Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   23   24   25   26   27   28   29   30   ...   66


Это заключение является великим следствием, поскольку однородность вселенной есть то, что позволяет нам определить концепцию времени, применимую для вселенной как целого. Если мы принимаем измерение изменений в качестве работающего определения истекшего времени, то однородность условий везде в пространстве является свидетельством однородности изменений везде в космосе, так что предполагает также и однородность прошедшего времени. Точно так же, как однородность земной геологической структуры позволяет геологу в Америке, и такому же в Африке, и другому в Азии прийти к согласию относительно возраста земной истории, однородность космической эволюции во всех местах пространства позволяет физику в галактике Млечного Пути, и такому же в галактике Андромеды, и другому в галактике Головастика прийти в целом к согласию по поводу возраста и истории вселенной. Конкретно, однородная эволюция вселенной означает, что часы здесь, часы в галактике Андромеды и часы в галактике Головастика будут, в среднем, отсчитывать время примерно одинаковым образом. Таким образом, однородность пространства обеспечивает универсальную синхронизацию.


Поскольку я далеко отставил важные детали (такие как расширение пространства, освещаемое в следующей секции), обсуждение выделяет ядро проблемы: время располагается на распутье симметрии. Если вселенная имеет абсолютную темпоральную симметрию, – если она полностью неизменна, – будет тяжело определить даже, что означает время. С другой стороны, если вселенная не имеет симметрии в пространстве, – если, например, фоновое излучение было бы совершенно бессистемным, имея дико отличающуюся температуру в разных областях, – время с космологической точки зрения имело бы мало смысла. Часы в разных местах отсчитывали бы время с разным темпом, так что, если бы вы спросили, на что были похожи вещи, когда вселенной было 3 миллиарда лет, ответ зависел бы от того, на чьи часы вы посмотрели, чтобы увидеть, что эти 3 миллиарда лет истекли. Определение времени было бы затруднено. К счастью, наша вселенная не имеет так много симметрии, чтобы сделать время бессмысленным, но имеет достаточно симметрии, чтобы мы могли избежать таких сложностей, позволяя нам говорить о ее полном возрасте и ее полной эволюции сквозь время.


Итак, теперь обратим наше внимание на эту эволюцию и рассмотрим историю вселенной.


Растягивая ткань


История вселенной выглядит огромным объектом, но в рамках грубого, эскизного наброска является неожиданно простой и зависит в большой части от одного существенного факта: вселенная расширяется. Поскольку это является центральным элементом в разворачивании космической истории и, несомненно, является одним из наиболее глубоких человеческих открытий, рассмотрим коротко, как мы узнали, что это так.


В 1929 Эдвин Хаббл, используя 100-дюймовый телескоп в обсерватории Маунт-Вильсон в Пасадене, Калифорния, нашел, что пара дюжин галактик, которые он смог детектировать, все удаляются прочь.[5] Фактически Хаббл нашел, что чем более удаленной является галактика, тем быстрее ее удаление. Чтобы дать представление о масштабах, более уточненные версии оригинальных наблюдений Хаббла (которые изучали тысячи галактик, используя в числе оборудования пространственный (орбитальный) телескоп имени Хаббла) показывают, что галактики, которые удалены от нас на 100 миллионов световых лет, удаляются со скоростью около 5,5 миллиона миль в час, те же, до которых 200 миллионов световых лет, удаляются в два раза быстрее, около 11 миллионов миль в час, а те, до которых 300 миллионов световых лет, улетают в три раза быстрее, около 16,5 миллионов миль в час, и так далее. Открытие Хаббла было шокирующим, поскольку господствовавшие научные и философские убеждения состояли в том, что вселенная должна быть на своих самых больших масштабах статической, бесконечной, фиксированной и неизменной. Но Хаббл одним ударом вдребезги разбил этот взгляд. И в удивительном слиянии теории и эксперимента ОТО Эйнштейна оказалась способной обеспечить превосходное объяснение открытию Хаббла.


