб зупинити розширення. Якщо ж щільність більше критичної, то в якийсь момент в майбутньому через гравітації розширення Всесвіту припиниться і почнеться стиснення.

Сьогоднішню швидкість розширення Всесвіту можна визначити, вимірюючи (по ефекту Доплера) швидкості віддалення від нас інших галактик. Такі вимірювання можна виконати дуже точно. Але відстані до інших галактик нам погано відомі, тому що їх не можна виміряти безпосередньо. Ми знаємо лише, що Всесвіт розширюється за кожну тисячу мільйонів років на 5-10%. Однак невизначеність в сучасному значенні середньої щільності Всесвіту ще більше. Якщо скласти маси всіх досліджуваних зірок в нашій та інших галактиках, то навіть при найнижчій оцінці швидкості розширення сума виявиться менше однієї сотої тієї щільності, яка необхідна для того, щоб розширення Всесвіту припинилося. Однак і в нашій, і в інших галактиках повинно бути багато темної матерії, яку не можна бачити безпосередньо, але про існування якої ми дізнаємося з того, як її гравітаційне тяжіння впливає на орбіти зірок в галактиках. Крім того, галактики в основному спостерігаються у вигляді скупчень, і ми можемо аналогічним чином зробити висновок про наявність ще більшої кількості міжгалактичної темної матерії всередині цих скупчень, що впливає на рух галактик. Склавши масу всієї темної матерії, ми отримаємо лише одну десяту того кількості, яка необхідна для припинення розширення. Але не можна виключити можливість існування і якийсь інший форми матерії, розподіленої рівномірно по всій Всесвіту і ще не зареєстрованою, яка могла б довести середню щільність Всесвіту до критичного значення, необхідного, щоб зупинити розширення. Таким чином, наявні дані говорять про те, що Всесвіт, ймовірно, буде розширюватися вічно. Єдине, в чому можна бути абсолютно впевненим, так це в тому, що якщо стиск Всесвіту все-таки відбудеться, то не раніше, ніж через десять тисяч мільйонів років, бо принаймні стільки часу вона вже розширюється. Але це не повинно нас занадто сильно турбувати: на той час, якщо ми не переселимося за межі Сонячної системи, людства давно вже не буде - воно згасне разом з Сонцем!

Всі варіанти моделі Фрідмана мають щось спільне, що в якийсь момент часу в минулому (десять-двадцять тисяч мільйонів років тому) відстань між сусідніми галактиками повинно було дорівнювати нулю. У цей момент, який називається великим вибухом, щільність Всесвіту і кривизна простору-часу повинні були бути нескінченними.

Оскільки математики реально не вміють поводитися з нескінченно великими величинами, це означає, що, відповідно до загальної теорії відносності (на якій базуються рішення Фрідмана), у Всесвіті повинна бути точка, в якій сама ця теорія незастосовна. Така точка в математиці називається особливою (сингулярной). Всі наші наукові теорії засновані на припущенні, що простір-час гладке і майже плоске, а тому всі ці теорії невірні в сингулярної точки великого вибуху, в якій кривизна простору-часу нескінченна. Отже, навіть якщо б перед великим вибухом відбувалися якісь події, по ним не можна було б спрогнозувати майбутнє, так як в точці великого вибуху можливості передбачення звелися б до нуля. Точно так же, знаючи тільки те, що сталося після великого вибуху (а ми знаємо тільки це), ми не зможемо дізнатися, що відбувалося до нього. Події, які відбулися до великого вибуху, не можуть мати ніяких наслідків, що стосуються нас, і тому не повинні фігурувати в науковій моделі Всесвіту. Отже, потрібно виключити їх з моделі і вважати початком відліку часу момент великого вибуху.

