Туллио РЕДЖЕ
Существует две теории относительности – специальная (появившаяся в 1905 г.) и общая (получившая обоснование в 1916 г.). Первая рассматривает движение тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света (больше которой не бывает), и отправной точкой для нее служит классический подход к пространству и времени. Общая же теория относительности дополняет специальную, объясняя гравитацию на основе кривизны пространства-времени. Трудно объяснить специальную теорию относительности тому, кто совсем не имеет математической подготовки; еще труднее дается популяризация общей теории. Тем не менее математика специальной теории относительности не столь уж сложна: она не выходит за рамки действий над квадратными корнями. Встречающиеся трудности, скорее всего, психологического характера, поскольку теория относительности полностью опровергает предрассудки, основанные на житейском и потому неадекватном опыте.
В этом разделе мы поговорим об основах специальной и общей теории относительности, а в дальнейшем остановимся на некоторых конкретных вопросах.
Теория относительности Эйнштейна прежде всего занимается движением материальных тел. По определению тело, которое движется (грубым примером такого материального тела мог бы послужить поезд или самолет), занимает в различные моменты времени различные положения. Можно определить скорость и ускорение, с которыми оно перемещается. Обычно мы знаем положение поезда относительно какой-либо фиксированной точки, например станции. Если мы поменяем станцию, то изменится также и наше описание движения поезда, хотя оно будет эквивалентным старому и совершенно законным. Следовательно, существует бесконечное множество различных способов описать данное физическое явление, и они, кстати, не исчерпываются простой сменой станций. Что касается перемещений, например, внутри поезда, то пассажиры предпочитают отсчитывать расстояния от вагона-ресторана. С их точки зрения, таким образом, поезд стоит на месте, а рельсы и пейзаж движутся назад. Если бы на глаза пассажиров были надеты повязки и если бы они не могли чувствовать толчки и слышать перестук колес, то они вовсе не имели бы возможности определить, в движении находится поезд или стоит на месте. Кстати, на вокзале многим из нас приходилось, глядя из окна вагона на рядом идущий поезд, ошибочно принимать движение прибывающего поезда за отправление своего.
Еще Галилей установил (причем при отсутствии поездов), что невозможно почувствовать, находимся ли мы в состоянии покоя или в состоянии абсолютного равномерного движения, т.е. движения без толчков, остановок или виражей. Мы можем определить состояние только относительного движения двух объектов (поезда и станции, например). Так происходит потому, что законы физики одинаковы при любой скорости движения поезда; более того, мы проносимся вместе со всей Солнечной системой несколько сотен километров в секунду в космическом пространстве, даже не замечая этого. Галилею мы обязаны также теоремой сложения скоростей. Если на шоссе нам навстречу движется автомобиль и если скорость нашего автомобиля так же, как и скорость встречного, равна 150 км/ч, то наша относительная скорость равна 300 км/ч, т.е. сумме двух скоростей. Такое общепринятое представление является отражением предрассудков, о которых мы уже говорили, и его следует пересмотреть. Принимая указанную точку зрения и относительность движения, мы принимаем так называемый принцип относительности Галилея.
В конце прошлого столетия двум американским физикам – Майкельсону и Морли – пришла в голову идея, развитие и проверка которой окончательно опровергли галилеевское представление о сложении скоростей. Тогда уже было известно, что скорость света чуть меньше чем 300000 км/с. (Это в миллион раз больше скорости реактивного самолета.) В те времена считалось, что свет распространяется в заполняющем все пространство эфире подобно тому, как звуковые волны распространяются в воздухе. Эфир – понятие неточное, породившее весьма большую путаницу, от описания которой мы избавим читателя. К счастью, представление об эфире как о физической реальности осталось в прошлом, и привела к этому как раз теория относительности. Идея Майкельсона и Морли заключалась в том, что свет, распространяясь в эфире, должен иметь в различных направлениях разные скорости. Так, если поднимается ветер, то звук распространяется медленнее против ветра, в то время как с попутным ветром его скорость увеличивается. Так вот, наша Земля обращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, непрерывно меняя при этом направление движения, из-за чего оба исследователя ожидали в один прекрасный момент почувствовать, как подует в лицо «эфирный ветер». Они сконструировали чувствительнейшую аппаратуру, с помощью которой предполагали «почувствовать» этот ветер и тем самым определить скорость света. Если бы опыт Майкельсона и Морли удался, мы могли бы сказать, что тело, неподвижное относительно эфира, находится в абсолютном покое, поскольку оно не чувствует никакого ветра.
Опыт, к счастью, не удался. Майкельсон и Морли не почувствовали никакого «ветра», свет продолжал распространяться со скоростью 300000 км/с (эту скорость принято обозначать буквой с) во всех направлениях и во все времена года. Результат выглядел парадоксальным. Ведь, казалось бы, если мы движемся навстречу свету, то он должен к нам приближаться со скоростью, равной сумме нашей скорости и собственной скорости с, точно так же, как в случае встречных автомобилей на шоссе. Так что прощайте и сложение скоростей, и, чего скрывать, «здравый смысл»!
Незаметный служащий Патентного бюро города Берна увидел истину там, где именитые ученые, слегка задев ее и не заметив, прошли мимо. Эйнштейн считал, что принцип относительности должен быть сохранен во что бы то ни стало и что нельзя говорить об абсолютном движении или покое даже при измерении скорости движения света. Итак, он принял постоянство скорости света за тот краеугольный камень, на котором возводится здание теории относительности. Далее следует отложить в сторону теорему сложения скоростей и воспользоваться другой формулой, которая практически совпадает с первой в случае движения со скоростью, малой по сравнению с с, но вносит существенные поправки при движении с большой скоростью. Прежде всего, если по этой новой формуле складывать какую бы то ни было скорость со скоростью света, мы всегда получим с, как и следует из опыта Майкельсона и Морли. Скорость света здесь играет такую же роль, какую до Эйнштейна играла бесконечно большая скорость. Если вместо двух автомобилей мы возьмем два космических корабля, движущихся навстречу друг другу со скоростями 150000 км/с, то их относительная скорость будет уже не 300000 км/с, а всего лишь 240000 км/с, и, во всяком случае, она всегда будет меньше, чем с – световой барьер непреодолим. В случае движения автомобилей поправка до смешного мала (одна миллиардная часть миллиметра за секунду), и поэтому никто никогда ее не замечал.
Нельзя, однако, отбрасывать привычное правило сложения скоростей, не подвергая всего остального серьезному пересмотру, последствия которого, мягко говоря, могут привести в замешательство. Достаточно следующего примера. Представим самолет, который вылетел из Турина в Рим; на полпути с его борта послан в пространство радиосигнал, который, как известно, так же, как и свет, представляет собой электромагнитную волну и распространяется во всех направлениях с такой же скоростью. Человеку на земле покажется, что сигнал, пройдя в противоположных направлениях одинаковые пути, одновременно достигнет (спустя тысячную долю секунды) как Турина, так и Рима. Иное мнение будет у пилотов. С их точки зрения сигнал, как и прежде, движется со скоростью 300000 км/с, но Рим теперь «движется навстречу» ему, в то время как Турин «удаляется». Поэтому сигнал сначала прибудет в Рим, а потом уже достигнет Турина. Чье восприятие правильное: пилотов или человека на земле? По Эйнштейну и в соответствии с результатами выдающихся экспериментов, выполненных в течение последних семидесяти лет, правы все: два события, которые одному наблюдателю покажутся одновременными, не будут таковыми с точки зрения другого наблюдателя. В рассмотренном примере разница минимальна (всего две миллиардные доли секунды), но она может стать весьма значительной в лаборатории, когда выполняются эксперименты, например, с элементарными частицами. Время, таким образом, не является абсолютным, как утверждали Ньютон и Кант, да и течет оно не одинаково для всех наблюдателей.
Принцип относительности Эйнштейна ставит абсолютный предел скорости. Невозможно заставить двигаться тело или послать сигнал со скоростью, большей скорости света. Теория затрудняет жизнь тех, кто пытается достичь этой скорости, и подвергает их наказаниям, которые становятся все более суровыми, принимая форму остроумных (хотя и кажущихся) парадоксов. Если, находясь на земле, мы будем наблюдать маятник, который качается на борту самолета (допустим, что это возможно), то в каждый момент времени мы можем определить скорость маятника, складывая скорость самолета и скорость маятника относительно самолета. Если опираться на здравый смысл (т.е. на представление Галилея), то мы должны были бы увидеть удаляющийся маятник, который совершает колебания все с той же частотой, с которой он колебался бы на земле. Однако принцип относительности Эйнштейна утверждает, что при соединении колебательного движения маятника и поступательного движения самолета скорость маятника в каждый момент времени окажется меньше, чем можно было бы ожидать. Наказание становится все сильнее по мере приближения к скорости света. По этой причине, когда будут выполнены расчеты, окажется, что маятник колеблется медленнее и отмеряет более длинные секунды, если он находится на борту самолета.
Все, что мы говорили по поводу маятника, вполне справедливо для любой системы, движущейся внутри самолета. Эффект изменения времени смехотворно мал – всего одна секунда за сто тысяч лет, но тем не менее его заметят современные атомные часы, и, кроме того, он представляет интерес с принципиальной точки зрения. На эту тему в свое время была развернута горячая дискуссия, и в пылу страстей произносились обвинительные речи против теории относительности, которые сегодня воскрешают в памяти процесс клерикалов против Галилея.
Читатель может возразить, что ситуация симметрична, и, следовательно, пилоты должны тоже заметить замедление явлений, происходящих на земле. Так что же происходит во время путешествия? Каждый принадлежащий к одной из двух групп (пилоты или наземные службы) должен был бы ожидать отставания часов своих товарищей из другой группы, что, очевидно, не может быть справедливо для всех. Мы могли бы (и, кстати, это было проделано) поднять в воздух атомные часы и по возвращении самолета сравнить время, которое покажут летавшие часы, с тем, которое показывают точно такие же часы, оставшиеся на земле. Опыт говорит, что отстают всегда те часы, которые проделали путешествие. Так что же нам теперь делать с принципом относительности: как-то переделать его или вообще выбросить за борт, как предлагают некоторые его слишком рьяные противники? Ни то ни другое! Расчеты отставания бортовых часов с точки зрения земного наблюдателя справедливы до тех пор, пока самолет движется равномерно (т.е. по прямой и без торможения), но должны быть исправлены, если, как происходит в действительности, он должен совершить вираж, чтобы вернуться в Турин. Как раз во время виража отставание часов увеличится еще больше, нарушится симметрия, о которой шла речь, и исчезнет кажущийся парадокс.
Раз с точки зрения пилотов путешествие продлится меньше времени, то и пройденный путь должен им показаться короче, если они будут лететь все время с постоянной скоростью. (Не надо пугаться, потому что расстояние изменится всего лишь на одну тысячную долю миллиметра, если весь путь равен тысяче километров.) Для космического корабля будущего, который отправится в полет к ближайшей к нам звезде Альфа созвездия Центавра (называемой Альфой Центавра), расположенной на расстоянии около четырех световых лет (40000 млрд. км; один световой год равен расстоянию, которое свет проходит в течение одного года), со скоростью, равной 4/5 скорости света (240000 км/с), эффект уже будет весьма ощутим. Земляне будут считать, что весь путь туда и обратно проделан за десять лет, тогда как часы космонавтов покажут всего шесть лет. Для космонавтов расстояние до Альфы уменьшится до 2,4 светового года. Если бы этот путь проделал один из близнецов, то он вернулся бы домой на четыре года моложе своего брата, оставшегося на Земле.
Так что же произойдет, если мы на самом деле попытаемся ускорить материальное тело до скоростей, близких к скорости света? Чтобы так поступить, нам придется сообщить телу энергию, и при этом мы столкнемся с удивительным явлением. Теория относительности утверждает эквивалентность массы и энергии в соответствии с теперь уже знаменитой формулой: E = mc2 (которую словами можно выразить так: «Энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света»). Если мы проделаем расчеты, то увидим, что один грамм массы вещества соответствует огромной энергии, а именно свыше 25 млн. кВтч. Вначале увеличение энергии тела сопровождается едва уловимым увеличением массы и, следовательно, инерции тела. Поэтому становится чуть-чуть труднее ускорить его дальше. По мере приближения скорости к величине с этот эффект, становясь все внушительнее, делает невозможным преодоление скорости света.
Появившаяся на свет для спасения теории относительности от указанного да и от других противоречий формула E = mc2 получила блестящее подтверждение, когда было открыто деление урана U235, при котором одна тысячная часть полной массы исчезает, чтобы вновь целиком обнаружиться в виде атомной энергии. Даже в обычных химических реакциях соблюдается соотношение E = mc2, но количества вещества, появляющиеся или исчезающие во время реакции, меньше одной десятимиллиардной части всей массы, и обнаружить их невозможно даже с помощью очень точных весов.
Важно подчеркнуть, что в специальной теории относительности рассматривается равномерное движение, т.е. движение с постоянной скоростью, при котором не изменяется направление движения. Если движение происходит с ускорением, обусловленным внешними силами, например гравитационным притяжением, то специальную теорию относительности уже нельзя применять. Упомянутый выше парадокс близнецов, к рассмотрению которого мы ниже вернемся, возник именно из-за попытки использовать специальную теорию относительности применительно к двум системам, одна из которых движется ускоренно относительно другой.
