Итак, почему же ночью темно? Этим вопросом закончилось «историческое» введение в главную тему нынешнего номера в прошлом выпуске журнала. В самом деле, хотя ночью наша сторона Земли отвернута от Солнца, но ведь во Вселенной и кроме Солнца есть еще бесчисленные звезды и галактики. И как бы слабо они ни светили, суммарная яркость их света должна быть… бесконечной? Вроде бы да. Вроде бы ночное небо должно быть, мягко говоря, ослепительно ярким.
Почему же все-таки ночью темно? Оказывается, потому что у времени есть «край». Что это такое? Как это понимать? Что, у времени есть конец? Или начало? И какое отношение это имеет к тому, что ночью темно? Развернутые ответы на эти вопросы и дают представление о наших сегодняшних знаниях о времени.
Экскурсия первая: время мегамира.
Да, по сегодняшним представлениям у времени есть начало. Это начало — Биг Бэнг, то гигантское событие, с которого началась история нашей Вселенной, тот момент, когда она «родилась». Одни говорят, что это произошло в результате «взрыва» праатома, другие утверждают, что это было разворачивание из себя некой «сингулярности», третьи предполагают, что это было соударение двух «параллельных вселенных».
Как бы то ни было, наша Вселенная с ее временем началась в какой-то момент. Стало быть, с этого момента началось также само время. До этого его не было. Оно возникло вместе с миром. Время, как и пространство, как бы дается нам «в придачу» к миру. С момента рождения мира его время начинает «течь», его пространство — расширяться.
Скорость такого расширения пространства не ограничена ничем, даже скоростью света. Ибо скорость света ограничивает движение только материальных тел, а пространство — не тело. А раз так, то в начальные миги существования Вселенной оно претерпело, как утверждает теория, такое стремительное расширение, которое сделало Вселенную много-много больше тех нынешних 10 миллиардов световых лет, куда достигают наши телескопы. Ученые полагают, что это — только ничтожная часть нашей Вселенной, а она — лишь ничтожная часть огромной грозди вселенных, каковая образовалась из этого самого «праатома» или «сингулярности» за те 13-14 миллиардов лет, которые прошли с «рождения» Вселенной.
Подавляющая часть звезд и галактик находится на таком расстоянии от нас, с которого свет придет только через миллиарды миллиардов лет. За прошедшие 13-14 миллиардов лет их свет еще не успел прийти к нам. Ему не хватило времени. Эти звезды и галактики, от которых свет еще не пришел к нам, находятся как бы за «краем времени», если определить этот «край», как те 13-14 миллиардов лет, которые существует Вселенная.
Те звезды и галактики, от которых свет уже успел за это время к нам прийти (то есть те, которые не ушли за «край времени»), составляют ничтожную часть всего бесконечно большого числа звезд и галактик во Вселенной. Поэтому и яркость их света вполне конечна. Более того, она ничтожно мала. Поэтому ночью темно. Вот если бы свет распространялся мгновенно, как думал Ньютон и все прочие до Эйнштейна, тогда да — тогда мы должны были бы видеть сразу все звезды и галактики во всей Вселенной, и ночное небо было бы бесконечно ярким.
Как видите, темнота ночного неба, этот «парадокс Ольберса», по имени немецкого астронома XIX века, напрямую связан с фундаментальными представлениями современной теории «Мегамира», а проще говоря — Вселенной. Этими представлениями мы опять-таки обязаны Эйнштейну. Воистину он — великий нарушитель спокойствия.
Стоило нам. хотя бы мысленно, двинуться с места на околосветовых скоростях, и природа открылась во всей своей истинной и жутковатой сложности. Длительность одного и того же промежутка времени в разных инерциальных системах оказалась различной, одновременность — своей для каждой из них, само время — неразрывно связанным с пространством, чем-то вроде еще одного, четвертого измерения.