На самом деле, вы можете не думать, что подход к объяснению может быть слишком сложным. Тем не менее, если вы ходили по заводу и видели, сколько сортов материалов неистово вылетают во всех направлениях, вы, вероятно, думали, что там произошел взрыв. Но если вы пропутешествуете назад вдоль путей, которым следует стружка металла и глыбы бетона, вы найдете их всех объединяющимися в месте, которое, вероятно, могло бы поспорить за звание источника взрыва. По тем же самым причинам, поскольку вид с Земли, – как свидетельствуют хаббловские и последующие наблюдения, – показывает, что галактики разлетаются, вы можете подумать, что наше положение в пространстве было местом древнего взрыва, который однородно разбросал сырой материал звезд и галактик. Проблема с этой теорией, однако, в том, что она выделяет один регион в пространстве – наш регион – как уникальный, поскольку делает его местом рождения вселенной. Будь это так, это повлекло бы за собой глубоко сидящую асимметрию: физические условия в областях, удаленных от изначального взрыва, – удаленных от нас, – были бы сильно отличающимися от условий здесь. Поскольку в астрономических данных нет подтверждений такой асимметрии и, более того, поскольку мы с большим подозрением относимся к антропоцентрическим объяснениям, смешанным с докоперниковским мышлением, требуется более изощренная интерпретация открытия Хаббла, одна из тех, в которых наше положение не занимает некоторое особое место в космическом порядке.


ОТО обеспечивает такую интерпретацию. С ОТО Эйнштейн нашел, что пространство и время являются эластичными, а не неподвижными, растягиваемыми, а не жесткими; и он обеспечил уравнения, которые точно говорят нам, как пространство и время откликаются на присутствие материи и энергии. В 1920е годы русский математик и метеоролог Александр Фридман и бельгийский священник и астроном Жорж Леметр независимо проанализировали уравнения Эйнштейна, когда те применены ко всей вселенной, и оба нашли кое-что поразительное. Точно так же, как гравитационное притяжение Земли предполагает, что бейсбольный мяч, запущенный высоко над принимающим, должен либо направляться дальше вверх, либо направляться вниз, но, определенно, не может остановиться (исключая отдельный момент, когда он достигает своей высшей точки), Фридман и Леметр обнаружили, что гравитационное притяжение материи и излучения, распределенных по всему космосу, подразумевает, что ткань пространства должна или растягиваться или сжиматься, но что она не может пребывать с фиксированным размером. Фактически, это один из редких примеров, в которых метафора не только схватывает суть физики, но также и ее математическое содержание, поскольку, как оказалось, уравнения, управляющие высотой полета бейсбольного мяча над землей, почти идентичны уравнениям Эйнштейна, управляющим размером вселенной.[6]


Эластичность пространства в ОТО обеспечивает глубокий способ интерпретации открытия Хаббла. Вместо того, чтобы объяснять разбегающееся движение галактик космической версией взрыва на заводе, ОТО говорит, что в течение миллиардов лет пространство растягивается. И, раз уж оно разбухает, пространство растаскивает галактики друг от друга, почти как черные пятнышки на посыпанном маком пироге растаскиваются врозь, когда тесто поднимается в печи. Так что причина движения в разные стороны не во взрыве, который имел место внутри пространства. Вместо этого движение в разные стороны возникает из неослабевающего разбухания самого пространства.


Чтобы более полно ухватить эту ключевую идею, подумаем также о великолепно применимой для расширяющейся вселенной модели воздушного шара, которую физики часто используют (аналогия, которая может быть прослежена, как минимум, так же далеко назад, как веселый комикс, который вы можете увидеть в конечных комментариях[7], и который появился в заметке Датча в 1930 по итогам интервью с Виллемом де-Ситтером, ученым, который внес важный вклад в космологию). Эта аналогия уподобляет наше трехмерное пространство более легко визуализируемой двумерной поверхности сферического воздушного шара, как на Рис. 8.2а, который раздувается до все большего и большего размера. Галактики представляются многочисленными равномерно распространенными монетками (пенни с портретом Линкольна), приклеенными к поверхности шара. Отметим, что поскольку шар расширяется, все монетки удаляются друг от друга, обеспечивая простую аналогию тому, как расширяющееся пространство разносит в стороны все галактики.


