Архив рубрики: В поисках покоя

Доктрина неподвижности

Почему же вышло так нескладно? Могло ли сразу получиться лучше?

Наверное, не могло. Не мог Эйнштейн дать другого решения. Видимо, даже он, ниспровергатель абсолютов классики, не был способен сразу отречься от бесспор­ной, как тогда казалось, очевидности — монументально­го покоя звездной Вселенной.

Причинам к такому отказу неоткуда было взяться. Их не давала астрономия, всюду в космических далях она находила неподвижность, подтверждая древнюю веру людей в монументальную неизменность мироздания. Эта вера, продиктованная памятью бесчисленных поко­лений, подкрепленная каждым взглядом на небо, стала аксиомой. Может быть, самой прочной и живучей аксиомой.

Отсюда, от этой твердой убежденности, и сделала первый шаг релятивистская космология. Другого пути никто не видел. Лишь задним числом, значительно позднее, профессор де Ситтер признал, что в ту пору «смутно чувствовалась» ограниченность такого подхода.

Но далее последовали новые шаги.

Мало-помалу идеи, метод Эйнштейна ушли из-под контроля гениального первооткрывателя, зажили новой, более свободной жизнью. И как закономерное следствие, в конце концов из уст исследователей прозвучал реши­тельный отказ от аксиомы неподвижности мироздания.

Эволюция взглядов, правда, длилась долго. Лишь в наши дни окончательно пала крепость всемирной не­подвижности.

А первый удар по ней нанес еще в двадцатые годы замечательный советский ученый Александр Алексан­дрович Фридман.

О нем, о его идеях — отдельный рассказ.

Материю — по углам

Сразу же вслед за Эйнштейном (это было в 1917 году) другую модель построил его датский последователь профессор де Ситтер. Он отыскал новое решение систе­мы мировых уравнений — опять с космологической по­стоянной, но без всяких условий о состоянии и плот­ности вещества. Это было теоретическое исследование пустой Вселенной. Она тоже вышла конечной. Призрак Атласа, обернувшийся ламбда-членом, согнул ее и за­пер. Но тут вместе с пространством искривилось время. Ход часов стал замедляться с удалением от наблюдате­ля, и «на горизонте мира» полностью тормозился.

Когда прикинули, что будет с веществом, если осто­рожно внести его в пустой мир де Ситтера, уравнения дали любопытный ответ: материя сосредоточится в пе­риферийных областях пространства — времени. В центре (возле наблюдателя) ее не будет. Эддингтон заметил по этому поводу, что у де Ситтера «вещество разметено по углам Вселенной». И роль уборщика сыграла все та же искусственно привнесенная космологическая посто­янная. На сей раз призрак Атласа исполнил обязан­ности дворника!

В начале двадцатых годов обе модели подробно изу­чались. Постепенно в них обнаруживались изъяны — и те, о которых я уже сказал, и другие. В том числе глав­ный: ни Эйнштейн, ни де Ситтер не добились, оказы­вается, того, к чему стремились. Постоянства, незыбле­мости Вселенной не устроилось, несмотря на рискован­ное введение ламбда-члена.

В модели Эйнштейна равновесие мира, как выясни­лось, было очень неустойчивым, как у тарелки на острие ножа. Стоило где-то в равномерном «киселе» вещества объявиться случайному сгущению, оно обязано было расти лавиной, и мир летел кувырком, разваливался на куски.

У де Ситтера же демонстрировались печальные по­следствия — пустынная, чисто выметенная Вселенная, в которой если и есть немного вещества, то оно убрано подальше от наблюдателя и сковано кандалами веч­ности.

Все это очень и очень сомнительно. Как ни говорите, космическая материя мало схожа с киселем. Всюду комки вещества, и они, по всей видимости, не покушают­ся на стройность Вселенной. Не заметно и абсолютной пустоты. Словом, нет признаков, что модели Эйнштей­на и де Ситтера близки к реальному мирозданию.

