Стивен Хокинг. О дружбе и физике - Леонард Млодинов

⁂

Физика считается полем действия рассудка и логики. В большой степени это так и есть. Но для того, чтобы рассуждать логически, надо прежде всего иметь рамки мышления, которые определяют те предположения, которые вы делаете; выделяют концепции, которые вы будете использовать; ставят вопросы, на которые вы будете искать ответы. Люди часто принимают на веру рамки мышления, унаследованные ими от других или почерпнутые из истории или собственного прошлого; при этом обычно никогда не подвергают их сомнению и не исследуют их должным образом.

«Как это все началось?» – животрепещущий для Стивена вопрос. В течение двух тысячелетий все придерживались того мнения, что Вселенная либо всегда существовала в неизменном виде, либо была сотворена в некий момент – например, как это описано в Библии – и с тех пор оставалась относительно неизменной[3]. Философы, от Аристотеля до Канта, а также ученые, включая даже Исаака Ньютона, верили именно в это.

Ньютону следовало бы лучше вникнуть в суть проблемы. Как может семейство галактик и звезд поддерживать неизменную конфигурацию, если каждая из них силами гравитации притягивает к себе все остальные? Не должны ли все эти объекты слиться с течением времени в единое целое? И поскольку с момента начала всего сущего прошло много времени, не должно ли все вещество уже успеть соединиться в огромный плотный шар? Ньютон знал об этой проблеме, но не считал ее заслуживающей серьезного внимания. Он говорил себе так: если Вселенная бесконечно большая, то скучивания вещества в ней не произойдет. Но это не так. После Ньютона некоторые ученые пытались модифицировать его теорию, чтобы наделить гравитацию отталкивающими свойствами на больших расстояниях: они применяли небольшую математическую хитрость, в результате которой планеты по-прежнему вращаются по своим орбитам, а на больших расстояниях Вселенная удерживается от коллапса. Но попытки такой модификации теории гравитации не увенчались успехом. Хотя в этой «игре» участвовал сам Эйнштейн: он добавил дополнительный «антигравитационный» член в уравнения общей теории относительности и назвал его космологической постоянной. Эта космологическая постоянная должна была поддерживать силу отталкивания, необходимую для того, чтобы удержать космос от схлопывания[4].

Осознание того, что все эти знаменитые философы и ученые заблуждались и что Вселенная на самом деле меняется, расширяется и эволюционирует, пришло только в XX столетии. Это было одно из самых замечательных открытий века. Свершилось оно благодаря американскому астроному Эдвину Хабблу, который преподавал испанский язык и тренировал баскетбольную команду в школе города Нью-Олбани (США, штат Индиана), пока не решил сделать научную карьеру в Университете Чикаго, где и защитил диссертацию доктора философских наук.

После окончания университета Хабблу повезло: в 1919 году он получил возможность работать в обсерватории Маунт-Вилсон неподалеку от Калифорнийского технологического института. Там как раз устанавливался новый телескоп. В то время преобладала точка зрения, что вся Вселенная состоит из одной Галактики – Млечного Пути. Но в 1924 году Хаббл обнаружил, что пятнышки, которые видят астрономы на небе, когда исследуют туманности – беловатые облака, простирающиеся между звездами – есть не что иное, как иные, удаленные галактики. Такие галактические «облака» были видны во всем пространстве, до которого мог дотянуться телескоп в обсерватории Маунт-Вилсон. Сейчас мы знаем, что они существуют и за пределами досягаемости этого телескопа.

Атомы в атмосферах горячих звезд находятся в состояниях с высокой энергией. Эта энергия включает в себя энергию движения атомов и внутреннюю энергию электронов в атомах. Мы знаем из квантовой механики, что электроны на своих орбитах могут принимать только вполне определенные значения энергии. Когда электрон перепрыгивает с некоторого энергетического уровня на низший, атом излучает свет с частотой, которая соответствует разности энергий между уровнем старта электрона и уровнем, на который он «приземлился». Но каждый элемент имеет свой уникальный набор энергетических уровней. В результате атомы водорода, гелия и других элементов излучают свет, состоящий из уникального набора частот. Этот свет обладает своими характерными признаками – «отпечатками пальцев», – которые можно использовать для отождествления химического элемента, испустившего этот свет. Астрономы используют эти отпечатки для определения состава комет, туманностей и различных типов звезд.

За годы, проведенные в обсерватории Маунт-Вилсон, Хаббл заметил, что по сравнению со светом, излучаемым атомами, находящимися на Земле, свет от других галактик смещен в сторону более низких частот, к красному сегменту спектра. Он заметил, что, чем дальше от нас галактика, тем больше «красное смещение».

В основе сдвига частот, который так поразил воображение Хаббла, лежит явление, впервые изученное австрийским физиком Христианом Доплером в 1842 году. Доплер обнаружил, что цвет наблюдаемого света, приходящего от источника, зависит от движения этого источника по отношению к нам. Свет покраснеет, если источник удаляется о нас, и посинеет, если этот источник приближается. Если принять во внимание теорию Доплера, работа Хаббла показала, что галактики удаляются от нас, и чем дальше они, тем быстрее движутся. Это привело к ошеломляющему выводу: Вселенная не только намного обширнее, чем можно было вообразить, но, более того, она расширяется.

Чтобы объяснить расширение Вселенной по Хабблу, астрофизики иногда пользуются разными аналогиями – например, булочкой с изюмом. Но прежде чем перейти к аналогии, заметим, что расширение Вселенной происходит по-другому, нежели, например, взрыв бомбы. При взрыве бомбы горячий газ и осколки разлетаются в окружающем пространстве. Но у Вселенной нет «окружающего пространства». Когда физики говорят, что Вселенная расширяется, они имеют в виду следующее: растет объем самого пространства, оно раздувается изнутри. Если вы зафиксируете любые две точки во Вселенной, расстояние между ними будет увеличиваться со временем.

А теперь перейдем к аналогии, к нашей булочке. Представим себе, что мы погружены в колобок из теста, напичканный изюмом равномерно по всему объему. Этот колобок представляет собой наше трехмерное пространство. Изюминки изображают скопления галактик. Аналогия неточная, потому что у булочки с изюмом есть край – ее внешняя поверхность. У пространства нет края, но для цели, которую преследует наша аналогия, это не важно. Допустим, тесто поднялось и радиус колобка удвоился. Пусть сначала между нами и какой-либо изюминкой был один дюйм; после того, как тесто поднялось, расстояние между нами и изюминкой выросло вдвое. Если от нас до какой-либо изюминки вначале было три дюйма, то теперь расстояние выросло до шести. Вторая изюминка передвинулась на три дюйма за то же самое время, так что скорость ее удаления от нас в три раза больше скорости первой изюминки. Третья изюминка, которая вначале располагалась в пяти дюймах от нас, будет теперь находиться на расстоянии десяти дюймов, то есть она прошла пять дюймов за то же время. Если тесто будет продолжать подниматься и расширяться, все изюминки будут двигаться от нас в разные стороны, и, чем дальше от нас была изюминка, тем быстрее она будет удаляться.