Так родились и наши представления о «мегавремени», то бишь о свойствах времени в мегамасштабе. Оказалось, что они весьма не похожи на свойства того времени, которое показывают наши наручные часы. Главное среди этих отличий состоит в фундаментальном факте зависимости течения («хода») времени не только от движения системы отсчета, с которой связан наблюдатель, но также от гравитационного поля в той точке пространства, где он находится.
Почему же мы этой зависимости никогда не замечаем? Тут снова виной ограниченность нашего житейского опыта. Пока мы живем на поверхности крохотной планетки и имеем дело с предметами обычной массы, нам кажется, что поток вселенского времени не замечает гравитационных рытвин, рассеянных на своем пути. И действительно, не замечает — уж очень они малы. Но стоит нам задуматься — вместе с Эйнштейном — над свойствами мегавремени, иначе говоря, стоит поднять взор свой от ничтожного к великому, от наших будней к торжественно-величавому космосу, как тотчас становится очевидно, что чем массивнее такое тело, тем медленней в его окрестностях течет время.
Сегодня все это уже не гипотеза, а теория. Точно так же, как предсказания специальной теории относительности касательно зависимости течения времени от скорости движения, так и новые предсказания общей теории относительности касательно зависимости хода времени от гравитационного поля тоже проверены на практике и тоже подтвердились.
Впрочем, гравитационное «замедление» времени можно и увидеть. Природа позаботилась о создании устройства, которое самым наглядным и убедительным образом демонстрирует любому желающему этот эффект — и даром. Устройство это называется «черная дыра».
Экскурсия вторая: время черных дыр
О черных дырах впервые заговорили более шестидесяти лет назад. С тех пор утекло много воды, и уже появились толковые и подробные научные путеводители по этим достопримечательностям космоса (лучшая из них, на мой взгляд, — книга Кипа Торна «Черные дыры и туннели во времени»), и сегодня мы можем отправиться в эти «естественные лаборатории времени» во всеоружии надежных знаний. Прежде всего необходимо напомнить, что это вообще такое — «черная дыра».
Всякая достаточно тяжелая звезда, израсходовав все запасы внутреннего термоядерного топлива, обязательно рухнет («коллапсирует») внутрь самой себя, сбросив часть своего вещества в космос и собрав всю оставшуюся массу в очень небольшом объеме. Тогда где-то вблизи ее поверхности гравитационное притяжение станет таким огромным, что не позволит световым «частицам»-фотонам вырваться в космическое пространство, это понял еще в XVIII веке философ-ньютонианец Митчелл.
Это критическое расстояние называется «радиусом Шварцшильда», а сфера, описанная этим радиусом вокруг такой коллапсировавшей звезды, именуется «горизонтом», потому что все, что находится «за ней» (в данном случае — внутри нее), снаружи нельзя увидеть: оттуда не выходит ни один фотон света, ни одна частица вещества, ничего, что доставляло бы информацию о происходящем внутри. Все, что туда упало, все равно как пропало, — это бездонная дыра и к тому же черная, как смоль: все поглощает и ничего не излучает.
Теперь выберем себе одну, типичную черную дыру и мысленно перенесемся в ее окрестности. Разделимся на две группы: одна, поместившись в космическом челноке, начнет спуск к черной дыре, а другая останется вдали от нее, в космическом корабле, чтобы наблюдать за происходящим.
По мере приближения челнока к «черной дыре» гравитационное поле вокруг него будет нарастать, и, согласно Эйнштейну, ход часов на челноке будет все более замедляться сравнительно с ходом таких же часов на корабле. Приборы показывают, что сердца космонавтов бьются вдвое реже. Они сообщают, что у них прошел день, тогда как у нас — два. Что же будет дальше? С каждым следующим метром спуска челнок виден все слабее, потому что вся энергия излучаемого им света уходит на то, чтобы выбраться из гравитационной ямы черной дыры.
