Помоги проекту - поделись книгой:
Сам Хокинг так объяснял смысл мысленного опыта с кошкой Шрёдингера: суть парадокса в том, что подчеркивается противоречивость объединения большого и сверхмалого. Трудности интерпретации возникают оттого, что экспериментатор подходит к «квантовой кошке» с мерками повседневной реальности, где любой живой организм — кошка или человек — имеет определенную и единственную предысторию. Но весь фокус в том, что в квантовой физике предлагаются совсем иные взгляды на реальность. Каждый микроскопический квантовый объект имеет не единственную предысторию, а целый их веер. В большинстве случаев вероятность какой-то одной предыстории отменяется вероятностью несколько иной, но в определенных случаях вероятности соседних предысторий только усиливают друг друга. И одну из этих усиленных предысторий мы видим как предысторию объекта.
В случае с кошкой Шрёдингера две возможные предыстории усилили друг друга. В одной кошка отравлена, а в другой — жива. В квантовой теории обе возможности могут существовать вместе. Но некоторые современные философы сбиваются с толку, поскольку косвенно предполагают, что кошка или некий Иешуа Назаретянин могут иметь только одну предысторию.
Спор между сторонниками и противниками абсолютной фундаментальности квантовой теории еще далеко не закончен и изредка разгорается с новой силой, вводя в круг обсуждаемых вопросов весьма необычные и даже фантастические предметы, такие как «квантовое сознание наблюдателя». Все это еще раз подчеркивает, насколько далеки от повседневной действительности современные концепции теоретической физики. Во всяком случае они, так или иначе, во многом противоречат обыденным представлениям об окружающем нас классическом мире. Исходя из этого многие ученые, особенно занимающиеся другими разделами физики, просто считают квантовую теорию очень удачным математическим образом, позволяющим успешно предсказывать исход тех или иных экспериментов в микрофизике.
Глава 3. Тайны застывших звезд
Падение в черную дыру стало одним из ужасов научной фантастики. На самом деле о черных дырах сейчас можно сказать, что это научный факт, а не фантастика. Есть достаточные основания утверждать, что черные дыры должны существовать, и наблюдения четко указывают на присутствие в нашей Галактике множества черных дыр, а в других галактиках их еще больше.
Когда говорят о творческом наследии Хокинга, первым делом упоминают о его гипотезе квантового испарения черных дыр.
Свой рассказ о бездонных провалах Вселенной Хокинг всегда начинал с истории становления Общей теории относительности (ОТО). Дело в том, что Давид Гильберт вывел уравнения гравитационного поля почти одновременно с Эйнштейном, который опередил его всего лишь на пару недель. Поэтому, хотя Гильберт исходил из идей Эйнштейна, главные уравнения общей теории относительности называют уравнениями Гильберта — Эйнштейна. Сам Гильберт всегда подчеркивал приоритет Эйнштейна в создании ОТО. Уравнения Гильберта — Эйнштейна устанавливают количественную связь сил всемирного тяготения с кривизной пространства. Оказалось, что там, где есть поле тяготения, пространство всегда искривлено. И наоборот, пространственная кривизна проявляется в виде сил гравитации. Материальные тела как бы прогибают пространство и катятся по образовавшимся впадинам, минуя выпуклости. И вот что замечательно: из уравнений следует, что искривлено не только пространство, но и… время! Можно сказать, что темп его течения зависит от конкретных физических условий, и он разный в различных областях пространства. В перепадах гравитационных полей время может замедляться, почти замирать или резко ускоряться.
В конце тридцатых годов прошлого века знаменитый впоследствии своим участием в Атомном проекте физик Роберт Оппенгеймер выдвинул гипотезу о том, что ядро массивной звезды будет безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого описываются поверхностью Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь застывшей звездой коллапсара. Но поскольку такой объект не должен излучать электромагнитные волны, то и обнаружить его в космосе будет невероятно трудно. Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, и происходящие внутри застывшей звезды физические процессы не могут влиять на ее окружение. В то же время вещество и излучение, падающие снаружи на коллапсар, свободно проникают внутрь через его горизонт.
Можно сказать, что гравитационный коллапсар все поглощает и почти ничего не выпускает. Собственно говоря, в этом и состоит смысл термина «черная дыра».
