Читать книгу Есть ли жизнь внутри черных дыр? - В. А. Березин - Страница 10

Окружающее нас вещество распределено неоднородно, оно образует множество отдельных объектов и предметов – от атомов до сверхскоплений галактик. Но если мысленно переходить от малых ко все большим и большим масштабам, то мы перестанем видеть эти неоднородности. Точно так же мы не видим неровности штукатурки на стене дома, если отошли от стены достаточно далеко. На масштабах, превышающих размеры сверхскоплений галактик, Вселенная начнет выглядеть как однородная, имеющая во всех местах одинаковую плотность. С течением времени эта плотность уменьшается из-за расширения пространства. Вселенная расширяется!

Во времена Ньютона Вселенную в целом представляли, чем – то неподвижным и неизменным с момента ее создания. Неподвижно на своих местах располагались звезды. И только планеты обращались по орбитам вокруг Солнца (при Ньютоне гелиоцентрическая точка зрения уже получила распространение), и лишь на Земле в мелких по космическим меркам масштабах копошилась разнообразная жизнь. Дальний космос же был величественен и неподвижен. Интересно, что представление о неизменной Вселенной дожило до XX – го века: Эйнштейн тоже сначала считал Вселенную статической. Он разработал модель однородной, но не расширяющейся Вселенной. При этом ему пришлось ввести в свои уравнения гравитации искусственную добавку – космологическую постоянную, называемую также лямбда – членом. Иначе статическая неподвижная Вселенная из уравнений не получалась. А чуть позже А. Фридман, используя уравнения Эйнштейна, построил модель расширяющейся Вселенной. Оказалось, что совсем не обязательно требовать неподвижности. Расширение Вселенной было подтверждено Э. Хабблом в 1920—х годах при наблюдении разлета галактик. Для расширения Вселенной в согласии с имеющимися тогда данными лямбда – члена не требовалось. Лишь в 1990—х годах с увеличением точности наблюдений было установлено, что лямбда – член во Вселенной все – таки существует. Но не в форме новой фундаментальной константы, как предполагал Эйнштейн, а в виде темной энергии.

В каком бы месте мы ни находились, расширение будет выглядеть примерно одинаково. Нам будет казаться, что другие далекие галактики разлетаются от нас словно от центра. Но как такое может быть? Ведь не может же каждая точка пространства быть центром Вселенной? Противоречия здесь нет. Это легко понять, если представить себе поверхность надуваемого воздушного шарика. Все точки на поверхности шарика удаляются друг от друга, и каждая из них может считать себя центром расширения, хотя единого центра на поверхности нет. Поверхность воздушного шарика двумерная. На ней, как и на глобусе, положение любой точки можно задать двумя числами: широтой и долготой. Примерно так же расширяется и трехмерное пространство Вселенной. Единого центра нет, но наблюдатель в каждой точке видит разлет вещества во всех направлениях. Все выглядит так, будто наблюдатель находится в центре расширения.

Пространство Вселенной расширяется подобно поверхности воздушного шарика

Трехмерное пространство нашей Вселенной можно формально математически представить как сферическую поверхность во вспомогательном четырехмерном пространстве. Но, в отличие от воздушного шарика, эту поверхность нельзя, например, проткнуть иголкой извне, так как внешнего по отношению к ней пространства просто не существует. Любой предмет мы привыкли представлять в окружающем его более протяженном пространстве. Даже если орех находится в своей скорлупе, за пределами скорлупы всегда что – то есть. Но в случае со всей Вселенной нет никакого внешнего по отношению к ней пространства, хотя математики и могут его условно «дорисовать», используя дополнительные измерения. Дополнительные по отношению к обычным измерениям: к длине, ширине и высоте. Математики добавляют к ним другие измерения, у которых даже нет названия. Кстати, в некоторых не доказанных пока физических теориях дополнительные измерения рассматриваются как реально существующие. Но в данном случае, о котором мы здесь говорим, трехмерное пространство Вселенной представляется вложенным в формальное математическое 4—мерное пространство, которое существует лишь как математическая конструкция и не более того.

