Тайны пространства и времени - Комаров Виктор Ноевич - Страница 42

Так, например, согласно существующим представлениям, современная Вселенная однородна и изотропна. Иными словами, свойства ее достаточно больших областей приблизительно одинаковы и все пространственные направления физически равноправны. Универсальный характер космических систем является отправной точкой современной космологии. Звезды напоминают по своему строению наше Солнце, другие галактики – наш Млечный Путь. Удаленные небесные тела состоят из тех же атомов, из которых состоят тела на Земле. А физические процессы, протекающие в дальнем космосе, по-видимому, идентичны тем процессам, которые развертываются в ближнем космосе.

Был сформулирован так называемый космологический принцип: «Ближний космос можно рассматривать как типичный образец Вселенной в целом». Это относится ко всей «организации» Вселенной – в частности, к распределению галактик как по удалению, так и по направлениям (однородность и изотропия). Эти свойства сохраняются и в процессе расширения Вселенной.

То, что пространственные направления физически равноправны, в рамках теории расширяющейся Вселенной выглядит крайне загадочным. В самом деле, в мире, в котором мы обитаем, никакие физические взаимодействия не могут распространяться со скоростью, превосходящей скорость света, – таковы законы физики! Из этого следует очень важный вывод: область Вселенной, которую мы непосредственно наблюдаем, всегда имеет конечные размеры, в ней существует оптический «горизонт», за который в данную эпоху мы не в состоянии заглянуть. Объекты, расположенные за этим «горизонтом», находятся от нас на столь больших расстояниях, что электромагнитные излучения не успели преодолеть их за то время, в течение которого Вселенная существует.

Мало того, во Вселенной всегда есть такие «точки», которые находятся друг от друга на расстояниях, превосходящих расстояние оптического «горизонта». Между такими точками, очевидно, не может существовать никакой причинной зависимости. Образно говоря, ни одна из таких «точек» не может «знать», что происходит в другой. Не так уж трудно подсчитать, что к числу подобных «независимых» точек относятся, например, точки, расположенные на границах наблюдаемой области Вселенной и отстоящие друг от друга на угловые расстояния, превосходящие тридцать градусов. Между тем астрономические наблюдения выявили удивительный факт: оказывается, материя, расположенная у границ наблюдаемой Вселенной, везде – везде! – обладает приблизительно одинаковыми свойствами. Как же так? Каким образом это могло произойти? Если Вселенная равномерно расширяется, то в ней нет и не может быть никакого механизма, способного выравнивать неоднородности на расстояниях, превосходящих расстояние оптического горизонта.

Возникла и еще одна трудность, судя по всему, непреодолимая в рамках теории горячей расширяющейся Вселенной… Известно, что герои литературных произведений, вызванные к жизни воображением автора, затем по ходу развития действия приобретают самостоятельность, независимо от желаний и воззрений своего создателя. Сформулированный фантазией писателя образ в какой-то момент перестает ему подчиняться. В тех или иных ситуациях, возникающих в процессе повествования, герой может поступать только так и не иначе, в соответствии со своей предысторией и с тем характером, которым он наделен, независимо от того, хочет этого автор или не хочет. Обретя заданные писателем свойства и взгляды, он уже не может в дальнейшем подчиняться авторскому произволу. Любое насилие над образом сразу же сделает произведение противоречащим жизненной правде, а значит и не художественным.

Нечто подобное происходит порой и в науке. Разработанная тем или иным ученым теория обретает самостоятельную жизнь, может выйти из-под «контроля» своего создателя и привести к выводам, противоречащим его собственным представлениям о природе. Так произошло и с теорией относительности. Хотя сам Эйнштейн и был убежден в конечности Вселенной, из уравнений созданной им теории в принципе вытекала и другая возможность. Степень искривления пространства, согласно общей теории относительности, зависит от массы тяготеющего вещества. Поэтому, чем больше масса – тем сильнее кривизна. И при достаточно больших массах она может сделаться настолько значительной, что произойдет «свертывание», «самозамыкание» пространства – оно станет конечным.

Ну, а если масса окажется меньше некоторого критического значения? Тогда замыкания не произойдет и пространство будет бесконечным.

Проведем еще один «мысленный эксперимент». Соберем все вещество, все массы Вселенной – звезды, планеты, туманности, сгустки вещества, элементарные частицы – и равномерно «размажем», распределим эту массу по всему пространству, предварительно превратив ее – мысленно, конечно, – для удобства вычислений, в ядра атомов водорода – протоны. Подсчитаем, сколько протонов попадает в каждый кубический метр. Если десять и больше – Вселенная замкнута и конечна, если меньше – незамкнута и бесконечна.

Таким образом, от величины средней плотности непосредственно зависят геометрические свойства Вселенной. Но не только геометрические! Если фактическая средняя плотность больше критической, то расширение Вселенной со временем должно смениться сжатием. Общая масса Вселенной в этом случае окажется столь велика, что ее тяготение остановит разлетающиеся галактики и заставит их возвратиться к исходной точке, подобно тому, как сила тяготения Земли возвращает брошенный вверх камень. Если же средняя плотность меньше или равна критической – расширение Вселенной будет продолжаться неограниченно.

Таков теоретический вывод, позволивший сформулировать новую проблему, новое «знание о незнании». Нам известно, что геометрические свойства окружающего нас мира зависят от распределения вещества. Это – знание. Но нам неизвестно, какова точно реальная величина средней плотности в нашей Вселенной. Это – незнание. Незнание, открывающее путь к новым исследованиям…

Каковы же те данные, которыми располагает современная астрофизика относительно средней плотности вещества? У различных исследователей результаты получаются неодинаковые. Но все же на существующем уровне наших знаний принято считать, что реальная средняя плотность весьма близка к критическому значению, хотя «чуть-чуть» и «не дотягивает» до него. Если подобное представление соответствует действительности, то наша Вселенная незамкнута и бесконечна.

Однако задумаемся над тем, каким путем этот результат получен. Если не вдаваться в тонкости, то астрофизики поступили следующим образом: постарались учесть массы всех известных современной науке космических объектов и форм вещества, существующих во Вселенной, сложили полученные значения вместе и подсчитали, сколько вещества приходится на единицу объема. Вообще-то метод вполне надежный, я бы сказал – естественный. А как же иначе?..

И все было бы хорошо и убедительно, если бы не одно «но». К сожалению, у нас не может быть полной уверенности в том, что при подсчете средней плотности удалось учесть все, абсолютно все массы. А если не все? Это вполне возможно, поскольку нет гарантии в том, что все без исключения виды вещества во Вселенной нам уже известны. Вспомним хотя бы о проблеме «скрытой массы». Так что вполне может быть, что «кое-что» астрономы упустили. Вопрос в том, как велико это «кое-что»?

Пока астрономия оставалась чисто оптической наукой и все наблюдения велись с помощью обычных телескопов, исследователям Вселенной были известны главным образом те космические объекты, которые светятся, излучают свет. Однако с развитием радиоастрономии, а затем и заатмосферной всеволновой астрономии выяснилось, что существует и невидимое вещество, излучающее в других диапазонах электромагнитных волн. Так, например, межзвездный нейтральный водород излучает радиоволны длиной 21 сантиметр, а холодная космическая пыль «дает о себе знать» инфракрасным излучением.

Впрочем, общая масса такого невидимого вещества значительно уступает массе звездных островов галактик и, следовательно, сколько-нибудь существенных поправок в величину средней плотности внести не может. Казалось, достигнута полная ясность.