Но вот челнок приблизился к «горизонту» на расстояние меньше одного сантиметра! Ход времени на нем замедлился в сравнении с корабельным в миллион раз! Но что это? Он поблек настолько, что совсем пропал из глаз. Он слился с черной сферой, заполняющей горизонт! Мы так и не увидим, что произойдет с ним и с его пассажирами в тот момент, когда он наконец пересек горизонт. Утешимся тем, что мы и не могли этого увидеть никогда по той простой причине, что вблизи «горизонта» ход времени замедляется настолько, что на прохождение этого последнего сантиметра челноку — по нашим часам — потребовалось бы бесконечно большое время. Да, бесконечно большое — ведь на самом «горизонте», согласно формулам теории относительности, время останавливается вообще!
Стрелкой отмечена траектория движения черной дыры XTEJ1118 + 480 за последние 230 миллионов лет. Светящаяся точка в левой части рисунка – наше Солнце
При столкновении двух галактик расположенные в их центре черные дыры сливаются. В результате возникают гравитационные волны, ненадолго деформирующие пространство. Немецкие исследователи смоделировали распространение этих волн.
Но что же все-таки стало с нашими героями и мучениками науки? Перенесемся мысленно в их корабль. С их точки зрения, корабельные часы идут, как и шли, зато ход времени на Земле непрерывно ускоряется, частота идущих оттуда радиоволн сдвигается сначала в световой, а потом в ультрафиолетовый и даже рентгеновский диапазон, звуки убыстряются до писка и исчезают в ультразвуковом диапазоне. Со все возрастающей скоростью челнок устремляется вниз, к центру дыры, а приливные силы нарастают до такой степени, что уже не разобрать, где тут верх, где низ, все рвется и крошится до атомов, крошатся уже и сами атомы, и составляющие их микрочастицы — там, в глубинах черной дыры, не может существовать никакое вещество, там беснуется хаос, там исчезает самое пространство, превращаясь в то, что физик Уилер назвал «вероятностной пеной»…
А что со временем? Оно еще существует? Можно спросить, сколько времени будет продолжаться это безумное падение? Спросить можно — ответить труднее. На первый взгляд, расстояние от «горизонта» до центра черной дыры известно — это радиус Шварцшильда. Но на второй взгляд, становится понятно, что это не так. Ведь дыра образовалась за счет того, что звезда провалилась внутрь самой себя. Представьте себе, что вы кладете тяжеленный шар на поверхность туго натянутого резинового листа, что произойдет? Шар, если он достаточно тяжел, продавит лист и начнет уходить вниз до тех пор, пока натяжение резины не уравновесит тяжесть шара.
В случае черной дыры «лист» — это пространство, у которого нет упругости и которое поэтому не может остановить проваливающуюся в него массу звезды, стало быть… Стало быть, масса эта рухнет на бесконечную глубину!
Можно было бы сказать, что расстояние от «горизонта» до центра дыры бесконечно, но — есть одно «но»: мы не знаем, что там, в этом центре. Теоретически говоря, существуют две возможности: либо вся масса звезды стянулась в безразмерную точку, так называемую сингулярность, либо она уплотнилась до какого-то конечного размера. В первом случае расстояние до центра действительно бесконечно, а сам этот центр — действительно «особая точка», ибо там нет уже не только пространства, но и времени, там кончается все, включая сами законы природы, это «край мира». Во втором случае время там сохраняется, но в таком виде, что, как говорится, мать родная его не узнает — оно становится мнимым! Но есть еще и возможность третья: время вблизи центра черной дыры деформируется, оно искривляется, как червячная передача, как архимедов винт в мясорубке, и превращается в узкий туннель, сквозь который брезжит что-то неясное.
Чтобы выяснить, что там, следует спуститься уже не к горизонту черной дыры, а к самому ее центру, в его микроокрестности. Там, в этом микромире, свойства времени оказываются совершенно иными, нежели в макро- или мегамире. Там и только там мы сможем узнать, есть ли у времени «конец», может ли оно стать мнимым, способно ли образовать туннель в неизвестность.
Экскурсия третья: время микромира
С помощью наружных наблюдений узнать, что в недрах черной дыры, нельзя: «горизонт» скрывает доступ к «сердцу тьмы», а приборы, даже если бы добрались к центру дыры, не могли бы передать собранную там информацию из-за того же «горизонта», который ничего не выпускает наружу. Воистину перед этим невидимым занавесом можно было бы написать вслед за Данте: «Оставь надежду, всяк сюда входящий!».