Внутри черной дыры располагается нечто грандиозное и загадочное, называемое сингулярностью. Само по себе понятие сингулярность очень трудно сопоставить с реалиями нашей жизни. Слово
Сингулярности возникают, когда звезды находятся в конце жизненного пути, когда ослабевают их внутренние силы. Тогда тяжесть внешней оболочки затухающего светила выигрывает борьбу с потоком ядерного излучения, и звезда начинает стремительно обрушиваться внутрь самой себя. Это звездное «схлопывание» называют гравитационным коллапсом, от латинского collapsus — упавший. В этом случае на месте звезды возникает «гравитационный коллапсар», или черная дыра, иногда ее называют более поэтично — застывшая (замерзшая, темная) звезда.
Плотность сингулярности настолько велика, что в ней нарушаются все физические уравнения. Хокинг называл сингулярные решения, когда они встречались в его моделях Космоса, «проклятием бесконечностей». Избавиться от этого физико-математического недоразумения очень трудно. Эта грандиозная задача не решена до сих пор, Хокинг полагал ее делом науки далекого будущего.
По идее черная дыра должна полностью оправдывать свое название, ведь свет вместе с засасываемой в воронку массой будет закручиваться в замкнутые спирали и навсегда пропадать для внешнего наблюдателя. При этом излучение никак не может вырваться за пределы некоторого горизонта событий. Поэтому одинокую застывшую звезду практически невозможно обнаружить на небосклоне. Другое дело, если рядом с коллапсаром оказываются газопылевые облака, звезды и планеты. Тогда черная дыра начинает прожорливо поглощать все попадающее в ее гравитационные щупальца. Единственное, что при этом остается, — рентгеновское излучение, возникающее при падении космического вещества в бездонный водоворот воронки коллапсара.
Никто еще не видел черную дыру, но астрономы уже давно говорят о застывших звездах как реальных небесных телах. Экзотические коллапсары стали еще более популярными после того, как в семидесятых годах ушедшего столетия видный теоретик Кип Торн опубликовал научно-фантастическую гипотезу о существовании вселенской сети из белых и черных дыр. Белые дыры представлялись вывернутыми наизнанку черными и должны наблюдаться как вспышки космического излучения. Торн предлагал рассмотреть коллапсары, приводящие к «короткому замыканию» пространства и времени. По подпространственным каналам, тянущимся от этих дыр, как по червоточинам, могли бы путешествовать звездолеты будущего, добираясь до самых дальних уголков Метагалактики.
Хокинг одним из первых стал рассматривать историю нашего Мира с началом в крайне загадочной точке пространства-времени под названием «космологическая сингулярность». Эта точка сингулярности соответствует воображаемому начальному моменту расширения наблюдаемой Вселенной — Метагалактики. В этой точке начальное состояние материи характеризовалось совершенно непонятной плотностью энергии, стремящейся к бесконечности. Естественно, бесконечность — понятие математическое, в нашем случае оно просто ограничивает схемы развития Вселенной, которые ученые называют
Что же может таиться в космологической сингулярности и как ее исследовать?
Для ответа на этот вопрос предлагалось немало самых удивительных гипотез рождения Мироздания. Трудно даже перечислить всех физиков, астрономов и космологов, предложивших здесь свои оригинальные идеи. Среди них выделяется оригинальностью подход Стивена Хокинга и Роджера Пенроуза. Фактически они попробовали исключить космологическую сингулярность, считая, что в нулевой момент времени происходит некий «фазовый» переход пространства-времени, и предыдущая вселенная превращается в наш Мир.
Астрофизики давно поняли, что черная дыра излучает как абсолютно черное тело, и это излучение связано с квантовыми флуктуациями виртуальных частиц вакуума. Эти частицы на мгновение расходятся друг от друга и тут же снова сливаются в пары. В поле тяготения черной дыры эти флуктуации могут резонировать, увеличивая амплитуду расхождения частиц. При этом одна из частиц может оказаться внутри сферы Шварцшильда и будет неудержимо падать к ее центру, а другая — вне сферы Шварцшильда, она улетит в космос, унося с собой часть энергии черной дыры. В результате будет возникать «излучение Хокинга», и черная дыра станет испаряться.