Важное свойство этой модели в том, что тут имеется полная симметрия среди монеток, поскольку вид, который наблюдает любой отдельный Линкольн, будет таким же, как и вид, который наблюдает любой другой Линкольн. Чтобы показать это, представьте, что вы сжимаетесь, ложась на монетку, и обозреваете все направления на поверхности шара (вспомним, что в этой аналогии поверхность шара представляет все пространство, так что смотреть вне поверхности шара не имеет смысла). Что вы будете наблюдать? Ну, вы увидите монетки, удаляющиеся от вас во всех направлениях, так как шар расширяется. А если вы ложитесь на другую монетку, что вы будете наблюдать? Симметрия гарантирует, что вы будете видеть те же самые вещи: монетки, разлетающиеся во всех направлениях. Этот ясный образ хорошо фиксирует наши убеждения, – при поддержке все более точных астрономических исследований, – что наблюдатель в любой из более чем 100 миллиардов галактик вселенной*, пристально вглядывающийся в ее или его ночное небо через мощный телескоп, будет, в среднем, видеть образ, сходный с тем, что видим мы: окружающие галактики, удаляющиеся прочь во всех направлениях.


(*)"Имеются в виду, конечно, галактики наблюдаемой части вселенной. – (прим. перев.)"


Итак, в отличие от взрыва на заводе внутри фиксированного, существующего заранее пространства, если движение в разные стороны возникает вследствие того, что само пространство растягивается, не нужна специальная точка, – ни специальная монетка, ни специальная галактика, – которая является центром расходящегося движения. Каждая точка – каждая монетка, каждая галактика – выступает полностью наравне с любой другой.


Вид из любого места кажется похожим на вид из центра взрыва: каждый Линкольн видит всех других Линкольнов удаляющимися прочь; наблюдатель, вроде нас, в любой галактике видит все другие галактики удаляющимися прочь. Но поскольку это верно для всех положений, не существует специального или уникального положения, которое было бы центром, из которого происходит расходящееся движение.


Более того, это объяснение не только качественно оценивает расходящееся движение галактик пространственно однородным способом, оно также объясняет количественные детали, найденные Хабблом и подтвержденные с большей точностью последующими наблюдениями. Как иллюстрируется на Рис. 8.2b, если воздушный шар разбухает в течение некоторого интервала времени, например, удваиваясь в размере, все пространственные расстояния будут также удвоены по величине: монетки, которые находились на расстоянии 1 дюйм, теперь будут на расстоянии 2 дюйма, монетки, которые находились на расстоянии 2 дюйма, теперь будут на расстоянии 4 дюйма, монетки, которые находились на расстоянии 3 дюйма, теперь будут на расстоянии 6 дюймов, и так далее. Так что в течение любого заданного временного интервала увеличение расстояний между двумя монетками пропорционально начальному расстоянию между ними.


Рис 8.2 (а) Если равномерно распределенные монетки (1 пенни) приклеены к поверхности сферы, вид, который увидит каждый Линкольн, будет тем же самым, который увидит любой другой. Это согласуется с уверенностью, что вид из любой галактики во вселенной, в среднем, будет тем же самым, каким он будет из любой другой, (b) Если сфера расширяется, расстояния между всеми монетками увеличиваются. Более того, чем дальше монетки друг от друга разнесены на 8.2а, тем большее разделение они почувствуют из-за расширения в 8.2b.


Это хорошо согласуется с измерениями, показывающими, что чем более удалена от данной точки отсчета галактика, тем быстрее она движется прочь от этой точки. Отметим, что ни одна монетка не была выделена как специальная, что также согласуется с нашей уверенностью, что во вселенной нет специальной галактики или центра расширения пространства.


А поскольку большее увеличение расстояния за данный временной интервал означает большую скорость, монетки, которые удалены дальше друг от друга, разлетаются более быстро. В сущности, чем дальше находятся друг от друга две монетки, тем больше поверхности воздушного шара находится между ними и тем быстрее они разлетаются в стороны, когда шар раздувается. Применяя точно такие же рассуждения для объяснения пространства и содержащихся в нем галактик, мы получаем объяснение наблюдений Хаббла. Чем дальше находятся две галактики, тем больше пространства имеется между ними и тем быстрее они будут расталкиваться прочь одна от другой при раздувании пространства.