В общей теории относительности законы физики выражаются одинаково в любой системе отсчета; в ней, следовательно, рассматриваются также тела, движущиеся ускоренно относительно друг друга. Эйнштейн исходил из хорошо известного эмпирического факта – из результатов знаменитого (хотя, может быть, никогда и не проведенного) эксперимента Галилея, в котором два тяжелых тела с разными массами, сброшенные с Пизанской башни, достигали земли одновременно. Существуют два способа определения массы тела. Первый способ (инерциальный) заключается в измерении ускорения, сообщаемого телу известной силой; при втором (гравитационном) измеряется притяжение тела к какой-нибудь близко расположенной массе (если в качестве такой массы служит Земля, то измеряется, следовательно, вес тела). Уже Ньютон находил весьма странным, что оба способа определения массы дают одинаковые результаты в пределах ошибок эксперимента; что так и должно быть, по существу, следует из опыта Галилея. Эйнштейн возвел этот таинственный эмпирический факт в ранг конструктивного принципа – принципа эквивалентности.
Известность получил его мысленный эксперимент (Gedanken experiment), в котором ученый рассматривает лабораторию, помещенную в закрытой кабине лифта, в двух совершенно различных ситуациях. В первом случае кабина лифта подвешена неподвижно в гравитационном поле Земли, и наблюдатель, присутствующий в ней, видит, что предметы падают с привычным ускорением свободного падения. Во втором случае кабина лифта находится в космосе, далеко от каких-либо масс, но при этом ракетный двигатель сообщает ей ускорение, в точности равное ускорению свободного падения, и наблюдатель этого не ощущает. Эйнштейн привлек внимание к тому, что если справедлив принцип эквивалентности, то совершенно невозможно отличить падение тел под действием силы тяжести от падения под действием инерции. Таким образом, гравитация и инерция в некотором смысле приводят к одинаковым эффектам.
Взяв за отправную точку принцип эквивалентности и пройдя сквозь головокружительную серию мысленных экстраполяций, ведомый безошибочным эстетическим чутьем, Эйнштейн пришел к понятию кривизны пространства. Чтобы как-то осознать связь гравитации с кривизной, представим себе стол с резиновой поверхностью вместо привычной твердой. Бильярдный шар, положенный на этот стол, образует углубление. Материальное тело вызывает деформацию такого же рода в окружающем пространстве. Если положить на стол два шара, то каждый из них стремится попасть в углубление, образованное другим. Возникающая в этом случае сила «притяжения» полностью аналогична силе гравитации. Все же деформация пространства, вызванная даже таким гигантским телом, как Солнце, едва заметна. Кроме объяснения гравитации теория Эйнштейна предсказывает различные тонкие эффекты, а также объясняет аномалию в движении планеты Меркурий, в свое время заставившую исследователей придумать новую планету – Вулкан, которую, однако, никто не наблюдал.
Что еще более важно, теория относительности предсказывает точно такое же поведение света в гравитационном поле, как и поведение тел под действием силы тяжести. Это предсказание, подтвержденное в 1919 г. во время солнечного затмения, сделало Эйнштейна известным и широкой публике. Итак, направленные вверх световые волны, так же, как и камень, брошенный вверх, должны терять энергию движения. В то же время свет по самой своей природе вынужден, как всегда, распространяться со скоростью 300000 км/с и не может замедляться. Свет, оказывается, теряет энергию, уменьшая свою частоту и увеличивая тем самым длину волны. В результате такого эффекта цвета радуги совсем незаметно смещены в сторону красного. Даже длина волны радиосигнала, направленного в космическое пространство с Земли, увеличится на одну миллиардную часть. Поэтому внешнему наблюдателю будет казаться, что токи в антенне, излучающей радиоволны, колеблются медленнее, чем на самом деле, хотя и очень ненамного, т.е. что на поверхности Земли время течет медленнее, чем во внешнем пространстве. Разница составляет всего лишь около одной секунды в пятьдесят лет, но современные атомные часы способны заметить ее. В Электротехническом институте им. Галилео Феррариса в Турине первый такой эксперимент позволил измерить эту величину для разности высот между Плато Роза и Турином. Потеря во времени хоть и мала, но приводит к серьезным техническим последствиям, и современная навигационная сеть, использующая спутники связи, должна учитывать этот эффект. На поверхности Солнца эффект замедления времени в тысячу раз больше, а на нейтронных звездах, плотность вещества которых такова, что масса, равная массе Солнца, занимает область с размерами, сравнимыми с размерами города, указанный эффект достигает 10%. В черной дыре, наконец, мы доходим до 100%, и, следовательно, на поверхности черной дыры течение времени вовсе прекращается. Гравитационное поле здесь настолько сильно, что не выпускает свет наружу. Список парадоксальных явлений можно было бы продолжить.
Естественной лабораторией для проверки общей теории относительности служит все космическое пространство: собранные вместе массы миллиардов галактик вызывают искривление пространства в глобальном масштабе. По этой причине самые значительные успехи теории достигнуты при обращении на современной основе к наиболее глубинным космологическим периодам времени. Модель «большого взрыва» (the big bang), согласно которой рождение Вселенной произошло примерно 20 млрд. лет назад при гигантском взрыве (см. стр. 49), представляет собой наиболее замечательный результат такого развития теории.
В последние годы своей жизни Эйнштейн интенсивно работал над проблемой объединения теорий гравитации и электромагнитных явлений в некую «сверхтеорию». Эти его попытки не увенчались успехом, равным образом как и усилия многих других, жаждавших опередить великого мастера в достижении цели.
В некотором смысле Эйнштейн оказался жертвой той лавины, которую он сам привел в движение. Перед его смертью уже существовал целый калейдоскоп ускорительных установок; происходили открытия все новых элементарных частиц, но никто еще не мог предугадать те сложные законы симметрии, которым они подчиняются. С другой стороны, Эйнштейн не имел привычки внимательно следить за эмпирическими данными. Его три основополагающие работы 1905 г. были порождены скорее соображениями эстетического характера: речь шла о том, чтобы путем утверждения новых фундаментальных принципов исключить кажущуюся асимметрию в прежних законах. Специальная теория относительности все же родилась, хотя Эйнштейн при этом не ссылался на опыт Майкельсона и Морли; теория броуновского движения увидела свет, несмотря на то что ее автор был знаком только поверхностно с работой Броуна, выполненной за сто лет до этого.
По этой причине, в частности, Эйнштейн останется в нашей памяти как человек уникальный и неповторимый. Он не оставил после себя выдающихся учеников, как в отличие от него сделали Ферми, Эренфест, Зоммерфельд и другие великие ученые. Поэтому будущая единая теория поля хотя и получит в наследство от Эйнштейна общий идейный импульс и философскую постановку проблемы, но будет отличаться своими характерными техническими деталями и конкретной практической реализацией. В настоящее время уже предприняты определенные усилия для синтеза такой теории и работа в этом направлении продолжается. Следующее десятилетие, возможно, окажется для физики решающим.
Будет поучительно проанализировать теперь более детально кажущийся парадокс часов (или близнецов), о котором мы уже упоминали. Он долгие годы служил любимым коньком антирелятивистов. Результаты сегодняшних экспериментов неопровержимо свидетельствуют о справедливости специальной теории относительности, и парадокс близнецов поэтому сохраняет немаловажное педагогическое значение.
Парадокс основан на явлении растяжения времени. Движущиеся относительно нас часы покажут замедленное время в соответствии с формулой, связывающей время и скорость их движения. При приближении к скорости света часы будут практически казаться остановившимися. Под часами мы понимаем не только будильник, стоящий на столе, но в общем случае любую физическую систему, которая совершает повторяющиеся движения. Если бы мы могли наблюдать за астронавтами в космическом корабле, удаляющемся от нас со скоростью 240000 км/с (4/5 скорости света), то мы бы увидели, что их движения замедленны: чтобы продвинуть стрелку на три минуты, их часам потребовалось бы пять наших минут.
Можно представить себе короткий научно-фантастический рассказ об истории, происшедшей с братьями-близнецами Тимом и Томом. Тим отправился к Альфе Центавра, а Том оставался на Земле. Расстояние до Альфы Центавра выражается круглой цифрой в 4 световых года. При скорости 240000 км/с на путешествие туда, как показалось Тому, потребовалось точно пять лет, и еще пять лет ушло на обратный путь; Тиму же показалось, что на весь путь ушло всего шесть лет: действительно, часам Тима потребовалось пять часов времени Тома, чтобы продвинуться всего на три. В результате, вернувшись домой, Тим оказался на четыре года моложе, чем его брат.
Путаница возникает тотчас, когда близнецы меняются ролями; в самом деле, столь же справедливо утверждение, что Том с точки зрения Тима удаляется и что его часы покажутся Тиму отставшими ровно на столько же. Следовательно, Тим по возвращении вроде бы должен увидеть более молодого Тома. Поскольку подобный эксперимент в принципе может быть выполнен, ясно, что из двух ответов только один может быть верен (или, как утверждают некоторые недоброжелатели, ни тот ни другой), и наши рассуждения ошибочны.
Ошибка действительно имеется, но ее трудно выявить. Дело в том, что возраст братьев надо сравнивать в один и тот же момент времени, но в теории относительности отсутствует универсальное понятие одновременности. Два события, которые происходят одновременно с точки зрения Тома, вовсе не кажутся одновременными Тиму, и наоборот. При малых скоростях, к которым мы привыкли, этот эффект также имеет место, но мы его не замечаем. Представим себе на железнодорожной станции два светильника, расстояние между которыми один километр, и пусть они зажигаются одновременно. Для пассажиров поезда, прибывающего на станцию, эти два события не синхронны, но они разделены во времени всего на несколько триллионных долей секунды. Эффект едва увеличивается при увеличении скорости поезда и расстояния между светильниками. Оцененный же применительно к астронавту Тиму, он становится весьма существенным и должен быть принят во внимание.
Но вот прошло пять лет от начала путешествия, и Том заявил: «Мой брат только что достиг Альфы, и сейчас в его путешествии произойдет «решительный поворот»; ему же кажется, что прошло только три года». Том был прав.
Тим же по прибытии на Альфу высказался иначе: «Для меня прошло три года, а моему брату кажется, что прошло всего три пятых этого срока, т.е. немного меньше двух лет». И Тим также был прав.
Ключ к разгадке парадокса кроется в выражении «в один и тот же момент времени», которое больше не имеет универсального значения. Для Тома событие «прибытие Тима на Альфу» и момент времени, отстоящий от начала путешествия на пять лет, одновременны. Для Тима же момент прибытия на Альфу совпадает с более ранним моментом времени Тома, наступившим всего лишь спустя девять пятых года.
От скорости удаления космического корабля зависит, какой именно момент времени Тома является синхронным с заданным моментом времени Тима. Если движение корабля замедлится, то произойдет смещение вперед синхронного момента времени Тома. Когда же корабль повернет, чтобы отправиться в обратный путь, это смещение увеличится, пока к концу путешествия оно опять не достигнет девяти пятых года. «Решительный» поворот космического корабля с Тимом на борту прибавляет годы к возрасту Тома и приводит к его стремительному старению. Сам же Том не изменял направления своего движения, и поэтому Тим остался молодым. Взаимоотношения между близнецами не являются больше симметричными, так как один из них вынужден был тормозить и разгоняться; рассматриваемая система не является «инерциальной», и специальная теория относительности к ней неприменима. Таким образом, подлинного парадокса не существует.
Наш пример ясно демонстрирует пределы применимости специальной теории относительности: попытки описать с ее помощью относительные движения, не являющиеся равномерными, обязательно приводят к противоречиям.
Во многих научно-фантастических произведениях неоднозначность течения времени представляется в драматических тонах с помощью выдуманных сеансов радио- или телепатической связи. Посмотрим, в чем заключаются беды обоих подходов.
Пусть для разговора используются радиоволны. Отправленные с Земли, они достигают космического корабля с опозданием, которое растет с увеличением пройденного расстояния. Из-за такого растяжения времени, или из-за задержки сигнала, разговор будет казаться замедленным. Сигнал окажется «растянутым» в три раза. Сигналы, отправленные с Земли в течение первого года с момента начала путешествия, будут прибывать на корабль в течение трех лет, что соответствует времени путешествия до Альфы. Если корабль повернуть назад, то растяжение сигнала превратится в сжатие, и все три года обратного пути на корабле будут собираться передачи последующих девяти земных лет. Если сообщения посылает Тим, то Земле потребуется девять лет для принятия сигналов, посланных с корабля на пути к Альфе, и всего один год для принятия сигналов с обратного пути.
Передача сообщений по радио становится бессмысленной: сообщение, посланное Томом спустя четыре месяца после начала путешествия, достигнет Тима, когда тот уже проведет в полете целый год. Тим ответит незамедлительно, но ответ придет на Землю через три года после отправления. Так что в распоряжении Тома будет достаточно времени для размышлений и для того, чтобы поесть спагетти.