Открытие Хокингом квантового испарения черных дыр произвело настоящую сенсацию среди астрофизиков-теоретиков. Между тем, на практике черные дыры продолжали оставаться такими же ненаблюдаемыми, как и раньше. Объясняется это тем, что черные дыры являются неустойчивыми объектами и при своем образовании попросту исчезают из нашей Вселенной. Другое дело, что в области виртуальной геометрии вакуумные частицы могут резонировать так же, как и на обычной сфере Шварцшильда. Но этот резонанс никак не связан с гравитационным коллапсом звезд. С гораздо большим основанием его можно отнести к обычным квантовым скачкам реальных элементарных частиц из одной точки пространства в другую. А вот выбрасывание остатков вещества коллапсирующей звезды в другие вселенные действительно можно рассматривать как квантовое испарение черной дыры. Но такое испарение не имеет никакого отношения к резонансу вакуумных частиц.
Горизонт событий черной дыры считается последним рубежом: попав за его пределы, ничто не может покинуть черную дыру, даже свет. Но касается ли это информации как таковой? Будет ли она навсегда утеряна в черной дыре, как и все остальное?
Эти вопросы относятся к т. н. информационному парадоксу черных дыр, тесно связанному с излучением коллапсаров, их испарением и другими парадоксами темных звезд. Однако, когда на семинаре по гравитационному коллапсу, черным дырам и гравитационным сингулярностям профессор Хокинг подходил к теме информационного парадокса, он прежде всего обращался к понятию информации.
Когда мы думаем о напечатанных в книге словах, количестве битов и байтов в компьютерном файле или конфигурациях и квантовых свойствах составляющих систему частиц, мы думаем об информации как о полном комплекте всего необходимого для воссоздания чего бы то ни было с нуля.
Однако такое традиционное определение информации не является непосредственным физическим свойством, которое можно измерить или вычислить, как, например, это можно сделать с температурой. К счастью для нас, существует физическое свойство, которое мы можем определить как эквивалентное информации, — энтропия. Вместо того чтобы считать энтропию мерой беспорядка, о ней следует размышлять как о «недостающей» информации, необходимой для определения конкретного микросостояния какой-либо системы.
При поглощении массы черной дырой количество энтропии вещества определено его физическими свойствами. Однако внутри черной дыры значение имеют только такие свойства, как масса, заряд и угловой момент. Для сохранения второго закона термодинамики это представляет серьезную проблему.
Во Вселенной есть определенные правила, которым должна следовать энтропия. Второй закон термодинамики можно назвать самым нерушимым из них: возьмите любую систему, не позволяйте ничему в нее попасть или выйти из нее — и ее энтропия никогда внезапно не уменьшится.
Разбитое яйцо не собирается обратно в скорлупу, теплая вода никогда не разделяется на горячую и холодную части, а пепел никогда не собирается в форму объекта, которым он был до того, как сгорел. Все это было бы примером уменьшающейся энтропии, и, очевидно, ничего такого в природе не происходит само по себе. Энтропия может оставаться одинаковой и увеличиваться при большинстве обстоятельств, но она никогда не может вернуться в более низкое состояние.
Единственный способ искусственно уменьшить энтропию — ввести в систему энергию, тем самым «обманув» второй закон термодинамики, увеличивая внешнюю по отношению к этой системе энтропию на большее значение, чем она уменьшается в этой системе. Уборка в доме — отличный пример. Другими словами, от энтропии невозможно избавиться.
Так что же происходит, когда черная дыра кормится веществом? Давайте представим, что мы бросили книгу в черную дыру. Книга содержит информацию, но, когда вы кидаете ее в черную дыру, то только увеличиваете ее массу. Изначально, когда ученые начали изучать эту проблему, считалось, что энтропия черной дыры равна нулю. Но если бы это было так, попадание чего-либо в черную дыру всегда нарушало бы второй закон термодинамики. Что, конечно, невозможно.
Масса черной дыры — единственный определяющий фактор радиуса горизонта событий для невращающейся, изолированной черной дыры. В течение долгого времени считалось, что черные дыры — это статичные объекты в пространстве-времени Вселенной.
Но как вычислить энтропию черной дыры?
