 |
Решение загадки. Вселенная извергается
|
|
|
|
Решение загадки
С открытием Хабблом закона расширения Вселенной мы получили объяснение тому, почему она так высоко организована. Именно высокая организация Вселенной, по мнению Эддингтона, и стала главным условием, определяющим направление стрелы времени. Ранняя Вселенная, как бы вы себе ее ни представляли: компактным куском камня, плавающего в бесконечном пространстве, или моделью Леметра, в которой масса заполняет всю Вселенную, – была очень сжатой. По мере образования пространства вокруг вещества появлялось больше места для распределения материи и энергии.
Расширение Вселенной подразумевает, что ее материя находилась в состоянии сравнительно низкой энтропии, по сравнению с тем, каким бы этот уровень мог быть. Создание космоса означало, что для новых возможных состояний материи появлялось больше пространства. То есть возникали возможности для увеличения энтропии. Имея возраст всего 14 миллиардов лет, Вселенная не смогла еще достичь максимально возможной энтропии. Эта идея – о том, что хотя энтропия продолжает увеличиваться, еще сильнее растет и максимально возможный уровень энтропии Вселенной, – была впервые высказана физиком из Гарварда Дэвидом Лейзером[127].
Нижеследующий пример показывает, как расширение Вселенной увеличивает энтропию. Возьмите цилиндр с газом, заполняющим его с одного конца, и поршнем, отделяющим этот газ от вакуума на другом конце. Представьте, что цилиндр некоторое время находился в покое, поэтому газ внутри него достиг состояния с максимальной энтропией. Очень резко сдвиньте поршень, чтобы газ смог заполнить вдвое больший объем. Сделайте это быстро, чтобы по‑ прежнему с одного конца в цилиндре оставался газ, а с другого – вакуум. Теперь газ уже не в состоянии максимальной энтропии. Он не останется в прежнем объеме, а потечет и займет новый объем, расширившись до более высокого состояния энтропии.
|
|
|
В каком‑ то смысле именно это и произошло во время Большого взрыва. Создалось большое пространство, и материя, которая раньше концентрировалась с максимальной энтропией в небольшом объеме, перестала находиться в этом состоянии (максимальной энтропии) в новом большом пространстве. Количество материи не изменилось. Возросло число способов заполнения ею Вселенной. Это объясняет нынешнюю низкую энтропию во Вселенной и, согласно идеям Эддингтона, совершенно однозначно определяет направление стрелы времени. Разумеется, как всегда в науке, ответ на один вопрос порождает много новых вопросов. Больше не нужно спрашивать, почему мы находимся в состоянии низкой энтропии. Теперь речь о другом: почему Вселенная расширяется? Что послужило причиной? Закончится ли это когда‑ нибудь?
Сможем ли мы когда‑ нибудь получить окончательный ответ? Думаю, нет. Мы делаем новые открытия, и они оказывают влияние на возможный ответ. Одно из последних – обнаружение темной энергии (я расскажу об этом позднее) – кардинально изменило уравнения будущего расширения Вселенной. Нам достаточно хорошо известны законы физики, но знание Вселенной и ее природы пока ново и неопределенно. Может быть, через несколько десятилетий или даже веков мы обнаружим что‑ то принципиально свежее относительно причин расширения Вселенной, и это снова изменит наши выводы. Думаю, нас должна радовать мысль о том, что объекты для открытий еще далеко не исчерпаны.
Мифы Древней Греции рассказывают о Сизифе, царе Коринфа, который после смерти навечно был приговорен богами к тому, чтобы закатывать огромные камни на гору, давать им скатиться вниз и снова заталкивать вверх. Его бесплодный труд никогда не закончится. Великий писатель‑ экзистенциалист Альбер Камю проводил отсюда параллель с нашей жизнью: мы рождаемся, живем, умираем – ради чего? Камю провозглашал, что проживание жизни само по себе великая цель, и делал вывод, что Сизиф счастлив.
|
|
|
То же самое можно сказать и об ученых. Мы никогда не можем ответить на все вопросы. Ответишь на один, и тут же выскакивают новые, еще более сложные. Другая классическая аналогия может быть проведена с головой Гидры: на месте отрубленной у нее вырастали сразу две. Ученым это нравится. Мы при таком раскладе никогда не лишимся работы. И это радует.
