В популярных статьях нередко говорится о “крае Вселенной”, т.е. некой внешней ее границе, за которой простирается пустота. Однако строго научная точка зрения заключается в том, что Вселенная не имеет ни края, ни центра. Вселенную нельзя считать скоплением галактик, распределенных в пространстве, – скорее Вселенная сама содержит пространство.
Как это ни парадоксально, но отсюда отнюдь не обязательно следует, что безграничная Вселенная должна иметь бесконечный объем и содержать бесконечное множество галактик. Один из курьезов современной космологии состоит в том, что Вселенная может быть конечной, не имея при этом границ. Тем, кто усматривает в этом противоречие, надлежит вспомнить о свойствах окружности. В определенном смысле у окружности “нет ни начала, ни конца”. Она не имеет ни границы (края), ни центра (который был бы расположен на окружности). Тем не менее окружность конечна. Можно сказать, что окружность – это линия, которая искривляясь замыкается сама на себя. Обобщив эту идею на трехмерное пространство, можно представить и Вселенную, которая искривляясь замыкается на себя, образуя конечное пространство, не имеющее границы. Многие люди испытывают трудности, пытаясь представить себе замкнутую и конечную Вселенную: им всегда хочется понять, что же лежит за ее пределами. Тем не менее это представление логически непротиворечиво и допускает надлежащее математическое описание. Однако по поводу того, действительно ли наша Вселенная имеет указанные особенности, мнения космологов расходятся.
Если у Вселенной нет внешней границы, то вопрос о нашем местоположении в значительной степени теряет смысл. Само пространство не содержит никаких вех, и инфраструктура Вселенной даже в самых удаленных ее уголках мало чем отличается от нашего ближайшего галактического окружения. В малых масштабах вопрос “Где находимся мы?” не лишен смысла, поскольку мы в состоянии измерить свое положение относительно какого-нибудь заметного ближнего объекта, например Солнца или центра Галактики. Но в пределах Вселенной как целого не существует выделенного места, относительно которого можно было бы отсчитывать положение объектов. Мы как бы находимся на бесконечно протяженной шахматной доске: имеет смысл утверждать, на каком расстоянии мы находимся от ближайшего угла нашего квадрата, но говорить что-либо о нашем положении на доске в целом бессмысленно.

Наше место во времени

Хотя вопросу о нашем месте в пространстве невозможно придать сколько-нибудь общий смысл, космологи часто рассуждают о возрасте Вселенной. Вопрос “Когда?” во многом перекликается с вопросом “Где?” применительно к пространству, и споры и неразбериха по нему также имеют долгую историю. Платон учил, что мир как творение Бога совершенен и потому неизменен в своих основных чертах. И хотя ото дня ко дню мы замечаем какие-то изменения, на протяжении больших отрезков времени – эонов – вещи остаются неизменными. Если бы Платон был прав, то мир не мог возникнуть в какой-то момент времени, а существовал бы вечно. Вопрос о нашем месте во времени утратил бы смысл, ибо время не имело бы начала.
Другая традиционная точка зрения основана на идее о сотворенном мире, который имеет конечный возраст и непрестанно претерпевает необратимые изменения. И если в “момент творения” мир, возможно, был совершенен, то он не остается таковым, хотя вполне мог бы начать эволюционировать (или стремиться) в сторону совершенства.
Мифы о сотворении мира бесчисленны и обычно весьма фантастичны. Научная версия происхождения мира была детально разработана совсем недавно. Она восходит к работам Хаббла по внегалактическим объектам, выполненным в 20-е годы нашего столетия. Тщательно исследовав спектры далеких галактик, Хаббл совершил неожиданное открытие, которое легло в основу современной научной космологии. По изменению спектра излучения галактик–так называемому красному смещению – Хаббл установил, что они удаляются от нас с огромной скоростью. Систематическое исследование характера движения и его зависимости от расстояния показало, что галактики кроме того “разбегаются” друг относительно друга. По существу вся Вселенная в каждой точке находится в состоянии расширения.
Расширение Вселенной порождает определенные трудности при попытке наглядно представить себе этот процесс, что еще более запутывает поиск ответа на вопрос “Где?” Трудно удержаться от искушения мысленно рассматривать процесс расширения как взрыв сгустка материн, осколки которого разлетаются в беспредельном изначально существовавшем вакууме. Если исходить из такого ошибочного представления, то размеры Вселенной должны непрерывно увеличиваться по мере того, как внешние осколки все далее улетают в пустоту. Но, как мы уже знаем, подобная картина Вселенной неудовлетворительна, поскольку предполагает существование “края света”. В более последовательной и корректной модели расширяется пространство между галактиками. В качестве аналогии удобно рассмотреть медленно раздувающийся воздушный шар. Представим себе, что поверхность шара покрыта точками, изображающими галактики. Когда шар раздувается, его резиновая оболочка растягивается, и точки на ее поверхности все дальше отходят друг от друга (рис. 1). Заметим, что сами точки на поверхности не движутся в направлении к чему-нибудь или от чего-нибудь. Раздвижение точек происходит вследствие расширения самой поверхности.