Эту идею можно проследить до Джона Уилера, размышлявшего о том, что происходит с объектом при падении в черную дыру с точки зрения наблюдателя вдалеке от горизонта событий. С большого расстояния нам бы казалось, что падающий в черную дыру человек асимптотически приближается к горизонту событий, все больше и больше краснея из-за гравитационного красного смещения и бесконечно долго двигаясь по направлению к горизонту из-за эффекта релятивистского замедления времени. Таким образом, информация от чего-либо, упавшего в черную дыру, осталась бы «зашифрованной» на ее поверхности.
Это элегантно решает проблему и звучит разумно. Когда что-то падает в черную дыру, ее масса увеличивается. При увеличении массы увеличивается и ее радиус, а значит, и площадь поверхности. Чем больше площадь поверхности, тем больше информации можно зашифровать.
Это означает, что энтропия черной дыры вовсе не нулевая, а как раз наоборот — огромная. Несмотря на то что горизонт событий относительно мал по сравнению с размерами Вселенной, количество пространства, необходимое для записи одного квантового бита, мало, а значит, на поверхности черной дыры можно записать невероятные объемы информации. Энтропия увеличивается, информация сохраняется, а законы термодинамики сохраняются. Можно расходиться, так?
На поверхности черной дыры могут быть закодированы биты информации, пропорциональной площади поверхности горизонта событий.
Не совсем. Дело в том, что, если черные дыры обладают энтропией, у них должна быть и температура. Как и в случае с любым другим объектом с температурой, от них должно исходить излучение.
Хокинг продемонстрировал: черные дыры испускают излучение в определенном спектре (спектр абсолютно черного тела) и на конкретной температуре, определенной массой черной дыры. Со временем это излучение энергии приводит к потере черной дырой ее массы, согласно известному уравнению Эйнштейна: E=mc2. Если энергия испускается, она должна откуда-то исходить, а это «где-то» должно быть самой черной дырой. Со временем черная дыра будет терять свою массу быстрее и быстрее и в один момент — в далеком будущем — она полностью испарится в яркой вспышке света.
Но если черная дыра испаряется в излучении абсолютно черного тела, определенном только ее массой, что же происходит со всей информацией и энтропией, записанной на ее горизонте событий? Ведь нельзя просто уничтожить эту информацию?
Это корень информационного парадокса черных дыр. Черная дыра должна обладать высокой энтропией, включающей в себя всю информацию о том, что ее создало. Информация о падающих в нее объектах записывается на поверхности горизонта событий. Но при распаде черной дыры посредством излучения Хокинга горизонт событий исчезает, оставляя за собой только излучение. Это излучение, как предполагают ученые, зависит только от массы черной дыры.
Представим, что у нас есть две книги — об абсолютной бессмыслице и «Граф Монте-Кристо» — содержащие разные объемы информации, но идентичные по массе. Мы кидаем их в идентичные черные дыры, от которых ожидаем получить эквивалентное излучение Хокинга. Для стороннего наблюдателя все выглядит так, будто информация уничтожается, а учитывая то, что мы знаем об энтропии, это невозможно, так как нарушило бы второй закон термодинамики.
Если мы сожжем эти две книги одинакового размера, то вариации молекулярных структур, порядок букв на бумаге и другие мелкие различия содержали бы в себе информацию, при помощи которой мы могли восстановить информацию в книгах. Она может прийти в полный беспорядок, но сама по себе никуда не денется. Тем не менее информационный парадокс черных дыр представляет собой реальную проблему. Как только черная дыра испаряется, от этой изначальной информации не остается ни следа в наблюдаемой Вселенной.
Симулированный распад черной дыры приводит не только к испусканию излучения, но и распаду центральной вращающейся массы, удерживающей стабильность большинства объектов. Черные дыры — нестатичные объекты, изменяющиеся со временем. Однако на горизонтах событий черных дыр, сформировавшихся из разных материалов, должна сохраняться разная информация.
Этот парадокс представляет серьезную проблему для физики. Тем не менее есть два варианта его возможного решения:
1. Информация полностью уничтожается при испарении черной дыры, а значит, с этим процессом связаны новые физические законы.
2. Испускаемое излучение каким-то образом содержит в себе эту информацию, следовательно, излучение Хокинга представляет собой нечто большее, чем известно науке.