Глава 13
Вселенная извергается
Физика создания – природа Большого взрыва…
Из небольшой искры возгорается величественное пламя.
Данте Алигьери
Это сигнал из первоздания.
Далеко позади что‑ то бормочут микроволны,
Испущенные первовеществом «илемом» в давнем прошлом
При трех градусах по Кельвину.
Они неразличимы в свете звезд.
С извинениями Генри Лонгфелло
Замечательный результат модели Вселенной Леметра: она создает возможность обернуться назад во времени – назад, еще назад и еще. Я заглянул в прошлое на 14 миллиардов лет.
Вы обращаетесь в прошлое все время. Когда смотрите на человека, стоящего от вас в полутора метрах, видите его не сиюминутного: вы видите, каким он был 5 миллиардных долей секунды назад (столько надо свету, чтобы пролететь это расстояние). Поднимая взор на Луну, видите ее тоже не той, какая она сейчас, а какой была 1, 3 секунды назад. Когда щуритесь на Солнце, видите, в каком оно было состоянии 8, 3 минуты назад. Если Солнце вдруг взорвалось 7 минут назад, то пока мы не имеем об этом ни малейшего представления.
Наиболее отдаленные и древние сигналы из космоса, которые удалось уловить, – космическое микроволновое (реликтовое) излучение. Это так называемые первичные сигналы. Мы верим, что они начали свое путешествие 14 миллиардов лет назад. И когда смотрим на них (с помощью микроволновой камеры), видим Вселенную того времени. Свет (микроволны – это низкочастотный свет) показывает, что существовало во Вселенной огромное время назад и на огромном удалении от нас. Этот свет путешествовал в космосе целых 14 миллиардов лет, чтобы достичь нас.
|
|
|
Чтобы заглянуть назад во время, мы должны исходить из того, что отдаленная от нас на расстояние 14 миллиардов световых лет Вселенная была очень похожа на то, какой была тогда и ближайшая к нам ее часть. Как я уже говорил, этот постулат имеет свое название: космологический принцип. Согласно ему, Вселенная по своей природе гомогенна (как гомогенизированное молоко, с ровным составом по всему объему без сколько‑ нибудь заметных сгустков) и изотропна (нет направлений с особыми физическими свойствами, в ней отсутствует движение больших масштабов; например, Вселенная не вращается). Если не хотите, чтобы окружающие поняли вашу приверженность такому радикальному представлению, называйте его принципом. Космологический принцип звучит угрожающе. Но если бы вы назвали его моделью булки с изюмом, он не был бы таким убедительным. Совершенный космологический принцип еще более угрожающ. Он был придуман как расширение «обычного», но оказался ложным. Далее я это объясню.
Имеется достаточно доказательств того, что космологический принцип, в общем, верен – во всяком случае, для наших целей. Когда мы изучаем Вселенную, особенно ближнюю ее часть, то видим, что она очень походит на все происходящее в непосредственной близости от нас. Мы находимся в галактике Млечный Путь (все звезды на небе, которые вы можете видеть невооруженным глазом, входят в сгусток из многих сотен миллиардов звезд). Однако, скорее всего, за ее пределами существует огромное множество подобных галактик, которые уходят все дальше и дальше в космическое пространство. Выберите небольшой участок неба и, используя лучшие телескопы, попытайтесь сосчитать видимые галактики и экстраполировать результаты на те районы Вселенной, которые пока остаются неизученными. Таким образом можно прийти к выводу, что видимых галактик свыше сотни миллиардов. В большинстве из них звезд меньше, чем в нашем Млечном Пути.
Хотя во Вселенной имеется много сгустков галактик, они распределены в космическом пространстве повсюду, причем с примерно одинаковой плотностью. Мы с командой университета Беркли в 1970‑ е годы измеряли микроволновое излучение, приходящее из космоса, и выяснили, что Вселенная демонстрирует однородность с погрешностью в 0, 1 %, если рассматривать ее в очень больших масштабах. Недавние измерения спутника WMAP[128] (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) показали с точностью до 0, 01 %, что Вселенная однородна. Однако можно предполагать, что с повышением точности измерений ее неоднородность все‑ таки удастся уловить.
|
|
|
