Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - Митио Каку

Более того, уравнения Эйнштейна давали самый, может быть, простой вывод закона Хаббла. Представим, что Вселенная – это шарик, который надувается и, соответственно, расширяется, а галактики представлены крохотными точками на поверхности шарика. Муравью, сидящему на любой из таких точек, кажется, что все остальные точки движутся от него прочь. Точно так же чем дальше точка находится от муравья, тем быстрее она от него удаляется, как в законе Хаббла. Таким образом, уравнения Эйнштейна позволили по-новому посмотреть на такие древние вопросы, как есть ли у Вселенной граница? Если Вселенная заканчивается стеной, то можно задать вопрос: что находится за стеной? Колумб мог бы на него ответить, рассматривая форму Земли. В трех измерениях Земля конечна (будучи всего лишь шаром, плавающим в пространстве), но в двух измерениях она представляется бесконечной (если раз за разом обходить ее по окружности), так что человек, шагающий по поверхности Земли, никогда не найдет ее конца. Таким образом, Земля одновременно конечна и бесконечна, в зависимости от того, в каких измерениях вы ее рассматриваете. Точно так же можно сказать, что Вселенная бесконечна в трех измерениях. В пространстве не существует кирпичной стены, обозначающей конец Вселенной; ракета, отправленная в космос, никогда не столкнется с космической стеной. Однако Вселенная вполне могла бы оказаться конечной в четырех измерениях. (Если бы она представляла собой четырехмерный шар, или гиперсферу, то теоретически можно было бы полностью обогнуть Вселенную и вернуться туда, откуда пустился в путь. В такой Вселенной самая далекая точка, которую можно увидеть в телескоп, – это собственный затылок.)

Если Вселенная расширяется с определенной скоростью, то по скорости расширения можно приблизительно вычислить момент времени, когда это расширение началось. Иными словами, Вселенная не просто имеет начало, но можно вычислить даже ее возраст. (В 2003 г. спутниковые данные показывали возраст Вселенной 13,7 млрд лет.) В 1931 г. Леметр постулировал определенный сценарий происхождения Вселенной – сверхгорячее рождение. Дело в том, что если взять уравнения Эйнштейна и довести их до логического конца (или, если угодно, начала), то они укажут, что рождение Вселенной связано с катаклизмом.

В 1949 г. космолог Фред Хойл в ходе дискуссии на радио BBC окрестил теорию Леметра теорией Большого взрыва. Поскольку сам он продвигал другую теорию, возникла легенда, что название «Большой взрыв» (точнее, «Большой бабах» – Big Bang) подразумевалось как обидное, хотя сам Хойл позже отрицал эту версию. Однако следует отметить, что в любом случае этот термин совершенно не подходит к случаю. Событие было отнюдь не большим, да и бабаха никакого не было. Вселенная началась как бесконечно малая «сингулярность». А никакого бабаха или взрыва в традиционном смысле не было, поскольку звезды расталкивает расширение самого пространства.

Общая теория относительности Эйнштейна ввела в обиход не только совершенно неожиданные понятия, такие как расширяющаяся Вселенная и Большой взрыв, но и еще одно, которое с тех пор и до настоящего момента интригует астрономов, – «черные дыры». В 1916 г., всего через год после публикации общей теории относительности, Эйнштейн с изумлением получил известие о том, что физик Карл Шварцшильд нашел точное решение его уравнений для случая одиночной точечной звезды. Ранее Эйнштейн использовал уравнения общей теории относительности только в приближенном выражении, настолько они были сложны. Шварцшильд порадовал Эйнштейна, отыскав точное решение без каких бы то ни было приближений. Сам Шварцшильд, будучи директором Астрофизической обсерватории в Потсдаме, добровольно вызвался служить Германии на русском фронте. Замечательно, но даже под артиллерийским обстрелом он умудрялся заниматься физикой. Он не только рассчитал траекторию артиллерийских снарядов для немецкой армии, но и нашел элегантное точное решение уравнений Эйнштейна. Сегодня это решение называют «решением Шварцшильда». (К несчастью, он мало прожил и не успел насладиться славой, которую принесло ему это решение. Шварцшильд, одна из ярчайших звезд новой области физики, умер в возрасте 42 лет, всего через несколько месяцев после публикации статей, от редкой кожной болезни, которую он подхватил на русском фронте; его смерть стала серьезной потерей для науки. Эйнштейн написал прочувствованный некролог по Шварцшильду, смерть которого лишь укрепила его ненависть к бессмысленным потерям войны.)

Решение Шварцшильда, которое произвело в научных кругах настоящую сенсацию, имело к тому же довольно странные следствия. Шварцшильд обнаружил, что в ближайшей окрестности этой точечной звезды гравитация настолько интенсивна, что даже свет не может от нее убежать, то есть звезда становится невидимой! Вообще, это был трудный вопрос не только для эйнштейновой теории гравитации, но и для теории Ньютона. Еще в 1783 г. Джон Мичелл, священник из деревни Торнхилл в Англии, задумался о том, может ли звезда стать настолько массивной, чтобы даже свет не мог от нее убежать. Его расчеты, опиравшиеся исключительно на законы Ньютона, доверия не вызывали, поскольку никто не знал в точности, чему равняется скорость света, но его выводы трудно было оставить без внимания. В принципе было ясно, что звезда может стать настолько массивной, что ее свет отклонится от прямой и будет двигаться по орбите. Тринадцатью годами позже математик Пьер-Симон Лаплас в знаменитой книге «Изложение системы мира» тоже рассмотрел вопрос возможного существования подобных «темных звезд» (однако счел, вероятно, свои рассуждения дикими и исключил соответствующий раздел из третьего издания). Несколько столетий спустя вопрос темных звезд вновь вышел на авансцену, на этот раз благодаря Шварцшильду. Он обнаружил, что вокруг таких звезд существует «волшебная сфера», известная в настоящее время как «горизонт событий», на которой происходят умопомрачительные искажения пространства-времени. Шварцшильд продемонстрировал, что всякий, кому не повезет оказаться внутри этого горизонта событий, никогда уже не сможет вернуться обратно. (Чтобы выйти за пределы этой сферы, нужно двигаться быстрее скорости света, что невозможно.) Ничто не может выйти за пределы горизонта событий, в том числе и луч света. Свет, излучаемый этой точечной звездой, будет вечно летать вокруг нее. Снаружи такая звезда будет выглядеть окутанной тьмой.

Воспользовавшись решением Шварцшильда, можно рассчитать, насколько нужно сжать обычное вещество, чтобы достичь этой волшебной сферы, то есть так называемого радиуса Шварцшильда, на котором должен произойти полный коллапс звезды. Для Солнца, к примеру, радиус Шварцшильда составляет 3 км. Для Земли он меньше сантиметра. (Поскольку в 1910-е гг. такая степень сжатия не поддавалась физическому осмыслению, физики решили, что никто и никогда не встретит во Вселенной подобный фантастический объект.) Но чем больше Эйнштейн изучал свойства таких звезд, которые позже физик Джон Уилер окрестил черными дырами, тем более странными они представлялись. Так, если вы будете падать на черную дыру, прохождение горизонта событий займет всего лишь долю секунды. Пролетая сквозь него, вы увидите свет, захваченный и обращающийся вокруг черной дыры может быть целые эпохи – а возможно, уже миллиарды лет. Последняя миллисекунда падения будет для вас не особенно приятной. В этот момент на вас подействуют настолько мощные гравитационные силы, что атомы вашего тела будут попросту раздавлены. Смерть станет неизбежной и ужасной. Но наблюдатели, разглядывающие эту космическую смерть с безопасного расстояния, увидят совершенно иную картину. Свет, излученный или отраженный вашим телом, растянется под действием гравитации, и снаружи покажется, что вы как бы застыли во времени. Для всей остальной Вселенной вы будете недвижно висеть над черной дырой, вечно.