Большинство людей, работающих над этой проблемой, считают, что должен существовать некий способ, при помощи которого сохраненная на поверхности черной дыры информация «отпечатывается» в исходящем излучении. Однако никто пока не знает, как именно это происходит. Возможно, информация на поверхности черной дыры вносит квантовые поправки в исключительно тепловое состояние излучения Хокинга? Может быть, но это пока не доказано. На сегодня есть множество гипотетических решений этого парадокса, но ни одно из них еще не было подтверждено.
Информационный парадокс черных дыр не зависит от того, является ли природа квантовой Вселенной детерминистической или недетерминистической, какую квантовую интерпретацию вы предпочитаете, существуют ли скрытые переменные и множества других аспектов природы реальности. И хотя многие предложенные решения включают голографический принцип, пока неизвестно, играет ли он какую-то роль в итоговом решении парадокса.
Глава 4. Спор о космической цензуре
Если исходить из здравого смысла, то большая звезда неизбежно коллапсирует в черную дыру. Однако, согласно некоторым теоретическим моделям, вместо этого она может превратиться в так называемую голую сингулярность. Выяснение того, что же происходит в действительности, — одна из наиболее важных нерешенных задач астрофизики.
В сентябре 2007 года Кембриджский университет облетела необычная новость: физик Маркус Вернер решил бросить вызов «гениальному тандему» теоретиков — Роджеру Пенроузу и Стивену Хокингу Профессор Вернер рискнул опубликовать в престижнейшем журнале
Британский ученый предположил, что в глубинах космоса при определенных условиях каннибализм черных дыр может привести к их перерождению в ужасающие «голые сингулярности».
В «обычной» сингулярности могут происходить всевозможные неизвестные науке процессы, которые никак не влияют на внешний мир. Но все это справедливо лишь для «закрытых» сингулярностей. Космологическая сингулярность открыта по своей сути, и может даже оказаться, что мы живем внутри своеобразной черной дыры.
Принципиальную невозможность разглядеть внутренности черной дыры Роджер Пенроуз окрестил в конце 60-х годов прошлого века «космической цензурой». Против космических цензоров решительно выступила группа ученых, возглавляемая индийским космологом Панкаджем Джоши. Он считал, что достаточно массивная звезда может, безудержно проваливаясь внутрь самой себя под действием силы тяжести, породить самую настоящую голую сингулярность.
Идеи Пенроуза и Джоши объединил и развил профессор Хокинг. Он считал, что в случае голой сингулярности вещество и излучение могут как попадать внутрь, так и уходить из нее, в то время как для обычной сингулярности движение возможно только в одну сторону. Таким образом, существует принципиальная возможность подобраться к обнаженной сингулярности достаточно близко, чтобы детально исследовать ее структуру. Между тем существование голых сингулярностей оказало бы очень важное влияние на современную физику.
Дело в том, объяснял профессор Хокинг, что у обнаженных сингулярностей нет сдерживающего барьера, горизонта событий. Это означает, что загадочные процессы, происходящие вблизи этих бездонных (в буквальном смысле) провалов пространства-времени, могли бы вторгнуться во внешний мир, неузнаваемо изменив Вселенную.
Таким образом, решив загадку природы сингулярного состояния материи, наука будущего не только выяснит, как произошло «нечто», подтолкнувшее досингулярную материю к рождению нашего Мира, но и откроет новые перспективы в познании окружающей нас физической реальности. Ведь кроме вселенской космологической сингулярности теоретически могут существовать и ее «младшие сестры», спрятанные внутри замерзших звезд, ядер галактик и даже элементарных частиц.
Еще один подход к исследованию космических сингулярностей профессор Хокинг предложил в цикле научных работ, созданных в конце прошлого века. Там он описывал самое глубокое дно окружающей реальности. И состоит этот «пол подвала Мироздания», по его мнению, из плетения сверхмалых струн. Подобно звукам музыки колебания этих струн образуют элементарные частицы — основу всего сущего вокруг нас.