При объяснении наблюдаемого движения галактик через раздувание пространства, ОТО не только обеспечивает объяснение, что все местоположения в пространстве трактуются симметрично, но также одним сильным броском оцениваются все данные Хаббла. Этот вид объяснения является одним из настолько элегантных шагов за пределы ящика (в этом случае, шагом, который действительно использует "ящик" – то есть, пространство) для объяснения наблюдений с количественной точностью и хитрой симметрией, что физики описывают его как едва ли не слишком прекрасное, чтобы быть неправильным. По существу, в настоящее время имеется универсальное соглашение, что ткань пространства растягивается.


Время и расширяющаяся вселенная


Используя небольшую вариацию модели воздушного шара, мы можем теперь понять более точно, как симметрия в пространстве, даже если пространство расширяется, дает понятие времени, которое однородно применимо в любом месте космоса. Представив себе, что каждая монетка заменена на одинаковые часы, как на Рис. 8.3, мы знаем из теории относительности, что одинаковые часы отсчитывают время с различным темпом, если они подвергаются различным физическим воздействиям – различным движениям или различным гравитационным полям. Но простое, хотя ключевое наблюдение заключается в том, что полная симметрия среди всех Линкольнов на раздувающемся шаре переносится на полную симметрию среди всех часов. Все часы помещены в одинаковые физические условия, так что все тикают в точности с одинаковым темпом и фиксируют одинаковое количество прошедшего времени. Аналогично, в расширяющейся вселенной, в которой имеется высокая степень симметрии среди всех галактик, часы, которые двигаются вместе с той или иной галактикой, также должны тикать с одинаковым темпом и, отсюда, фиксировать одинаковое количество истекшего времени. Как может быть иначе? Каждые часы выступают наравне с любыми другими, находясь, в среднем, примерно в одинаковых физических условиях. Это опять показывает ошеломительную силу симметрии. Без каких-либо расчетов или детального анализа мы обнаружили, что однородность физического окружения, как это подтверждается однородностью микроволновой фоновой радиации и однородным распределением галактик в пространстве,[8] позволяет нам сделать заключение об однородности времени.


Хотя обоснование здесь проведено непосредственно, заключение может, тем не менее, сбить с толку. Поскольку галактики все разбегаются прочь по мере расширения пространства, часы, которые двигаются вместе с той или иной галактикой, также разбегаются прочь. И это не все, они двигаются друг относительно друга с гигантском диапазоне скоростей, определяемом гигантским диапазоном расстояний между ними. Не будет ли это движение вынуждать часы рассинхронизироваться, как нас учил Эйнштейн в СТО? По ряду причин ответ будет – нет; здесь приводим один особенно полезный способ подумать об этом.


Вспомним из Главы 3, что Эйнштейн открыл, что часы, которые двигаются через пространство различными способами, отсчитывают время с различными темпами (поскольку они переводят различные количества их движения через время в движение через пространство; вспомните аналогию с Бартом на его скейтборде, сначала двигающимся на север, а затем переводящим некоторое количество своего движения на северо-восток).


Рис 8.3 Часы, которые двигаются вместе с галактиками, – чье движение, в среднем, возникает только из расширения пространства, – обеспечивают универсальный космический хронометраж. Они остаются синхронизированными, даже если они отделены друг от друга, поскольку они двигаются с пространством, но не через пространство.


Но часы, которые мы сейчас обсуждаем, совсем не двигаются через пространство. Точно так же, как каждая монетка приклеена к одной точке воздушного шара и двигается относительно других монет только вследствие раздувания поверхности шара, каждая галактика занимает один регион в пространстве и, большей частью, двигается относительно других галактик только вследствие расширения пространства. А это означает, что по отношению к самому пространству все часы в действительности стационарны, так что они отсчитывают время идентично. Это именно те часы – часы, чье движение происходит только от расширения пространства, – которые обеспечивают синхронизированные космические часы, используемые для измерения возраста вселенной.