Чтобы обойти медлительность радиоволн, писатели-фантасты призвали на помощь телепатию. Мыслям же положено иметь бесконечную скорость. Поэтому сигналы, поданные Томом, доходят до Тима «мгновенно». Допустим для примера, что по прошествии пяти лет Том решил выяснить у Тима, действительно ли тот прибыл на Альфу. Тим отвечает положительно, используя ту же систему связи, и его ответ достигает Тома тоже «мгновенно». Но беда состоит в том, что тогда Том получит ответ раньше, чем отправит запрос, а именно через девять пятых года после начала путешествия. Мы здесь столкнулись с весьма неприятной ситуацией, которая возникает всякий раз, когда сигнал как будто имеет скорость, превышающую скорость света. Но эту скорость превысить никак нельзя – она остается непреодолимой стеной и источником плохого настроения тех писателей-фантастов, которые обращаются к гиперпространству, к разным проколам в пространстве, черным дырам, преобразователям материи и ко всякой другой чертовщине, чтобы хоть как-то обойти неудобное постоянство скорости света. Среди различных уловок они прибегают и к помощи спасительных тахионов – частиц, летящих якобы быстрее света.
Никто никогда не видел ни одного тахиона; если и можно родиться тахионом, то стать им нельзя. Но даже если бы тахионы и обнаружили, пользы от этого было бы мало. Стена скорости света непреодолима также и с обратной стороны, и поэтому тахион не смог бы замедлиться и остановиться. Что еще хуже, нельзя было бы различить момент прихода и время отправления тахиона способом, не зависящим от наблюдателя. Если бы Том выстреливал тахионы из ружья, как в приключенческом фильме «Звездные войны», то вполне могло бы оказаться, что Тим видел, как тахионы проносятся в обратную сторону и стремительно влетают в дуло ружья. Добавим ко всему этому немыслимые усложнения математического аппарата теории, и станет понятно, почему идея тахионов не имела успеха.
Тем не менее трудно представить себе, чтобы художественный вымысел обошелся без чего-нибудь сверхсветового (т.е. перемещающегося со скоростью, большей скорости света), и, в сущности, колоссы типа тех, что показаны в «Звездных войнах», так же занимательны, как и привычные уже «космические дилижансы», проносящиеся со скоростью около 10 световых лет в час.
Все слышали о знаменитом эксперименте Галилея, в котором он сбросил с Пизанской башни два камня с различными массами. Камни упали на землю через одинаковое время, тем самым опровергнув привычные, но ошибочные предсказания Аристотеля. Многие считают, правда, что речь идет о легенде, не имеющей под собой исторической почвы; однако, как бы то ни было, факт остается фактом и служит основой принципа эквивалентности, на котором Эйнштейн воздвиг здание общей теории относительности. Чтобы пояснить этот принцип, остановимся сначала на понятии массы. Если мы приложим к телу постоянную силу F, то оно начнет перемещаться с ускорением а (в соответствии со знаменитой формулой F = ma), которое тем слабее, чем больше масса тела т. Масса, таким образом, служит мерой инерции тела.
Закон всемирного тяготения Ньютона допускает и другое определение массы: два тела притягиваются с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной расстоянию между ними. Измеряя притяжение между двумя телами, мы можем определить их массы. Хоть это и не кажется очевидным, но на самом деле мы ежедневно с помощью весов измеряем силу притяжения между килограммом хлеба и нашей Землей.
По счастливому стечению обстоятельств оба определения массы совпадают точно или во всяком случае в пределах чрезвычайно малых экспериментальных ошибок. По этой причине вес (т.е. сила притяжения к Земле) какого-либо груза в точности пропорционален его инертной массе, а ускорение свободного падения не зависит от массы. Этот результат эквивалентен результату эксперимента Галилея. Он и воодушевил Эйнштейна на проведение любопытного мысленного эксперимента с лифтом.
Говоря о лифте, мы, конечно, имеем в виду идеальную лабораторию, помещенную в специально сконструированном ящике, исключающем всякое общение с внешним миром. Итак, вначале лифт подвешен где-то на Земле. Наблюдатель внутри его замечает, что все предметы падают с ускорением свободного падения (одинаковым для всех тел). Затем лифт мысленно переносится в космическое пространство, далеко от каких-либо других объектов, где ракетный двигатель сообщает ему ускорение, в точности равное ускорению свободного падения. Физик внутри лифта снова видит, что все предметы перемещаются с ускорением (отдачи), но, как мы уже знаем, он не имеет никакой возможности различить эти две ситуации, т.е. отличить гравитационную массу от инертной.
Точно так же невозможно, находясь внутри лифта, сказать, падает ли он свободно или просто парит неподвижно в пространстве. В обоих случаях наблюдается полное отсутствие веса. Таким образом, при внимательном рассмотрении оказывается, что проявления тяготения и инерции неразличимы, во всяком случае в пределах кабины лифта и ограниченного интервала времени. Указанная неразличимость известна под названием «принципа эквивалентности».
Мы не можем, разумеется, входить здесь в детали математического аппарата, который позволяет лаконично, хотя и непонятно для большинства читателей выразить этот принцип. Но мы можем задаться вопросом: какое все это имеет отношение к свету?
На первый взгляд свет представляет собой такую форму материи, которая полностью игнорирует существование гравитационного поля (тяготения). Но если бы это действительно было так, то мы могли бы отличить первую ситуацию в эксперименте с лифтом от второй (и по этой же причине третью от четвертой). В самом деле, если бы свет не «падал» в поле тяжести, то в неподвижном лифте он двигался бы по прямой линии; во втором случае ускоренное движение кабины лифта совместно с собственным движением света хотя и незначительно, но все же изменило бы траекторию света и придало ей вид параболы. Чтобы спасти принцип эквивалентности и иметь возможность применять его в любых условиях, приходится допустить, что поле тяготения действует и на свет, хотя и немного. Этот эффект был неоднократно подтвержден наблюдениями, проведенными во время затмений Солнца, когда можно было проследить траекторию луча света от звезды в непосредственной близости от поверхности Солнца. Для подтверждения «падения» радиоволн использовался и такой космический объект, как квазар (буквально «почти звездный объект») ЗС273.
Но пойдем дальше. Так же как камень, брошенный вверх, теряет энергию движения (кинетическую), замедляясь при этом, свет, казалось бы, тоже должен «замедляться». Свет, однако, вынужден всегда двигаться со скоростью с (300000 км/с) и может терять энергию, только уменьшая частоту. Частота светового луча, оставляющего поверхность Земли, меняется меньше чем на одну миллиардную часть; при отправлении с Солнца эффект примерно в тысячу раз сильнее.
Тем не менее малость этого эффекта не должна приводить к недооценке громадного философского значения рассмотренного явления.
Свет – это волновой процесс, т.е. такой процесс, который повторяется через регулярные интервалы времени. В этом смысле свет представляет собой «часы», которые отбивают удары, преданно следуя ритму источника; частота света равна частоте колебаний излучающего его атома (кстати, современные атомные часы используются именно в качестве источников точного времени). Если внешнему наблюдателю кажется, что на Земле «световые часы» идут медленнее, то во избежание противоречий все земные процессы должны казаться ему протекающими во столько же раз медленнее.
Итак, время течет быстрее в космическом пространстве, чем на поверхности Земли. А на Земле оно течет быстрее на горных вершинах, чем в долинах. Впервые подтверждение этого удивительного явления (с помощью часов) было получено в Турине в Электротехническом институте им. Галилео Феррариса, где мой друг Лещутта использовал в своей работе целую коллекцию точнейших атомных часов, как раз тех, по которым сверяют точное время. Вместе с сотрудниками Лаборатории космогеофизики Национального совета исследований им было проведено сравнение двух идентичных часов, причем одни часы находились в Турине, а другие высоко в горах на Плато Роза; в результате выяснилось, что вторые часы уходили вперед на 30 наносекунд в день (одна наносекунда равна одной миллиардной части секунды). Этот едва заметный эффект породил целую серию остроумных шуток. На самом же деле речь здесь идет о весьма серьезных вещах: подобные эксперименты были поставлены в Мэрилендском университете и Токийской астрономической обсерватории, и полученные результаты оказались в полнейшем согласии с эйнштейновской теорией относительности.
В скором времени вступит в строй навигационная система, использующая спутники связи; в этой системе будет целое созвездие из 24 спутников с атомными часами (водородных мазеров), которые, находясь на орбите, будут передавать по радио свои сигналы во все концы Земли. Местонахождение любого корабля можно будет определять по относительным задержкам принятых сигналов с ошибкой, не превышающей пяти метров. Такая точность может быть достигнута, только если учитывать возникающее согласно принципу относительности различие в течение времени на орбите и на Земле. А для сицилийских рыбаков, например, ежедневно подвергающих себя риску при ловле рыбы вблизи территориальных вод Туниса, пять метров имеют очень большое значение.
Теория относительности уже не является заумной, отвлеченной теорией – она начинает влиять на нашу жизнь посредством неожиданных технических новинок. Как мы говорили, замедление времени на Солнце намного больше, чем на Земле. Это уже давно доказано с помощью спектроскопии. Существуют звезды, на которых эффект еще значительнее: так, например, Сириус на самом деле – это система из двух звезд, Сириуса А и Сириуса В; Сириус В представляет собой так называемый «белый карлик», плотность которого такова, что масса, равная массе Солнца, занимает там объем, равный объему Земли. Относительная задержка времени на этой звезде достигает одной десятитысячной, т.е. приблизительно восьми секунд в сутки.
Пульсар, обнаруженный внутри Крабовидной туманности (M1 по каталогу Мессье, или NGC 1952;) и являющийся остатком взрыва сверхновой около девятисот лет назад, представляет собой следующую стадию еще большего сжатия звездного вещества, а именно «нейтронную звезду», плотность массы которой достигает десяти миллионов тонн на кубический сантиметр. По современным представлениям она имеет форму почти правильной сферы диаметром порядка 20 км, что сравнимо с размерами, например, города Турина. Задержка времени на ее поверхности по сравнению с внешним пространством достигает 10%, а вторая космическая скорость (скорость, которую необходимо превысить для преодоления силы притяжения) достигает 100000 км/с.
Но даже плотность пульсара не предел. Имеются весьма веские причины, чтобы признать существование так называемых «черных дыр», где гравитация наконец побеждает все прочие силы и приводит звезду в состояние коллапса (катастрофического сжатия).
В черной дыре вторая космическая скорость достигает скорости света, т.е. 300000 км/с; при этом преодолеть силу притяжения не может ни один объект, включая свет. Задержка времени здесь доходит до 100%; хотя это звучит парадоксально, но на поверхности черной дыры течение времени останавливается. Окончательный коллапс должен был бы наступить менее чем за одну тысячную секунды, но этот короткий интервал времени растягивается гравитационными эффектами в вечность.
Если бы отважные (и безрассудные) исследователи осмелились войти в черную дыру на космическом корабле, то в таком случае растяжение времени возымело бы обратное действие. Астронавты увидели бы, что события во внешнем пространстве стали развертываться с внезапным ускорением, и в считанные доли секунды субъективного времени астронавтов они вместе со своей черной дырой оказались бы в самом отдаленном будущем нашей Вселенной. Так что путешествие в черную дыру – это одновременно и путешествие в будущее.
Но что же увидел бы астронавт, достигнув «конца времен»? Ответ очень сложен и зависит от грядущей судьбы Вселенной; мы даже не знаем, будет ли она и в дальнейшем расширяться, или же галактики снова соберутся вместе через миллиарды лет, как утверждают некоторые. Во всяком случае, что бы ни увидел астронавт, он никогда не смог бы сообщить нам об этом, поскольку радиоволны не могут отойти от коллапсирующей звезды. Скорее всего, в течение доли секунды он был бы раздавлен чудовищными силами тяготения, существующими внутри черной дыры.
Специалисты не перестают удивляться всеобщему интересу к черным дырам. Лично я хоть и нахожу черные дыры достойными внимания, но не считаю их ни единственными, ни наиболее важными объектами из встречающихся в широкой панораме современной астрофизики. Почти наверняка интерес широкой публики рождается подсознательно, следуя механизмам, по поводу которых могли бы дать волю своей фантазии психологи.
Итак, поговорим подробнее о черных дырах. Уже маркиз де Лаплас – величайший математик – заметил, что вторая космическая скорость на планете или звезде диаметром в несколько сотен миллионов километров должна была бы превышать скорость света, и сделал правильный вывод, что такой объект должен быть невидимым, так как он удерживает лучи света. Открытие общего принципа относительности видоизменило выводы Лапласа, появились и научно-фантастические предсказания насчет течения времени внутри черной дыры, о чем мы уже говорили.
Напомним читателям, что вторая космическая скорость – это минимальная скорость, которую необходимо сообщить снаряду для окончательного преодоления силы притяжения небесного тела. Эта скорость, равная 11 км/с на Земле, достигает около 600 км/с на Солнце и всего лишь 20 км/ч (5,5 м/с) на Фобосе – одной из «лун» Марса. Таким образом, чемпиону Московской олимпиады Меннеа не представляло бы никакого труда оторваться от Фобоса и стать его спутником. Космическая скорость зависит от массы и размеров небесного тела: чем меньше размеры его при той же массе, тем больше скорость. Существуют такие звезды-карлики, где масса, равная массе Солнца, занимает объем, равный объему Земли; для них космическая скорость может достигать 10000 км/с. Для нейтронных звезд, имеющих размеры, сравнимые с размерами города Турина, она доходит до 100000 км/с, т.е. равна примерно одной трети скорости света.