Если там. внутри таится сингулярность, то есть вся масса звезды, что схлопнулась в безразмерную точку, тогда плотность вещества в этой точке — бесконечна. Как мы уже знаем, свойства времени и пространства зависят от плотности вещества. Пространство искривляется возле мест с высокой плотностью, время возле них замедляет свой ход. А там, где эта плотность становится бесконечной, «радиус кривизны» пространства и «скорость хода» времени должны обратиться в нуль. Иными словами, пространство и время должны попросту исчезнуть. Следовательно, сингулярность — это предельная граница пространства и времени. Дальше продвинуться нельзя. Дальше просто нет ничего — ни пространства, ни времени, ни вещества.
Физики не зря не любят бесконечностей. Везде, где появляются бесконечности, появляются трудности: формулы теряют смысл, законы неприменимы, пространственно-временные описания невозможны. В данном случае затруднения имеют принципиальный характер. Согласно теории тяготения Эйнштейна, взрыв, в результате которого Вселенная родилась, произошел в точке, в которой была сконцентрирована вся масса будущей Вселенной, иными словами — во «вселенской сингулярности». В самое последнее время некоторые физики, пытаясь избегнуть этой трудности, предложили принципиально иной сценарий рождения Вселенной — без всякой сингулярности и Биг Бэнга, «просто» в результате периодических соударений нашего пространства-времени с параллельным ему.
Так ученые представляли атомарную природу материи. 1. Левкипп, Демокрит (300 г. до н. э.); 2. Томсон (1900 г.); З.Резерфорд (1910 г.); 4. Бор, Зоммерфельд (1920 г.); 5. Гейзенберг, Шредингер (1926 г.); 6. В 1982 году с помощью растрового туннельного микроскопа удалось впервые увидеть атомы
Растровый туннельный микроскоп позволил заглянуть в микромир. Слева: атомы натрия и йода на медной подложке. Справа: «стена» из атомов железа на медной подложке
Ситуация усугубляется тем, что, по некоторым теориям, наша Вселенная при наличии в ней достаточной массы должна пройти в будущем период наибольшего расширения и начать сжиматься под действием взаимного притяжения собственных масс. Этот процесс должен закончиться так называемым Большим Хрустом («Биг Кранч»), то есть коллапсом сжимающейся Вселенной в такую же сингулярность, из которой она когда-то родилась. Правда, некоторые физики считают, что такое сжатие, если оно наступит, не будет вполне симметрично расширению, но это уже частности — главное, что конечная сингулярность тоже будет границей, за которой пространство и время исчезнут. Как-то нехорошо это выглядит: материя с ее пространством и временем, рождающаяся «из ничего» и обращающаяся «в ничто». Нельзя ли все-таки обойтись без сингулярностей, но сохранить Биг Бэнг и все такое прочее? Иначе ведь придется и теорию тяготения отбросить…
В поисках выхода из этого затруднительного положения некоторые физики обратили внимание на противоречие, таящееся в изложенных выше рассуждениях. Речь идет об очень малых пространственных масштабах, а выводы делаются на основании «обычной» физики Ньютона — Эйнштейна. Между тем еще в начале XX века было открыто, что на малых расстояниях обычная физика уже не действует — здесь царят законы квантовой механики.
Не может ли быть, что пространство и время, как заряды, магнитные моменты и так далее, тоже квантованы, что существует какая-то наименьшая, уже неделимая дальше клеточка пространства (минимальное расстояние в природе) и какой-то наименьший, далее неделимый отрезок времени? Если бы дело обстояло так, то никакой коллапсар — ни самая тяжелая звезда, ни сама Вселенная — не мог бы схлопнуться в точку. Самое большее, они бы коллапсировали до размеров этого «кванта пространства». И тогда в центре черной дыры (или же в начале Биг Бэнга и в конце Биг Кранча) фигурировала бы не сингулярность с ее неприятными бесконечностями, а хотя и крохотный, но все же конечных размеров комочек вещества.
