Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности - Энтони Агирре

Подобные взаимосвязанные и дополняющие друг друга измерения иных величин, характеризующих нашу вселенную, включая черную материю и черную энергию, привели к построению убедительной и непротиворечивой стандартной космологической модели большого взрыва. Для модели большого взрыва парадокс Ольберса не проблема: вселенная одновременно и расширяется, и ее возраст конечен. Оба эти свойства идут вразрез с предположениями философов, столетиями (а может, и тысячелетиями) неявно считавшими вселенную бесконечной, вечной и статической.

Модель большого взрыва — самосогласованная, детально проверенная теория, базирующаяся на фундаментальных физических законах. Она убедительна и многократно досконально проверена экспериментально разными методами. Такая теория успешно объясняет основные этапы развития наблюдаемой вселенной. Это — истина.

Поэтому может показаться несколько удивительным, что многие космологи, и я в том числе, верят: с большой долей вероятности мы существуем в мироздании, в космосе, всегда расширяющемся в будущее, возможно, всегда из прошлого, — при постоянном образовании материи и энергии.

Точно так, как в теории стационарной вселенной.

28. Небесные сферы

(Срингар, Кашмир, 1611 год)

Город кажется наполненным энергией: похоже, ожидают каких-то высоких гостей. Но тебя это не интересует. Тебя сюда привели слухи о том, что в городе есть человек, разбирающийся в астрономии.

После бесконечных расспросов и блуждания по улицам ты оказался в небольшой мастерской, где трудится крошечного роста, слегка не от мира сего, но очень умный слесарь по имени Али. Ему не терпится показать тебе свою последнюю работу. Это безупречный отполированный металлический шар без единого шва, едва ли не завораживающий своей гладкостью и идеальной сферичностью. Ты изумлен: разве возможно такое совершенство?

Повернув шар, ты видишь, что Али недавно начал наносить на одну из сторон шара звезды и созвездия. Он объясняет, что его «небесная сфера» будет отображать видимые на небе звезды на поверхности сделанного им шара.

Ты ничего не можешь с собой поделать и воображаешь, что смотришь наружу из центра шара, стараясь разобраться в космологической модели Али. Ты спрашиваешь: «Но ведь не все звезды располагаются на одинаковом расстоянии от нас здесь, на Земле? Или, чтобы запечатлеть звезды на разных расстояниях, нам потребуется много вложенных друг в друга сфер?»

Твои слова произвели впечатление, и Али, кажется, готов еще раз все взвесить. Он отвечает, что да, более сложная модель может оказаться точнее. Тогда ты спрашиваешь его: «Но сколько всего потребуется сфер? Как далеко простираются звезды?» Али внимательно смотрит на тебя, а затем шепчет: «Следуй за мной».

Спустившись по узкой лестнице, ты оказываешься в большой комнате с удивительным предметом в центре. Это набор большого количества вложенных друг в друга ажурных сфер, каждая со своим изощренным узором. Наружные, большие, сферы более однородны, но на каждой достаточно отверстий, чтобы были видны внутренние сферы. Головокружительно сложные и красивые узоры меняются от сферы к сфере.

Ты смотришь на Али, готовый воздать хвалу его работе, но видишь, что он чем-то подавлен.

«Я достиг своего предела, — почти кричит он. — Я не могу изготовить следующую сферу».

«Но почему? — спрашиваешь ты. — При таких размерах слишком трудно работать с металлом?»

«Нет, глупец! — сердито огрызается он. — Это потому, что следующая внешняя сфера должна быть меньше сферы самой далекой от центра!» Ну что же, ты знаешь геометрию и поэтому понимаешь, кто здесь глупец. Придумав уважительную причину, ты начинаешь прощаться и делаешь шаг к двери. Но Али преграждает тебе дорогу. Он смущен и предлагает выпить чаю.

За время скитаний ты закалил волю, но устоять перед кашмирским чаем с молоком и специями не можешь. И утром, когда Али кончает говорить, ты покидаешь его, горячо поблагодарив. Твое представление о вселенной уже никогда не будет прежним.

Мы видим мир не таким, каков он сейчас. И неважно, космическое это «сейчас» или обычное. Нет, мир вокруг нас — это тот мир, каким он был в прошлом. Глядя на лист, что падает с дерева, находящегося на расстоянии 50 метров от нас, мы видим дерево таким, каким оно было 167 наносекунд назад.

Но будем осмотрительны! Зная теорию относительности, мы должны спросить: «В какой системе координат 167 наносекунд назад?» Лучше даже сформулировать это по-другому. Пусть заданное «время t» — индекс, отвечающий набору событий, которые образуют «пространство в этот момент времени». Некоторые из этих событий совпадают со световым конусом прошлого с вершиной в точке «вы, сейчас». Это события, «произошедшие в момент времени t», которые вы видите сейчас. Они образуют вокруг вас своего рода сферу[94] с радиусом, равным расстоянию, которое проходит свет между временем t и настоящим. Когда вы думаете о мире, который видите вокруг, это на самом деле набор вставленных друг в друга сфер событий, причем каждая сфера включает в себя все, что, как вы полагаете, происходит на некотором расстоянии от вас, равном радиусу этой сферы.

Вглядываясь во вселенную, мы видим последовательно все более удаленные сферы. Сфера, соответствующая событиям, произошедшим 8 минут назад, проходит через Солнце, а на сферу, отстоящую от нас на 8 световых лет, попадет еще несколько близлежащих звезд. Чем сфера дальше, тем больше на ней звезд. Можно представить себе сферу, которая, как сфера мастера Али, усыпана звездами. Отойдя на миллион лет назад, вы увидите сферу со множеством галактик; постепенно, удаляясь все дальше в прошлое на сотни миллионов и миллиарды лет, на каждой из сфер мы будем видеть замысловатые узоры, состоящие из сечений галактик.

Если мы рассмотрим все такие вложенные одна в другую сферы, двигаясь назад в прошлое до какого-то заданного момента времени t, мы увидим, что вместе они образуют шар: что-то вроде сферической глыбы, ограниченной самой большой сферой, соответствующей времени t. Можно сказать, что именно этот «доступный для наблюдения шар» мастерил Али в своем подвале (рис. ниже).

Но он столкнулся с серьезной проблемой. Если мы смотрим назад в прошлое, радиус каждой следующей, более старой небесной сферы, больше, а значит, больше ее площадь и объем внутри нее. С этим мы уже согласились: если окружающие нас оболочки находятся на все больших и больших расстояниях, они становятся все большего и большего размера. Хотя космология сообщает нам нечто интригующее: в какой-то момент времени, порядка 9,6 миллиарда лет назад, это прекращается! Следующая внешняя сфера, чуть раньше по времени, оказывается меньше. Меньше ее радиус, ее площадь и ограниченный ею объем — во всех отношениях она меньше той сферы, которая находится внутри нее. Этот необычный факт, приведший в отчаяние нашего мастера, — следствие конкуренции двух эффектов.