Рис.1. Расширяющаяся Вселенная похожа на раздувающийся шар. Точки, изображающие галактики, разбросаны по поверхности шара более или менее равномерно. Когда шар раздувается, расстояния между “галактиками” увеличиваются. Наблюдателю, находящемуся в любой из точек кажется, будто соседние точки удаляются, хотя в действительности они не движутся по поверхности: совокупность “галактик” вовсе не разбегается относительно какой-либо точки на поверхности. Разумеется, двумерная поверхность шара – не более, чем аналог трехмерного пространства. В реальной Вселенной не существует области, соответствующей областям внутри или снаружи оболочки шара.

Расширяющаяся Вселенная весьма напоминает трехмерный аналог раздувающегося воздушного шара, и неправильно представлять себе галактики мчащимися через пространство в разные стороны от общего центра расширения. В действительности пространство между галактиками, разрастаясь (вытягиваясь), раздвигает галактики относительно друг друга. Способность пространства вытягиваться следует из общей теории относительности Эйнштейна, которую мы постараемся объяснить в последующих главах. Тот факт, что мы видим, как далекие галактики разбегаются от нас, вовсе не означает, что мы находимся в центре расширяющейся Вселенной; с тем же успехом любую точку на поверхности раздувающегося воздушного шара можно принять за ее центр. (У самой поверхности шара нет центра.) Следовательно, Вселенная не расширяется куда-то, а просто вся увеличивается в размере.
Но если Вселенная раздувается, то в прошлом она должна была находиться в сжатом состоянии, и, экстраполируя назад во времени, мы приходим к заключению, что около 15 млрд. лет назад космическая материя должна была иметь необычайно высокую плотность. В этом суть теории Большого взрыва, согласно которой ныне наблюдаемая Вселенная возникла в результате гигантского взрыва.
По современной версии этой теории для ранних стадий Большого взрыва характерны необычайно высокие температура и плотность; при таких условиях ни один из современных элементов строения Вселенной, включая атомы, не мог существовать. Важное подтверждение такого сценария было получено в 1965 г., когда два специалиста по дальней связи из фирмы “Белл телефон лабораторис” обнаружили таинственное излучение, идущее из космического пространства. Физики и астрономы быстро идентифицировали это космическое фоновое излучение как реликтовое тепловое излучение Большого взрыва, своего рода отблески тон огненной вспышки, которая 15 млрд. лет назад ознаменовала рождение нашего мира.
Процесс Большого взрыва часто неверно трактуется наподобие взрыва глыбы вещества в уже существовавшем вакууме. Но, как известно, пространства вне Вселенной не существует. Большой взрыв следует рассматривать как событие, в результате которого возникло и само пространство. Таким образом, научная картина “сотворения мира” оказывается глубже библейской, ибо она отражает рождение не только материи, но и пространства. Последнее возникает не каким-то иным путем, а непосредственно в результате Большого взрыва. Следовательно, Большой взрыв не есть событие, которое произошло во Вселенной; это было само рождение Вселенной, целиком и буквально из ничего.
Другая важная особенность Большого взрыва связана с временем. Многие космологи считают, что время до Большого взрыва не существовало, т.е. не было никакого “прежде”. Один из уроков новой физики состоит в том, что пространство и время существуют не сами по себе, а составляют неотъемлемую часть физического мира. Следовательно, если Большой взрыв ознаменовал рождение физического мира, то пространство и время возникли только в момент Большого взрыва. Идея отождествления момента рождения Вселенной с началом времени далеко не нова. Еще в IV в. Святой Августин писал: “Мир сотворен с временем, но не во времени”.
Внезапное возникновение Вселенной в результате Большого взрыва означает, что вопрос “Где мы находимся–во времени"? имеет смысл. Исчисления всех космических эпох можно вести от этого уникального всеопределяющего события, которое произошло около 15 млрд. лет назад. Историю Вселенной можно разделить на зоны, ведя отсчет от этого абсолютного нуля времени.