На диаграмме представлены различные модели Вселенной: 1. Классическая модель Большого Взрыва; 2. Модель «Вселенной-феникса» (согласно ей, Вселенная периодически гибнет и вновь возрождается); 3, Модель Большого Скачка (Биг Баунс); 4. Модель предпространства-времени; 5. Модель Хокинга
Исходя из некоторых предположений и расчетов, физики оценили, что наименьшая (далее неделимая) длина, если такая существует, должна составлять 1О в минус 33 степени сантиметра. Этот «квант расстояния» получил название «планковской длины». В поперечнике атома умещается почти миллиард миллиардов миллиардов таких длин. Этим, в частности, объясняется, почему квантованность пространства, даже если она существует, не может быть замечена в масштабах макромира.
Еще несколько планов сотворения Вселенной: 6. Модель вечно расширяющейся («открытой») Вселенной Хокинга-Турока; 7. Модель рождения Вселенной на основе квантово- туннельного эффекта; 8. Модель «почкующейся» Вселенной; 9. Модель создания Вселенной Творцом — Богом или … компьютерщиками, живущими за пределами нашего мироздания
Далее, поскольку неделимое расстояние можно пройти только за неделимый отрезок времени — ведь если бы этот отрезок делился, скажем, надвое, то был бы момент, когда мы находились бы «посреди неделимого», что невозможно по определению, — то гипотеза о существовании «кванта расстояния» автоматически влечет за собой существование «кванта времени». Его величину легко подсчитать — это 10 в минус 43-й степени секунды. Смысл его таков. Нельзя спрашивать, что было «раньше», то есть, скажем, что было через I0 в минус 44-й степени секунды после Биг Бэнга, через 10 в минус 45-й степени секунды и так далее, все ближе и ближе к самому Биг Бэнгу, такие вопросы бессмысленны, таких моментов времени в природе попросту не было.
Иными словами, свойства квантового мира таковы, что ограничивают возможность предельно точного знания о нем: точнее, чем до планковской длины и планковского отрезка времени, измерять расстояния и время в квантовом мире невозможно. Время и пространство в микромире не имеют четкости и определенности, они как бы «размазаны». В этой «квантовой пене» никакого определенного, единого для всех ее «пузырьков» направления времени нет, ибо там нет никакой последовательности событий, никакого «развития». И лишь в том случае, если в какой-то «квантовой клеточке» этой «пены» случайно произойдет Биг Бэнг, из которого родится Вселенная, то в ней начнутся изменения как в целом, — это и будет «рождение времени».
Кстати говоря, примерно так же, как случайное следствие хаотического «кипения» бесконечно существующей бесконечной «пены», описывает становление Вселенной одна из новейших космологических теорий, созданная Андреем Линде, — «теория хаотической инфляции». По Линде, процесс рождения вселенных в такой «пене» не только случаен и хаотичен — он бесконечен: одни вселенные, рождаясь, тут же коллапсируют, другие растут, оставаясь мертвыми, ибо законы в них таковы, что не допускают не только возникновения разумной жизни, но даже и образования более или менее крупных структур, третьи напоминают космических «зомби», потому что остаются лишенными времени и развития, а четвертые заполняются галактиками, звездами и планетами и становятся подобны нашей — но очень редко… Процесс-то ведь случаен. Другой вариант обхода сингулярности предложил Стивен Хокинг. В его сценарии история времени (история вселенной) описывается следующим наглядным образом. Вообразим себе нижний край округлой чаши или сферы. Пусть ее самая нижняя точка, ее «южный полюс», будет точкой рождения вселенной. Пусть, начиная с этого момента, расширение вселенной будет изображаться как постепенное расширение окружности, расходящейся из этой точки по поверхности чаши (как постепенное расширение волны от упавшего камня по поверхности воды). Будем считать, что расстояние (по меридиану) от южного полюса до каждой следующей окружности будет представлять собой время, прошедшее от Биг Бэнга. Тогда длина самой окружности, проведенной на этом расстоянии от полюса, будет изображать размеры вселенной в этот момент времени.