Конечно, даже развитому физико-математическому воображению Стивена Хокинга непросто представить, как сотканная из струн мембрана нашей Вселенной парит в безбрежном океане подпространства. В этой модели Мироздания и сам Большой взрыв, возможно, был результатом взаимодействия соседних мембран. Этот сценарий казался профессору Хокингу настолько привлекательным, что он рассчитывал развить его вместе со своим коллегой Пенроузом в схему с бесконечной чередой мембранных столкновений. После взрывного взаимодействия мембраны расходятся и начинают расширяться с убывающей скоростью. Так, по Хокингу, начиналась история нашего Мира….
Еще совсем недавно у физиков существовало своеобразное «табу» на исследование пространства и времени за границей рождения Вселенной. Сейчас уже возникло довольно много теорий, описывающих, как могло выглядеть то очень таинственное нечто, в чем и возник наш Мир. Во-первых, это, конечно же, должно быть не обычное состояние иного пространства-времени. Ведь в нашей повседневной реальности вокруг нас не рождаются новые Вселенные! И даже если бы это происходило, то мы просто бы перенесли вопросы рождения Мироздания в эту старую Вселенную, а потом в еще более старую, и так далее. В математике такой процесс хождения по кругу одних и тех же понятий носит название «дурная бесконечность», и он по определению не способен дать чего-либо нового познанию. Поэтому физики и рассматривают среду, где возник наш Мир, как сверхпространство со многими измерениями.
Тут возникает очень любопытная логическая головоломка. Ведь если геометрического центра Большого взрыва не существует, и он происходил, а по некоторым теориям и происходит, «повсюду», то где-то вокруг нас и спрятано сверхпространство. Первые подозрения высказал Хокинг, обратив внимание на так называемые сугубо квантовые объекты.
Если представить наше Мироздание состоящим из этажей — масштабов, то обитать эти удивительные частицы будут на дне подвала, где-то вблизи самого фундамента Мира. Там, в кажущейся пустоте вакуума непрерывно бушуют штормы физических полей, периодически заставляя его выплескивать энергию — флуктуировать на более высокие масштабные этажи материи. При этом в сверхпространстве возникает вереница возмущений, чем-то напоминающих пузырьки в пенящейся жидкости. Внутри каждого такого пузырька существует особенный мир и течет собственное время, стрелка которого летит краткий миг от рождения до «схлопывания». Подавляющая доля таких миров-пузырьков имеет невообразимо малый период существования, но при этом они успевают проявить себя как полноценные замкнутые минивселенные.
Подойдя к образу подобных сверхмалых миров, профессор Хокинг задался вопросом: что же задержало в свое время квантовый пузырек нашей Вселенной от практически мгновенного схлопывания? Он считал, что здесь мог проявиться своеобразный эффект
Естественно, что грандиозность масштаба таких взрывных процессов, скрывающихся в окружающем нас Мире, вызывают очень много вопросов к этой новой космологии, называемой сценарием Хокинга — Пенроуза.
Сам Хокинг неоднократно отмечал, что исторический опыт науки, особенно последних десятилетий, показывает плодотворность подобных попыток заглянуть за границу известного. По его словам, в последние годы возникло много новых космологических сценариев Большого взрыва и даже досингулярного периода. Разумеется, все они сугубо умозрительны и по-научному спекулятивны, однако среди них встречаются и оригинальные взгляды на возникновение окружающей физической реальности. Среди подобных концепций выделяются космологические модели, основанные на математической теории симметрий, предсказывающие, что сразу же после генерации Вселенной в катаклизме первичной флуктуации, она могла разделиться на две части.
Материальная составляющая этих половинок Мира во всех отношениях должна быть подобна, так что взаимодействовать между собой они могли исключительно гравитационными полями. Ведь все иные силовые поля, связанные с сильным, слабым и электромагнитным взаимодействием, имеют разную природу и принципиально не взаимодействуют друг с другом.
Глава 5. Темные стороны мироздания
Я не согласен с мнением, что Вселенная — это загадка, нечто не поддающееся пониманию и анализу, то, о чем можно получить лишь интуитивное представление. Я чувствую, что такое воззрение несправедливо по отношению к научной революции во всех областях мироздания, начатой почти четыреста лет назад Галилеем и продолженной Ньютоном. Два этих гения наглядно показали, что, по крайней мере, некоторые части Вселенной ведут себя не произвольным образом, а подчиняются точным математическим законам.