На нейтронной звезде чайной ложкой можно было бы зачерпнуть столько вещества, сколько содержится в целой горе на Земле; собранное в таком маленьком объеме, оно создавало бы ужасающую силу тяготения. На такой звезде падение с высоты в одну стотысячную миллиметра равносильно падению с высоты в один километр в земных условиях. Под действием таких сил нейтронная звезда становится нестабильной в собственном поле тяготения, которое в конце концов будет преобладать над всеми другими силами. Звезда входит в стадию все более увеличивающегося сжатия.
Согласно теории Ньютона, которой пользовался Лаплас, вся масса звезды окажется в конце концов сосредоточенной в не имеющей размеров точке с бесконечной плотностью. Расчеты для таких экстремальных условий выполняются на основе общей теории относительности, созданной Эйнштейном в 1916 г.
Посмотрим, что говорит Эйнштейн. Бросив вверх камень, мы увидим, как он замедляется; следовательно, он теряет кинетическую энергию (энергию движения), в то время как его потенциальная энергия (энергия, зависящая от положения) увеличивается. Сумма этих двух энергий остается постоянной. Теперь направим вверх луч света. Так же, как и камень, он должен терять энергию движения, приобретая энергию потенциальную. Но поскольку, согласно принципу относительности, скорость света не может меняться и обязана оставаться постоянной и равной 300000 км/с, свет теряет энергию, уменьшая свою частоту, т.е. увеличивая длину волны. Из-за этого цвета радуги смещены в сторону красного. На Земле это смещение столь незначительно, что заметить его практически невозможно даже с помощью сверхчувствительной оптической аппаратуры. Такой эффект был обнаружен лишь при использовании γ-лучей (атомных часов), о которых говорилось в предыдущем разделе.
Свет так же, как и радиоволны, рентгеновские лучи и γ-излучение, представляет собой колебания электромагнитного поля, а звук, как известно, – это колебания воздуха. Все мы знаем, что звук испускается колеблющимся предметом, например струной рояля; мы знаем также, что частота звука совпадает с частотой колебания самой струны: звук «повторяет» колебания инструмента. А световые волны «повторяют» колебания электронов в атомах, радиоволны повторяют колебания электронов в излучающей антенне и т.д.
Допустим теперь, что мы повисли на воздушном шаре и смотрим вниз на источник света. Свет приходит к нам с уменьшенной частотой, соответствующей замедленным колебаниям в атоме. Таким образом, создается впечатление, что движения атомов, расположенных на уровне моря, замедленны, хоть и ненамного. Наши рассуждения можно распространить на любое движение; отсюда следует результат, имеющий универсальное значение: течение времени кажется замедленным внизу, на малой высоте над Землей, и ускоренным на большой высоте.
Эффект усиливается, если часы находятся в кабине спутника, движущегося по орбите вокруг Земли, и учитывается при создании современных навигационных систем. На нейтронной звезде (также называемой пульсаром) замедление времени достигает ощутимых 10%. В предельном случае, как мы уже говорили, когда звезда находится в состоянии гравитационного коллапса, оказывается, что с точки зрения внешнего наблюдателя время на ее поверхности совсем останавливается. Следовательно, как это ни парадоксально, окончательный коллапс не наступает или, лучше сказать, откладывается навечно. Поэтому черная дыра не доходит до стадии сжатия в точку, предсказанной теорией Ньютона: время на поверхности «замораживается», играя космическую шутку, достойную Боргеса.
Если же читатель примет точку зрения наблюдателя, находящегося на поверхности такой звезды, то для него коллапс за считанные доли секунды приведет к невообразимой картине, увидеть которую сможет только сам наблюдатель; даже если он попытается послать сообщение по радио, радиоволны все равно не смогут оставить это небесное тело. Такому наблюдателю покажется, что во внешнем пространстве время летит ускоренно и мигом доходит до самого «конца всех времен».
Как же выглядит черная дыра извне? Ответ сложен и зависит от многих обстоятельств. Изолированная черная дыра – это темный объект, который, однако, обладает сильнейшим гравитационным полем; она проглатывает все (даже свет) и представляет собой превосходный космический пылесос. Известен источник рентгеновского излучения Лебедь Х-1, наличие которого может быть объяснено, если допустить существование черной дыры, вращающейся на орбите вокруг гигантской синей звезды. Вещество этой звезды втягивается в черную дыру чудовищным раскаленным вихрем, где оно стремительно сжимается силами тяготения и нагревается до температур в миллионы градусов. Именно при таких условиях излучаются наблюдаемые рентгеновские лучи.
Описанная модель кажется вполне приемлемой, несмотря на то что она еще не получила всеобщего признания. Имеются веские указания на то, что в центре многих галактик существуют огромные черные дыры, в которые низвергаются целые звездные системы со своими планетами. Важная информация об этих явлениях уже получена с помощью рентгеновского телескопа «Эйнштейн», недавно выведенного на орбиту искусственного спутника Земли.
Физика черных дыр представляет собой такой раздел астрофизики, где теория относительности приводит к результатам удивительным и крайне интересным. Но для более глубокого понимания роли черных дыр необходимо расширить изучаемое нами пространство до космических масштабов.
В нашу Галактику входит примерно сто миллиардов звезд; одна из них – наше Солнце – служит нам домом, и то, что она занимает заведомо нецентральное положение, позволяет нам обозревать как всю гигантскую структуру нашей Галактики, так и остальную часть Вселенной, не подвергая себя излишней опасности. На небесах Юга, свободных от загрязнения и городского освещения, центральная часть Галактики, расположенная в созвездии Стрельца, представляет собой ни с чем не сравнимое зрелище.
В 20-е годы между астрономами Шепли и Куртисом разгорелся ожесточенный спор о природе Галактики и других объектов, видимых с помощью телескопов. В числе этих объектов находится знаменитая туманность Андромеды (М31), которая видна невооруженным глазом всего лишь как звезда четвертой величины, но разворачивается в величественную спираль, если разглядывать ее в большой телескоп. Согласно Шепли, вся Вселенная состоит из одной нашей Галактики, а спиральные туманности типа М31 представляют собой более мелкие объекты, рассыпанные внутри ее, как изюм в куличе.
Куртис, напротив, считал, что М31 представляет собой самостоятельную галактику-остров, не уступающую в достоинстве нашей Галактике и отдаленную от нее на несколько сотен тысяч световых лет. Создание больших телескопов и прогресс астрофизики привели к признанию правоты Куртиса. Измерения, проделанные Шепли, оказались ошибочными: по его оценкам, диаметр нашей Галактики порядка 300000 световых лет (в три раза больше действительной величины), и он очень сильно недооценил расстояние до М31. Это не меняет того факта, что Шепли был выдающимся ученым, первым, кто дерзнул описать в общих чертах структуру Галактики, не говоря уже о его многочисленных основополагающих вкладах в самые различные разделы астрофизики. Куртис, впрочем, также ошибался: теперь мы знаем, что расстояние до М31 – целых два миллиона световых лет.
Как можно вообразить столь гигантские расстояния? Один световой год немногим меньше десяти тысяч миллиардов километров; воздушный лайнер летит со скоростью, в миллион раз меньшей, чем скорость света (300000 км/с), и расстояние в один световой год он мог бы преодолеть за один миллион лет. В фильме «Звездные войны» расстояния такого порядка покрываются запросто в течение нескольких часов. Мало кто из фантастов пытался разобраться, нет ли разумного пути для развития современной технической мысли, который позволил бы достичь звезд, а не только планет нашей системы, до которых теперь уж рукой подать. Некоторые из таких предложений, кажущиеся не слишком фантастическими, мы рассмотрим ниже.
Как мы уже говорили, Вселенная не исчерпывается нашей Галактикой даже вместе с галактикой М31. Новый общий каталог (NGC) содержит перечень около десяти тысяч галактик вместе с их важнейшими характеристиками (светимость, форма, отдаленность и т.д.) – и это лишь малая толика из десяти миллиардов галактик, в принципе различимых с Земли. Сказочный гигант, способный охватить взглядом сотню-другую миллионов световых лет, разглядывая Вселенную, увидел бы, что она заполнена космическим туманом, капельками которого являются галактики. Временами встречаются скопления, состоящие из тысяч галактик, собранных вместе; одно такое гигантское скопление находится в созвездии Девы.
Внутри галактик происходят весьма внушительные явления. Мы уже говорили о сверхновых – звездах, которые взрываются с невероятной силой. Еще более впечатляющими являются некоторые катастрофические процессы, связанные с присутствием в центре Галактики «таинственных объектов» (правда, теперь не столь уж таинственных). Огромные облака межзвездной пыли делают невидимой центральную часть нашей Галактики. Только с помощью радиотелескопов можно проникнуть сквозь пыль и получить информацию «из первых рук» об этом интереснейшем районе, расположенном в направлении Стрельца. Дополнительные сведения дает наблюдение середины других галактик. Общая картина еще не завершена, но из уже имеющихся данных извлечена очень интересная информация.
Центральные части галактик заполнены звездами; на ночном небе планеты, вращающейся по орбите вокруг такой звезды, были бы видны мириады других ярчайших звезд. Многие из них – это красные гиганты или белые карлики; таким образом, речь идет о звездах, уже близких к концу своей карьеры. Все же ученые предполагают, что наиболее интересным объектом в галактике, как правило, является гигантская черная дыра, появившаяся в результате гравитационного коллапса какой-либо сверхзвезды; эта звезда могла в свою очередь родиться за счет многократных столкновений и слияния более мелких объектов.
До сих пор никто еще не видел этих черных сверхдыр, необъятных и ненасытных, способных разом проглатывать целые солнечные системы; масса их может изменяться в пределах от нескольких миллионов до миллиардов солнечных масс. Одну из галактик скопления в Деве-М87 – отличает неправильное распределение звезд в центральной ее части, что, возможно, связано с необычайно сильным гравитационным притяжением какой-то черной дыры. Да и в центре нашей Галактики находится странный радиоисточник диаметром примерно в один миллиард километров (несколько больше, чем орбита Юпитера), который почти наверняка не является пульсаром, т.е. остатком взрыва сверхновой. Из-за отсутствия оптической видимости нам недостает очень важной информации об этом объекте. Тем не менее одна из наиболее захватывающих гипотез состоит в том, то мы здесь имеем дело с черной дырой, масса которой не превышает пяти миллионов солнечных масс.
Чтобы вдохнуть жизнь в свои предположения, астрофизики пытаются выяснить, каким образом черные дыры могут себя обнаружить. Оставленные в одиночестве, они даже не излучают свет, поэтому трудно что-либо узнать о них. Однако черная дыра, по-видимому, иногда может быть окружена облаками газа или множеством звезд, которые непрерывно ею захватываются; эти умирающие солнца должны двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света, они должны быть подвержены сильнейшим приливам и отливам и в конце концов будут раздавлены. Все это выглядит как гигантский фейерверк, равных которому нет в космосе, если, конечно, не считать «большой взрыв». Более того, черная дыра должна очень эффективно превращать вещество в энергию в соответствии со знаменитой формулой E = mc2. В термоядерных реакциях удается превратить в энергию не более 0,8% всей массы; в черной дыре эта цифра могла бы достичь 30...40%. Этим необыкновенно большим энерговыделением можно объяснить поразительные явления, происходящие в галактиках, а также мощнейшее излучение некоторых квазаров. Несколько миллионов лет назад упомянутая выше галактика М87 выбросила в четко определенном направлении большое количество вещества, что могло быть вызвано наличием в ее центре черной дыры. Радиоисточник ЗС236 имеет две гигантские лопасти общей длиной, достигающей почти 20 млн. световых лет, что делает его самым протяженным объектом, который когда-либо наблюдал человек. Для таких колоссальных выбросов вещества необходимо также невообразимое количество энергии, какое не способны обеспечить обычные термоядерные реакции.
Другой объект, названный АО 0235+164 (это название придумано вовсе не Итало Кальвино, как может показаться), за несколько недель стал в десять тысяч раз ярче всей нашей Галактики.
Разумеется, такое разбазаривание энергии не может продолжаться долго. Разглядывая с помощью наших телескопов миры на расстояниях в миллиарды световых лет, мы находим множество сверхъярких объектов-квазаров, хотя столь же удаленные от нас галактики мы увидеть не можем, так как они светятся слишком слабо. Излучение квазаров исходит из очень маленькой (по космическим масштабам) центральной зоны и имеет характеристики, которые непрерывно меняются, как, например, в случае уже рассмотренного источника АО 0235+164. Общепринятое объяснение этого состоит как раз в том, что мы имеем дело с галактическими ядрами, содержащими черные дыры в активной стадии. Продолжительность жизни этих объектов невелика: меньше чем за 100 млн. лет они угасают, и жизнь галактики вновь возвращается в нормальное русло.
Это происходит, когда черная дыра «съедает» все окружающее ее вещество, создавая тем самым пустоту вокруг себя. В ближайшие годы ожидается такое накопление сведений о квазарах, что мы сможем описать их жизнь, а следовательно, и жизнь галактик во всех деталях. Новые данные, полученные с помощью телескопа «Эйнштейн», чувствительного к рентгеновскому излучению, говорят о том, что это «жизнеописание» находится еще только в начальной стадии. На современном уровне знаний о галактиках мы не можем пока ответить на все более настойчивые вопросы, касающиеся происхождения и структуры Вселенной.