Из чего мы состоим?
На этот вопрос ответить просто: из материи. Но что такое материя и как она возникла? Диапазон форм, красок, плотностей и текстуры материальных тел столь широк, что попытка понять природу материи может показаться безнадежной задачей. Однако еще две с половиной тысячи лет назад греческие философы заложили основы нашего понимания природы материи, когда попытались свести разнообразие окружающего мира к взаимодействию небольшого числа первичных составных частей – элементов. В VI в. до н. э. Фалес считал первоосновой всех вещей один первичный элемент"– воду, но позднее мыслители ввели в рассмотрение четыре земных элемента: землю, воздух, огонь и воду. По мысли древних, эти элементы в целом сохраняются – их общее количество остается неизменным, – но могут образовывать друг с другом различные комбинации, необычайно разнообразные по форме и составу. Небесным телам отводилась пятая субстанция, называемая эфиром, или квинтэссенцией. Греческие философы сделали важный шаг, отвергнув ссылки на потусторонние силы и наблюдение – основу научного метода. Анаксагор (500–428 г.г. до н.э.) существенно усовершенствовал более ранние теории, введя представление о бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным множеством частиц, или “атомов”. Кроме того, Анаксагор высказал предположение, что небесные тела состоят из таких же веществ, что и Земля, – эта “ересь” едва не стоила ему жизни. Левкипп внес свою лепту в развитие атомной теории материи, это дело продолжил его ученик Демокрит. Впоследствии атомистическая теория была отвергнута такими великими философами, как Аристотель, Платон и Сократ. Однако позднее идеи атомистов были подхвачены Эпикуром,) (341–270 гг. до н.э.).
Главная особенность учения атомизма заключалась в следующем: мир состоит всего лишь из двух вещей – неуничтожимых атомов и пустоты. Атомы имеют различную форму и могут соединяться между собой, образуя сложные системы. Атомы неделимы и свободно движутся в пустоте. Они непрестанно находятся в состоянии активности, сталкиваясь и объединяясь в новые конфигурации и неизменно подчиняясь рациональным законам причины и следствия.
На протяжении столетий атомная теория материи имела чисто умозрительный характер, ибо атомы слишком малы, чтобы их наблюдать непосредственно. Альтернативные представления о континууме, согласно которым материя бесконечно делима и не содержит пустоты, существовали вплоть до XIX в. С развитием химии как науки атомистическая теория подверглась пересмотру в рамках современного научного мышления. Английский химик Джон Дальтон (1766–1844) привел свидетельства в пользу того, что атомы имеют различные веса и, комбинируясь в определенных пропорциях, образуют соединения; однако прямые физические доказательства существования атомов по-прежнему отсутствовали. Лишь в конце XIX в. с открытием электрона и радиоактивности существование атомов стало, наконец, общепризнанным. Вскоре выяснилось, что имеется множество различных типов атомов (каждый такой тип на современном языке соответствует химическому элементу). Ныне на Земле обнаружено около 90 естественных химических элементов и более десятка элементов синтезировано искусственным путем.

Рис. 2. Схематическое изображение атома. Центральное ядро имеет вид шара, состоящего из сильно связанных протонов и нейтронов и окруженного облаком обращающихся вокруг него электронов. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Из-за квантовых эффектов орбиты электронов на самом деле не соответствуют четко определенным траекториям, показанным на рисунке.

В 1909 г. Эрнест Резерфорд выяснил основные особенности строения атома. Бомбардируя атомы альфа-частицами, испускаемыми радиоактивным источником, Резерфорд установил по характеру рассеяния альфа-частиц, что атомы представляют собой не твердые кусочки неделимой материи, как полагали некоторые физики, а сложные структуры, основная масса которых сосредоточена в центральном ядре, окруженном облаком более легких подвижных электронов (рис. 2). Такая структура напоминает планетную систему.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47