Так родился мир? По теории Большого Скачко (Биг Боуис) Ханса-Иоахима Бломе и Вольфгонга Пристера, пространство и время существовали вечно, а материя возникла в момент Большого Скачка (см. слева). По теории Стивена Хонинга и Александра Виленкина (см. справа), время «незаметно выплывает» из пространства
По мере удаления от полюса эти окружности все более расширяются, пока не достигнут экватора. После этого они начнут уменьшаться в размерах и на северном полюсе окончательно сойдут на нет. Такая вселенная будет иметь нулевые размеры на обоих полюсах, но эти полюса не будут сингулярностями, потому что полюса сферы ничем особым не отличаются от любой другой ее точки. У этой вселенной (в отличие от вселенной, родившейся из сингулярности) нет «края», нет особой пространственно-временной точки, в которой нарушались бы все законы «обычной» физики. Но, как объясняет далее Хокинг, такое «гладкое» описание истории времени и вселенной требует (если мы хотим описать его математически) перехода от реального времени к времени «мнимому».
Этот загадочный микромир: конденсот Эйнштейна-Возе
Это означает, что время в мире, описанном Хокингом, измеряется в секундах, помноженных на мнимую единицу, то есть на корень квадратный из -1. Только при таком измерении время становится полностью эквивалентным всем пространственным измерениям, само четырехмерное пространство-время приобретает вид четырехмерной сферы. В таком мире «мнимого времени» по мере приближения вселенной к одному из полюсов, на предельно малых, «планковских» расстояниях от полюсов, со временем происходят удивительные изменения : оно постепенно теряет обычные свойства длительности, и его протяженность начинает напоминать протяженность пространства.
Как пишет другой физик-теоретик, Пол Дэвис, «можно представить себе непрерывный переход, который начинается с «времени», не отличимого от пространства и лишь постепенно превращающегося в собственно «время»…». «Превращается» в данном случае как раз и означает «приобретает свойства». И поскольку теория Хокинга не знает никаких сингулярностей, никаких особых точек ни во времени, ни в пространстве, то время в ней рождается, минуя «миг рождения»: оно как бы «незаметно выплывает» из пространства, «стряхивая» с себя его свойства и обретая собственные, так что замечательная фраза Фэй Велдон: «Кому интересно, что было через полсекунды после Биг Бэнга? Интересно, что было за полсекунды до него», повисает в воздухе, так и не получив ответа.
Быть может, теория Хокинга — пустая математическая забава? Нет. По его (и некоторых других ученых) глубокому убеждению, не исключено, что с приближением к планковским масштабам пространства и времени наше реальное время как раз и превращается в мнимое, и тогда сингулярности и впрямь исчезают из истории нашей Вселенной. В таком случае, заключает Хокинг, «то, что мы называем мнимым временем, может оказаться истинным временем, а то, что мы называем временем «реальным», окажется просто понятием придуманным, чтобы описать то, на что похожа в нашем представлении Вселенная».
Так развивалась наша Вселенная: лишь через сто миллионов лет после Большого Взрыва появились первые звезды и галактики
В конце предыдущей главки мы говорили о трех возможных видах времени в микромире — при наличии сингулярностей, при их отсутствии и о времени, пронизанном некими «туннелями». Теперь мы увидели, чем различаются эти варианты. В отсутствии сингулярностей время может рождаться из «квантовой пены», как в сценарии Уилера — Линде, или же оно может быть — на микроуровне — «мнимым» и в таком случае рождаться из пространства, как в теории Хокинга. Если же внутри черных дыр все же сидят сингулярности и сам Биг Бэнг поэтому тоже начался с сингулярности, то время не может родиться иначе, как «из ничего». И наконец, в случае времени, пронизанного туннелями, возникает самая фантастическая возможность — возможность путешествовать в прошлое или будущее.
Источник: Знание—сила № 12 2002 г.