Из уравнений Эйнштейна, исследованных Фридманом, следует, что пространство Вселенной может быть трех типов: оно может быть конечным по размеру и иметь положительную кривизну, может быть бесконечным и плоским, либо оно может быть бесконечным и иметь отрицательную кривизну. Знак кривизны говорит о том, как искривлено пространство. Глобальная кривизна определяется наличием тяготеющих тел, точнее, их средней плотностью – плотностью, которая получается, если массу всех тел равномерно размазать по всему пространству. В первом из указанных случаев оно похоже на поверхность шара, если представлять его вложенным во вспомогательное четырехмерное пространство. Во втором случае пространство напоминает бесконечную ровную плоскость. В третьем случае форма пространственной поверхности похожа на лошадиное седло, загибаясь в разных направлениях. От знака кривизны зависит дальнейшая судьба Вселенной. В простейших космологических моделях Вселенная с отрицательной и нулевой кривизной будет расширяться вечно, а расширение Вселенной с положительной кривизной в некоторый момент сменится сжатием, и Вселенная в итоге сожмется почти в точку. Какой из этих трех вариантов реализован в природе, пока неизвестно, но Вселенная с большой точностью является плоской, ее средняя пространственная кривизна близка к нулю, хотя может слегка отличаться от нуля в любую сторону.

Модификации и обобщения Общей теории относительности

После создания Общей теории относительности появились несколько ее модификаций. Вейль, Калуца и Клейн, а также сам Эйнштейн пытались объяснить электромагнетизм через усложнение геометрии пространства – времени. Ставился вопрос, не являются ли электрическое и магнитное поле просто проявлением дополнительных измерений пространства – времени или каких – то других геометрических структур? Главной целью в этой деятельности является построение единой универсальной и, желательно, простой теории, которая объясняла бы все физические явления. К сожалению, до сих пор попытки построить такую теорию не принесли удовлетворительного результата.

В частности, с помощью модифицированной теории гравитации пытаются объяснить темную материю во Вселенной. Темную материю мы более подробно будем обсуждать позже. Сейчас лишь скажем, что это невидимое вещество в галактиках и скоплениях галактик, создающее гравитационное поле, которое является дополнительным к гравитации звезд и других видимых объектов. Пока неясно, из чего состоит темная материя. Идея модифицированной гравитации заключается в том, что темной материи нет вообще, а более быстрое, чем в ньютоновской теории, движение звезд и галактик объясняется поправками к уравнениям Эйнштейна и, как следствие, поправками к закону тяготения Ньютона на больших масштабах. Логически такая возможность не исключена. Вопрос в том, можно ли в рамках таких модифицированных теорий объяснить всю совокупность наблюдательных данных? Отдельные данные теория модифицированной гравитации объясняет хорошо, а другие – с трудом.

Предпринимались попытки построить теорию тяготения как теорию поля в плоском пространстве – времени, т.к. в этом случае проще проводить квантование гравитации. Однако всеобщего признания эти теории не получили. В частности, в таких теориях невозможно образование черных дыр. При сжатии звезды вещество, согласно таким теориям, должно сжиматься и стабилизироваться на некотором радиусе, не допуская образование горизонта событий черной дыры.

Сложно предугадать, как дальше будет развиваться наука, но пока эйнштейновская теория в ее первоначальном виде прекрасно описывает природу.

Ученые мечтают построить такую теорию, которая сможет объяснить все фундаментальные процессы во Вселенной, объединить все поля и частицы. Так, теория Максвелла объединяет электрические и магнитные явления, которые становятся просто разным проявлением единого электромагнитного поля. Набор уравнений Единой теории поля будет задавать правила игры, подобно правилам в шахматах или футболе, но гораздо более сложные. По этим единым универсальным правилам рождаются, взаимодействуют и взаимно превращаются все частицы и поля.

Большинство исследователей сходится в том, что гравитация среди этого всеобщего единства не останется в стороне, а будет играть, возможно, принципиальную и определяющую роль. Что искривленное пространство – время – это не просто сцена, на которой разворачиваются события. Оно само будет квантоваться, бурлить, распадаться на частицы – гравитоны. В общем, жить сложной и активной жизнью. Общая теория относительности уже показала, что пространство – время имеет динамику – оно искривляется в зависимости от имеющегося в нем вещества, а в квантовой теории от гравитации ожидается еще большее. Калуца, Клейн, Эйнштейн и другие исследователи уже пытались объяснить электромагнетизм как одно из свойств искривленного пространства – времени, но подобные усилия пока к успеху не привели. Однако нельзя исключать, что в рамках какого – то более хитроумного подхода мечта физиков об окончательной единой теории все – таки сбудется.