Масштабы космоса действительно грандиозны по сравнению с масштабами человеческими: достаточно оглянуться, чтобы увидеть рассыпанные на расстояниях в несколько миллиардов световых лет друг от друга совершенно необычные объекты. Конечно, выбор объекта исследования зависит от личного вкуса, но надо признать, что квазары представляют исключительный интерес. Ниже мы подробно расскажем еще об одном явлении, известном с 1929 г.: все галактики летят прочь от нас со скоростями, пропорциональными расстояниям до них (закон Хаббла), т.е. Вселенная расширяется.
Ученые обнаружили такие космические объекты, которые разлетаются с громадными скоростями, достигающими девяти десятых скорости света. Согласно закону Хаббла, это должны быть объекты, удаленные на десяток миллиардов световых лет и, следовательно, чрезвычайно яркие, раз их можно наблюдать с Земли. Эти источники энергии должны иметь ограниченные размеры, небольшие по сравнению с размерами галактик (отсюда и название «квазар» – квазизвездный объект), поскольку наблюдаются очень быстрые (в течение нескольких недель) изменения интенсивности их излучения. Широко распространено мнение, что мы здесь имеем дело с различными стадиями эволюции нормальной галактики; появление черной дыры в ее центральной части привело бы к превращению вещества в энергию с чрезвычайно высокой эффективностью по сравнению с обычными термоядерными реакциями, происходящими в звездах.
Результатом этого было бы появление космической вспышки малой длительности (меньше 100 млн. лет), но огромной интенсивности и, следовательно, видимой на очень далеких расстояниях. Некоторые астрофизики, в том числе Арп, не согласны с таким подходом и считают, что можно поставить под сомнение само соотношение Хаббла, связывающее скорости разлетания космических объектов с расстояниями между ними. Правда, такая точка зрения не является общепринятой.
На этом сюрпризы, связанные с квазарами, не кончаются. В 1979 г. Уолш, Карсуэлл и Вейманн, изучая двойной квазар 0957+561 с двумя составляющими А и В, обнаружили, что их спектры излучения и скорости удаления одинаковы. Таким образом, речь шла не о случайном выстраивании в одну линию изображений двух объектов. Согласно одной захватывающей гипотезе, мы здесь имеем дело с двойным, а может быть, и с тройным изображением одного и того же объекта. Раздвоение изображения, по-видимому, вызвано тем, что между нами и квазаром расположена галактика большой массы. Действительно, как уже говорилось ранее, в 1919 г. английские ученые обнаружили, что свет звезд, проходя рядом с Солнцем, слегка отклоняется за счет притяжения светила. Гравитационное поле Солнца ведет себя как гигантская линза диаметром в несколько миллионов километров. Именно этот эффект, предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна, принес ученому всеобщую известность и в течение длительного времени представлял собой единственное экспериментальное подтверждение теории. Наш квазар 0957+561 выявил существование гравитационных линз космических масштабов. Согласно Юнгу, Гунну Кристиану, Оке и Вестфалу, на пути между нами и квазаром находится скопление галактик, которое ведет себя как гравитационная линза; аберрация этой линзы и приводит к раздвоению изображения. В настоящее время осуществляются очень сложные и точные эксперименты, результаты которых позволят прояснить детали двойного изображения, а следовательно, и формы галактической линзы.
Впоследствии в подтверждение описанных результатов было получено известие об открытии еще одной галактической линзы, расположенной на пути к квазару 1115+080 и со всей очевидностью приводящей к наличию тройного изображения этого квазара.
Объекты такого рода представляют дальнейшее подтверждение теории относительности, если вообще в этом существует необходимость. Теория предсказывает, что количество изображений должно быть нечетным; и действительно, третье изображение, хотя и очень слабое, появляется на некоторых снимках квазара 0957+561, полученных с помощью большого радиотелескопа в Нью-Мексико. Более того, изображение квазара 1115+080, по всей видимости, является пятикратным. Согласно исследованиям группы Юнга, наличие многократных изображений может позволить провести новое измерение хаббловской константы расширения Вселенной, величина которой неоднократно пересматривалась и в настоящее время все еще является предметом дискуссий и полемики.
Если наши представления соответствуют действительности, то галактическая линза должна иметь колоссальные размеры, ее диаметр должен превышать миллионы световых лет, а в образование такой линзы должны давать вклад гравитационные поля целого скопления галактик. Мы находимся в преддверии новой эпохи в астрофизике, когда сведения о далеких галактиках будут получены путем исследования влияния их гравитации на свет, идущий от еще более далеких объектов, расположенных на одной с ними линии. Примерно десять миллиардов галактик можно наблюдать (во всяком случае, в принципе) в космосе; любой очень далеко расположенный квазар так или иначе оказывается на одной прямой с какой-нибудь более близкой к нам галактикой, которая искажает его изображение. До сих пор мы имели дело только с двумя крайними случаями таких искажений; наверняка существуют и другие искажения, которые еще не распознаны. Присутствие галактик искажает изображения далеких объектов, и наиболее удаленные области Вселенной выглядят деформированными, как дно горного потока. Относительность неизменно готовит нам все новые и новые сюрпризы.
Глубина и богатство содержания общей теории относительности проявляются в наибольшей мере, когда теория гравитации Эйнштейна используется для изучения явлений космических масштабов. В этом смысле общая теория относительности в громадной степени стимулировала развитие космологии.
Сколь велика Вселенная? На этот вопрос, который мне задают очень часто, трудно дать удовлетворительный ответ в нескольких словах. Ведь невозможно подступиться к важным темам современной космологии, не имея четкого представления хотя бы в общих чертах о размерах Вселенной и тех объектов, которые ее заполняют. Иногда удается объясниться, используя так называемую десятитысячную шкалу. Речь идет о последовательности объектов или расстояний, каждый из которых в десять тысяч раз больше предыдущего, причем отсчет начинается с размеров привычных, человеческих, и доходит до размеров Вселенной.
Итак, для начала возьмем характерный размер – высоту потолка, которую положим равной четырем метрам; затем умножим ее на десять тысяч и выйдем при этом в стратосферу (40 км). Следующий шаг приведет нас на Луну (400000 км), а умножив еще один раз на десять тысяч, мы попадем на границу Солнечной системы, удаленную на 4 млрд. км, т.е. на расстояние, которое свет пройдет за четыре часа. Мы уже находимся на четвертой ступени, соответствующей пределу, которого достигали автоматические станции, посланные с Земли. Следующий шаг катапультирует нас прямо к Альфе Центавра – ближайшей к нам звезде, удаленной на расстояние в 40000 млрд. км. Теперь уже один километр оказывается смехотворно маленьким, и в качестве единицы измерения используется световой год, который, как мы говорили выше, немногим меньше 10000 млрд. км, Альфа Центавра находится как раз на расстоянии 4,3 светового года, и таково типичное расстояние между звездами, расположенными вблизи Солнца.
Шестая ступенька приведет нас в недра Галактики – громадной линзообразной массы, заполненной сотнями миллиардов звезд. Солнце, которое находится на периферии, отдалено от центра Галактики чуть меньше чем на 40000 световых лет. Следующий шаг отнесет нас на расстояние в 400 млн. световых лет; при этом звезды уже заведомо слишком малы, чтобы быть видимыми с Земли, и Вселенная кажется нам равномерно заполненной миллиардами галактик, расстояния между которыми в среднем равны нескольким миллионам световых лет. Дальше продвигаться мы не можем: согласно представлениям современной космологии и имеющимся наблюдательным данным, невозможно увидеть объекты, отдаленные на расстояния, большие, чем примерно 12 млрд. световых лет. Таким образом, нам не хватило до последней ступеньки всего лишь множителя, равного 30.
В своей исчерпывающей, но, к сожалению, адресованной лишь специалистам книге, посвященной гравитации и космологии, известный физик Стив Вайнберг отмечает, что современная наука берет начало с открытия того, что Земля не является центром Вселенной. После проведенного здесь обсуждения, даже если философы и специалисты по истории науки будут нам возражать, мы сможем без труда согласиться с этим по причинам, о которых я не решаюсь говорить раньше времени. Во всяком случае развенчание нашей планеты явилось и началом современной космологии: оно породило космологический принцип.
Этот принцип утверждает, что в среднем Вселенная выглядит одинаково, в каком бы месте она ни рассматривалась.
Слова «в среднем» означают, что мы должны исследовать область Вселенной с диаметром порядка нескольких миллионов световых лет, что соответствует последнему отсчету нашей шкалы. Насколько можно судить, все имеющиеся наблюдательные данные согласуются с такой рабочей гипотезой. Космологический принцип необходим также и по менее благородным причинам: без него было бы почти невозможно решить сложнейшие уравнения поля Эйнштейна, которые описывают эволюцию Вселенной.
Биография космологического принципа поучительна, и ее стоит рассказать. В 1744 г. швейцарский астроном де Шезо и независимо от него в 1826 г. Ольберс сформулировали следующий парадокс, который привел к кризису тогдашних наивных космологических моделей. Представим себе, что пространство вокруг Земли бесконечно, вечно и неизменно и что оно равномерно заполнено звездами, причем их плотность в среднем постоянна. С помощью несложных вычислений Шезо и Ольберс показали, что полное количество света, посылаемое на Землю звездами, должно быть бесконечным, из-за чего ночное небо будет не черным, а, мягко говоря, залито светом. Чтобы избавиться от своего парадокса, они предположили существование в космосе обширных блуждающих непрозрачных туманностей, заслоняющих наиболее отдаленные звезды. На самом деле так выйти из положения нельзя: поглощая свет от звезд, туманности поневоле нагревались бы и сами излучали свет так же, как и звезды.
Итак, если справедлив космологический принцип, то мы не можем принять идею Аристотеля о вечной и не изменяющейся Вселенной. Здесь, как и в случае относительности, природа, похоже, предпочитает в своем развитии симметрию, а не мнимое аристотелево совершенство.
Возведение американским астрономом-меценатом Хейлом больших телескопов в обсерваториях Маунт-Вилсон и Паломар привело к целой серии ключевых с точки зрения современной космологии открытий. Прежде всего выяснилось, что при обсуждении парадокса Ольберса речь должна идти о галактиках, а не об отдельных звездах; кроме того, была установлена шкала расстояний в пространстве, о которой я уже рассказывал в несколько свободном стиле. Столь же важным оказалось признание того, что Вселенная непрерывно изменяется, являясь ареной внушительных эволюционных явлений, а также введение правильной шкалы времени для процессов, там происходящих.
Было установлено, что звезды обретают свою энергию, превращая водород в более тяжелые элементы с помощью серии сложных термоядерных реакций. Это не может происходить бесконечно; когда горючего не остается, каждая звезда гаснет, переживая по-своему более или менее бурный конец. Такая звезда, как наше Солнце, живет в среднем около десятка миллиардов лет.
Длинная цепь открытий увенчалась в высшей степени важным событием в 1929 г., когда Хаббл обнаружил, что в космосе «все разбегается». Согласно Хабблу да и большинству современных астрофизиков, галактики разбегаются со скоростями, пропорциональными расстояниям до них. Галактика, находящаяся на расстоянии 100 млн. световых лет, удаляется от нас со скоростью порядка 2000 км/с; если расстояние до галактики в два раза больше, то и скорость удаления удваивается, и т.д. Вселенная расширяется, следовательно, она не является неизменной. Речь идет о глобальном космическом явлении, имеющем огромные масштабы, такие, что сами галактики уже кажутся всего лишь пылинками.
Прокручивая ретроспективно киноленту о жизни Вселенной, мы могли бы увидеть, что было время, а именно около 15...20 млрд. лет тому назад, когда все галактики были собраны вместе в одной точке. Разумеется, к такой оценке нужно относиться с осторожностью и представлять, что она справедлива только по порядку величины. Во-первых, гравитационное притяжение непрерывно замедляет движение галактик; во-вторых, почти наверняка галактики сами образовались лишь примерно через миллиард другой лет после начала расширения. Но остается фактом, что Вселенная когда-то начинала свое развитие, будучи намного более плотной и занимая область намного меньшую, чем в настоящее время; ее эволюцию можно сравнить разве что с гигантским взрывом глобального масштаба – с так называемым «большим взрывом». Примечательно, что указанный масштаб времени в общем согласуется с результатами, полученными при исследовании эволюции звезд.
Как уже говорилось, чем дальше находятся участки Вселенной, тем быстрее они от нас удаляются; галактики представляются нам такими, какими они были в далеком прошлом, поскольку свету, идущему от них, требуется время, чтобы до нас дойти. Таким образом, большие телескопы совершают, кроме всего прочего, путешествие в прошлое. Наблюдая все более далекие объекты, мы видим, как они разлетаются со скоростями, которые все ближе и ближе к непреодолимому барьеру – скорости света. Существуют квазары – объекты, крайне яркие и видимые на громадных расстояниях, – которые удаляются со скоростями в 285000 км/с, что лишь немного меньше скорости света, равной 300000 км/с.
Если бы мы могли увидеть какие-нибудь объекты, «приставленные к стенке скорости света», то они бы выглядели так же, как у истоков Вселенной. Но не все объекты, содержащиеся во Вселенной, можно будет когда-нибудь увидеть (вот выход из парадокса Ольберса!); свет от объектов, расположенных дальше определенного расстояния, так и не успевает дойти до нас, и они навсегда остаются скрытыми от наших взоров, так же как слишком далекое здание на поверхности Земли скрыто за горизонтом.
Но, если все галактики удаляются от нашей, не означает ли это, что Земля – центр Вселенной?
