Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг Страница 5

Это еще не все. Млечный Путь не единственная галактика, во Вселенной их множество. Величественные спирали, например Млечный Путь и туманность Андромеды, гигантские эллиптические скопления старых звезд, карликовые галактики неправильной формы – это ошеломляющее разнообразие и ошеломляющее множество в пространстве протяженностью многие миллиарды св. лет.

В декабре 1995 г. астрономы впервые направили космический телескоп «Хаббл» на крохотную область неба, казавшуюся пустой. Затворы фотокамеры оставались открытыми 10 дней. Так было сделано потрясающее фото более тысячи бледных далеких галактик в области, которую можно было бы заслонить головкой булавки, зажатой в вытянутой руке. Сместившись вправо или влево на расстояние, равное диаметру булавочной головки, мы получили бы изображение еще тысячи отдаленных галактик.

Итак, современникам наблюдаемая Вселенная видится большой, темной, холодной и пустой. Но повсюду в космическом пространстве разбросано около 2 трлн галактик, сгруппированных в скопления и кластеры. Вы оказались далеко в космосе и хотите найти дорогу домой? Надеюсь, вы обзавелись сверхточной навигационной системой – на «космических хайвеях» нет дорожных указателей. Проще нашарить хрестоматийную иголку в стоге сена.

Если вам удастся отыскать галактику Млечный Путь, задержитесь на мгновение, чтобы полюбоваться зрелищем. Несколько сот миллиардов «солнц» сгруппированы в красивые спиральные рукава среди звездных скоплений, ярких туманностей и темных облаков пыли. Одна из этого множества – весьма неприметная, заурядная звезда – наше Солнце. Она проводит жизнь на тихой окраине Млечного Пути, у внутреннего края спирального рукава, где почти никогда ничего не происходит.

Вокруг крохотного огонька движутся восемь крошечных планет. Одна из четырех самых маленьких – Земля. На этой «крупице пыли» в последние столетия люди стали подбираться к открытию тайн Вселенной.

Во всяком случае, мы к этому стремимся.

Как унизительно! Homo sapiens практически невозможно обнаружить в безбрежности космического пространства. В освоении космоса мы тоже делаем первые шаги.

Есть наглядное сравнение. Представим, что вся история Вселенной издана в виде энциклопедии в 14 томов. 14 толстых фолиантов, каждый в 1000 страниц мелким шрифтом. Большой взрыв – первая строка на первой странице 1-го тома. Первые звезды и галактики сформируются примерно к середине 1-го тома. Рождение Солнца и его планет будет описано лишь в 10-м. Вымирание динозавров на с. 935 14-го тома. Появление Homo sapiens – на с. 1000 в нижней пятой части. Вся наша письменная история уложится во вторую половину самой последней строчки.

_________

Методы астрономов – лишь один из путей постижения нашего мира. Многие физики воспользовались бы иным: вместо того чтобы описывать все, что видишь (галактики, звезды, планеты), они бы выяснили, из чего все это состоит и как функционирует.

Представим, что астроном и физик сообща изучают роман Дж. Р. Р. Толкиена «Властелин колец». Астроном, сообщая о результатах своих исследований, изложит фабулу, опишет действующих лиц, метафорический смысл произведения, авторский стиль и т. д. Физик поведет речь об алфавите, частоте употребления букв, правилах пунктуации и грамматики.

Но разве все эти правила не одинаковы во многих совершенно разных книгах? «Да!» – с энтузиазмом подтвердит физик. В этом и прелесть его подхода. Можно отвлечься от частностей и заняться поиском общих базовых закономерностей, чтобы прийти к доступному максимально глубокому пониманию. Конечно, у обоих подходов есть свои сильные и слабые стороны. По сути, они прекрасно дополняют друг друга.

Как любая книга пишется небольшим количеством различных букв и должна подчиняться правилам грамматики, так и все объекты во Вселенной состоят из малого числа элементарных частиц, взаимодействующих посредством фундаментальных сил природы.

Поразительно то, что окружающий мир – булавочные головки, люди, планеты и протоскопления галактик – состоит из элементарных частиц всего лишь трех типов: верхних кварков (u-кварков), нижних кварков (d-кварков) и электронов. Как буквы составляются в слова, предложения, абзацы и книги, так и эти три частицы составляют атомы, молекулы, сложные вещества – буквально каждый объект, который вы можете себе представить.

Что касается фундаментальных сил природы, физикам известны только четыре, две из которых действуют на очень близких дистанциях – в масштабе атомного ядра, поэтому называются сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Две другие силы – электромагнитное и гравитационное взаимодействия – проявляются в макромире, о чем известно каждому, кому случалось включить свет или уронить стакан.

Я сейчас упускаю великое множество деталей. Нейтрино, нестабильные элементарные частицы, знаменитый бозон Хиггса, темная материя, суперсимметричные частицы, тетракварки, возможно существующее пятое взаимодействие – список можно продолжать. Интересующихся я отсылаю к популярным книгам об элементарных частицах, поэтому не стану вдаваться в подробности, хотя еще вернусь к нейтрино и темной материи.

В нашем разговоре о пространственно-временном континууме и гравитационных волнах важна загадка силы гравитации. Всем известны ее наглядные проявления. Однако в некотором отношении гравитация резко отличается от других фундаментальных взаимодействий. Альберт Эйнштейн объяснял это тесной связью гравитации с пространством и временем.

Попытаемся объяснить это Исааку Ньютону. Ньютон, разумеется, не знал истинной природы гравитации. Он просто вывел универсальную формулу, эффективно описывающую силу притяжения двух масс, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Но, как большинство его современников, Ньютон считал пространство и время независимыми, абсолютными понятиями.

Фактически взгляды Ньютона на пространство и время во многом близки нашим интуитивным представлениям. Пространство попросту существует – трехмерное ничто, простирающееся бесконечно. Физический объект (будь то элементарная частица или планета) может находиться в некотором положении в пространстве или двигаться из одного положения в другое. Если выбрать определенную точку отсчета, все остальные местоположения можно будет задать всего лишь тремя координатами. Ведите отсчет от избранной точки, и три числа укажут, на какое расстояние нужно переместиться вперед или назад, вправо или влево, а также вверх или вниз, чтобы попасть в другую точку. Пространство – нечто вроде трехмерной миллиметровки. Это пустой неизменяющийся задник, на фоне которого происходят все события во Вселенной.

А время? Воображаемые часы природы отсчитывают и мгновения обычного дня, и каждую секунду после рождения Вселенной. Время – это абсолютный, непогрешимый метроном космоса, отмечающий все и каждое событие уникальной меткой. Кстати, оно одномерно: если выбрана точка отсчета, требуется только одно число, чтобы узнать, в какое время произошло любое другое событие.

Вы с легкостью представите пространство и время так, как их мыслил Ньютон. Это естественное восприятие. Наш мозг так устроен, что приходит именно к этой наглядной картине.