Думка про те, що у часі був початок, багатьом не подобається, можливо, тим, що в ній є натяк на втручання божественних сил. (В той же час за модель великого вибуху вхопилася Католицька Церква і в 1951 р офіційно проголосила, що модель великого вибуху узгоджується з Біблією). У зв'язку з цим відомо кілька спроб обійтися без великого вибуху. Найбільшу підтримку отримала модель стаціонарного Всесвіту. Її авторами в 1948 році були X. Бонді і Т. Гоулд, які втекли з окупованої нацистами Австрії, і англієць Ф. Хойл, який під час війни працював з ними над проблемою радіолокації. Їх ідея полягала в тому, що в міру віддалення галактик на звільнених місцях з нового безперервно народжується речовини весь час утворюються нові галактики. Отже, Всесвіт повинен виглядати приблизно однаково в усі моменти часу і в усіх точках простору. Звичайно, для безперервного «творіння» речовини була потрібна деяка модифікація теорії відносності, але потрібна швидкість творіння виявлялася настільки малою (одна частинка на кубічний кілометр на рік), що не виникало ніяких протиріч з експериментом. Стаціонарна модель - це приклад хорошої наукової теорії в сенсі критеріїв глави 1: вона проста і дає певні передбачення, які можна перевіряти шляхом спостережень. Одне з її пророцтв таке: має бути постійним число галактик і інших аналогічних об'єктів в будь-якому заданому обсязі простору незалежно від того, коли і де у Всесвіті виробляються спостереження. В кінці 50-х-початку 60-х років астрономи з Кембріджського університету під керівництвом М. Райла (який під час війни разом з Бонді, Гоулдом і Хойлом теж займався розробкою радіолокації) склали каталог джерел радіохвиль, що приходять із зовнішнього простору. Ця кембріджська група показала, що більша частина цих радіоджерел повинна перебувати поза нашої Галактики (багато джерел можна було ототожнити навіть з іншими галактиками) і, крім того, що слабких джерел набагато більше, ніж сильних. Слабкі джерела інтерпретувалися як більш віддалені, а сильні - як ті, що знаходяться ближче. Далі, виявилося, що число звичайних джерел в одиниці об'єму в віддалених областях більше, ніж поблизу. Це могло означати, що ми знаходимося в центрі величезної області Всесвіту, в якій менше джерел, ніж в інших місцях. Але, можливо, було й інше пояснення: в минулому, коли радіохвилі почали свій шлях до нас, джерел було більше, ніж зараз. Обидва ці пояснення суперечать прогнозам теорії стаціонарного Всесвіту. Крім того, мікрохвильове випромінювання, виявлене в 1965 р Пензиасом і Вільсоном, теж вказувало на велику щільність Всесвіту в минулому, і тому від моделі стаціонарного Всесвіту довелося відмовитися.

У 1963 р два радянських фізика, Є. М. Ліфшиць і І. М. Халатников, зробили ще одну спробу виключити великий вибух, а з ним і початок часу. Ліфшиц і Халатников висловили припущення, що великий вибух - особливість лише моделей Фрідмана, які врешті-решт дають лише наближений опис реальної Всесвіту. Не виключено, що з усіх моделей, в якійсь мірі описують існуючу Всесвіт, сингулярність в точці великого вибуху виникає лише в моделях Фрідмана. Згідно Фрідману, все галактики віддаляються в прямому напрямку один від одного, і тому всі вони перебували в одному місці. Однак в реально існуючої Всесвіту галактики ніколи не розходяться точно по прямій: зазвичай у них є ще й невеликі складові швидкості, спрямовані під кутом. Тому насправді галактик не потрібно перебувати точно в одному місці - досить, щоб вони були розташовані дуже близько один до одного. Тоді нинішня розширюється Всесвіт могла виникнути не в сингулярної точки великого вибуху, а на який-небудь більш ранній фазі стиснення; може бути, при стисненні Всесвіту зіткнулися один з одним не всі частинки. Якась частка їх могла пролетіти повз один одного і знову розійтися в різні боки, в результаті чого і відбувається, що спостерігається нині розширення Всесвіту. Як тоді визначити, чи був початком Всесвіту великий вибух? Ліфшиц і Халатников зайнялися вивченням моделей, які в загальних рисах були б схожі на моделі Фрідмана, але відрізнялися від фрідмановскіх тим, що в них враховувалися нерегулярності і випадковий характер реальних швидкостей галактик у Всесвіті. В результаті Ліфшиц і Халатников показали, що в таких моделях великий вибух міг бути початком Всесвіту навіть у тому випадку, якщо галактики не завжди розбігаються по прямій, по це могло виконуватися лише для дуже обмеженого кола моделей, в яких рух галактик відбувається певним чином. Оскільки ж моделей фрідмановского типу, що не містять великий вибух, нескінченно більше, ніж тих, які містять таку сингулярність, Ліфшиц і Халатников стверджували, що насправді великого вибуху не було. Однак пізніше вони знайшли набагато більш загальний клас моделей фрідмановского типу, які містять сингулярності і в яких зовсім не потрібно, щоб галактики рухалися якимось особливим чином. Тому в 1970 р Ліфшиц і Халатников відмовилися від своєї теорії.

Проте їх робота мала дуже важливе значення, бо показала, що якщо вірна загальна теорія відносності, то Всесвіт могла мати особливу точку, великий вибух. Але ця робота не давала відповіді на головне питання: чи слід із загальної теорії відносності, що у Всесвіті повинно було бути початок часу - великий вибух? Відповідь на це питання була отримана при зовсім іншому підході, запропонованому в 1965 р англійським математиком і фізиком Роджером Пенроуз. Виходячи з поведінки світлових конусів в загальній теорії відносності і того, що гравітаційні сили завжди є силами тяжіння, Пенроуз показав, що коли зірка стискається під дією власних сил гравітації, вона обмежується областю, поверхня якої врешті-решт стискається до нуля. А раз поверхня цієї області стискається до нуля, то ж саме має відбуватися і з її обсягом. Все речовина зірки буде зібране в нульовому обсязі, так що її щільність і кривизна простору-часу стануть нескінченними. Іншими словами, виникне сингулярність в якійсь області простору-часу, звана чорною дірою.

