Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

На противоположном конце временной шкалы космологам и астрономам удалось с поразительной точностью выяснить возраст (нашей области) Вселенной, и теперь мы совершенно уверены, что Большой взрыв произошел 13,8242 миллиарда лет назад (плюс-минус несколько миллионов лет). Некоторые могут считать нашу уверенность в точности этой цифры слишком большой смелостью – а тем более те, кто продолжает цепляться за средневековое представление о том, что Вселенной всего шесть тысяч лет; поэтому позвольте мне объяснить, как мы ее установили.

Для начала два допущения, которые я подробнее проанализирую позже; пока же скажу только, что оба они имеют убедительное практическое подтверждение: (1) законы физики работают одинаково во всей Вселенной и (2) пространство во всех направлениях неизменно (в смысле плотности и распределения галактик). Это придает нам уверенность в том, что для изучения всего космоса можно пользоваться наблюдениями, сделанными с Земли или со спутников на земной орбите. Это и позволило нам вычислить возраст Вселенной, используя несколько различных методов.

Например, многое можно узнать, изучая звезды в нашей Галактике. Мы знаем, сколько живут звезды в зависимости от их яркости и размера, что предопределяет, насколько быстро они выгорят в результате реакции термоядерного синтеза. Это значит, что можно вычислить возраст самых древних звезд и определить максимальный возраст Вселенной. Поскольку возраст самых древних звезд во Вселенной составляет около 12 миллиардов лет, наша Вселенная не может быть моложе.

Затем, измеряя яркость и цвет света далеких галактик, достигающего наших телескопов, можно вычислить, с какой скоростью расширяется наша Вселенная и как эта скорость менялась во времени. Чем дальше мы заглядываем, тем дальше уходим в прошлое, поскольку свету, который мы наблюдаем, нужны миллиарды лет, чтобы достигнуть Земли; таким образом, мы получаем информацию о далеком прошлом. А если мы знаем, с какой скоростью расширялась Вселенная, можно вернуться во времени к тому моменту, когда все было сжато в одной точке пространства, – это и есть момент рождения Вселенной.

С другой стороны, изучая мельчайшие температурные отклонения в далеком космосе (так называемый космический микроволновый фон), можно получить довольно точное представление о том, какой Вселенная была еще до образования звезд и галактик, всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Это дает возможность еще точнее определить ее возраст.

Однако одно дело – утверждать, что физика позволяет нам больше узнать о Вселенной в кратчайших и величайших временных и пространственных масштабах, другое дело – это то, что мы открыли законы, работающие везде, и это я считаю столь же замечательным. Возможно, вам это не кажется удивительным; возможно, для вас само собой разумеется, что законы природы работают не только в человеческом масштабе, но и в других пространственных, временных и энергетических масштабах. Однако это совсем не столь очевидно.

Чтобы рассмотреть этот вопрос более подробно, я введу еще три понятия, которые не всегда известны изучающим физику при всей их обязательности: понятия универсальности, симметрии и редукционизма.

Универсальность

Первый «универсальный»[10] закон физики был открыт Исааком Ньютоном[11].Видел ли он на самом деле яблоко, упавшее с дерева на ферме его матери, что дало толчок к открытию закона тяготения, а также как именно выглядит математическая формулировка этого закона – это сейчас неважно. Главное, что Ньютон понял: сила, которая притягивает яблоко к земле, имеет то же происхождение, что и сила, которая заставляет Луну вращаться вокруг Земли, а оба процесса можно легко описать с помощью одной и той же простой математической формулы. Одна и та же сила притяжения определяет поведение предметов на Земле, заставляет Луну вращаться вокруг Земли, планеты – вокруг Солнца, а само Солнце – вокруг центра Млечного Пути. Сила притяжения, которая формирует жизнь на Земле, – та же, которая способствовала формированию всей Вселенной со времени Большого взрыва. Тот факт, что на смену ньютоновскому пониманию тяготения более чем через два столетия пришло более точное эйнштейновское, никак не меняет того, что именно Ньютон первым поведал миру об универсальности этого закона.

Общая теория относительности Эйнштейна, которая уточнила постулаты Ньютона, также заставила нас совершенно по-новому взглянуть на реальность, о чем я буду более подробно говорить в следующей главе. Ведь теория Эйнштейна характеризуется совершенно удивительной универсальностью, и, чтобы вы меня лучше поняли, я приведу здесь лишь один ее аспект. Прекрасное математическое построение, которое Эйнштейн продемонстрировал миру в 1915 году, все еще является самой действенной теорией, объясняющей природу пространства и времени, причем чрезвычайно точной. С ее помощью можно также сделать справедливое предположение, что гравитационное поле будет замедлять течение времени: чем сильнее это поле, тем медленнее течет время.

Этот эффект имеет то удивительное следствие, что часы внутри земного ядра (в глубоком гравитационном колодце) тикают чуть медленнее, чем на поверхности. Другими словами, на каждые 60 лет земной истории ее ядро прибавляло в возрасте на одну секунду меньше, чем кора. Эта цифра была вычислена с использованием формулы общей теории относительности; не совсем ясно, как нам удастся экспериментально ее подтвердить, но доверие к этой формуле так велико, что ни один физик ни капли не сомневается в ее достоверности.

Если поразмыслить об изложенной выше теории, в ней можно обнаружить нечто парадоксальное. В конце концов, если мы пробурим отверстие в Земле и доберемся до ее центра, мы больше не будем чувствовать силу тяготения, поскольку она будет действовать на нас с одинаковой силой со всех сторон, – мы будем ощущать невесомость. Однако воздействие на течение времени обусловлено не силой тяготения в центре Земли, которая равна нулю, а скорее существующим там гравитационным потенциалом. Это количество энергии, которое необходимо для того, чтобы вытянуть тело из этой точки в то место, где сила земного притяжения отсутствует. Физик сказал бы, что ядро Земли – это самая глубокая часть потенциального колодца Земли, где наиболее явно сказывается замедление течения времени.

С помощью измерений можно найти разницу в скорости течения времени даже на высоте нескольких метров. Часы, которые висят на втором этаже нашего дома, находятся под воздействием более слабой силы тяготения, чем часы на первом этаже (первые дальше от земного ядра), и будут идти с еле заметным ускорением. Но этот эффект ничтожен: за один миллион лет они уйдут