Олег Фейгин - Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

На протяжении веков величайшие умы человечества — Коперник, Кеплер, Галилей и Ньютон считали окружающий мир однородным и неизменным. На эти же свойства Вселенной изначально опирался в своих построениях Эйнштейн. Создатель теории относительности считал, что Вселенная в целом не эволюционирует, пребывая в застывшем состоянии, и никак не подвластна ходу времени. Правда, в отдельных местах Метагалактики могут возникать и гаснуть звезды и даже целые галактики, но общая картина мира остается принципиально неизменной. Однако реальная Вселенная оказалась совершенно иной, не статически застывшей, а динамичной и развивающейся. Вещество Вселенной не может находиться в покое. Оно должно либо расширяться, либо сжиматься.

Сейчас Метагалактика ускоренно расширяется, и если вернуть этот процесс в прошлое, то мы окажемся у очень загадочной точки вселенского сжатия, носящей название космологическая сингулярность. Эта во многом мнимая точка (ведь указать ее координаты просто невозможно — нет подходящей системы отсчета!) и будет являться моментом «начала начал» расширения нашей Вселенной. Сам астрономический термин «сингулярность» можно перевести как «особенность», «необычность» или «исключительность», ведь начальное состояние материи характеризовалось совершенно непонятными плотностями материи и энергии, стремящимися к бесконечности.

Понятие космологической сингулярности тесно связано с кривизной окружающего нас трехмерного пространства, которое может быть и разомкнутым и замкнутым. Каким именно оно станет, зависит от многих обстоятельств. Например, если плотность материи в таком мире будет ниже некой критической величины, то он окажется незамкнутым, сможет расширяться до бесконечности. Тогда луч света, выпущенный из какой-либо точки внутри него, никогда не вернется назад, разве что отразится, натолкнувшись на какую-либо преграду. Если же плотность вещества превысит некоторое критическое значение, то пространство окажется замкнутым. Оно будет то расширяться, то сжиматься, не выходя все-таки за некоторые пределы.

Наглядно такой пульсирующий замкнутый мир можно представить в виде резинового шара, который то раздувается, то спускает воздух. Само собой разумеется, что при всем старании нам вряд ли удастся раздуть камеру больше критического объема поверхности, так как произойдет ее разрыв. В данном замкнутом пространстве свет, направленный в одну сторону, может облететь всю полость и вернуться с другой стороны, так и не вырвавшись наружу.

После создания теории относительности, в двадцатых годах прошлого века, замечательный петербургский математик Александр Александрович Фридманодним из первых получил оригинальные решения уравнений общей теории относительности для всей Вселенной в целом. Анализируя полученные результаты и применяя их к новой теории гравитации Эйнштейна, профессор Фридман сделал сенсационное открытие. Он обнаружил, что уравнения имеют решения, которые описывают полностью замкнутый мир. Под действием гравитации в отдельных участках Вселенной материя может как бы «схлопнуться», образовав необычное пространство, замкнутое само на себя. Далее ученый получил еще более неожиданный результат, который однозначно показывал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Полученные Фридманом уравнения для развивающейся и увеличивающейся Вселенной лежат в основе всей современной космологии.

Миры Мультивселенной

Простой астрономический факт — расширение нашей Вселенной — привел к полному пересмотру всех космогонических концепций и разработке новой физики — физики возникающих и исчезающих миров.

Как же можно представить себе мир Фридмана? Давайте возьмем глобус и населим его ползающими по поверхности «плоскунами», ничего не подозревающими о существовании третьего измерения. Поверхность сферы образует особый двумерный мир. Он замкнут и в то же время безграничен, ведь по поверхности шара можно двигаться в любом направлении, не опасаясь наткнуться на какую-то неодолимую преграду.

Представим теперь, что Академия наук плоскунов решила опытным путем проверить, безгранична или же ограниченна их Вселенная. Приступив к измерению длины окружности сферы своего мира, академики плоскунов вскоре пришли бы в большое удивление, ведь длина окружности, все возрастая по мере удаления от того места, где находились плоскуны-экспериментаторы, достигла бы максимума, а затем начала бы неуклонно уменьшаться, вплоть до нуля.

Это однозначно продемонстрировало бы плоскунам, что их мир замкнут. Удивительные вещи должны происходить в таком замкнутом мире. В таком мире действовали бы иные физические законы и сила взаимодействия между двумя зарядами изменялась бы в другой пропорции от расстояния.

Двумерные существа могли бы никогда не узнать, что находится внутри искривленной поверхности сферы, центр которой недоступен для наблюдений их двумерными приборами. Они могли бы построить модель Вселенной как целого, безграничную, но конечную, содержащую конечное количество квадратных километров. Модель охватывала бы все, доступное их чувствам и физическим приборам, но с точки зрения внешнего наблюдателя мир плоскунов составлял бы лишь незначительную часть чего-то более обширного.

Очевидно, вопрос, интересующий двумерных аборигенов, состоит в том, можно ли считать внутренность сферы с центром и охватывающее сферу внешнее пространство реально существующими, если до сих пор они себя никак не проявляли в сферическом мире и, может быть, так никогда и не проявят?

Некоторое время после создания модель Фридмана нестационарной расширяющейся Вселенной казалась многим ученым нереальной. Однако соответствующие решения Фридмана были не только признаны автором теории относительности Эйнштейном, но и получили практическое подтверждение в наблюдениях знаменитого американского астронома Э. Хаббла. В двадцатых годах прошлого века, после внушительной серии астрономических исследований дальних галактик, он пришел к выводу, что галактические объекты удаляются от нас со скоростью, пропорциональной этой удаленности. Следовательно, чем дальше от нас галактика, тем выше ее скорость удаления.

Соответствующий коэффициент пропорциональности является важнейшей космологической величиной, получившей название постоянной Хаббла. Этот вывод Хаббл сделал на основе исследования физического эффекта Доплера — смещения длин волн в спектре излучения источника в сторону красной части диапазона для далеких галактик ( рис. 9цв. вкл.) Открытие Хабблом эффекта красного смещения, разбегания галактик лежит в основе концепции расширяющейся Вселенной. В соответствии с современными космологическими концепциями, Вселенная расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной картина расширения будет представляться той же самой, а именно, все галактики будут иметь свое красное смещение, пропорциональное расстоянию до них. Само пространство как бы раздувается ( рис. 10цв. вкл.).