Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Представьте световую волну, испущенную далекой галактикой, с определенной частотой и соответствующей длиной. Миллионы или даже миллиарды лет свет путешествовал сквозь пространство по пути к земному телескопу. Если бы мы жили в статичной Вселенной, свет пришел бы на Землю, имея точно такую же длину волны, которую имел изначально. Но Вселенная не статична. Пространство расширяется. Вследствие этого световая волна, движущаяся сквозь пространство, тоже расширяется. Она постепенно растягивается, и длина волны увеличивается – цвет становится более красным.

Чем дольше свет путешествует через расширяющееся пространство, тем сильнее оказывается растянут. Поэтому свет далеких галактик – проведший в пути больше времени – должен демонстрировать большую степень красного смещения, чем свет ближних галактик. Это и обнаружил Хаббл. Фактически астрономы используют красное смещение у галактик для расчета расстояния до них.

Это уже что-то. У нас есть достоверный образ расширения Вселенной (кекс с изюмом) и понимание причины красного смещения у галактик (растяжение световых волн). Пора затронуть тонкий вопрос о расстояниях в космосе.

Как я говорил, космологи используют красное смещение у галактик в качестве показателя удаленности. Прекрасно! Но что конкретно мы подразумеваем под удаленностью галактики? Предположим, галактика испустила свет очень давно, когда находилась в 5 млрд св. лет от Млечного Пути. К тому времени, когда свет наконец достигает Земли, дистанция могла увеличиться до 10 млрд св. лет, поскольку пространство расширяется постоянно.

Возникает проблема. Красное смещение у галактики не дает нам никакой информации ни о первоначальной , ни о нынешней дистанции. Единственное, что мы можем извлечь из красного смещения, – сколько времени свет шел сквозь расширяющееся пространство. Это не 5 и не 10 млрд лет, а какая-то промежуточная величина, возможно около 7 млрд лет.

Что же можно сказать о расстоянии до галактики? Строго говоря, нечто вроде: « Эта галактика настолько удалена, что ее свету, идущему сквозь расширяющееся пространство, потребовалось 7 млрд лет, чтобы достичь нас ». Слишком многословно. Поэтому, исключительно ради простоты, большинство астрономов ограничатся следующим: « Эта галактика находится от нас в 7 млрд св. лет ». В конце концов, время нахождения в пути света этой галактики – 7 млрд лет – единственное, что можно измерить.

Разумеется, это не точная формулировка. В следующий раз, когда с вами заговорят о галактике, находящейся на расстоянии 11 млрд св. лет, напомните себе, что на самом деле говорящий имеет в виду следующее: свету галактики потребовалось 11 млрд лет, чтобы достичь нас, – это единственное, что мы можем установить точно, измерив красное смещение для этой галактики. В момент, когда этот свет был излучен (11 млрд лет назад), галактика была к нам гораздо ближе – может быть, всего в нескольких миллиардах световых лет. А в данный момент, когда этот свет наконец дошел до Земли, галактика может находиться более чем в 20 млрд св. лет.

Предвижу ваши возражения. Двадцать миллиардов световых лет? Как галактика может быть так далеко, если Вселенной всего 13,8 млрд лет? Разве Эйнштейн не учит нас, что ничто не может двигаться быстрее света? Как в таком случае нечто могло удалиться на расстояние 20 млрд св. лет за время менее 14 млрд лет?

Напоминаю, что расширяющаяся Вселенная не фейерверк. Галактики не несутся сквозь пространство. Дистанции до них увеличиваются, потому что расширяется само пространство. Очень дальняя галактика никогда не двигалась хоть сколько-нибудь быстрее света, хотя расстояния между нами и ею могло увеличиваться более чем на 300 000 км за каждую секунду. Предел космической скорости Эйнштейна не нарушен.

Возможно, это звучит абсурдно, но это правда. Никакая энергия, материя или информация какого угодно типа не перемещаются в пространстве со скоростью, хоть сколько-нибудь превышающей скорость света. Общий принцип относительности никому поблажек не делает. Тем не менее дистанция, разделяющая две удаленные точки в расширяющемся пространстве, может за секунду увеличиваться более чем на 300 000 км.

Означает ли это, что Вселенная расширяется быстрее скорости света? И да и нет. Все зависит от дистанции, которой вы интересуетесь. Как ни странно, у Вселенной нет единой скорости расширения. Расстояние между двумя относительно близкими точками в пространстве может расти на 10 000 км/с, а между двумя очень сильно удаленными друг от друга точками – на 500 000 км/с. Причем без ущерба для теории Эйнштейна.

Насколько известно астрономам, Вселенная может иметь бесконечные размеры. Это трудно себе представить – наш мозг не приспособлен к оперированию понятием бесконечности. Впрочем, представить конечную Вселенную столь же, а возможно, и более тяжело. Если Вселенная имеет ограниченные размеры, у нее должны быть границы. Как выглядит и ощущается граница Вселенной? И что находится за ней?

Попробую объяснить, как Вселенная в принципе может быть конечной, не имея краев. Если это кажется вам парадоксальным, представьте двумерную модель Вселенной, которой мы пользовались в главе 4, – лист миллиметровки. Будучи трехмерными существами, мы можем изогнуть бумагу в поверхность сферической формы. Двигаясь по этой искривленной поверхности, воображаемые плоскоземельники, обитающие в двумерной Вселенной, никогда не достигнут ее края. Тем не менее их мир имеет конечные размеры – если они решат выкрасить его весь в желтый цвет, им не потребуется бесконечное количество краски.

Аналогично наша трехмерная Вселенная теоретически может быть конечной и не иметь четко определенного края, если некто согнул ее в пространстве большей размерности. Если у вас от этого раскалывается голова, не тревожьтесь – все доступные свидетельства предполагают, что наша Вселенная не имеет крупномасштабной, глобальной кривизны. Следовательно, она по-настоящему бесконечна. (Что, вероятно, обеспечит вам новый приступ головной боли.)

Как бесконечная Вселенная могла вырасти из одной-единственной точки?

Никак.

Это еще одно огромное заблуждение – что на момент Большого взрыва все вещество Вселенной было сконцентрировано в единственной точке. Этого не было, во всяком случае при условии бесконечности размеров Вселенной [57] Наиболее популярная среди астрофизиков и космологов, причем проверяемая, современная гипотеза о происхождении Вселенной – теория инфляции, о которой речь пойдет далее, – предполагает, что у Вселенной была стадия, когда она имела очень малый размер Планковской ячейки – порядка 10 -33 см. В момент инфляции Вселенная увеличилась в колоссальное (но не бесконечное) число раз. В этом плане Вселенная имеет все-таки конечный, хотя и огромный, размер. – Прим. науч. ред. . Около 2 млрд лет назад расширение пространства еще не достигло сегодняшнего уровня. Все расстояния в космосе были в два раза меньше нынешних. Галактики находились ближе друг к другу. Средняя плотность материи во Вселенной была в 8 раз выше (в два раза меньшее расстояние означает в 8 раз меньший объем: ½ × ½ × ½). Но и тогда Вселенная имела бесконечные размеры. Как вы, возможно, помните из старших классов школы, бесконечность, деленная на два, остается бесконечностью.