На перший погляд, ця теорема Пенроуза відноситься тільки до зірок: в ній нічого не говориться про те, чи відчула вся Всесвіт в минулому великий вибух. У той час, коли Пепроуз довів свою теорему, я, будучи аспірантом, відчайдушно шукав якусь задачу, щоб захистити дисертацію. За два роки до цього лікарі поставили мені діагноз «бічний аміотрофіческнй склероз», або моторна хвороба нейронів, і дали зрозуміти, що я протягну не більш одного-двох років. При таких обставинах не було особливого сенсу працювати над дисертацією, бо я не сподівався дожити до її завершення. Але минуло два роки, а гірше мені не стало. Мої справи йшли чудово, і я був заручений з чарівною дівчиною на ім'я Джейн Вайлд. Для одруження мені була потрібна робота, а щоб її отримати, потрібна була докторський ступінь.

У 1965 р я прочитав про теорему Пенроуза, згідно з якою будь-яке тіло в процесі гравітаційного колапсу має врешті-решт стиснутися в сингулярну точку. Незабаром я зрозумів, що якщо в теоремі Пенроуза змінити напрямок часу на зворотне, так, щоб стиск перейшло в розширення, то ця теорема теж буде вірна, якщо Всесвіт зараз хоча б грубо наближено описується в великому масштабі моделлю Фрідмана. По теоремі Пенроуза кінцевим станом будь коллапсіруюшей зірки повинна бути сингулярність; при зверненні часу ця теорема стверджує, що в будь-якої моделі фрідмановского типу початковим станом Всесвіту теж повинна бути сингулярність. З міркувань технічного характеру в теорему Пенроуза було введено в якості умови вимога, щоб Всесвіт була нескінченна в просторі. Тому на підставі цієї теореми я міг довести лише, що сингулярність повинна існувати, якщо розширення Всесвіту відбувається досить швидко, щоб не почався повторний стиснення (бо тільки такі фрідмановскіх моделі нескінченні в просторі).

Потім я кілька років розробляв новий математичний апарат, який дозволив би усунути це та інші технічні умови з теореми про необхідність сингулярності. У підсумку в 1970 році ми з Пенроузом написали спільну статтю, в якій нарешті довели, що сингулярна точка великого вибуху повинна існувати, спираючись тільки на те, що правильна загальна теорія відносності і що у Всесвіті міститься стільки речовини, скільки ми бачимо. Наша робота викликала масу заперечень, частково з боку радянських вчених, які через прихильність до марксистської філософії вірили в науковий детермінізм, а частково і з боку тих, хто не брав саму ідею сингулярностей як порушує красу теорії Ейнштейна. Але з математичної теореми не надто посперечаєшся, і тому, коли робота була закінчена, її прийняли, і зараз багато хто вважає, що Всесвіт виник в особливій точці великого вибуху. За іронією долі мої уявлення змінилися, і тепер я намагаюся переконати фізиків в тому, що насправді при зародженні Всесвіту ніякої особливої ??точки не було. У наступних розділах я покажу, що при обліку квантових ефектів сингулярність може зникнути.

У цьому розділі ми бачили, як менш ніж за півстоліття змінилися уявлення людей про природу, які формувалися не одну тисячу років. Початок цим змінам поклали відкрите Хабблом розширення Всесвіту і свідомість незначності нашої власної планети серед величезних просторів Всесвіту. У міру того як множилися експериментальні і теоретичні результати, ставало дедалі зрозуміліше, що у Всесвіті має бути початок в часі. Нарешті в 1970 році ми з Пенроузом довели це, виходячи із загальної теорії відносності Ейнштейна. З нашого докази випливало, що загальна теорія відносності являє собою неповну теорію; в ній немає відповіді на питання, як виник Всесвіт, бо, відповідно до теорії відносності, всі фізичні теорії, в їх числі і вона сама, порушуються в точці виникнення Всесвіту. Однак загальна теорія відносності і не претендує на роль повної теорії: теореми про сингулярності насправді стверджують лише, що на якійсь дуже ранній стадії розвитку розміри Всесвіту були дуже малі, настільки, що тоді могли бути досить істотними дрібномасштабні ефекти, якими займається вже інша найбільша теорія XX століття - квантова механіка. Отже, на початку 70-х років нам довелося в своїх дослідженнях Всесвіту переключитися з теорії надзвичайно великого на теорію вкрай малого. Цій теорії, квантовій механіці, буде присвячена наступна глава, а потім ми перейдемо до обговорення того, як ці дві приватні теорії можна було б об'єднати в єдину квантову теорію гравітації.

 



 Простір і час |  принцип невизначеності

 Подяки |  Наше уявлення про Всесвіт |  Елементарні частинки і сили в природі |  Чорні діри |  Чорні діри не так вже чорні |  Народження і загибель Всесвіту |  стріла часу |  об'єднання фізики |  Альберт Ейнштейн |  Галілео Галілей |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати