Станислав Зигуненко - Как устроена машина времени?

Александр Александрович Фридман родился в 1888 году в Санкт-Петербурге. В городе на Неве прошла и вся его короткая, но исключительно яркая жизнь. Закончив Петербургский университет, Фридман считал себя математиком. Но посмотрите, насколько широк был круг его научных интересов: он вывел математические соотношения для атмосферных вихрей, имеющие фундаментальное значение в теории прогноза погоды. И сотрудники Главной геофизической обсерватории, которой А. А. Фридман руководил в 1924–1925 годах, имеют все основания гордиться одним из своих директоров. При этом он еще преподавал в университете, и эта сторона его деятельности; отмечена работами по теории хаотических турбулентных движений. Ну а чтобы проверить свои идеи на практике, он летал, на дирижаблях, поднялся в июле 1925 года на аэростате на рекордную по тем временам высоту — 7400 м.

Заинтересовавшись в 1920 году общей теорией относительности, он очень быстро овладел ее понятиями настолько, что уже в 1922 году была опубликована первая из его двух космологических статей, положившая начало отечественной космологии, дала новый качественный толчок и мировому развитию этой отрасли науки.

Статья называлась «О кривизне пространства», и с некоторыми ее положениями будет невредно ознакомиться и нам. Чуть позднее вы поймете, какое все это имеет отношение к основной теме книжки.

С тех пор как общая теория относительности получила права гражданства, в словаре многих физиков появились такие необычные понятия, как «кривизна пространства», «замкнутый мир», «незамкнутый мир»…

Чтобы понять, что это такое, для большей наглядности обычно призывают на помощь аналогию, которой впервые в 1917 году воспользовался еще сам А. Эйнштейн.

Попробуйте себе вообразить, что на совершенно ровной плоскости живут некие «двухмерные», но тем не менее разумные существа. По законам, геометрии их двухмерного мира, существам знакомы лишь понятия «вправо-влево», «вперед-назад». А вот «верха» и «низа» для них не существует — это уже определение из трехмерного мира.

И тем не менее существа вроде бы неплохо устроились. Их ученые прекрасно знают эвклидову геометрию и очень довольны, что их пространство вполне соответствует этой простой геометрии: сумма углов треугольника всегда равна 180 градусам, а через две точки можно провести только одну прямую…

И вот в один не очень прекрасный день плоскость, на которой жили двухмерные существа, по непонятной причине изогнулась. Большинство жителей этого вовсе не заметили, как не замечаем мы, что живем на круглой Земле. Но вот ученые переполошились: пространство вдруг стало неэвклидовым, сумма трех углов, треугольника перестала равняться 180 градусам…

Почему? В поисках ответа на этот вопрос самый гениальный геометр двухмерного мира выдвинул «Сумасшедшую» идею: двухмерный мир искривлен, у него появилось некое третье измерение.

После долгих споров эта идея в конце концов принимается наукой на вооружение, хотя никто из ученых так и не может представить себе, что же это такое — третье измерение. Но, лучше хоть какое-то объяснение, чем никакого.

Мы по сравнению с двухмерными существами можем чувствовать себя почти что богами. Наше воображение не только с легкостью представляет себе трехмерное пространство, но и может даже отыскать причину его искривления. Например, если на плоский лист железа поставить гирю, то он заметно искривится. Причем степень искривления будет увеличиваться по мере приближения к гире.

Но богом быть трудно. И наше воображение пасует, как только речь заходит о возможной кривизне нашего трехмерного мира, а уж тем более о кривизне четырехмерного пространства-времени.

Однако именно об этом пространстве/времени мы и должны вести речь Дальше, поскольку именно им и занимался А. А. Фридман. Решая задачу о геометрии нашей Вселенной, о ее пространстве и времени, он предположил в качестве начального условия, что вещество распределено по объему Вселенной равномерно и само вещество однородно. А в качестве ответа нужно было определить, каким будет время-пространство Вселенной с течением этого самого времени.

Для решения задачи Фридман воспользовался уравнениями, выведенными Эйнштейном, и внимательно проанализировал, какие следствия из них вытекают. И вот оказалось, что согласно данным уравнениям вещество Вселенной не может находиться в покое сколько-нибудь длительное время. Плотность общего однородного распределения вещества должна либо увеличиться, либо уменьшиться. То есть применительно к наблюдаемой нами картине Вселенной это означает, что галактики и другие звездные скопления не стоят на места, они движутся, и расстояния между ними со временем меняются.

Теоретические рассуждения Фридмана получили блестящее подтверждение на практике, в ходе астрономических измерений. В 1929 году американский астроном Э. Хаббл, изучая спектры галактик на звездном небе, обнаружил в них «красное смещение». То есть, говоря иначе, линии спектра, который они излучали, были сдвинуты к красной области по сравнению с нормальным эталонным положением. Из этого наблюдения Хаббл сделал вывод, что смещение это можно истолковать как следствие эффекта Доплера, согласно которому звук и свет, излучаемые движущимся предметом, отличаются от такого же излучения в неподвижном состоянии.

Что касается звука, то эти смещениями можете уловить на слух прислушавшись, например, к гудкам электрички, движущейся на вас и от вас. Они заметно отличаются по тону, как друг от друга, так и от сигнала стоящей электрички.

Смещение светового излучения не столь заметно, на глаз его не определишь. Хотя среди физиков и бытует шутка о неком физике-автолюбителе, который, проехав на красный свет светофора, пытался уверить инспектора ГАИ, что это произошло только потому, что красный свет показался ему зеленым. Наука, дескать, вполне допускает это, если вы движетесь навстречу источнику света.

— И при какой скорости это происходит? — поинтересовался инспектор.

— Легко подсчитать — получается что-то около 75 процентов от скорости света, — быстренько прикинул физик. — В таком случае платите штраф за превышение скорости…

Шутки шутками, но астрономы тем не менее ухитряются «засекать» это смещение с помощью точных приборов. Более полувека назад астроном Пулковской обсерватории использовал этот прием для измерения скорости звезд, а Хаббл воспользовался тем же эффектом для открытия нового Явления во Вселенной — разбегания галактик.

Так получила свое начало теория расширяющейся Вселенной.

Исходя из созданной им общей теории относительности, А. Эйнштейн попробовал построить космологическую теорию строения окружающей нас Вселенной. При этом он исходил из определённых общих воззрений на нее. В частности, он считал, что Вселенная в целом должна быть однородной. Предполагал он также, что и все направления во Вселенной равноправны.