В своих научных популяризациях, подобных «Краткой истории времени», Хокинг постепенно подводил читателей к современной картине Мира. До 1915 года пространство и время воспринимались как некая жесткая арена для событий, на которую все происходящее никак не влияет. Так обстояло дело даже в специальной теории относительности. Тела двигались, силы притягивали и отталкивали, но время и пространство просто оставались самими собой, их это не касалось. И было естественно думать, что пространство и время бесконечны и вечны.
В общей же теории относительности ситуация совершенно иная. Пространство и время теперь динамические величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структура пространства-времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуют силы. Пространство и время не только влияют на все, что происходит во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего в ней происходящего. Как без представлений о пространстве и времени нельзя говорить о событиях во Вселенной, так в общей теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной.
Одним из самых удивительных парадоксов современного естествознания является то, что мы совершенно не знаем, из чего состоит подавляющее большинство массы окружающей нас материи. В середине прошлого века у астрономов стала крепнуть уверенность, что в глубине космоса происходит что-то непонятное, связанное с наличием некоей скрытой массы Метагалактики, названной впоследствии темной материей. С тех пор в стане астрономов, космологов и астрофизиков не утихают споры по поводу происхождения и природы темной материи.
В этой полемике всегда активно участвовал и Хокинг. Он широко обсуждал парадоксы вращения гигантских спиральных галактик. Вместе с бывшим королевским астрономом Мартином Рисом он написал работу о далеких галактиках. В ней представлены «звездные острова» Метагалактики в образе своеобразных галактических центрифуг, выбрасывающих массу легкого межзвездного водорода на периферию. Так вот, спектральное излучение подобных микроскопических спутников, окутывающих окраины галактик, показывает, что вращаются они гораздо быстрее, чем следовало бы. Получается, что галактические частицы вращаются не как планеты Солнечной системы — по законам Кеплера, а как части некоего пространственного галактического твердого тела, «цементируемого» гравитацией неизвестной материи.
После исследований Риса и Хокинга среди большинства ученых утвердилось мнение, что именно скрытая масса вместе с еще более таинственной темной энергией возникла почти сразу же после Большого взрыва, когда еще не существовало знакомых нам элементарных частиц и полей. Масло в огонь споров о сущности темной материи добавило открытие конца прошлого века, наглядно показавшее, что галактики, как осколки Большого взрыва, не только не замедляют свой разбег, двигаясь «на излете», а наоборот, продолжают наращивать скорость. Все это ученые связывают именно с влиянием неизвестных «темных» частиц, наполняющих Вселенную.
Незадолго до ухода Хокинг писал, что несмотря на очень большое количество исследований, сказать что-то более-менее определенное о материальной основе нашего мира очень трудно. Ведь «скрытая масса» очень слабо взаимодействует с различными видами излучения, такими, как радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолет. Однако, как и «нормальная» материя, темная составляющая Вселенной обладает вполне определенной массой, взаимодействующей гравитационным образом с обычной материей звезд, планет, малых небесных тел и газопылевых туманностей.
С этой точки зрения все чаще предлагаются сценарии ранней эволюции нашего Мира, в которых темная материя играет важнейшую роль первичных гравитационных зерен. Именно подобные «темные гравиконцентраты» могли бы вызвать локальное увеличение пространственной плотности энергии. Избыточная плотность гравитации в таких областях новорожденного Мира притягивала бы к себе все окружающее вещество, превращая в зародыши будущих галактик.
Сегодня большинство астрофизиков сходится на том, что масса невидимой материи Вселенной далеко не ограничивается скрытой от нас массой обычных небесных тел и распыленного вещества, а склонны добавлять к ней и совокупную массу все еще не открытых видов элементарных частиц. Они даже получили специальное название — «массивные частицы слабого взаимодействия». Теоретически они не должны проявлять себя во взаимодействии со световым и прочим электромагнитным излучением, а наша Галактика может быть со всех сторон облачена сферической оболочкой из таких частиц. Земля, в силу своего движения, должна постоянно находиться под воздействием «ветра скрытых частиц», и вполне возможно, что с течением времени одна из частиц такого «темного ветра» вступит во взаимодействие с одним из земных атомов и возбудит колебания, необходимые для ее регистрации.