Математический Атлас

На должность Атласа, держащего мир в целости и сохранности, была принята всего лишь маленькая зако­рючка, добавленная Эйнштейном в выражение фунда­ментального метрического тензора для всего мира. Она именовалась «космологической постоянной» или «ламбда-членом». Этот математический символ (греческая буква λ — ламбда, отсюда название), внесенный в ме­трические коэффициенты, так скорректировал теорети­чески вычисляемую кривизну пространства — времени, что стала возможна ее стабильность, независимость от времени. Этого и хотел Эйнштейн. Так он достиг целост­ности, постоянства своей модели мироздания.

На языке Ньютона наличие ламбда-члена означало весьма много: произвольно признавалось, что в боль­шой Вселенной существуют, помимо тяготения, еще ка­кие-то другие силы. Они-де и гарантируют сохранность мира.

И впрямь вышел невидимый вездесущий богатырь, держащий на плечах само небо! Он не дает звездам падать друг на друга, бережет их, сдерживает. Чем не Атлас!

Этой-то ценой и заплатил Эйнштейн за свою модель Вселенной. Но она вышла конечной, а не бесконечной, как у Ньютона. Ее пространство — замкнутым, как в ша­рике Пуанкаре. Шагая прямо вперед, мы в этом мире обязательно вернулись бы в точку старта, хоть она и поднялась бы «вверх по времени», так как время для всей Вселенной было единым и неизмен­но равномерным. Брошенный камень, двигаясь по инер­ции, не покрыл бы путь больший, чем «вокруг Вселен­ной». Так же повел бы себя и световой луч: яркую звез­ду можно было бы увидеть сразу впереди и сзади,

в диаметрально противоположном направлении — в виде слабенькой звездочки. Появилась надежда даже найти на небе такие «задние» изображения ярких звезд (их хотели отождествить по сходству спектров). Ничего, однако, найти не удалось.

В модели Эйнштейна, как и в шаре Пуанкаре, от­сутствовали достижимые изнутри границы, «обрывы» пространства.

Всюду, следуя давнишнему совету Лукреция Кара и других античных мудрецов, можно было «бросить копье» — оно полетело бы вперед, что доказало бы от­сутствие каких бы то ни было границ. (Пользуюсь слу­чаем восхититься простотой и остроумием этого древнего рецепта проверки пространства «на безграничность».)

В беспредельном, но конечном мире Эйнштейна лю­бая точка могла считаться центром пространства. Дела­лись попытки вычислить «радиус кривизны» этого мира, подсчитать его объем, полную массу материи в эйнштей­новской Вселенной, даже полное количество ее звезд и прочих материальных тел  (согласившись с идеей конечного мироздания, Эддингтон за­нялся подсчетом всех элементарных частиц Вселенной и опубликовал маловразумительное число: 15 747 724 136 275 002 577 605 653 961 555 468 144 714 914 527 116 709 366 231 425 076 185 631 031 296 штук протонов и столько же электронов! Любопытно, что, когда, кроме протонов и электронов, в природе нашлись еще нейтроны (открытые в 1932 году), Эддингтон вынужден был подправить свои вычисления и объявил новое число частиц Вселенной, оказавшееся на четверть меньше (!) первого).

Звезд тут и в самом деле должна была набраться всего «горсть», большая, но конечная. И поэтому каза­лось, что наконец-то фотометрический парадокс разре­шился, нашлось разумное объяснение ночной темноты: разумеется, конечное число звезд не создало бы беско­нечного обилия света.

Однако за эту «разгадку» было заплачено слишком уж дорого — признанием существования в природе неве­домых космических сил (в лице ламбда-члена), придуманных специально для того, чтобы получить приемле­мое для Эйнштейна решение мировых уравнений. Пусть конечность и неизвестные силы, лишь бы мир не ме­нялся во времени,— вот девиз этой модели.

Вроде киселя

Замысел сводился к следующему риторическому вопросу.

Если каждая планета и звезда искривляют вокруг себя прилегающий кусочек пространственно-временно­го мира, то не деформируется ли полной совокупностью звезд и галактик все пространство — время Вселенной? И если да, то как?

Заранее ничего нельзя было сказать. Возможно, мир в целом ничуть не согнут, или искривлен лишь в от­дельных малых участках — будто воронки крутятся тут и там на зеркальной водной глади. Так это или не так, могло сказать конкретное исследование.

И Эйнштейн решает задачу. Отказывается от нефизичного требования Шарлье — чтобы средняя плотность вещества в пределе равнялась нулю. Пусть она состав­ляет некую конечную величину — это естественнее. От­вергает и схемы Шарлье, они теперь не нужны. А вза­мен выдвигает тоже, правда, не очень справедливое на первый взгляд предположение: материя распределена во Вселенной равномерно, без сгущений и пустот, слов­но сплошной, всюду одинаковый, непрерывный кисель. Зачем это?

Не думайте, что Эйнштейн позабыл об атомах, звез­дах, галактиках и прочих вездесущих комках материи. Нет, он просто представил себе, что, начиная с каких- то громадных объемов, «зернистость» Вселенной стано­вится несущественной в формировании пространства — времени. И тогда плотность материи не меняется при еще большем увеличении этих объемов. Ведь и обыкно­венный клюквенный кисель, как известно, не непреры­вен, а состоит из молекул. Но мы воспринимаем его как сплошную жижу. Подобно этому, звезды и галактики — нечто вроде молекул всезаполняющего вселенского «ки­селя» — «космологического субстрата».

Так задача была облегчена. В достаточно крупных масштабах гипотетическая кривизна мира становилась величиной постоянной, повсюду одинаковой.

Но понять ее характер, вычислить ее было необычай­но сложно.

Решение никак не получалось. Не удалось найти неизменный «радиус кривизны» всего мира. Вселенная выходила какой-то зыбкой, нестабильной.

Тут-то Эйнштейн и допустил оплошность, за которую впоследствии сам себя изрядно поругивал. По традиции предков он прибег к услугам... Атласа. Навязал при­роде нечто неведомое, придуманное специально для того, чтобы уравнения можно было решить так, как хотелось их автору.

Как объять необъятное

Хороша ли модель Шарлье? Пожалуй, неплоха. Лучше, во всяком случае, чем мир, плывущий на китах или пребывающий на плечах Атласа. Не нужно ни того, ни другого, и вдобавок очень приятно понимать и объяснять друзьям, почему ночью темно. Для Вселенной Ньютона что-либо кардинально иное вряд ли сочинишь.

Однако есть в этой системе мироздания существен­ный изъян. Вместо Атласа, вместо китов и тому подоб­ных красивых вещей понадобилось нечто, хоть и не столь фантастичное, но никак не вытекающее из небес­ной механики: иерархичность звездных систем. Этот армейский порядок звездно-галактического строя, стро­гая субординация размеров и дистанций — условия, при­думанные независимо от физики. Они внесены очень искусственно, с единственной целью спасти природу от космологических парадоксов, причем так, чтобы оста­лись в силе ньютоновские «надфизические» фетиши — абсолютное пространство и математическое время. Пока эти ипостаси ньютонианства были неприкосновенны, схемы Шарлье представлялись неизбежностью.

Лишь в наши дни доказана их невозможность: столь искусственное «построение» галактик очень быстро рас­палось бы. Не могут звезды «стоять по стойке «смирно».

Конечно, убедительнее было бы вывести всемирную систему из проверенных и бесспорных физических зако­нов, лишь обобщив малое на большое и не измышляя для материи никаких дополнительных правил поведе­ния, не требуя от нее неестественного послушания.

Все дальнейшее развитие космологии составлено из серии попыток реализовать эту программу — отправ­ляясь только от знаний, добытых маленькими людьми на маленькой Земле, понять необъятное, этот черный звездный дом, притаившийся за окном наших избушек и небоскребов, за иллюминатором космических кораб­лей, за воздухом атмосферы, эту великую тайну, обсту­пившую со всех сторон любопытное человечество.

Программа оказалась исполински трудной. Сдвиги начались лишь с работ Эйнштейна, с того этапа эволю­ции физики, когда пространство и время обрели тесную связь с движущейся материей. Но на первых порах и релятивистская космология делала неуверенные, неточ­ные шаги.

Звезды пустого мира

Я однажды провалился на экзамене — дали, на бе­ду, неразрешимую задачу. На другой день сообразил, что в экзаменационных билетах не принято задавать неразрешимых задач. Начал старательно думать — и, хоть с печальным запозданием, нашел ответ.

В космологии было похоже. Физики и астрономы сперва не разгадали каверзную загадку Ольберса. Но они знали, что фотометрический парадокс разрешим: небо-то темное! А потому продолжали размышлять, вы­числять и постепенно выпутывались из лабиринта про­тиворечий.

Представим такое. Мир бесконечен, звезд в нем бес­численно много, их полная масса бесконечно велика, но тем не менее плотность звездной материи в беско­нечном объеме равна нулю. Невозможно?

Оказывается, возможно. Нужно только, чтобы при увеличении объема плотность космической материи уменьшалась.

Плотность есть масса, деленная на объем. В каждой Звезде плотность весьма велика, ибо весь ее объем за­полнен веществом. Но в объеме, включающем две со­седних звезды, средняя плотность меньше: много места ушло на пустоту. Дальше — то же самое. В объеме, охватывающем две соседние галактики, средняя плот­ность меньше, чем в каждой галактике по отдельности. А еще дальше? Что, если так будет продолжаться без конца? В пределе — для бесконечно большого объема — мы получим нулевую среднюю плотность материи.

И тогда выйдет долгожданное опровержение парадокса Ольберса: запрет ночной тьмы упадет. Глядя в глубь мира, мы практически не увидим вещества, ни светя­щегося, ни темного. Несмотря на то что звезд и прочих небесных тел останется бесконечно много.

Эта идея легла в основу любопытных схем размеще­ния звезд, которые придумал в начале нашего века бельгийский космолог Шарлье. Главную их особенность Шарлье заимствовал у астронома XVIII века Ламбер­та, провозгласившего принцип иерархии в строении ми­роздания: небесные тела образуют системы, сложность которых с увеличением размеров растет, а средняя плот­ность материи падает. Мир, подчиненный таким прави­лам, свободен не только от фотометрического, но и от некоторых других (не упоминавшихся) парадоксов космологии — например, гравитационного (о мнимой неизбежности бесконечно большого тяготения в любой точке бесконечно большого мира с бесконечно большой суммарной массой звезд).

Так модель Вселенной, придуманная Шарлье, полу­чила ранг более или менее разумной космологической гипотезы

В дебрях противоречий

Может, свет поглощается межзвездной средой — га­зом, пылью, холодными планетами, «золой» остывших звезд?

Нет. Сколько бы ни поглотилось света, его все равно останется бесконечно много. Расчет простой: разделите бесконечность пополам, на десять, на сто — результат будет бесконечностью. Кроме того, атомы межзвездной среды не «поедают» свет без остатка — просто «гло­тают» его, чтобы «выплюнуть» потом в другом направ­лении. Они лишь рассеивают, разбрызгивают звездные лучистые потоки по всему миру, и в бесконечном про­странстве должна сохраняться бесконечность лучистой энергии. Небо даже станет ярче.

Ну, а если есть-таки в мире некая твердая холодная оболочка, на манер чудовищного зуба, придуманного Чеховым? Увы, и эта гипотеза, сколь серьезно ее ни обставить, не спасает положения. Снаружи-то владелец зуба обязан купаться в том же бесконечно обильном, испепеляющем лучистом ливне. Ничто не вправе устоять против его пагубного действия. Испарится и оболочка.

Остается сделать еще одно, весьма рискованное предположение: снять запрет на ночную тьму путем отказа от его главной причины — от звездной бесконеч­ности. Признайте, что в бесконечном мироздании суще­ствует всего «горстка» звезд и галактик,— и все встанет на место, не так ли?

Нет, не так. Еще Ньютон убедительно рассудил, что в мире не может быть конечного числа звезд. Если бы их набралась всего «горсть», пусть громадная, благо­даря тяготению они, как думал Ньютон, слиплись бы в комок, в одно огромное небесное тело. Позднее, прав­да, физика внесла поправку: «горсть» звезд не слиплась бы, а, наоборот, разбрелась по бесконечному простран­ству. И тогда Вселенная опустела бы, из нее исчезло бы практически все вещество.

Но вещество есть! Как бы далеко ни заглядывали астрономы в свои телескопы, всюду находилась мате­рия. Значит, звезд бесконечно много? Тогда почему же все-таки ночью темно?

Видите, дело запуталось. Мы блуждаем в лесу про­тиворечий.

Про мрак ночной

Две последних главы — о самом большом. Обо всем мироздании. О его строении, о его движении, о его не­исчерпаемой противоречивости и удивительности. О тай­нах, от которых еще предстоит избавиться.

Теперь я сбавляю пафос, перехожу на деловой тон.

Космология — это рассуждения о строении Все­ленной.

Когда говорили, что Земля покоится на трех китах, плавающих в безбрежном и бездонном океане, или утверждали, что небо держится на плечах терпели­вого Атласа,— высказывали космологическую гипотезу. Не очень, правда, аргументированную.

Когда уверяли, что хрустальная небесная сфера при­бита гвоздями-звездами, то­же провозглашали космологическое утверждение. Только было неясно, к чему она прибита.

Самое оригинальное пред­положение сделал, мне кажется, один глубокомыслен­ный чеховский герой, заявив, что наша Вселенная обитает, в дупле зуба какого-то гигантского чудовища. Здесь, пожалуй, видна попытка решить очень нелегкую космологическую проблему: почему мироздание погружено во тьму, а не залито светом.

В дупле зуба темно, это бесспорно.

Ну, а если обойтись без дупла?

Незабвенный Козьма Прутков сетовал по поводу того, что Солнце не светит ночью, днем-де «и так свет­ло». В этом философическом недоумении есть, пред­ставьте, доля здравого смысла. Надо только перевести одно слово во множественное число — вместо «солнце» сказать «солнца». А лучше поставить вопрос попроще: почему ночью небо темное?

Так титанической важности проблема сведена к при­митивной, с виду прямо-таки детской, загадке.

Ответ далеко не очевиден. Нельзя объявить просто: ночью темно потому, что не светит солнце. Ведь звез­ды — те же солнца, только далекие. Если их бесконечно много в бесконечных далях мироздания, над самым ма­лым уголком небосвода их бесчисленно много. Значит, свет их на небосводе обязан давать сплошной фон, сли­ваться в ровное ослепительное сияние. А так как светят звезды из-за высокой температуры и вместе со светом изливают лучистое тепло, то во Вселенной не должно быть места ни для Земли, ни для людей. В нестерпи­мом свете и жаре немыслима жизнь. Любой листок, любая букашка мгновенно испепелились бы в такой Вселенной. Вещество привычных нам состояний — твердого, жидкого, даже газообразного — стало бы невоз­можно. Всюду было бы так же жарко, как в недрах Солнца!

Изложен старый, полуторавековой давности, космо­логический парадокс, называемый фотометрическим. Вы­двинул его в свое время немецкий астроном Ольберс, сделав это в форме вполне корректной физико-математи­ческой теоремы. И потом многие десятки ученых пыта­лись его снять.