Ответ по-прежнему отрицательный. Расстояния между любыми галактиками увеличиваются со скоростями, пропорциональными самим расстояниям, и человек, оказавшийся случайно в пределах другой галактики, обнаружит справедливость того же закона Хаббла. При этом его горизонт окажется смещенным, и он сможет увидеть то, что скрыто от нас, в то время как другие объекты, видимые с Земли, будут скрыты от него.
Общая теория относительности, созданная Эйнштейном в 1916 г., просто и естественно учитывает механизм «большого взрыва». В этой теории присутствие вещества приводит к изменению геометрии пространства на космическом уровне. До сих пор из-за нехватки наблюдательных данных эти изменения не могут быть оценены в полной мере; в частности, пока нет достаточно точных данных о полном количестве вещества во Вселенной. Согласно модели (называемой моделью Фридмана), которую предпочитал Эйнштейн, Вселенная содержит достаточно вещества, чтобы быть искривленной настолько, что она замыкается на саму себя, как, например, воздушный шарик. Если надувать такой шарик, то любая картинка, нарисованная на его поверхности, увеличивается в размере, сохраняя при этом те же пропорции между своими частями. Каким-нибудь муравьям, живущим в таком мире, покажется, что они друг от друга удаляются, но ни один из них не будет иметь достаточного основания считать себя центром Вселенной. Согласно представлениям этой модели, расширение Вселенной должно прекратиться примерно через 40 млрд. лет, после чего должно начаться сжатие, в результате чего еще через 100 млрд. лет Вселенная снова окажется в состоянии большой плотности.
Основная трудность, которая встречается при объяснении модели Фридмана, возникает при определении того, что собой представляет внутренний объем воздушного шарика, В нашем мире можно передвигаться вдоль трех направлений: север – юг, запад – восток, вверх – вниз; в мире, который расположен на поверхности воздушного шарика, остаются только первые два. Третье направление (измерение) используется здесь для обозначения кривизны к носит, таким образом, лишь методический характер. Поэтому, хотя наша Вселенная также имеет кривизну, но необходимость введения каких-либо измерений, кроме привычных трех, существует лишь с методической или математической точек зрения; как учили Гаусс и Риман, нет смысла покидать наш мир, чтобы познавать его свойства.
Какой же была Вселенная в момент своего рождения? Наш вопрос имеет смысл, только если он относится к мгновению, следующему непосредственно за началом, т.е. к моменту времени, когда применение физических законов становится уже разумным. Спустя всего одну сотую секунды после начала космос занимал гораздо меньший объем, чем теперь, и был заполнен сжатым веществом при температуре в миллиарды градусов с плотностью в триллионы раз выше, чем плотность воды. В этих условиях не могли существовать ни ядра, ни тем более атомы, которые были бы разрушены бурным тепловым движением. Расширение Вселенной происходило с очень большой скоростью.
Через несколько минут расширение Вселенной и ее охлаждение достигли такой степени, что стало возможным образование атомных ядер. Спустя еще миллион лет температура упала ниже трех тысяч градусов, и началось образование атомов. Бросив взгляд вокруг себя в ту эпоху, мы увидели бы пространство, заполненное облаком из раскаленных газов и ослепляющим светом. Еще через миллиард лет началось образование галактик, звезд и стабильного вещества в современном виде.
Свет, излученный первоначальным газовым облаком, все еще бродит во Вселенной; претерпев сильные изменения при расширении Хаббла, он сейчас заметен только в виде микроволнового фона (так называемого «реликтового излучения»). Это самое древнее из всех известных свидетельств истории нашей Вселенной. Оно было обнаружено двумя астрофизиками из лаборатории фирмы «Белл телефон» Пензиасом и Уилсоном, удостоенными за свое открытие Нобелевской премии в 1978 г.
Мы подошли к последнему вопросу: какова научная достоверность теории «большого взрыва»? Разумеется, не может быть полной уверенности в выводах, сделанных на границе человеческих знаний и основанных на рискованных экстраполяциях. Но в самых общих чертах теория «большого взрыва» кажется вполне справедливой, и уж наверняка она представляет собой наилучшую из имеющихся в настоящее время рабочих гипотез. Во всяком случае, панорама, которую открывает нам эта теория, грандиозна и поистине захватывающа.
Сейчас мы снова, но уже более углубленно обсудим ряд вопросов, которые были затронуты ранее, в частности теорию «большого взрыва».
Мы уже говорили о том возражении, которое выдвинули де Шезо и Ольберс против представлений начинавшей зарождаться космологии. В то время считалось, что космическое пространство бесконечно, равномерно заполнено звездами и в таком состоянии пребывает вечно. Де Шезо и Ольберс исходили из всем известного факта, что небо темнеет, когда заходит солнце.
Логика их рассуждений не меняется, если допустить, что все звезды имеют одинаковую светимость. Представим теперь, что окружающее нас пространство разделено на концентрические сферические слои одинаковой толщины. Объем одного такого слоя равен произведению его толщины на площадь его поверхности, и, следовательно, количество звезд, находящихся в одном слое, в среднем пропорционально площади его поверхности, т.е. квадрату его радиуса. Поэтому если мы удвоим радиус какого-либо сферического слоя, то обнаружим в нем вчетверо больше звезд, каждая из которых, находясь уже на расстоянии вдвое большем, чем прежде, светится вчетверо слабее. Таким образом, яркость света, дошедшего до нас, останется прежней. Более того, существует бесконечное число таких сферических слоев, и от каждого до нас доходит свет одинаковой яркости. Если продолжить наши рассуждения, придется сделать вывод, что мы можем получать сколь угодно большое количество света, и небо должно нам казаться бесконечно ярким! Даже при наличии в космосе непрозрачной пыли положение не изменится: поглощая свет от звезд, пыль нагревалась бы и сама излучала свет.
Таким образом, либо Вселенная не является бесконечной, либо она не вечна и изменяется со временем, либо, наконец, несправедлив космологический принцип, т.е. звезды распределены неравномерно. Утверждение, что Вселенная не изменяется во времени, во всяком случае, заведомо неверно: любая звезда получает свою энергию от термоядерного источника, который хотя и очень мощный, но все же не является неисчерпаемым; так, Солнце светит в течение более 5 млрд. лет и будет еще светить не более 10 млрд. лет. Мы еще не знаем, бесконечна ли Вселенная; ответ на этот вопрос зависит от результатов очень тонких наблюдений за галактиками. Тем не менее общепринятое мнение таково: в какой-то степени пересмотренный космологический принцип (место звезд займут галактики) должен быть сохранен.
Самый серьезный удар незыблемости Вселенной был нанесен не теорией эволюции звезд, а результатами измерений скоростей удаления галактик, полученными Хабблом. Чтобы по достоинству оценить результат Хаббла, нужно помнить, что звезды не рассеяны во Вселенной равномерно: они, наоборот, сгруппированы в отдельные «острова» – галактики, каждая из которых включает в себя в среднем более 100 млрд. звезд, а также межзвездный газ и межзвездную пыль; галактики в большинстве своем имеют «правильную» форму спирали или эллипса, при этом диаметр галактики может достигать и даже превосходить 100000 световых лет. Млечный путь как раз представляет собой одну такую галактику, ту самую «Галактику», которая включает в себя в качестве незначительной периферийной звезды и наше Солнце.
В действительно космическом масштабе мы имеем дело уже не со звездами, а с галактиками как отдельными объектами, расстояния до которых измеряются миллионами световых лет.
Итак, Хаббл в результате целой серии кропотливых измерений обнаружил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до нее, с коэффициентом пропорциональности, равным примерно 20 км/с на миллион световых лет. Например, галактика, находящаяся на расстоянии в 100 млн. световых лет, удаляется от нас со скоростью 2000 км/с. Как уже говорилось, обнаружены квазары, которые удаляются от нас со скоростью 285000 км/с и которые, следовательно, находятся на расстояниях порядка 10 млрд. световых лет.
Открытие Хаббла окончательно разрушило существовавшее со времен Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной, уже, впрочем, ранее получившее сильный удар при открытии эволюции звезд. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга для утверждения сил небесных, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам.
Удаляясь со скоростью 20 км/с, галактика проходит примерно 600 млн. км за год, или 60 световых лет за миллион лет; на то, чтобы преодолеть (при постоянной скорости) тот миллион световых лет, который нас разделяет, ей, по-видимому, понадобилось несколько меньше, чем 20 млрд. лет. Следовательно, около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, поскольку (согласно закону Хаббла) галактики, которые находятся на расстояниях в десять раз больше других, имеют в десять же раз большую скорость; следовательно, время удаления одинаково для всех галактик.
Можно подойти к вопросу о хаббловском расширении космоса, используя более привычные, интуитивные образы. Например, представим себе солдат, выстроенных на какой-нибудь площади с интервалом 1 м. Пусть затем подается команда раздвинуть за одну минуту ряды так, чтобы этот интервал увеличился до 2 м. Каким бы образом команда ни выполнялась, относительная скорость двух рядом стоявших солдат будет равна 1 м/мин, а относительная скорость двух солдат, стоявших друг от друга на расстоянии 100 м, будет 100 м/мин, если учесть, что расстояние между ними увеличится от 100 до 200 м. Таким образом, скорость взаимного удаления пропорциональна расстоянию. Отметим, что после расширения рядов остается справедливым космологический принцип: «галактики-солдаты» по-прежнему распределены равномерно, и сохраняются те же пропорции между различными взаимными расстояниями.
Единственный недостаток нашего сравнения заключается в том, что на практике один из солдат все время стоит неподвижно в центре площади, в то время как остальные разбегаются со скоростями тем большими, чем больше расстояния от них до центра. В космосе же нет верстовых столбов, относительно которых можно было бы провести абсолютные измерения скорости; такой возможности мы лишены теорией относительности: каждый может сравнивать свое движение только с движением рядом идущих, и при этом ему будет казаться, что они от него убегают.
Мы видим, таким образом, что закон Хаббла обеспечивает неизменность космологического принципа во все времена, и это утверждает нас в мнении, что как закон, так и сам принцип действительно справедливы.
Другим примером интуитивного образа может служить взрыв бомбы; в этом случае чем быстрее летит осколок, тем дальше он улетит. Спустя мгновение после самого взрыва мы видим, что осколки распределены в соответствии с законом Хаббла, т.е. их скорости пропорциональны расстояниям до них. Здесь, однако, нарушается космологический принцип, поскольку если мы отойдем достаточно далеко от места взрыва, то никаких осколков не увидим. Этим образом подсказан самый знаменитый в современной космологии термин «большой взрыв» (the big bang). Согласно этим представлениям, около 20 млрд. лет тому назад все вещество Вселенной было собрано в одной точке, из которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров.
Но где же находится эта отправная точка? Ответ: нигде и в то же время повсюду; указать ее местонахождение невозможно – это противоречило бы космологическому принципу. Еще одно сравнение, возможно, поможет нам понять это утверждение.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, присутствие вещества в пространстве приводит к искривлению последнего. При наличии достаточного количества вещества (мы вернемся к этому позже) можно построить модель искривленного пространства, напоминающего искривленную поверхность Земли. Передвигаясь на Земле в одном направлении, мы в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. В искривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет; кроме того, «роза ветров» не ограничивается четырьмя частями света, а включает направления также вверх – вниз, или, лучше, зенит – надир. Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения местоположения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. А можно ли взглянуть внутрь надувного шарика? Для этого пришлось бы выйти в четвертое измерение, чего ни один физик не умеет делать; и хотя, вообще говоря, можно использовать и шесть измерений, все мы в общем сходимся на том, что речь здесь идет всего лишь о некой игре слов, а всю физику вполне можно осознать, удобно разместившись или, лучше сказать, будучи нарисованными на поверхности такого воздушного шарика.
Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется; на шарике нет выделенных точек; площадь, на которой были выстроены солдаты, теперь представляет всю Вселенную; площадь эта весьма странная: выходим через калитку на север, а, возвращаясь, обнаруживаем, что появляемся на площади с южной стороны, и т.д.
Галактики притягиваются друг к другу согласно закону Ньютона, который, если его видоизменить соответствующим образом, будет справедлив также и в теории Эйнштейна и по которому они должны все время почти незаметно замедляться. Измерение этого замедления позволило бы узнать, сколько вещества присутствует во Вселенной. К сожалению, очень трудно выполнить такое измерение, зависящее от наблюдений самых далеких и, следовательно, самых «молодых» галактик (если учесть то длительное время, которое требуется свету, чтобы до нас дойти, то получится, что галактика, удаленная от нас на 5 млрд. световых лет, будет восприниматься такой, какой она была 5 млрд. лет тому назад, т.е. в момент излучения света). Движение молодых галактик должно казаться не столь замедленным, что должно привести к незначительному отклонению от закона Хаббла. Но оценить расстояние до таких галактик очень трудно, в частности потому, что в течение миллиардов лет сами они могут существенно эволюционировать.
Другой способ оценить полное количество вещества во Вселенной состоит в простом подсчете всех галактик вокруг нас.
Поступая таким образом, мы получим вещества меньше (примерно в десять раз), чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть «воздушный шарик» Вселенной. Но это не такая уж беда. Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка которых столь же проста (или сложна, в зависимости от точки зрения) и которые объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое вещество 1 (например, нейтринный газ, о котором мы будем говорить ниже) в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.