Лаборатории, проводящие подобные эксперименты, уже сообщают о том, что получены первые намеки на подтверждение реального существования шестимесячного полупериода колебания частоты регистрации сигналов об аномальных событиях подобного ряда. Именно этого и следовало ожидать, поскольку полгода Земля движется по околосолнечной орбите навстречу ветру скрытых частиц, а в следующие полгода ветер дует «вдогонку», и частицы залетают на Землю реже.
Главная проблема тут в том, что еще до формирования атомов, на протяжении примерно первых трехсот тысяч лет после Большого взрыва, Вселенная пребывала в протоплазменном состоянии. Любое ядро привычной нам материи распадалось, не успев сформироваться, под мощнейшими энергиями бомбардировки со стороны перегретых частиц раскаленной, сверхплотной, непрозрачной плазмы. После того как Вселенная расширилась до некоторой степени прозрачности разделяющего вещество пространства, начали, наконец, формироваться легкие атомные ядра. Но к этому моменту Вселенная расширилась уже настолько, что силы гравитационного притяжения не могли противодействовать кинетической энергии разлета осколков Большого взрыва, и все вещество, по идее, должно было бы разлететься, не дав сформироваться устойчивым галактикам, которые мы наблюдаем. В этом и состоит смысл своеобразного галактического парадокса, долгое время ставившего под сомнение саму теорию Большого взрыва.
Вопрос существования темной материи до последнего времени вызывал ожесточенные споры среди ученых. Одни говорили, что это призрачный миф, другие, напротив, считали ее существование вполне закономерным. Необходимы были убедительные доказательства наблюдения этой невидимой субстанции, и одна из первых попыток была сделана при помощи рентгеновской космической обсерватории «Чандра» в исследованиях гравитационного взаимодействия скоплений галактик. Эти грандиозные космические структуры образовались сотни миллионов лет назад и в результате взаимного проникновения отдельных галактик стали пронизывать друг друга со скоростью около 5000 км / c, чтобы, в конце концов, предстать в нынешнем виде. При проникновении таких больших масс друг в друга неизбежны гравитационные флуктуации, изменяющие направление и скорость движения отдельных членов скопления и газовых облаков.
Но какие частицы составляют темную материю, пока неизвестно. Можно лишь утверждать, что это не обычные частицы, из которых состоят окружающие нас предметы, а также планеты, звезды (и мы сами); то есть это не протоны, не нейтроны и не электроны. Фундаментальная физика может предложить на роль частиц темной материи только гипотетические частицы, которые никогда еще не наблюдались в лаборатории. Они должны быть, скорее всего, довольно массивными, в тысячи раз превышая массу протона. Они не должны обладать электрическим зарядом и вообще участвовать в электромагнитном взаимодействии, им разрешено только слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад атомных ядер и, конечно, гравитационное.
Еще более странной субстанцией, чем темная материя, является темная энергия. В отличие от сгустков массивных частиц слабого взаимодействия темная энергия «разлита» по всей нашей Вселенной, равномерно заполняя и скопления галактик, и пустые межгалактические провалы космоса. Самое необычное — то, что темная энергия в определенном смысле связана с антигравитационным воздействием. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что, начиная с недалекого прошлого, Вселенная начала расширяться с возрастающим ускорением, как если бы включился некий гипотетический генератор антигравитации. Обычная гравитация с течением времени должна была бы приводить к обратному эффекту замедления разбегания галактик.
Правда, существуют и иные объяснения ускоренного расширения нашего Мира, исходящие из предположения, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такие гипотезы ведут к далеко лежащим выводам об определенной ограниченности самой общей теории относительности. По-видимому, если ее обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.
К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных.
Прежде считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создается не галактиками (с их обычным светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей особой космической энергией, в которую погружены все галактики, — темной энергией.
Темная энергия темна по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима — не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.
Эта универсальная константа была введена в космологию Эйнштейном, когда он применил только что созданную им общую теорию относительности к изучению Мира, рассматриваемого как некое единое целое. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статичную, вечную и неизменную физическую систему.
Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу… отсутствовало. Ньютоновское всемирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал еще один силовой фактор — всемирное антитяготение, которое полностью компенсировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.
Поделиться книгой: