женские трусы больших размеров
Medical site

На головну

АвторХокінг С.
НазваКоротка історія часу
Рік видання 2001

Присвячується Джейн

Подяки

Я вирішив спробувати написати популярну книгу про простір і час після того, як прочитав в 1982 р. курс Лебовській лекцій у Гарварді. Тоді вже було чимало книг, присвячених ранньому Всесвіті і чорних дірок, як дуже хороших, наприклад книга Стівена Вайнберга "Перші три хвилини", так і дуже поганих, які тут нема чого називати. Але мені здавалося, що ні в одній з них практично не зачіпаються ті питання, які спонукали мене зайнятися вивченням космології та квантової теорії: звідки взялася Всесвіт? як і чому вона виникла? чи прийде їй кінець, а якщо прийде, то як? Ці питання цікавлять всіх нас. Але сучасна наука дуже насичена математикою, і лише нечисленні фахівці достатньо володіють останньої, щоб розібратися в цьому. Однак основні уявлення про народження і подальшу долю Всесвіту можна викласти і без допомоги математики так, що вони стануть зрозумілі навіть людям, які не одержали наукової освіти. Це я і намагався зробити в моїй книзі. Читачеві судити про те, наскільки я досяг успіху.

Мені сказали, що кожна включена в книгу формула вдвічі зменшить число покупців. Тоді я вирішив взагалі обходитися без формул. Правда, в кінці я все-таки написав одне рівняння - знамените рівняння Ейнштейна Е = mc 2. Сподіваюся, воно не відлякає половину моїх потенційних читачів.

Якщо не рахувати того, що я захворів на бічний аміотрофічний склероз, то майже в усьому іншому мені супроводжувала удача. Допомога і підтримка, які мені надавали моя дружина Джейн і діти Роберт, Люсі і Тімоті, забезпечили мені можливість вести досить-нормальний спосіб життя і добитися успіхів у роботі. Мені пощастило і в тому, що я вибрав теоретичну фізику, бо вона вся вміщається в голові. Тому моя фізична неміч не стала серйозним мінусом. Мої наукові колеги, всі без винятку, надавали мені завжди максимальне сприяння.

На першому, "класичному" етапі моєї роботи моїми найближчими помічниками та співробітниками були Роджер Пенроуз, Роберт Герок, Брендон Картер і Джордж Елліс. Я вдячний їм за допомогу і за спільну роботу. Цей етап завершився виданням книги "Великомасштабна структура простору-часу", яку ми з Еллісом написали в 1973 р. (Хокінг С., Елліс Дж. Великомасштабна структура пpoстранства-часу. M.: Світ, 1976).

Я б не радив читаючою такі далі сторінки звертатися до неї за додатковою інформацією: вона перевантажена математикою і важка для читання. Сподіваюся, що з тих пір я навчився писати більш доступно.

На другому, "квантовому" етапі моєї роботи, що почався в 1974 р., я в основному працював з Гарі Гиббонсом, Доном Пейджем і Джимом Хартлі. Я дуже багатьом їм зобов'язаний, як і своїм аспірантам, які надавали мені величезну допомогу і в "фізичному", і в "теоретичному" сенсі цього слова. Необхідність не відставати від аспірантів була надзвичайно важливим стимулом і, як мені здається, не дозволяла мені застрягти в болоті.

У роботі над книгою мені дуже багато допомагав Брайен Вітт, один з моїх студентів. У 1985 р., накидавши перші, приблизний план книги, я захворів на запалення легенів. Довелося лягти на операцію, і після трахеотомії я перестав говорити, а тим самим майже позбувся можливості спілкуватися. Я думав, що не зможу закінчити книгу. Але Брайен нс тільки допоміг мені її переробити, але і навчив користуватися комп'ютерною програмою спілкування Living Center, яку мені подарував Уолт Уолтош, співробітник фірми Words Plus, Inc., Саннівейл (шт. Каліфорнія). З її допомогою я можу писати книги та статті, а також розмовляти з людьми за допомогою синтезатора мови, подарованого мені інший саннівейлской фірмою Speech Plus. Девід Мейсон встановив на моєму кріслі-колясці цей синтезатор і невеликий персональний комп'ютер. Така система все змінила: мені стало навіть легше спілкуватися, ніж до того як я втратив голос.

Стівен Хокінг

Багатьом з тих, хто ознайомився з попередніми варіантами книги, я вдячний за поради, що стосуються того, як її можна було б поліпшити. Так, Петер Газзарді, мій редактор видавництва Bantam Books, слав мені листа за листом із зауваженнями і питаннями по тих місцях, які, на його думку, були погано пояснені. Зізнатися, я був сильно роздратований, отримавши величезний список рекомендованих виправлень, але Газзарді виявився абсолютно прав. Я впевнений, книга стала краще завдяки тому, що Газзарді тикав мене носом в помилки.

Я висловлюю глибоку подяку моїм помічникам Коліну Уїлльямс, Девіду Томасу і Реймонду Лефлемму, моїм секретарям Джуді Фелле, Енн Ральф, Шеріл Біллінгтон і Сью Мейсі і моїм медсестрам. Я б нічого не зміг досягти, якби всі витрати на наукові дослідження і необхідну медичну допомогу не взяли на себе Гонвілл-енд-Кайюс коледж, Рада з наукових і технічних досліджень та фонди Леверхулма, Мак-Артура, Нуффілда і Ральфа Сміта. Усім їм я дуже вдячний.

Стівен Хокінг. 20 жовтня 1987

Передмова

Ми живемо, майже нічого не розуміючи в устрої світу. Не замислюємося над тим, який механізм породжує сонячне світло, який забезпечує наше існування, не думаємо про гравітації, яка утримує нас на Землі, не даючи їй скинути нас у простір. Нас не цікавлять атоми, з яких ми складаємося і від стійкості яких ми самі істотно залежний. За винятком дітей (які ще занадто мало знають, щоб не ставити такі серйозні питання), мало хто ламає голову над тим, чому природа така, яка вона є, звідки з'явився космос і не існував він завжди? чи не може час одного разу повернути назад, так що слідство буде передувати причини? чи є нездоланний межа людського пізнання? Бувають навіть такі діти (я їх зустрічав), яким хочеться знати, як виглядає чорна діра, яка найменша частинка речовини? чому ми пам'ятаємо минуле і не пам'ятаємо майбутнє? якщо раніше і правда був хаос, то як вийшло, що тепер встановився видимий порядок? і чому Всесвіт взагалі існує?

У нашому суспільстві прийнято, що батьки і вчителі у відповідь на ці питання здебільшого знизують плечима або закликають на допомогу смутно збереглися в пам'яті посилання на релігійні легенди. Декому не подобаються такі теми, тому що в них жваво виявляється вузькість людського розуміння.

Але розвиток філософії та природничих наук просувалося вперед в основному завдяки подібним питанням. Все більше дорослих людей виявляють до них інтерес, і відповіді іноді бувають зовсім несподіваними для них. Відрізняючись за масштабами як від атомів, так і від зірок, ми розсовуємо горизонти досліджень, щоб охопити як дуже маленькі, так і дуже великі об'єкти.

Навесні 1974 р., приблизно за два роки до того, як космічний апарат "Вікінг" досяг поверхні Марса, я був в Англії на конференції, організованій Лондонським королівським товариством і присвяченій можливостям пошуку позаземних цивілізацій. Під час перерви на каву я звернув увагу на набагато більш велелюдне зібрання, що проходило в сусідньому залі, і з цікавості увійшов туди. Так я став свідком давнього ритуалу - прийому нових членів в Королівське товариство, яке є одним з найстаріших на планеті об'єднань вчених. Попереду молодий чоловік, що сидів в інвалідному кріслі, дуже повільно виводив своє ім'я в книзі, попередні сторінки якій зберігали підпис Ісаака Ньютона. Коли він, нарешті, скінчив розписуватися, зал вибухнув овацією. Стівен Хокінг вже тоді був легендою.

Зараз Хокінг в Кембриджському університеті займає кафедру математики, яку колись займав Ньютон, а пізніше П. А. М. Дірак - два знаменитих дослідника, що вивчали один - найбільше, а інший - саме маленьке . Хокінг - їх гідний наступник. Ця перша популярна книга Хокінга містить масу корисних речей для широкої аудиторії. Книга цікава не тільки широтою свого змісту, вона дозволяє побачити, як працює думка її автора. Ви знайдете в ній ясні одкровення про кордони фізики, астрономії, космології і мужності.

Але це також книга про Бога ... а може бути, про відсутність Бога. Слово "Бог" часто з'являється на її сторінках. Хокінг відправляється на пошуки відповіді на ключове запитання Ейнштейна про те, чи був у Бога якийсь вибір, коли він створював Всесвіт. Хокінг намагається, як він сам пише, розгадати задум Бога. Тим більше несподіваним виявляється висновок (щонайменше тимчасовий), до якого приводять ці пошуки: Всесвіт без краю в просторі, без початку і кінця в часі, без будь-яких справ для Творця.

Карл Саган, Корнеллський університет, Ітака, шт. Нью-Йорк.

1. Наше уявлення про всесвіт

Якось один відомий вчений (кажуть, це був Бертран Рассел) читав публічну лекцію про астрономію. Він розповідав, як Земля обертається навколо Сонця, а Сонце, в свою чергу, звертається навколо центру величезного скупчення зірок, яке називають нашою Галактикою. Коли лекція підійшла до кінця, з останніх рядів залу піднялася маленька літня леді і сказала: "Все, що ви нам говорили, - нісенітниця. Насправді наш світ - це плоска тарілка, яка стоїть па спині гігантської черепахи". Поблажливо посміхнувшись, вчений запитав: "А на чому тримається черепаха?" - "Ви дуже розумні, молода людина, - відповіла літня леді. - Черепаха - на іншій черепасі, та - теж на черепасі, і так все нижче і нижче".

Таке уявлення про Всесвіт як про нескінченної вежі зі черепах більшості з нас здасться смішним, але чому ми думаємо, що самі знаємо краще? Що нам відомо про Всесвіт, і як ми це дізналися? Звідки взялася Всесвіт, і що з нею станеться? Чи було у Всесвіті початок, а якщо було, то що відбувалося до початку? Яка сутність часу? Чи скінчиться воно коли-небудь? Досягнення фізики останніх років, якими ми частково зобов'язані фантастичною новій техніці, дозволяють нарешті отримати відповіді хоча б на окремі з таких давно поставлених питань. Пройде час, і ці відповіді, може бути, стануть настільки ж очевидними, як те, що Земля обертається навколо Сонця, а може бути, настільки ж безглуздими, як башта з черепах. Тільки час (чим би воно не було) вирішить це.

Ще в 340 р. до н.е. грецький філософ Аристотель у своїй книзі "Про небо" навів два вагомих доводи на користь того, що Земля не плоска тарілка, а круглий кулю. По-перше, Аристотель здогадався, що місячні затемнення відбуваються тоді, коли Земля опиняється між Місяцем і Сонцем. Земля завжди відкидає на Місяць круглу тінь, а це може бути лише в тому випадку, якщо Земля має форму кулі. Будь Земля плоским диском, її тінь мала б форму витягнутого еліпса, якщо тільки затемнення не відбувається завжди саме в той момент, коли Сонце знаходиться точно на осі диска. По-друге, з досвіду своїх подорожей греки знали, що в південних районах Полярна зірка на небі розташовується нижче, ніж у північних. (Оскільки Полярна зірка знаходиться над Північним полюсом, вона буде прямо над головою спостерігача, що стоїть на Північному полюсі, а людині на екваторі здасться, що вона на лінії горизонту). Знаючи різницю в уявній положенні Полярної зірки в Єгипті та Греції, Аристотель зумів навіть вирахувати, що довжина екватора дорівнює 400 000 стадій. Що таке стадій, точно невідомо, але він близький до 200 метрам, і, стало бути, оцінка Аристотеля приблизно в 2 рази більше значення, прийнятого зараз. У греків був ще й третій аргумент на користь кулястої форми Землі: якщо Земля не кругла, то чому ж ми спочатку бачимо вітрила корабля, що піднімаються над горизонтом, і тільки потім сам корабель?

Аристотель думав, що Земля нерухома, а Сонце, Місяць, планети і зірки обертаються навколо неї по кругових орбітах. Він так думав, бо у відповідності зі своїми містичними поглядами Землю вважав центром Всесвіту, а круговий рух - самим досконалим. Птолемей в II столітті розвинув ідею Аристотеля в повну космологічну модель. Земля стоїть у центрі, оточена вісьмома сферами, несуть на собі Місяць, Сонце і п'ять відомих тоді планет: Меркурій, Венеру, Марс, Юпітер і Сатурн (рис. 1.1). Самі планети, вважав Птолемей, рухаються за меншими колам, скріпленим з відповідними сферами. Це пояснювало той вельми складний шлях, який, як ми бачимо, здійснюють планети. На самій останній сфері розташовуються нерухомі зірки, які, залишаючись в одному і тому ж положенні один щодо одного, рухаються по небу всі разом як єдине ціле. Що лежить за останньою сферою, що не пояснювалося, але у всякому разі це вже не було частиною тієї Всесвіту, яку спостерігає людство.

Рис. 1.1

Модель Птолемея дозволяла непогано передбачати положення небесних тіл на небосхилі, але для точного передбачення йому довелося прийняти, що траєкторія Місяця в одних місцях підходить до Землі в 2 рази ближче, ніж в інших! Це означає, що в одному положенні Місяць повинна здаватися в 2 рази більшою, ніж в іншому! Птолемей знав про цей недолік, але проте його теорія була визнана, хоча і не скрізь. Християнська Церква прийняла Птолемеевой модель Всесвіту як яка не суперечить Біблії, бо ця модель була дуже хороша тим, що залишала за межами сфери нерухомих зірок багато місця для пекла і раю. Однак в 1514 р. польський священик Микола Коперник запропонував ще більш просту модель. (Спочатку, побоюючись, напевно, того, що Церква оголосить його єретиком, Коперник пропагував свою модель анонімно). Його ідея полягала в тому, що Сонце стоїть нерухомо в центрі, а Земля та інші планети обертаються навколо нього по кругових орбітах. Минуло майже століття, перш ніж ідею Коперника сприйняли серйозно. Два астронома - німець Йоганн Кеплер і італієць Галілео Галілей - публічно виступили на підтримку теорії Коперника, незважаючи на те що передбачені Коперником орбіти не зовсім збігалися з спостерігаються. Теорії Аристотеля-Птолемея прийшов кінець в 1609 р., коли Галілей почав спостерігати нічний закон тяжіння, згідно якому всякий тіло у Всесвіті притягається до будь-якого іншого тіла з тим більшою силою, ніж більше маси цих тіл і чим менше відстань між ними. Це та сама сила, яка змушує тіла падати на землю. (Розповідь про те, що Ньютона надихнуло яблуко, що впало йому на голову, майже напевно недостоверен. Сам Ньютон сказав про це лише те, що думка про тяжіння прийшла, коли він сидів у "споглядальному настрої", і "приводом було падіння яблука") . Далі Ньютон показав, що, згідно з її законодавством, Місяць під дією гравітаційних сил рухається по еліптичній орбіті навколо Землі, а Земля і планети обертаються по еліптичних орбітах навколо Сонця.

Модель Коперника допомогла позбавитися від Птолемеевой небесних сфер, а заодно і від уявлення про те, що Всесвіт має якусь природну кордон. Оскільки "нерухомі зірки" не змінюють свого положення на небі, якщо не вважати їх кругового руху, пов'язаного з обертанням Землі навколо своєї осі, природно було припустити, що нерухомі зірки це об'єкти, подібні до нашого Сонця, тільки набагато більш віддалені.

Ньютон розумів, що по його теорії тяжіння зірки повинні притягатися один до одного і тому, здавалося б, не можуть залишатися зовсім нерухомими. Чи не повинні вони впасти один на одного, зблизившись в якійсь точці? У 1691 р. в листі Річарду Бентлі, ще одному видатному мислителю того часу, Ньютон говорив, що так дійсно мало б статися, якби у нас було лише кінцеве число зірок у кінцевій області простору. Але, міркував Ньютон, якщо число зірок нескінченно і вони більш-менш рівномірно розподілені по нескінченному простору, то цього ніколи не станеться, так як немає центральної точки, куди їм потрібно було б падати.

Ці міркування - приклад того, як легко потрапити в халепу, ведучи розмови про нескінченності. У нескінченній Всесвіту будь-яку точку можна вважати центром, так як по обидві сторони від неї число зірок нескінченно. Лише набагато пізніше зрозуміли, що більш правильний підхід - взяти кінцеву систему, в якій всі зірки падають один на одного, прагнучи до центру, і подивитися, які будуть зміни, якщо додавати ще й ще зірок, розподілених приблизно рівномірно поза розглянутій області. За законом Ньютона додаткові зірки в середньому ніяк не вплинуть на первісні, тобто зірки будуть з тією ж швидкістю падати в центр виділеної області. Скільки б зірок ми ні додали, вони завжди будуть прагнути до центру. У наш час відомо, що нескінченна статична модель Всесвіту неможлива, якщо гравітаційні сили завжди залишаються силами взаємного тяжіння.

Цікаво, яким було загальний стан наукової думки до початку XX в.: Нікому і в голову не прийшло, що Всесвіт може розширюватися або стискатися. Всі вважали, що Всесвіт небудь існувала завжди в незмінному стані, або була сотворена в якийсь момент часу в минулому приблизно такий, яка вона зараз. Частково це, може бути, пояснюється схильністю людей вірити у вічні істини, а також особливою привабливістю тієї думки, що, нехай самі вони постаріють і помруть, Всесвіт залишиться вічною і незмінною.

Навіть тим вченим, які зрозуміли, що ньютонівська теорія тяжіння робить неможливою статичну Всесвіт, чи не приходила в голову гіпотеза розширюється Всесвіту. Вони спробували модифікувати теорію, зробивши гравітаційну силу відразливою на дуже великих відстанях. Це практично не змінювало пророкує руху планет, але зате дозволяло безкінечного розподілу зірок залишатися в рівновазі, так як тяжіння близьких зірок компенсувалося відштовхуванням від далеких. Але зараз ми вважаємо, що така рівновага виявилося б нестійким. Справді, якщо в якійсь області зірки трохи зблизяться, то сили тяжіння між ними зростуть і стануть більше сил відштовхування, так що зірки будуть і далі зближуватися. Якщо ж відстань між зірками трохи збільшиться, то переважать сили відштовхування і відстань буде наростати.

Ще одне заперечення проти моделі нескінченної статичної Всесвіту зазвичай приписується німецькому філософу Генріху Олберса, який в 1823 р. опублікував роботу, присвячену цій моделі. Насправді багато сучасників Ньютона займалися тим же завданням, і стаття Олберса була навіть не першою серед робіт, в яких висловлювалися серйозні заперечення. Її лише першою стали широко цитувати. Заперечення таке: в нескінченній статичної Всесвіту будь-який промінь зору повинен упиратися в яку-небудь зірку. Але тоді небо навіть вночі повинно яскраво світитися, як Сонце. Контраргумент Олберса полягав у тому, що світло, що йде до нас від далеких зірок, повинен послаблюватися через поглинання в що знаходиться на його шляху речовині.

Але в такому випадку саме це речовина повинна нагрітися і яскраво світитися, як зірки. Єдина можливість уникнути висновку про яскраво, як Сонце, світному нічному небі - припустити, що зірки сяяли не завжди, а загорілися в якийсь певний момент часу в минулому. Тоді поглинає речовина, можливо, ще не встигло розігрітися або ж світло далеких зірок ще не дійшов до нас. Але виникає питання: чому запалилися зірки?

Звичайно, проблема виникнення Всесвіту займала розуми людей уже дуже давно. Згідно ряду ранніх космогонії і іудейсько-християнсько-мусульманським міфам, наша Всесвіт виник в якийсь певний і не дуже віддалений момент часу в минулому. Однією з підстав таких вірувань була потреба знайти "першопричину" існування Всесвіту. Будь-яка подія у Всесвіті пояснюють, вказуючи його причину, тобто інша подія, що сталася раніше; подібне пояснення існування самого Всесвіту можливо лише в тому випадку, якщо у неї був початок. Інша підстава висунув Блаженний Августин (православна Церква вважає Августина блаженним, а Католицька - святим. - Прим. Ред.). в книзі "Град Божий". Він вказав на те, що цивілізація прогресує, а ми пам'ятаємо, хто скоїв те чи інше діяння і хто що винайшов. Тому людство, а значить, ймовірно, і Всесвіт, навряд чи дуже довго існують. Блаженний Августин вважав прийнятною дату створення Всесвіту, відповідну книзі "Буття": приблизно 5000 рік до нашої ери. (Цікаво, що ця дата не так вже далека від кінця останнього льодовикового періоду - 10 000 років до н. Е.., Який археологи вважають початком цивілізації).

Арістотелем же і більшості інших грецьких філософів не подобалася ідея створення Всесвіту, так як вона пов'язувалася з божественним втручанням. Тому вони вважали, що люди й навколишній світ існували і будуть існувати вічно. Довід щодо прогресу цивілізації вчені старовини розглядали і вирішили, що в світі періодично відбувалися потопи та інші катаклізми, які весь час повертали людство до вихідної точки цивілізації.

Питання про те, чи виникла Всесвіт в якийсь початковий момент часу і обмежена вона в просторі, пізніше вельми пильно розглядав філософ Іммануїл Кант у своєму монументальному (і дуже темному) праці "Критика чистого розуму", який був виданий в 1781 р. Він назвав ці питання антиноміями (тобто протиріччями) чистого розуму, бо бачив, що в рівній мірі не можна ні довести, ні спростувати ні тезу про необхідність початку Всесвіту, ні антитеза про її вічне існування. Теза Кант аргументував тим, що якби у Всесвіті не було початку, то всякому події передував б нескінченний період часу, а це Кант вважав абсурдом. На підтримку антитези Кант говорив, що якби Всесвіт мав початок, то йому передував б нескінченний період часу, а тоді питається, чому Всесвіт раптом виникла в той, а не інший момент часу? Насправді аргументи Канта фактично однакові і для тези, і для антитези. Він виходить з мовчазного припущення, що час нескінченно в минулому незалежно від того, існувала або не існувало вічно Всесвіт. Як ми побачимо нижче, до виникнення Всесвіту поняття часу позбавлене сенсу. На це вперше вказав Блаженний Августин. Коли його запитували, чим займався Бог до того, як створив Всесвіт, Августин ніколи не відповідав у тому дусі, що, мовляв, Бог готував пекло для тих, хто задає подібні питання. Ні, він говорив, що час - невід'ємна властивість створеної Богом Всесвіту і тому до виникнення Всесвіту часу не було.

Коли більшість людей вірило в статичну і незмінну Всесвіт, питання про те, чи мала вона початок чи ні, ставився, по суті, до області метафізики і теології. Всі спостерігаються явища можна було пояснити як за допомогою теорії, в якій Всесвіт існує вічно, так і за допомогою теорії, згідно якої Всесвіт сотворили в якийсь певний момент часу таким чином, щоб все виглядало, як якщо б вона існувала вічно. Але в 1929 р. Едвін Хаббл зробив епохальне відкриття: виявилося, що в якій би частині неба ні вести спостереження, всі далекі галактики швидко віддаляються від нас. Іншими словами, Всесвіт розширюється. Це означає, що в більш ранні часи всі об'єкти були ближче один до одного, ніж зараз. Значить, було, мабуть, час, близько десяти чи двадцяти тисяч мільйонів років тому, коли вони всі перебували в одному місці, так що щільність Всесвіту була нескінченно великою. Зроблене Хабблом відкриття перевело питання про те, як виник Всесвіт, в область компетенції науки.

Спостереження Хаббла говорили про те, що був час - так званий великий вибух, коли Всесвіт був нескінченно малої і нескінченно щільною. За таких умов всі закони науки втрачають сенс і не дозволяють передбачати майбутнє. Якщо в ще більш ранні часи і відбувалися які-небудь події, вони все одно ніяк не змогли б вплинути на те, що відбувається зараз. Через відсутність же спостережуваних наслідків ними можна просто знехтувати. Великий вибух можна вважати початком відліку часу в тому сенсі, що більш ранні часи були б просто не визначені. Підкреслимо, що такий початок відліку часу дуже сильно відрізняється від усього того, що пропонувалося до Хаббла. Початок часу в що не змінюється Всесвіту є щось, що повинно визначатися чимось, існуючим поза Всесвіту; для початку Всесвіту немає фізичної необхідності. Створено Богом Всесвіті можна у своєму поданні відносити до будь-якого моменту часу в минулому. Якщо ж Всесвіт розширюється, то можуть існувати фізичні причини для того, щоб вона мала початок. Можна як і раніше уявляти собі, що саме Бог створив Всесвіт - в момент великого вибуху або навіть пізніше (але так, як якби стався великий вибух). Однак було б абсурдно стверджувати, що Всесвіт виник раніше великого вибуху. Уявлення про розширення Всесвіту не виключає творця, але накладає обмеження на можливу дату його праць!

Щоб можна було говорити про сутність Всесвіту і про те, чи було у неї початок і чи буде кінець, потрібно добре уявляти собі, що таке наукова теорія взагалі. Я буду дотримуватися найпростішої точки зору: теорія - це теоретична модель Всесвіту або який-небудь її частини, доповнена набором правил, що пов'язують теоретичні величини з нашими спостереженнями. Ця модель існує лише у нас в голові і не має іншої реальності (який би зміст ми не вкладали в це слово). Теорія вважається хорошою, якщо вона задовольняє двом вимогам: по-перше, вона повинна точно описувати широкий клас спостережень в рамках моделі, яка містить лише кілька довільних елементів, і, по-друге, теорія повинна давати цілком певні передбачення щодо результатів майбутніх спостережень. Наприклад, теорія Аристотеля, згідно з якою все складається з чотирьох елементів - землі, повітря, вогню і води, - була досить простою, щоб називатися теорією, але з її допомогою не можна було отримати ніяких певних передбачень. Теорія ж тяжіння Ньютона виходила з ще більш простої моделі, в якій тіла притягуються одне до одного із силою, пропорційною деякій величині, званої їх масою, і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Але теорія Ньютона вельми точно пророкує рух Сонця, Місяця і планет.

Будь фізична теорія завжди носить тимчасовий характер в тому сенсі, що є всього лише гіпотезою, яку не можна довести. Скільки б разів не констатувалося згоду теорії з експериментальними даними, не можна бути впевненим у тому, що наступного разу експеримент не увійде в суперечність з теорією. Водночас будь-яку теорію можна спростувати, пославшись на одне-єдине спостереження, яке не узгоджується з її прогнозами. Як вказував філософ Карл Поппер, фахівець в галузі філософії науки, необхідною ознакою хорошою теорії є те, що вона дозволяє зробити передбачення, які в принципі можуть бути експериментально спростовані. Всякий раз, коли нові експерименти підтверджують передбачення теорії, теорія демонструє свою життєвість, і наша віра в неї міцніє. Але якщо хоч одне нове спостереження не узгоджується з теорією, нам доводиться або відмовитися від неї, або переробити. Така принаймні логіка, хоча, звичайно, ви завжди вправі засумніватися в компетентності того, хто проводив спостереження.

На практиці часто виявляється, що нова теорія насправді є розширенням попередньої теорії. Наприклад, надзвичайно точні спостереження за планетою Меркурій виявили невеликі розбіжності між її рухом і передбаченнями ньютонівської теорії тяжіння. Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна, Меркурій повинен рухатися трохи інакше, ніж виходить в теорії Ньютона. Той факт, що передбачення Ейнштейна збігаються з результатами спостережень, а передбачення Ньютона не збігаються, став одним з вирішальних підтверджень нової теорії. Правда, на практиці ми досі користуємося теорією Ньютона, так як у тих випадках, з якими ми зазвичай стикаємося, її прогнози дуже мало відрізняються від прогнозів загальної теорії відносності. (Теорія Ньютона має ще й те величезну перевагу, що з нею набагато простіше працювати, ніж з теорією Ейнштейна).

Кінцевою метою павуки є створення єдиної теорії, яка описувала б весь Всесвіт. Вирішуючи це завдання, більшість учених ділять її на дві частини. Перша частина - це закони, які дають нам можливість дізнатися, як Всесвіт змінюється з часом. (Знаючи, як виглядає Всесвіт у якийсь один момент часу, ми за допомогою цих законів можемо дізнатися, що з нею станеться в будь пізніший момент часу). Друга частина проблема початкового стану Всесвіту. Деякі вважають, що наука повинна займатися тільки першою частиною, а питання про те, що було спочатку, вважають справою метафізики і релігії. Прихильники такої думки говорять, що, оскільки Бог всемогутній, в його волі було "запустити" Всесвіт як завгодно. Якщо вони праві, то у Бога була можливість зробити так, щоб Всесвіт розвивалася абсолютно довільно. Бог же, мабуть, вважав за краще, щоб вона розвивалася досить регулярно, за певними законами. Але тоді настільки ж логічно припустити, що існують ще й закони, що керують початковим станом Всесвіту.

Виявляється, дуже важко відразу створювати теорію, яка описувала б весь Всесвіт. Замість цього ми ділимо задачу на частини і будуємо приватні теорії. Кожна з них описує один обмежений клас спостережень і робить щодо нього передбачення, нехтуючи впливом усіх інших величин або представляючи останні простими наборами чисел. Можливо, що такий підхід абсолютно неправильний. Якщо все у Всесвіті фундаментальним чином залежить від усього іншого, то можливо, що, досліджуючи окремі частини завдання ізольовано, не можна наблизитися до повного її вирішення. Проте в минулому наш прогрес йшов саме таким шляхом. Класичним прикладом знову може служити ньютоновская теорія тяжіння, згідно з якою гравітаційна сила, що діє між двома тілами, залежить тільки від однієї характеристики кожного тіла, а саме від його маси, але не залежить від того, з якої речовини складаються тіла. Отже, для обчислення орбіт, по яких рухаються Сонце і планети, не потрібна теорія їх структури і складу.

Зараз є дві основні приватні теорії для опису Всесвіту загальна теорія відносності та квантова механіка. Обидві вони - результат величезних інтелектуальних зусиль вчених першої половини нашого століття. Загальна теорія відносності описує гравітаційну взаємодію і великомасштабну структуру Всесвіту, тобто структуру в масштабі від декількох кілометрів до мільйона мільйона мільйона мільйона (одиниця з двадцятьма чотирма кулями) кілометрів, або до розмірів спостерігається частини Всесвіту. Квантова механіка ж має справу з явищами у вкрай малих масштабах, таких, як одна мільйонна однієї мільйонної сантиметри. І ці дві теорії, на жаль, несумісні - вони не можуть бути одночасно правильними. Одним з головних напрямків досліджень в сучасній фізиці і головною темою цієї книги є пошук нової теорії, яка об'єднала б дві попередні в одну - в квантову теорію гравітації. Поки такої теорії немає, і її, може бути, ще доведеться довго чекати, але ми вже знаємо багато з тих властивостей, якими вона повинна володіти. У наступних розділах ви побачите, що нам вже чимало відомо про те, які передбачення повинні випливати з квантової теорії гравітації.

Якщо ви вважаєте, що Всесвіт розвивається не довільним чином, а підпорядковується певним законам, то врешті-решт вам доведеться об'єднати всі приватні теорії в єдину повну, яка буде описувати все у Всесвіті. Правда, в пошуки такої єдиної теорії закладено один фундаментальний парадокс. Все сказане вище про наукових теоріях припускає, що ми є розумними істотами, можемо виробляти у Всесвіті які завгодно спостереження і на основі цих спостережень робити логічні висновки. У такій схемі природно припустити, що в принципі ми могли б ще ближче підійти до розуміння законів, яким підкоряється наш Всесвіт. Але якщо єдина теорія дійсно існує, то вона, напевно, теж повинна якимось чином впливати на наші дії. І тоді сама теорія повинна визначати результат наших пошуків її ж! А чому вона повинна заздалегідь зумовлювати, що ми зробимо правильні висновки зі спостережень? Чому б їй з таким же успіхом не привести нас до невірних висновків? або ж взагалі ні до яких?

Я можу запропонувати всього лише одна відповідь на ці питання. Він заснований на дарвінівської принципі природного відбору. Моя ідея полягає в тому, що в будь популяції організмів, здатних до самовідтворення, неминучі генетичні варіації і відмінності у вихованні окремих індивідуумів. Це означає, що деякі індивідууми більш інших здатні робити правильні висновки про навколишній їхній світ і діяти у відповідності з цими висновками. У таких індивідуумів буде більше шансів вижити і дати потомство, а тому їх образ думок і їх поведінка стануть домінуючими. Минулого інтелект і здатність до наукового відкриття безумовно забезпечували переваги у виживанні. Правда, зовсім не очевидно, що все сказане вірно і зараз: зроблені нами наукові відкриття можуть нас же і погубити, але навіть якщо цього не станеться, повна єдина теорія навряд чи сильно вплине на наші шанси вижити. Проте, коли незабаром Всесвіт розвивається регулярним чином, можна вважати, що здібності до міркування, які ми придбали в результаті штучного відбору, проявляться в пошуках єдиної повної теорії і допоможуть уникнути неправильних висновків.

Оскільки вже існуючих приватних теорій цілком достатньо, щоб робити точні передбачення у всіх ситуаціях, крім самих екстремальних, пошук остаточної теорії Всесвіту не відповідає вимогам практичної доцільності. (Зауважимо, однак, що аналогічні заперечення можна було б висунути проти теорії відносності та квантової механіки, а адже саме ці теорії зробили революцію в ядерній фізиці і в мікроелектроніці!) Таким чином, відкриття повної єдиної теорії, може бути, не сприятиме виживанню і навіть ніяк не вплине на перебіг нашого життя. Але вже на зорі цивілізації людям не подобалися незрозумілі і не пов'язані між собою події, і вони пристрасно бажали зрозуміти той порядок, який лежить в основі нашого світу. Донині ми мріємо дізнатися, чому ми тут опинилися і звідки взялися. Прагнення людства до знання є для нас достатнім виправданням, щоб продовжувати пошук. А наша кінцева мета ніяк не менше, ніж повний опис Всесвіту, в якій ми живемо.

 2. Простір і час

Наші сучасні уявлення про закони руху тіл сходять до Галілею і Ньютону. До них побутувала точка зору Аристотеля, який вважав, що природним станом будь-якого тіла є стан спокою і тіло починає рухатися тільки під дією сили або імпульсу. Звідси випливало, що важке тіло повинно падати швидше, ніж легке, бо його сильніше тягне до землі.

Згідно аристотелевской традиції, всі закони, які управляють Всесвіту, можна вивести чисто умоглядно і немає ніякої необхідності перевіряти їх на досвіді. Тому до Галілея ніхто не замислювався над тим, чи дійсно тіла різної ваги падають з різними швидкостями. Кажуть, що

Галілей демонстрував хибність вчення Арістотеля, кидаючи тіла різної ваги з падаючою Пізанської вежі. Це напевно вигадка, але Галілей дійсно робив щось подібне: він скачував по гладкому укосу кулі різної ваги. Такий експеримент аналогічний скиданню важких тіл з башти, але він простіше для спостережень, так як менше швидкості. Вимірювання Галілея показали, що швидкість всякого тіла збільшується по одному і тому ж закону незалежно від ваги тіла. Наприклад, якщо взяти куля і пустити його вниз по похилій площині з ухилом метр на кожні десять метрів, то, яким би важким не був куля, його швидкість в кінці першої секунди буде один метр на секунду, в кінці другої секунди - два метри в секунду і т. д. Звичайно, свинцева гиря буде падати швидше, ніж пір'їнка, але тільки через те, що перо сильніше сповільнюється силою опору повітря, ніж гиря. Якщо кинути два тіла, опір повітря для яких невелика, наприклад дві свинцеві гирі різної ваги, то вони будуть падати з однаковою швидкістю.

Ньютон вивів свої закони руху, виходячи з вимірів, проведених Галілеєм. В експериментах Галілея на тіло, яке котиться по похилій площині, завжди діяла одна і та ж сила (вага тіла) і в результаті швидкість тіла постійно зростала. Звідси випливало, що насправді прикладена до тіла сила змінює швидкість тіла, а не просто змушує його рухатися, як думали раніше. Це ще означало, що якщо на тіло не діє сила, воно буде рухатися по прямій з постійною швидкістю. Таку думку вперше чітко висловив Ньютон у своїй книзі "Математичні начала", що вийшла в 1687 р. Цей закон тепер називається Першим законом Ньютона. Про те, що відбувається з тілом, коли па нього діє сила, йдеться в Другому законі Ньютона. Він говорить, що тіло буде прискорюватися, тобто міняти свою швидкість, пропорційно величині сили. (Якщо, наприклад, сила зросте в 2 рази, то і прискорення в 2 рази збільшиться). Крім того, прискорення тим менше, чим більше маса (тобто кількість речовини) тіла. (Діючи на тіло вдвічі більшої маси, та ж сила створює вдвічі менше прискорення). Всім добре відомо, як йде справа з автомобілем: чим потужніший двигун, тим більше створюване їм прискорення, але чим важче автомобіль, тим менше прискорює його той же двигун.

Крім законів руху Ньютон відкрив закон, якому підпорядковується сила тяжіння. Цей закон такий: всяке тіло притягує будь-яке інше тіло з силою, пропорційною масам цих тіл. Отже, якщо вдвічі збільшити масу одного з тіл (скажімо, тіла А), то і сила, що діє між тілами, теж збільшиться в 2 рази. Ми так вважаємо тому, що нове тіло А можна уявити собі складеним з двох тіл, маса кожного з яких дорівнює первісній масі. Кожне з цих тіл притягувало б тіло В з силою, рівною первісної силі. Отже, сумарна сила, що діє між тілами А і В, була б удвічі більше цієї первісної сили. А якби одне з тіл мало масу, скажімо, удвічі, а друге - втричі більше початкової маси, то сила взаємодії зросла б у 6 разів. Тепер зрозуміло, чому всі тіла падають з однаковою швидкістю: тіло з подвоєним вагою буде тягнути вниз подвоєна гравітаційна сила, а й маса тіла при цьому буде в 2 рази більше. За Другому закону Ньютона ці два ефекти компенсують один одного, і прискорення буде у всіх випадках однаковим.

Закон тяжіння Ньютона говорить, що чим далі тіла один від одного, тим менше сила їх взаємодії. Згідно з цим законом, гравітаційна сила тяжіння зірки становить рівно чверть сили тяжіння такої ж зірки, але що знаходиться на вдвічі меншій відстані. Закон Ньютона дозволяє з великою точністю передбачити орбіти Землі, Місяця і планет. Якби закон всесвітнього тяжіння була іншою і сила гравітаційного тяжіння зменшувалася швидше, ніж за законом Ньютона, то орбіти планет були б не еліпсами, а спіралями, що сходяться до Сонця. Якщо ж гравітаційне тяжіння зменшувалося б з відстанню повільніше, то тяжіння віддалених зірок виявилося б сильніше тяжіння Землі.

Уявлення Аристотеля істотно відрізнялися від уявлень Галілея і Ньютона тим, що Аристотель вважав стан спокою деяким переважним станом, в якому завжди повинно надаватися тіло, якщо на нього не діє сила або імпульс. Аристотель, зокрема, вважав, що Земля спочиває. Із законів Ньютона ж випливає, що єдиного еталона спокою не існує. Ви можете на рівних підставах стверджувати, що тіло А знаходиться в спокої, а тіло В рухається відносно тіла А з постійною швидкістю або ж що тіло В, навпаки, покоїться, а тіло А рухається. Якщо, наприклад, забути на час про обертання нашої планети навколо осі і про її русі навколо Сонця, то можна сказати, що земля спочиває, а поїзд мчить на північ зі швидкістю дев'яносто кілометрів на годину або ж що поїзд стоїть на місці, а земля під ним тікає на південь зі швидкістю 90 кілометрів на годину. Якби в цьому поїзді хтось експериментував з рухомими тілами, то виявилося б, що всі закони Ньютона виконуються. Наприклад, граючи в поїзді в настільний теніс, ви виявили б, що траєкторія кульки підпорядковується законам Ньютона, як якщо б ви грали на нерухомому столі, і ви не могли б сказати, що саме рухається - поїзд або земля.

Відсутність абсолютного еталона спокою означає, що неможливо визначити, чи відбулися якісь дві події в одній і тій же точці простору, якщо відомо, що вони мали місце в різні моменти часу. Нехай, наприклад, наш тенісний кульку в рухомому потязі відскакує від столу вертикально вгору і, падаючи вниз, вдаряється через секунду про стіл в тій же точці. Тому, хто стоїть біля залізничного полотна, здалося б, що точки дотику кульки зі столом розділені відстанню близько сорока метрів, яке пройшов поїзд за час між підскіками. Отже, відсутність абсолютного стану спокою означає, що ніякому події не можна приписати абсолютного положення в просторі, як це вважав Аристотель. Положення подій у просторі та відстані між ними повинні бути різними для спостерігача, що їде в поїзді, і для спостерігача, який стоїть поряд з проходять поїздом, і немає ніяких підстав вважати, що положення, що фіксуються одним з цих спостерігачів, більш кращі, ніж положення, фіксуються іншим.

Ньютона сильно турбувала відсутність абсолютного положення в просторі або, як його називали, абсолютного простору, тому що це суперечило його ідеї абсолютного Бога. І він фактично відмовився прийняти відсутність абсолютного простору, незважаючи на те що таке відсутність випливало із законів, відкритих ним самим. Багато різко критикували Ньютона за його ірраціональне завзятість, і зокрема єпископ Берклі - філософ, який вважав, що всі матеріальні об'єкти, а також простір і час ілюзія. (Дізнавшись про такі поглядах Берклі, знаменитий д-р Джонсон вигукнув: "Я спростовую це ось як!" - І так стукнув ногою по великому каменю, що мало не втратив рівновагу).

І Арістотель, і Ньютон вірили в абсолютний час. Іншими словами, вони вважали, що часовий інтервал між двома подіями можна однозначно виміряти і що результат буде однаковий незалежно від того, хто проводить вимірювання, лише б у вимірює були правильні годинник. Час був повністю відокремлене від простору і вважалося не залежних від нього. Така була точка зору більшості, точка зору здорового глузду. Але нам довелося змінити свої уявлення про простір і час. Уявлення, засновані на "здоровому глузді", відносяться до порівняно повільним об'єктам (яблуко, планета), але вони виявляються зовсім недоречними, коли швидкості стають близькими до швидкості світла.

Те, що світло поширюється з кінцевою, хоча і дуже великою швидкістю, встановив в 1676 р. датський астроном Оле Хрістенсен Ремер. Він виявив, що моменти проходження супутників Юпітера за його диском слідують один за іншим не через рівні інтервали, як має бути, якщо супутники обертаються навколо Юпітера з постійною швидкістю. При обертанні Землі і Юпітера навколо Сонця відстань між цими двома планетами змінюється. Ремер зауважив, що затемнення місяців Юпітера тим більше запізнюються, чим далі ми від нього перебуваємо. Він пояснив це тим, що світло від супутників йде до нас довше, коли ми знаходимося далі. Однак Ремер не надто точно вимірював зміни відстані від Землі до Юпітера, і тому отримане ним значення швидкості світла виявилося рівним 140.000 миль / с, тоді як сучасне значення становить 186.000 миль / с (1 миля = 1,609 км. Сучасне значення швидкості світла одно 299.792. 458 м / с. - прим. перекл.). Проте досягнення Ремера було видатним, бо він не тільки довів, що світло поширюється з кінцевою швидкістю, але і виміряв її, причому все це за одинадцять років до виходу у світ книги Ньютона "Математичні начала".

Справжньою теорії поширення світла не існувало до 1865 р., коли англійський фізик Джеймс Кларк Максвелл зумів об'єднати дві приватні теорії, за допомогою яких тоді описували електричні і магнітні сили. Згідно рівнянням Максвелла, в електромагнітному полі, складеному з двох полів, можуть існувати волноподобние обурення, які поширюються з постійною швидкістю, як хвилі на поверхні ставка. Якщо довжина хвилі (тобто відстань між гребенями двох сусідніх хвиль) становить метр або більше, то ми маємо справу з радіохвилями. Більш короткі хвилі називаються хвилями надвисокочастотного діапазону (якщо їх довжина - близько сантиметра) і хвилями інфрачервоного діапазону (до десяти тисячних сантиметри). Довжина хвилі видимого світла складає всього лише сорок-вісімдесят мільйонних часток сантиметра. Ще коротше хвилі ультрафіолетового, рентгенівського і гамма-випромінювань.

Теорія Максвелла пророкувала, що радіохвилі і світло мають поширюватися з деякою фіксованою швидкістю. Але оскільки теорія Ньютона покінчила з поданням про абсолютному спокої, тепер, говорячи про фіксованій швидкості світла, потрібно було вказати, щодо чого вимірюється ця фіксована швидкість. У зв'язку з цим було постулировано існування якоїсь субстанції, названої "ефіром", якою наповнено все, навіть "порожнє" простір. Світлові хвилі поширюються в ефірі так само, як звукові в повітрі, і, отже, їх швидкість - це швидкість щодо ефіру. Спостерігачі, з різними швидкостями рухомі щодо ефіру, повинні бачити, що світло йде до них з різною швидкістю, але швидкість світла щодо ефіру повинна залишатися при цьому незмінною. Зокрема, коли незабаром Земля рухається в ефірі по своїй орбіті навколо Сонця, швидкість світла, виміряна в напрямку руху Землі (при русі в бік джерела світла), повинна перевищувати швидкість світла, виміряну під прямим кутом до напрямку руху (тобто коли ми не рухаємося до джерела). У 1887 р. Альберт Майкельсон (що згодом став першим американцем, удостоєним Нобелівської премії з фізики) і Едвард Морлі поставили в Клівленда школі прикладних наук дуже точний експеримент. Майкельсон і Морлі порівнювали значення швидкості світла, виміряної в напрямку руху Землі, з її значенням, виміряним в перпендикулярному напрямку. До свого величезного здивування, вони виявили, що обидва значення абсолютно однакові!

З 1887 по 1905 р. був зроблений ряд спроб (найбільш відома з яких належить датському фізику Хендрику Лоренцу) пояснити результат експерименту Майкельсона і Морлі тим, що всі рухомі в ефірі об'єкти скорочуються в розмірах, а всі годинники уповільнюють свій хід. Але в 1905 р. нікому досі не відомий службовець Швейцарського патентного бюро на ім'я Альберт Ейнштейн опублікував стала потім знаменитої роботу, в якій було показано, що ніякого ефіру не потрібно, якщо відмовитися від поняття абсолютного часу. Через кілька тижнів ту ж точку зору висловив один з провідних французьких математиків Анрі Пуанкаре. Аргументи, висунуті Ейнштейном, були ближче до фізики, ніж аргументи Пуанкаре, який підійшов до цього завдання як до математичної. Про Ейнштейна зазвичай говорять як про творця нової теорії, а й ім'я Пуанкаре пов'язують з розробкою важливою се частини.

Фундаментальний постулат цієї теорії відносності, як стали називати нову теорію, полягав у тому, що закони науки повинні бути однаковими для всіх вільно рухаються спостерігачів незалежно від швидкості їх руху. Цей постулат був справедливий для законів руху Ньютона, але тепер він був поширений на теорію Максвелла і на швидкість світла; швидкість світла, виміряна будь-якими спостерігачами, повинна бути однакова незалежно від того, з якою швидкістю рухаються самі спостерігачі. З цього простого принципу випливає ряд чудових наслідків. Найвідоміші з них - це, напевно, еквівалентність маси і енергії, що знайшла своє вираження в знаменитому рівнянні Ейнштейна Е = mc 2 (де Е - енергія, m маса, а с - швидкість світла), і закон, згідно з яким ніщо не може рухатися швидше світла. В силу еквівалентності маси і енергії енергія, якою володіє рухомий об'єкт, повинна тепер додаватися до його маси. Іншими словами, чим більше енергія, тим важче збільшити швидкість. Правда, цей ефект существенен лише при швидкостях, близьких до швидкості світла. Якщо, наприклад, швидкість якого-небудь об'єкту складає 10% швидкості світла, то його маса лише на 0,5% більше нормальної, тоді як при швидкості, що дорівнює 90% швидкості світла, маса вже в 2 рази перевищує нормальну. У міру того як швидкість об'єкта наближається до швидкості світла, маса зростає все швидше, так що для подальшого прискорення потрібно все більше і більше енергії. Насправді швидкість об'єкта ніколи не може досягти швидкості світла, так як тоді його маса стала б нескінченно великою, а оскільки маса еквівалентна енергії, для досягнення такої швидкості потрібна була б нескінченно велика енергія. Таким чином, будь-який нормальний об'єкт в силу принципу відносності назавжди приречений рухатися зі швидкістю, що не перевищує швидкості світла. Тільки світло та інші хвилі, що не володіють "власної" масою, можуть рухатися зі швидкістю світла.

Інше чудове наслідок з постулату відносності революція в наших уявленнях про простір і час. За теорією Ньютона, якщо світловий імпульс посланий з однієї точки в іншу, то час його проходження, виміряний різними спостерігачами, буде однаковим (оскільки час абсолютно), по пройдений ним шлях може виявитися різним у різних спостерігачів (так як простір не є абсолютним). І оскільки швидкість світла є пройдене світлом відстань, поділена на час, різні спостерігачі будуть отримувати різні швидкості світла. У теорії відносності ж всі спостерігачі повинні бути згодні в тому, з якою швидкістю поширюється світло. І якщо у них немає згоди в питанні про відстань, пройдену світлом, у них не повинно бути згоди і в тому, скільки часу йшло світло. (Час проходження - це пройдене світлом відстань, щодо якого немає згоди у спостерігачів, поділене на швидкість світла, щодо якої всі згодні). Іншими словами, теорія відносності покінчила з поняттям абсолютного часу! Виявилося, що у кожного спостерігача повинен бути свій масштаб часу, вимірюваного за допомогою наявних у нього годин, і що свідчення однакових годин, що знаходяться у різних спостерігачів, не обов'язково узгоджуються.

 Рис. 2.1

Всякий спостерігач може визначити, де і коли відбулося небудь подія, методом радіолокації, пославши світловий імпульс або імпульс радіовипромінювання. Частина посланого сигналу в кінці шляху відіб'ється назад, і спостерігач виміряє час повернення луна-сигналу. Часом події буде середина інтервалу між посилкою сигналу і його поверненням: відстань до події дорівнює половині часу, витраченого на проходження туди і назад, помноженої на швидкість світла. (Під подією тут розуміється щось, що відбувається в певній точці простору в певний момент часу). Все сказане пояснюється просторово-часової діаграмою, представленої на рис. 2.1. При викладеному методі спостерігачі, що переміщаються щодо один одного, припишуть одного й того ж події різний час і положення в просторі. Жодне з вимірів, вироблених різними спостерігачами, чи не буде правильніше інших, але всі вони будуть пов'язані між собою. Кожен спостерігач може точно обчислити, який час і яке положення в просторі припише події будь-який інший спостерігач, якщо відома швидкість другого спостерігача щодо першого.

Для точного визначення відстаней зараз користуються саме таким методом, тому що час ми вміємо вимірювати точніше, ніж довжину. Навіть метр визначається як відстань, яку світло проходить за час 0,000000003335640952 секунди, виміряний за допомогою цезієвих годин. (Само це число відповідає історичному визначенню метра як відстані між двома позначками на спеціальному платиновому стержні, яке зберігається у Парижі). Ми можемо користуватися і більш зручною нової одиницею довжини, яка називається світловий секундою. Це просто відстань, яку світло проходить за одну секунду. У теорії відносності відстань тепер визначено через час і швидкість світла, звідки автоматично випливає, що, вимірюючи швидкість світла, кожен спостерігач отримає один і той же результат (за визначенням 1 метр за +0,000000003335640952 секунди). Тепер не потрібно вводити ефір, присутність якого, до речі, як показав досвід Майкельсона-Морлі, і неможливо виявити. Проте теорія відносності змушує нас до фундаментальної зміні уявлень про простір і час. Нам доводиться прийняти, що час не відокремлено повністю від простору і не незалежно від нього, але разом з ним утворює єдиний об'єкт, який називається простором-часом.

З повсякденного досвіду ми знаємо, що положення точки в просторі можна задати трьома числами - її координатами. Можна, наприклад, сказати, що якась точка в кімнаті знаходиться в двох метрах від однієї стіни, в метрі - від іншої і в півтора метрах від підлоги. А можна також задати її положення, вказавши широту, довготу і висоту над рівнем моря. Ви можете користуватися будь-якими трьома підходящими координатами, хоча вони завжди мають лише обмежену область застосовності. Ніхто не стане, задаючи положення Місяця, вказувати відстань у кілометрах на північ і на захід від площі Пікаділлі і висоту над рівнем моря. Замість цього можна вказати відстань до Сонця, відстань до площини, в якій лежать орбіти планет, і кут між прямою, що з'єднує Місяць із Сонцем, і прямий, що з'єднує Сонце з якою-небудь близькою зіркою, скажімо, з альфою Центавра. Правда, і ці координати навряд чи підходять для завдання положення Сонця в нашій Галактиці або положення нашої Галактики серед оточуючих нас інших галактик. Але можна весь Всесвіт розбити на перекриваються "шматки" і для кожного "шматка" ввести свою систему координат, щоб задавати в ньому положення точки.

Подія - це щось, що відбувається в певній точці простору і в певний момент часу. Отже, подію можна характеризувати чотирма числами, або координатами. Вибір координат буде знову довільним: можна взяти будь-які три чітко визначені координати і будь-яку міру часу. У теорії відносності немає реального відмінності між просторовими і тимчасовими координатами, як немає відмінності між двома будь-якими просторовими координатами. Можна перейти до нової системи координат, в якій, скажімо, перший просторова координата буде комбінацією першої та другої старих просторових координат. Наприклад, замість того щоб задавати положення точки на поверхні Землі, вимірюючи в кілометрах відстань до неї на північ і на захід від площі Пікаділлі, можна було б відкладати відстань від тієї ж площі Пікаділлі, але на північний схід і на північний захід. Аналогічним чином в теорії відносності можна ввести нову тимчасову координату, яка була б дорівнює сумі старого часу (виміряного в секундах) і відстані (у світлових секундax) на північ від Пікаділлі.

 Рис. 2.2

Чотири координати якої-небудь події можна розглядати як координати, що визначають положення цієї події в чотиривимірному просторі, який називається простором-часом. Чотиривимірний простір уявити собі неможливо. Особисто я важко уявляю собі навіть тривимірний простір! Але неважко зображати графічно двовимірні простору, наприклад, поверхня Землі. (Поверхня Землі двумерна, тому що становище будь-якої точки можна задати двома координатами - широтою і довготою). На діаграмах, якими я буду, як правило, користуватися, вісь часу спрямована вгору, а одна з просторових осей горизонтальна. Два інших просторових вимірювання або будуть відсутні, або ж одне з них я буду іноді зображати в перспективі. (Такі діаграми, як діаграма рис. 2.1, називаються просторово-часовими діаграмами). Наприклад, на рис. 2.2 вісь часу спрямована вгору і відлік на ній ведеться в роках, а відстань від Сонця до зірки альфа Центавра відкладено по горизонтальній осі і вимірюється в милях. Траєкторії Сонця і альфи Центавра, що виникають при їх переміщенні в просторі-часі, показані на діаграмі вертикальними лініями: перша - зліва, а друга - справа. Промінь світла від Сонця поширюється по діагоналі, і він доходить від Сонця до альфи Центавра за чотири роки.

 Рис. 2.3

Ми бачили, що рівняння Максвелла пророкують сталість швидкості світла незалежно від швидкості джерела і ці передбачення підтверджуються точними вимірами. Звідси випливає, що світловий імпульс, іспущенний в деякий момент часу з деякою точки простору, з плином часу буде поширюватися на всі боки, перетворюючись на світлову сферу, розміри і положення якої залежать від швидкості джерела. Через одну мільйонну частку секунди світло утворює сферу радіусом 300 метрів; через дві мільйонні частки секунди радіус сфери збільшиться до 600 метрів і т. д. Картина буде нагадувати хвилі па воді, розходяться по поверхні ставка від кинутого каменя. Ці хвилі розходяться, як коло, що розширюється з часом. Якщо уявити собі тривимірну модель, два виміри якої на поверхні ставка, а одне - вісь часу, то в такій моделі розходиться по воді коло буде "слідом" конуса з вершиною, що знаходилася в момент падіння каменя в тій точці на поверхні ставка, в якій камінь торкнувся води (рис. 2.3). Точно так само світло, поширюючись з якогось події в чотиривимірному просторі-часі, утворює в ньому тривимірний конус. Цей конус називається світловим конусом майбутнього для даної події. Можна намалювати і інший конус, який називається світловим конусом минулого і представляє безліч подій, з яких світловий імпульс може потрапити в точку, відповідну даній події (рис. 2.4).

 Рис. 2.4 і 5

Світлові конуси минулого і майбутнього для даної події Р ділять простір-час на три області (рис. 2.5). Абсолютна майбутнє даної події - це область, укладена всередині світлового конуса майбутнього події Р. Це сукупність всіх подій, на які в принципі може вплинути те, що відбувається в точці Р. Події, що лежать поза світлового конуса події Р, недосяжні для сигналів, що йдуть із точки Р, так як ніщо не може рухатися швидше за світло. Отже, на них ніяк не позначається відбувається в точці Р. Абсолютна минуле подія Р лежить всередині світлового конуса минулого. Це безліч всіх подій, сигнали від яких, поширюються зі швидкістю світла або з меншою швидкістю, можуть потрапити в точку Р. Таким чином, в конусі минулого лежить безліч всіх подій, які можуть впливати на подію в точці Р. Знаючи, що відбувається в якій -то момент часу усюди в тій області простору, яка обмежена світловим конусом минулої події Р, можна передбачити, що має статися в самій точці Р. Область простору, що не лежить всередині світлових конусів минулого і майбутнього, ми будемо називати зовнішньою. Події, що належать зовнішньої області, не можуть ні самі впливати на події в точці Р, ні опинитися під впливом відбуваються в Р подій. Якщо, наприклад, Сонце прямо зараз раптом перестане світити, то зараз це ніяк не вплине на земне життя, так як ми все ще будемо знаходитися в області, зовнішньої але відношенню до тієї точки, в якій Сонце згасло (рис. 2.6), а дізнаємося про все лише через вісім хвилин - час, за який світло від Сонця досягає Землі. Тільки тоді відбуваються на Землі події потраплять в світловий конус майбутнього тієї точки, в якій Сонце згасло. З тієї ж причини ми не знаємо, що в даний момент відбувається далеко у Всесвіті: дійшов до нас світло далеких галактик був испущен мільйон років тому, а світло від самого далекого спостережуваного об'єкта йшов до нас 8000 мільйонів років. Це означає, що, вдивляючись у Всесвіт, ми бачимо її в минулому.

 Рис. 2.6

Якщо знехтувати гравітаційними ефектами, як це зробили в 1905 р. Ейнштейн і Пуанкаре, то ми прийдемо до так званої спеціальної (або приватної) теорії відносності. Для кожної події в просторі-часі ми можемо побудувати світловий конус (що представляє собою безліч всіх можливих шляхів, по яких поширюється світло, випущений в розглянутій точці), а оскільки швидкість світла однакова для будь-якої події і в будь-якому напрямку, всі світлові конуси будуть однакові і орієнтовані в одному напрямку. Крім того, ця теорія говорить нам, що ніщо не може рухатися швидше за світло. Це означає, що траєкторія будь-якого об'єкта в часі і в просторі повинна представлятися лінією, що лежить всередині світлових конусів для всіх подій на ній (рис. 2.7).

 Рис. 2.7

Спеціальна теорія відносності дозволила пояснити сталість швидкості світла для всіх спостерігачів (встановлене в досвіді Майкельсона і Морлі) і правильно описувала, що відбувається при русі зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Однак нова теорія суперечила ньютонівської теорії гравітації, згідно з якою об'єкти притягуються один до одного з силою, яка залежить від відстані між ними. Останнє означає, що, якщо зрушити один з об'єктів, сила, що діє на інший, зміниться миттєво. Інакше кажучи, швидкість поширення гравітаційних ефектів повинна бути нескінченною, а не рівної (або меншої) швидкості світла, як того вимагала теорія відносності. З 1908 по 1914 р. Ейнштейн зробив ряд безуспішних спроб побудувати таку модель гравітації, яка узгоджувалася б зі спеціальною теорією відносності. Нарешті в 1915 р. він опублікував теорію, яка зараз називається загальною теорією відносності.

 Рис. 2.8

Ейнштейн висловив припущення революційного характеру: гравітація - це не звичайна сила, а наслідок того, що простір-час не є плоским, як вважалося раніше; воно викривлене розподіленими в ньому масою і енергією. Такі тіла, як Земля, зовсім не примушуються рухатися по викривленим орбітах гравітаційної силою; вони рухаються по лініях, які у викривленому просторі найбільше відповідають прямим у звичайному просторі і називаються геодезичними. Геодезична - це найкоротший (або найдовший) шлях між двома сусідніми точками. Наприклад, поверхня Землі є викривлене двовимірне простір. Геодезична на Землі називається великим колом і є найкоротшим шляхом між двома точками (рис. 2.8). Оскільки найкоротший шлях між двома аеропортами - по геодезичної, диспетчери завжди ставлять пілотам саме такий маршрут. Відповідно до загальної теорії відносності, тіла завжди переміщаються по прямих в чотиривимірному просторі-часі, але ми бачимо, що в нашому тривимірному просторі вони рухаються по викривленим траєкторіями. (Поспостерігайте за літаком над горбистій місцевістю. Сам він летить по прямій в тривимірному просторі, а його тінь переміщається по кривій на двовимірної поверхні Землі).

Маса Сонця так викривляє простір-час, що, хоча Земля рухається по прямій в чотиривимірному просторі, ми бачимо, що в нашому тривимірному просторі вона рухається по круговій орбіті. Орбіти планет, що передбачаються загальною теорією відносності, майже збігаються з передбаченнями ньютонівської теорії тяжіння. Однак у випадку Меркурія, який, будучи найближчій до Сонця планетою, відчуває найсильнішу дію гравітації і має досить витягнуту орбіту, загальна теорія відносності пророкує, що велика вісь еліпса повинна повертатися навколо Сонця приблизно на один градус в десять тисяч років. Незважаючи на його малість, цей ефект був помічений ще до 1915 р. і розглядався як одне з підтверджень теорії Ейнштейна. В останні роки радіолокаційним методом були виміряні ще менші відхилення орбіт інших планет від пророкувань Ньютона, і вони узгоджуються з передбаченнями загальної теорії відносності.

 Рис. 2.9

Промені світла теж повинні слідувати геодезичним в просторі-часі. Викривленість простору означає, що світ вже не поширюється прямолінійно. Таким чином, згідно обший теорії відносності, промінь світла повинен згинатися в гравітаційних полях, і, наприклад, світлові конуси точок, що знаходяться поблизу Сонця, повинні бути трохи деформовані під дією маси Сонця. Це означає, що промінь світла від далекої зірки, що проходить поруч із Сонцем, повинен відхилитися на невеликий кут, і спостерігач, що знаходиться на Землі, побачить цю зірку в іншій точці (рис. 2.9). Звичайно, якби світло від цієї зірки завжди проходив поруч із Сонцем, ми не могли б сказати, відхиляється чи промінь світла або ж зірка дійсно знаходиться там, де ми її бачимо. Але внаслідок звернення Землі все нові зірки заходять за сонячний диск, і їх світло відхиляється. В результаті їх видиме положення щодо інших зірок змінюється.

У нормальних умовах цей ефект дуже важкий для спостереження, так як яскраве сонячне світло не дозволяє бачити зірки, що знаходяться на небі поруч із Сонцем. Але така можливість з'являється під час сонячного затемнення, коли Місяць перекриває сонячне світло. У 1915 р. ніхто не зміг відразу перевірити передбачене Ейнштейном відхилення світла, тому що йшла Перша світова війна. Лише в 1919 р. англійська експедиція в Західній Африці, що спостерігала там сонячне затемнення, показала, що світло дійсно відхиляється Сонцем так, як і передбачала теорія. Те, що англійські вчені довели правильність теорії, батьківщиною якої була Німеччина, віталося як ще один великий акт примирення обох країн після війни. Але, хоча це виглядає іронічно, проведений пізніше аналіз фотографій, отриманих цією експедицією, показав помилки виміру того ж порядку, що і вимірюваний ефект. Результат англійців був або чистим везінням, або тим нерідким в науці випадком, коли отримують те, що хотілося отримати. Правда, відхилення світла Сонцем було згодом точно підтверджено цілим рядом спостережень.

Ще одне пророкування загальної теорії відносності полягає в тому, що поблизу масивного тіла типу Землі час має текти повільніше. Це випливає з того, що повинно виконуватися певне співвідношення між енергією світла і його частотою (т. з. Числом світлових хвиль в секунду): чим більше енергія, тим вище частота. Якщо світло поширюється вгору в гравітаційному полі Землі, то він втрачає енергію, а тому його частота зменшується. (Це означає, що збільшується інтервал часу між гребенями двох сусідніх хвиль). Спостерігачеві, розташованому на великій висоті, повинно здаватися, що внизу все відбувається повільніше. Це пророцтво було перевірено в 1962 р. за допомогою двох дуже точних годин, розташованих: одні на самому верху водонапірної башти, а другі - у її підніжжя.

Виявилося, що нижні годинник, які були ближче до Землі, у точній відповідності із загальною теорією відносності йшли повільніше. Різниця в ході годин на різній висоті над поверхнею Землі придбала зараз величезне практичне значення у зв'язку з появою дуже точних навігаційних систем, що працюють на сигналах з супутників. Якщо не брати до уваги прогнозів загальної теорії відносності, то координати будуть розраховані з помилкою в кілька кілометрів!

Закони руху Ньютона покінчили з абсолютним положенням у просторі. Теорія відносності звільнила нас від абсолютного часу. Візьмемо пару близнюків. Припустимо, що один з них відправився жити на вершину гори, а другий залишився на рівні моря. Тоді перший постаріє швидше, ніж другий, і тому при зустрічі один з них буде виглядати старше іншого. Правда, різниця у віці була б зовсім мала, але вона сильно збільшилася б, якби один з близнюків відправився в довгу подорож на космічному кораблі зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Після повернення він виявився б значно молодше свого брата, який залишався на Землі. Це так званий парадокс близнюків, але він парадокс лише для того, хто в глибині душі вірить в абсолютне час. У загальній теорії відносності немає єдиного абсолютного часу; кожен індивідуум має свій власний масштаб часу, що залежить від того, де цей індивідуум знаходиться і як він рухається.

До 1915 р. простір і час сприймалися як якась жорстка арена для подій, на яку все, що відбувається на ній ніяк не впливає. Так йшла справа навіть у спеціальній теорії відносності. Тіла рухалися, сили притягували і відштовхували, але час і простір просто залишалися самими собою, їх це не стосувалося. І було природно думати, що простір і час нескінченні і вічні.

У загальній же теорії відносності ситуація зовсім інша. Простір і час тепер динамічні величини: коли рухається тіло або діє сила, це змінює кривизну простору і часу, а структура простору-часу в свою чергу впливає на те, як рухаються тіла і діють сили. Простір і час не тільки впливають на все, що відбувається у Всесвіті, а й самі змінюються під впливом усього в ній відбувається. Як без уявлень про простір і час не можна говорити про події у Всесвіті, так в загальній теорії відносності стало безглуздим говорити про простір і час за межами Всесвіту.

У наступні десятиліття нового розуміння простору і часу належало зробити переворот у наших поглядах на Всесвіт. Старе уявлення про майже не мінливою Всесвіту, яка, можливо, завжди існувала і буде існувати вічно, змінилося картиною динамічної, розширюється Всесвіту, яка, мабуть, виникла колись у минулому і, можливо, закінчить своє існування колись у майбутньому. Ця революція в нашій свідомості (їй буде присвячена наступна глава) стала відправною точкою моїх досліджень в теоретичній фізиці. Ми з Роджером Пенроузом показали, що, відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна, Всесвіт повинен мати початок, а може бути, і кінець.

 Зміст  Далі

наверх

psm.in.ua

     © psm.in.ua - підручники, статті та монографії
енциклопедія  флотський  пломбір  зелені  запіканка