Чтобы получить ответ на этот вопрос, были проведены исследования начальной стадии эволюции Вселенной, наступившей непосредственно за «большим взрывом». Невозможно начать рассказ о «сотворении мира» непосредственно с момента «нуль», т.е. начиная с сакраментального изречения «Да будет свет!». Этот момент есть всего лишь математический образ, присутствующий в уравнениях Эйнштейна; никто не может гарантировать, что законы физики остаются справедливыми для такого состояния вещества, при котором весь космос оказывается сжатым до размеров спичечной головки. Нам придется удовлетвориться тем, что отправной точкой мы будем считать десятитысячную долю секунды после самого начала. Из проделанных вычислений следует, что радиус кривизны Вселенной в этот момент равнялся примерно одной тридцатой части светового года, т.е. 300 млрд. км, что в тысячу раз превышает размеры Солнечной системы. Хотя это и колоссальная величина, но она ничтожна по сравнению с размерами современной Вселенной. Таким образом, вещество находилось в крайне сжатом состоянии с плотностью в тысячи миллиардов раз больше, чем плотность воды, и при чрезвычайно высокой температуре порядка одного триллиона градусов. Происходящее в космосе можно было бы сравнить, например, с быстрым расширением воздуха, нагретого при сжатии его в велосипедном насосе. Чем же был заполнен космос в эти мгновения?
Напомним, что температура газа представляет собой не что иное, как меру средней энергии составляющих его частиц. Если эти частицы попытаться нагреть, до триллиона градусов, то они будут сталкиваться друг с другом с такой силой, что атомы разобьются на ядра и электроны; в свою очередь ядра разобьются на нейтроны и протоны, из которых они состоят. Более того, энергия разлетающихся частей будет столь высока, что сможет материализоваться согласно формуле E = mc2 и привести к появлению вещества – антивещества (пар мюонов и электрон-позитронных пар).
Космические соударения сначала происходят в неистовом ритме, который со временем затихает; в конце концов столкновения становятся совсем редкими. Расширяясь, Вселенная охлаждается со скоростью, обратно пропорциональной ее радиусу. В свою очередь радиус Вселенной увеличивается как корень квадратный из прошедшего времени; так, например, при увеличении времени от одной до четырех секунд радиус Вселенной увеличится в два раза, в то время как температура уменьшится вдвое. По прошествии одной секунды после начала пропадают мюоны и начинается образование более стабильных ядер (главным образом ядер гелия, или α-частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов). В течение последующих трех минут нуклеосинтез по существу заканчивается.
Спустя четверть часа после начала (т.е. примерно через 1000 секунд) радиус Вселенной достигает 100 световых лет, а температура равна «всего лишь» 300 млн. градусов, что сравнимо с температурой, наблюдаемой при термоядерных взрывах. С этого момента наблюдается более медленное охлаждение Вселенной наряду с ее расширением, и пройдет еще миллион лет, прежде чем произойдет новый качественный скачок в картине развития Вселенной. Температура при этом упадет уже до четырех тысяч градусов, и свободные электроны начнут рекомбинировать с ядрами, образуя атомы, которые, наконец, будут способны противостоять уменьшившемуся уровню тепла.
Что бы мы увидели, если бы могли окинуть взглядом пространство в ту далекую первоначальную эпоху?
Яркость равномерного свечения неба всего в десять раз меньше, чем у поверхности Солнца (что очень близко к яркости свечения солнечных пятен, в свою очередь сравнимой с яркостью дуговой лампы). Жара, как в аду, поддерживает вещество в возбужденном состоянии, не давая ему конденсироваться. После образования атомов вещество становится прозрачным для света, и свет блуждает в течение миллиардов лет по всей Вселенной вплоть до наших дней. Почему же мы его не видим? Ответ состоит в том, что его все-таки удалось увидеть, хотя и не в виде «света» в обычном смысле. Расширение Вселенной приводит к смещению цветов спектра в сторону красного (при удалении источника увеличивается длина волны света). Эффект становится очень заметным, если он накапливается в течение всей предшествующей жизни космоса; излучение становится микроволновым, невидимым для глаза; его, однако, можно зарегистрировать с помощью радиотелескопов, что и сделали Пензиас и Уилсон в 1965 г. (в лабораториях фирмы «Белл»). Результаты этих исключительно важных наблюдений дают наиболее веское подтверждение гипотезы «большого взрыва». Реликтовое излучение (именно так его называют) представляет собой самое древнее из имеющихся свидетельств нашей эволюции; оно было испущено, когда прошло меньше одной тысячной доли всей жизни Вселенной. В те времена динозавры еще маячили как призраки далекого будущего, египетские пирамиды могли бы восприниматься как начало сегодняшнего дня, и все это представляло незначительные события в жизни незначительной планеты, принадлежащей второстепенной галактике.
Существуют ли причины, кроме простого любопытства, по которым следует определять различные численные характеристики «сверхварева» вещества, появившегося вслед за «большим взрывом»? Да, и вот одна из них.
Из вычислений следует, что оставшийся «пепел» должен был состоять примерно на три четверти из водорода; остальная часть – это гелий и очень малые примеси более тяжелых элементов. Не случайно, что такой же начальный состав галактического вещества получается и из данных о эволюции звезд. Кроме того, в этом месиве должен был присутствовать тяжелый изотоп водорода – дейтерий, относительно легкий по сравнению с другими ядрами. По всей видимости, дейтерий не может создаваться в горниле звездных печей, где он бы сразу превращался в гелий или так или иначе разрушался. Поэтому встречающийся в настоящее время дейтерий (даже в стенах домов) должен был сохраниться еще со времени «большого взрыва». Если Вселенная действительно была тогда очень плотной (настолько, чтобы быть замкнутой), то, как показывают расчеты, частые столкновения дейтонов (ядер дейтерия) с другими ядрами чрезвычайно быстро привели бы к их разрушению.
Таким образом, обнаружение значительного количества дейтерия в нынешней Вселенной указывало бы на малую плотность вещества в ней, т.е. на то, что Вселенная открыта. Наблюдения нашей Галактики, судя по всему, подтверждают существование межзвездных облаков, состоящих из дейтерия, что говорит в пользу модели открытой Вселенной, по крайней мере временно, поскольку не исключена возможность того, что будет обнаружен остроумный способ образования дейтерия в звездах, противоречащий нашим рассуждениям.
Каковы же размеры современной Вселенной и когда появились галактики?
Образование галактик началось только спустя миллиард лет после «большого взрыва». К этому моменту вещество уже успело охладиться до идиллических температур (всего в сотню градусов) и стали появляться стабильные флуктуации плотности среди облаков газа, равномерно заполнявших космос. Локальное увеличение плотности вещества оказывается стабильным, если плотность достаточно велика, так как в этом случае создается локальное гравитационное поле, способствующее сохранению вещества в сжатом состоянии.
Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение, уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращалось в современные галактики. Хотя в общих чертах нам ясно, что тогда происходило, но механизм образования галактик все же понят не до конца и противоречит аккуратным подсчетам наблюдаемых масс галактик и их скоплений. Так что работы осталось много. Проникая с помощью телескопов все дальше в глубь космоса, мы обнаруживаем, что самые далекие объекты перемещаются со скоростями, вплотную приближающимися к скорости света, и поэтому они перестают быть видимыми. Где-то вдалеке существует горизонт, и свет от объектов, находящихся за ним, до нас еще не дошел; находится этот горизонт на расстоянии примерно 12 млрд. световых лет. Насколько можно судить, космос заполнен множеством галактик (десятками миллиардов), объединенных в гигантские скопления, содержащие сотни и тысячи галактик.
Если Вселенная замкнута, то она должна достичь предельных размеров, после чего расширение сменится сжатием, и примерно через 100 млрд. лет, пройдя в обратном порядке все этапы своего пути, Вселенная снова сожмется в точку.
Если же Вселенная открыта, то она будет расширяться до тех пор, пока галактики не уйдут за пределы видимости друг друга. В конце концов мы дойдем до абсолютно темных небес.
Если бы вся эта колоссальная космическая машина имела единственной целью сотворение Земли, можно было бы удивляться напрасной трате времени или упущенным возможностям, во всяком случае, если, как мы подозреваем, наша планета – единственная, приютившая разумную жизнь.
В действительности Вселенная потратила не слишком много времени на создание жизни: 20 млрд. лет хоть и кажутся целой вечностью, на самом деле представляют собой лишь минимум, необходимый для того, чтобы где-то в недрах звезд начался синтез элементов, нужных для поддержания живых организмов. И если разобраться, то около трех миллиардов лет назад уже существовали водоросли и простейшие.
Должны ли мы доверять теории «большого взрыва»? В общем я бы дал положительный ответ на этот вопрос; или, что еще лучше, можно считать ее захватывающей рабочей гипотезой, которая приподнимает завесу над нашим далеким прошлым вплоть до самых истоков.
Более подробное описание Вселенной на первых этапах ее развития следует предварить некоторыми сведениями о главных (или кажущихся таковыми) составляющих космического вещества. К этой захватывающей теме мы еще вернемся в дальнейшем.
Согласно представлению большинства людей, представлению, давшему жизнь в 30-х годах многочисленным рисованным картинкам и карикатурам, атом похож на маленькую солнечную систему, в которой роль Солнца играет центральное ядро, вокруг которого вращаются по своим орбитам электроны. Число электронов меняется от атома к атому и определяет химический элемент; водород имеет всего один электрон, в то время как в уране их уже 92. Физикам удалось исследовать также и ядро, и выяснилось, что оно состоит из нуклонов двух сортов – протонов и нейтронов. Речь идет о почти одинаковых частицах, отличающихся друг от друга только тем, что электрический заряд протона положителен, в то время как нейтрон заряда не имеет.
Кроме того (и здесь мы подошли к основному предмету нашего обсуждения), нейтрон, не входящий в состав ядра, распадается меньше чем через двадцать минут на протон, электрон и новую частицу, нейтрино, которую можно грубо представить как «нейтральный электрон», т.е. электрон без электрического заряда.
Нейтрино принесло много хлопот физикам. Оно практически не взаимодействует с веществом и может пройти сквозь бетонную стену толщиной в несколько световых лет, не встретив при этом никаких препятствий. Десятки лет его существование связывали только с исчезновением энергии при распаде нейтрона. Ферми в свое время пришел к правильному выводу, что эта энергия должна быть унесена невидимой частицей, «легким нейтроном», нареченным нейтрино.
Только в послевоенное время создание больших атомных реакторов и позже мощных ускорителей частиц в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований в Женеве) и Брукхейвене (США) позволило непосредственно заметить нейтрино. На этих мощных машинах производятся пионы очень высоких энергий, которые рождаются при столкновениях ускоренных протонов с мишенью (обычно состоящей из других протонов или из ядер). Пионы – это частицы с чрезвычайно малым временем жизни, и, родившись, они тут же распадаются, производя на свет, кроме всего прочего, и нейтрино.
Появившиеся нейтрино имеют очень высокую энергию, а с увеличением энергии вероятность взаимодействия нейтрино с веществом также увеличивается. При высоких энергиях нейтрино удается зарегистрировать с помощью детекторов некосмических размеров. В ядерных реакторах же рождается огромное количество нейтрино с низкими энергиями; ничтожная часть их может поглотиться в баке, содержащем несколько десятков тонн жидкости, похожей на глицерин. Нейтрино, попадающие в этот бак, могут вызвать характерные реакции, чем и обнаруживают себя.
В термоядерных реакциях, происходящих в недрах Солнца, также рождаются нейтрино. Попытки экспериментаторов зарегистрировать их по характерным реакциям не привели к успеху: число обнаруженных нейтрино оказалось намного ниже, чем ожидалось, что подорвало веру в правильность современных представлений о процессах, идущих в недрах Солнца. Для разрешения возникших сомнений было предложено провести другие, весьма остроумные (и дорогостоящие) эксперименты с использованием экзотических минералов, таких, как, например, лорандит из Черногории, или редких металлов типа галлия в больших количествах. Поживем – увидим.
Согласно Понтекорво, нехватка солнечных нейтрино объясняется тем, что на пути от Солнца к Земле часть их успевает превратиться в нейтрино другого сорта, а эти другие нейтрино зарегистрировать в обычном эксперименте невозможно. Прямое отношение к этой гипотезе имеет вопрос о массе нейтрино. Имея практически массу, равную нулю, нейтрино перемещается со скоростью света. В действительности нейтрино могло бы иметь массу порядка одной тридцатитысячной массы электрона, что не противоречило бы результатам современных экспериментов. Измерение массы нейтрино, выполненное советскими учеными, дало величину как раз такого порядка. Этот результат ждет своего подтверждения. Другие данные, собранные вместе, также, по-видимому, свидетельствуют в пользу гипотезы массивного нейтрино, хотя каждый отдельный результат сам по себе не выглядит достаточно убедительно.
К этому моменту у читателя мог возникнуть вполне законный вопрос: какова же причина столь большого интереса к такой неуловимой частице и ее исчезающе малой массе?
Причина эта основана прежде всего на соображениях симметрии, по которым нейтрино отводится вполне определенная и важная роль при классификации элементарных частиц. Но к этому вопросу мы еще вернемся.
Мне самому кажется столь же важной и, возможно, понятной для непосвященных другая причина повышенного интереса к массе нейтрино. Согласно теории, в первые минуты жизни Вселенной появилось огромное количество нейтрино, которые до сих пор блуждают в космических просторах и роль и происхождение которых делают их похожими на реликтовое излучение, обнаруженное Пензиасом и Уилсоном.