Отметим, конечно, что вы свободны взять ваши часы, прыгнуть на борт ракеты и пронестись через пространство таким образом и с такой громадной скоростью, что вы подвергнитесь существенному движению в дополнение к космическому течению от расширения пространства. Если вы это сделаете, ваши часы будут тикать с другим темпом и вы обнаружите другую продолжительность истекшего после Большого взрыва времени. Это совершенно допустимая точка зрения, но она полностью индивидуалистична: измеренное истекшее время тесно связано с историей вашего особого местоположения и состояния движения. Когда астрономы говорят о возрасте вселенной, тем не менее, они стремятся к чему-то универсальному, – они стремятся измерить то, что имеет одинаковое значение где угодно. Однородность изменений сквозь пространство обеспечивает способ это сделать.[9]


Фактически, однородность микроволнового фонового излучения обеспечивает готовый тест для того, действительно ли вы двигаетесь с космическим течением пространства. Вы видите, хотя микроволновое излучение однородно по пространству, если вы предпримете дополнительное движение вне того, которое связано с космическим течением пространственного расширения, вы не будете наблюдать излучение однородным. Точно так же, как гудок мчащегося автомобиля имеет большую высоту, когда автомобиль приближается, и меньшую высоту, когда автомобиль удаляется, если вы несетесь сквозь пространство на космическом корабле, пики и впадины микроволн, направленные во фронт вашего корабля будут падать с большей частотой, чем они же, двигающиеся в направлении кормы вашего корабля. Более высокая частота микроволн переводится в более высокую температуру, так что вы найдете, что излучение в направлении вашего полета будет чуть теплее, чем излучение, достигающее вас сзади. Когда это производится здесь на "космическом корабле" Земля, астрономы находят микроволновой фон немного теплее в одном направлении в пространстве и немного холоднее в противоположном направлении. Причина в том, что Земля не только движется вокруг Солнца, а Солнце движется вокруг галактического центра, но и вся галактика Млечный Путь имеет небольшую скорость в дополнение к космическому расширению, направленную к звездному скоплению Гидры. Только когда астрономы внесли поправки на влияние этих относительно слабых дополнительных движений на микроволны, мы получили, что излучение проявляет истинную однородность температуры между одной частью неба и другой. Это та однородность, та общая симметрия между одним положением и другим, которая позволяет нам осмысленно говорить о времени, когда мы описываем всю вселенную.


Тонкие особенности расширяющейся вселенной


Несколько тонких моментов в нашем объяснении космического расширения достойны выделения. Первое, вспомним, что в аналогии с воздушным шаром какую-либо роль играет только поверхность шара – поверхность, которая всего лишь двумерна (каждое положение может быть отмечено заданием двух чисел, аналогичных широте и долготе на Земле), тогда как пространство, которое мы видим, когда обозреваем окружение, имеет три измерения. Мы использовали эту модель с меньшим числом измерений, поскольку она сохраняет концепции, существенные для правильной, трехмерной ситуации, но намного легче поддается визуализации. Важно иметь это в виду, особенно если вы намеревались сказать, что в модели воздушного шара имеется особая точка: центральная точка внутри шара, удаляясь от которой двигается вся резиновая поверхность. Хотя это наблюдение верное, оно бессмысленное в аналогии с шаром, поскольку любая точка вне поверхности шара не имеет значения. Поверхность шара представляет все пространство; точки, которые не лежат на поверхности шара являются просто не относящимися к делу добавками модели и не соответствуют какому-либо положению во вселенной.*


(*)"Выйти за пределы двумерной аналогии с поверхностью шара и получить сферическую трехмерную модель легко математически, но тяжело на картинке даже для профессиональных математиков и физиков. Вы можете попытаться подумать о твердом трехмерном шаре, похожем на шар для боулинга, но без дырок для пальцев. Однако, это неудовлетворительный образ. Мы хотим, чтобы все точки в модели рассматривались на одинаковом основании, поскольку мы верим, что каждое местоположение во вселенной (в среднем) в точности похоже на любое другое. Но шар для боулинга имеет все виды отличающихся точек: некоторые находятся на внешней поверхности, некоторые вложены во внутренность, одна находится прямо в центре. Напротив, точно так же, как двумерная поверхность воздушного шара окружает трехмерную сферическую область (содержащую воздух внутри шара), приемлемая сферическая трехмерная форма должна окружать четырехмерную сферическую область. Так что удовлетворительной формой является трехмерная сферическая поверхность в четырехмерном пространстве. Но если вы уже оставили ваши попытки представить это, сделайте то же самое, что делают все профессионалы: воспользуйтесь легко представимыми низкоразмерными аналогиями. Они содержат почти все существенные особенности. Чуть дальше мы рассмотрим трехмерное плоское пространство, в противоположность круглой форме сферы, и это плоское пространство можно представить."