Не существует разумных доводов в пользу возможности увидеть когда-нибудь эти нейтрино, во всяком случае если это не будет связано с действительно новым и революционным открытием. Если бы нейтрино имели массу, то, как показали вычисления, их общая масса могла бы быть в 30 раз больше, чем вся масса обычного вещества, рассеянного в космосе. Нейтрино могли бы восполнить «недостающую массу», нужную для того, чтобы Вселенная была замкнута, на чем настаивают одни и против чего выступают другие. Согласно этой гипотезе, мы купаемся в «нейтринном море», вовсе не сознавая этого, если не считать наблюдений за самыми далекими галактиками.
Вообще говоря, вся эволюция вещества в нашей Вселенной в конечном счете подвержена влиянию этого нейтринного моря. Возможно, наши потомки научатся регистрировать реликтовые нейтрино и сумеют заглянуть непосредственно в космос времен нескольких минут после «большого взрыва», когда наступал критический момент для синтеза элементов. Таким образом, речь идет не об идее, представляющей лишь академический интерес, а о фундаментальных вопросах, непосредственно связанных с ключевыми направлениями современной космологии, с проблемой наших истоков.
Американская автоматическая станция (зонд), облетевшая Юпитер, послала на Землю изумительные фотографии самой планеты и ее двух спутников. Тот же зонд с помощью поля тяготения Юпитера был далее направлен в сторону Сатурна и достиг его в точно намеченное время после путешествия, длительность которого поражает воображение. Об этом сейчас мало кто вспоминает, и, если не считать ссылок вскользь в журнальных статьях, видно, что это событие интересует очень немногих. Похоже, что двери в грандиозный космический цирк, приковавший всех к экранам телевизоров во время первой посадки на Луну, на этот раз оказались закрытыми. Однако действительно интересная страница в исследовании космоса открывается только теперь. Пройдут десятки лет, прежде чем человек отважится – если вообще ему это удастся – отправиться в сторону других планет. Автоматические же станции уже достигают пределов Солнечной системы, и мы наконец начинаем узнавать кое-что о доселе практически незнакомых планетах – достаточно вспомнить пример Венеры.
Максимальное расстояние, достигнутое зондом (несколько миллиардов километров), приблизительно в 10000 раз превышает расстояние до Луны (400000 км), куда смог добраться сам человек. Когда будет закончено исследование Солнечной системы, первой на очереди окажется ближайшая к нам звезда, Альфа Центавра, удаленная на 4,3 светового года, что несколько больше чем 40000 млрд. км. Любопытно, что это расстояние в свою очередь в 10000 раз превышает радиус Солнечной системы.
Сухие цифры на бумаге не могут создать представление об ужасающих размерах пустоты, отделяю» щей нас от Альфы. Самолет мог бы преодолеть такое расстояние за 4 млн. лет, а космическому кораблю с двигателем на химическом топливе потребовалось бы не менее 40000 лет; при этом надо учесть, что необходимое для путешествия количество горючего намного превосходит возможности современной мировой экономики.
Что же делать? Несмотря на почти безнадежный характер предприятия, уже рассмотрены различные, варианты межзвездных путешествий, причем все они основаны на разумных предположениях о будущих возможностях науки и техники. Имеет смысл проанализировать некоторые из этих проектов, чтобы составить представление об их грандиозности.
Первый серьезный проект, в настоящее время отвергнутый, имел кодовое название «Орион». На первом этапе предполагалось создание космического корабля на ядерном топливе для полетов внутри Солнечной системы (дадим ему название «Орион-1»). Он выглядел бы как большой небоскреб, покоящийся на прочной плите. Под плитой намечалось взорвать некоторое количество маленьких атомных бомб (кажется, около двухсот); при этом ударная волна от взрыва должна была вывести всю конструкцию на орбиту, оставив за собой огромное радиоактивное облако.
Расчеты позволяли надеяться на возможность запуска свыше 100000 тонн полезного веса при затратах, значительно меньших стоимости самого космического корабля.
После завоевания Солнечной системы с помощью транспортных кораблей такого типа предполагалось собрать «Орион-2» прямо в межпланетном пространстве, используя тот же принцип, что и раньше, но уже с королевским размахом. Вместо обычных атомных предполагалось использовать сотни тысяч водородных бомб, для того чтобы подтолкнуть корабль в сторону Альфы со скоростью в одну сотую скорости света (3000 км/с); даже в таком случае путешествие должно занять по крайней мере 400...500 лет. Из тех, кто отправился бы в путь с Земли, никто бы не долетел живым до Альфы; таким образом, речь шла об участии многих поколений в установлении «моста» между звездами. Можно, однако, с уверенностью утверждать, что осуществление проекта «Орион-1» вызвало бы ожесточенное и, пожалуй, оправданное, сопротивление не только экологов. С другой стороны, я бы с удовольствием воспринял запуск «Ориона-2»: огромные количества накопленных в арсеналах адских машин были бы разрушены на границах Солнечной системы, далеко от нашего собственного дома.
Вместо закатившегося «Ориона» возникли новые проекты. В одном из них предлагается создать корабль в виде сферического бака, содержащего огромное количество замороженного дейтерия (тяжелого водорода), причем дейтерий должен быть извлечен, как с изрядной долей оптимизма считают авторы проекта, из атмосферы Юпитера. Внутри большого термоядерного реактора дейтерий будет превращаться в гелий, за счет чего корабль получит нужный импульс. Хотя скорость перемещения этого корабля должна быть выше, чем скорость «Ориона-2», в намечаемом путешествии придется принять участие также не одному поколению астронавтов. Проблема, однако, в том, что никто еще не сумел построить такой реактор; и хотя многие считают, что успех в этом деле придет через десяток лет, все равно все мероприятие кажется безнадежным.
Рожденные исключительно богатым воображением следующие идеи, возможно, как раз и приведут к созданию космического корабля будущего. Все межзвездное пространство заполнено водородом, и поэтому кое-кто высказывает мнение, что именно этот водород стоит использовать в качестве горючего, вместо того чтобы брать его с собой из дому. Следовательно, если бы удалось сообщить кораблю достаточно высокую начальную скорость, то, находясь в пути, он мог бы собирать необходимое количество газа для непрерывного пополнения запасов горючего и достигнуть, таким образом, скорости, близкой к скорости света. Путешествие могло бы быть выполнено всего одним поколением астронавтов. Разворот корабля был бы осуществлен с помощью галактического магнитного поля, как остроумно предлагается в одном из недавних проектов. Другая идея, которую стоило бы объединить с предыдущей, предусматривает создание на астероидах мощнейших лазеров, которые должны превращать солнечную энергию в сверхинтенсивные узко направленные лучи света. Свет «дул» бы в громадный, диаметром в сотни километров, «парус» корабля, сделанный из тончайшего алюминированного майлара (лавсана). Давление излучения обеспечило бы необходимый импульс при отправлении в сторону необъятного межзвездного пространства. В этом случае мы также имеем дело с разумным подходом к возможностям современной развивающейся технологии, и речь вовсе не идет о реализации проекта в обозримом будущем.
Итак, вообразим, что честолюбие, стремление к славе, некоторое отсутствие здравого смысла или, более скромно, стремление к неизведанному заставили кого-то отважиться на рискованное и небывалое путешествие, и вот оно началось. Что же увидели бы астронавты? При увеличении скорости космического корабля релятивистские эффекты все больше давали бы себя знать, становясь все значительнее по мере приближения к роковому пределу 300000 км/с, к скорости света. Такого рода эффекты связаны между собой, и рассматривать их надо как целое.
На больших расстояниях от Солнечной системы Солнце будет выглядеть как очень яркая звезда, интенсивность свечения которой быстро падает с увеличением расстояния. При этом два явления начнут проявляться в виде прекрасного зрелища. О первом из них, «эффекте Доплера», можно составить представление, прислушиваясь к гудку проходящего поезда. Звук гудка становится выше по мере приближения поезда к нам (увеличивается частота) и ниже – при удалении его (частота падает). Что касается света, то этот эффект воспринимается как смещение цвета в сторону синего, когда источник приближается, и к красному, когда удаляется. Свет от Солнца и от ближайших звезд будет постепенно приобретать все более красный цвет; при достижении определенной скорости перемещения корабля весь свет от звезд уже перейдет в область инфракрасного излучения, становясь невидимым. Напротив, свет Альфы, как и всех звезд «по курсу» космического корабля, будет смещаться в сторону синего цвета, чтобы в конце концов тоже исчезнуть, но в ультрафиолетовой области. Останется полоса разноцветных промежуточных звезд, для которых эффект Доплера мал и непостоянен. Эта полоса будет непрерывно перемещаться вперед из-за второго явления, аберрации света. Представим себе, что мы попали в сильный ливень и побежали под укрытие. Капли дождя при этом приобретают относительно нас горизонтальную составляющую скорости, из-за чего у нас создается впечатление, что источник дождя находится впереди, а не вверху над нами. По этой же причине при движении с релятивистской скоростью астронавтам покажется, что свет звезд приходит от источников, смещенных вперед относительно корабля. Звезды не будут видны с кормы: их изображения переместятся к носу корабля. Описанный эффект вполне реален; свыше столетия его наблюдают астрономы при исследовании движения Земли вокруг Солнца. При движении со скоростью, равной 90% скорости света, что представляет собой предел, к которому, возможно, позволит приблизиться техника будущего, звездная панорама станет неузнаваемой, превратившись в маленькое светящееся гало по курсу корабля с сильными следами помех, вызванных межзвездным газом на пути света.
Относительность проявится поразительным образом при вычислении времени полета и пройденного расстояния. Такие расчеты выполняются по-разному для жителей Земли и для астронавтов. Для простоты примем расстояние до Альфы в точности равным четырем световым годам, а скорость космического корабля постоянной и равной 240000 км/с, т.е. четырем пятым скорости света. Людям на Земле покажется, что путешествие туда и обратно займет всего десять лет, значит, астронавты прибудут на Альфу через пять лет. Оттуда они пошлют сообщение, которое дойдет до Земли через четыре года, т.е. спустя девять лет после начала путешествия и как раз за год до прибытия астронавтов обратно на Землю.
Чтобы понять, как воспринимают путешествие астронавты, надо учесть замедление времени, приводящее к нарушению синхронности часов на Земле и на космическом корабле, и уменьшение расстояний; оба явления чисто релятивистские. Теория (да и лабораторные эксперименты) предсказывают, что с точки зрения астронавтов весь путь будет короче на две пятых, т.е. будет равен 2,4 светового года, и, следовательно, время в пути уменьшится до шести лет.
Таким образом, время путешествия для тех, кто в пути, отличается от времени, измеряемого оставшимися на Земле. Речь идет не о какой-то фантазии в духе Азимова; уже в 1971 г. описанный эффект получил прямое подтверждение на Земле в опытах, в которых время, показанное часами на борту самолета, сравнивалось с показаниями часов, оставшихся на Земле в Американской морской обсерватории.
Проследим еще раз более внимательно, как путешествуют часы в нашем воображаемом случае. Пока корабль удаляется со скоростью в четыре пятых скорости света, два сигнала, посланные с Земли с интервалом в одну секунду, настигнут корабль, разделенные уже тремя секундами; по соображениям симметрии верно и обратное. Следовательно, три года потребуется космонавтам, чтобы принять сигналы, посылаемые с Земли в течение девяти лет, а при возвращении на Землю соотношение в точности обратное, и три года сожмутся в один год. Но давайте посмотрим на вещи с точки зрения астронавтов на космическом корабле. Предположим, что Земля посылает сигнал один раз в год. Сообщение, посланное в конце первого года, придет на корабль тогда, когда на нем уже прошло три, т.е. по прибытии на Альфу. Оставшиеся девять земных лет сожмутся в три года обратного пути корабля, так что всего окажется шесть, как мы и говорили.
Мы видим, что игра с временной синхронизацией тесно связана с тем, что сжимается длина пройденного пути. Отметим, что множитель три, используемый в наших рассуждениях, на самом деле является следствием двух причин: замедления движущихся часов, а также того, что при удалении корабля каждый последующий сигнал вынужден пройти больший путь и затратить больше времени, чтобы достичь адресата.
Такого рода умственная гимнастика поставит в затруднительное положение большинство наших читателей, в чем можно, пожалуй, признаться, да и физику она покажется неудобной. Что же делать в этих случаях? Нужно сесть за изучение математического аппарата, что потребует на начальном этапе значительных усилий, которые, однако, будут щедро вознаграждены ощущением красоты и легкости выполнения расчетов. Этот математический аппарат (тензорный анализ) в настоящее время преподается в наших университетах и не представляет особых трудностей: в упрощенном виде его вполне можно было бы преподавать и в средних школах. Но по причинам, вдаваться в которые мы здесь не будем, этот язык, как и многие другие научные языки, едва ли найдет себе место (во всяком случае, еще длительное время) в общечеловеческой культуре.
Глава 2. Астрофизика и Солнечная система
Текст издания:
Туллио Редже. Этюды о Вселенной.
Перевод с итальянского канд. физ.-мат. наук Дж.Б. Понтекорво под редакцией акад. АН СССР Б.М. Понтекорво. – М.: «Мир», 1985.
Дата публикации:
22 декабря 1999 года