Теория относительности для миллионов - Мартин Гарднер

В настоящее время с гамовской теорией Взрыва соперничает главным образом теория устойчивой Вселенной, предложенная в 1948 г. тремя учеными из Кембриджского университета: Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом. Наиболее убедительной защитой этой теории является популярная книга Хойла «Природа Вселенной». Как и в теории Гамова, в теории устойчивого состояния принимается расширение Вселенной и пространство предполагается открытым и бесконечным, а не закрытым, как в модели Эддингтона. В отличие от теории Гамова эта теория не начинает со Взрыва, в ней вообще нет начального момента. Не случайно заглавие книги Хойла отличается от заглавия книги Гамова только заменой одного слова. Космос Хойла не имеет момента «создания», скорее в нем имеется, как мы увидим, бесконечное число малых созиданий. Хойл формулирует это следующим образом: «Каждое облако галактик, каждая звезда, каждый атом имели начало, но не Вселенная целиком. Вселенная есть нечто большее, чем ее части, хотя этот вывод может показаться неожиданным».

Устойчивая Вселенная всегда находится в состоянии установившегося движения. Если бы мы вернулись на сотни тысяч миллиардов лет назад, мы нашли бы те же самые типы развивающихся галактик в любой части космоса, содержащих те же самые типы стареющих звезд, некоторые из них с теми же самыми типами планет, обращающихся вокруг этих звезд, и на некоторых из этих планет, возможно, подобные формы жизни. Может быть, существует бесконечное число планет, на которых в этот самый момент (независимо от того, что это может означать) мыслящие существа посылают своих первых космонавтов в космос. Космос однороден (в самом общем смысле слова) в бесконечном пространстве и бесконечном времени. Его расширение не есть последствие взрыва. Оно обусловлено какой-то силой отталкивания, природа которой все еще горячо обсуждается.

Эта сила подобна оставленной космологической константе Эйнштейна. Она расталкивает галактики до тех пор, пока они, в конце концов, не исчезают из «поля зрения», уходя за световой барьер. Это исчезновение происходит, разумеется, с точки зрения наблюдателя в нашей Галактике. Когда наблюдатель с Земли видит, что галактика X и ее соседи растаяли, наблюдатели с галактики X видят, что с нашей Галактикой происходит то же самое.

Возникает очень важный вопрос. Если Вселенная всегда расширялась и будет продолжать расширяться, то почему она не становится менее плотной?

Очевидно, нет другого способа объяснить устойчивое состояние, кроме как предположив, что непрерывно создается новая материя, возможно, в виде водорода — простейшего из элементов. Согласно Хойлу, если бы водном ведре пространства (почти невозможно писать о взглядах Хойла, не доставив себе удовольствия употребить это образное выражение) создавался один атом водорода примерно каждые 10 миллионов лет, то это поддерживало бы космос в устойчивом состоянии. Разумеется, скорость, с которой образуется материя, должна быть как раз такой, чтобы скомпенсировать процесс уменьшения плотности.

Откуда берутся атомы водорода? Никто не осмеливается ответить на этот вопрос. Это тот пункт, с которого начинается теория Хойла. Если придерживаться веры в создание из ничего, это тот пункт в теории устойчивого состояния, где произошло, а вернее, непрерывно происходит сотворение.

Обе соперничающие теории, теория Взрыва и теория устойчивого состояния, могут быть согласованы со всеми фактами, известными о космосе (точнее, с тем, что в настоящий момент считается известным), а также со всеми принципами относительности.

В настоящее время обе теории одинаково приемлемы.

Каждый год какие-то новые наблюдения подтверждают теорию Взрыва и вызывают сомнения относительно теории устойчивого состояния, но они компенсируются другими новыми наблюдениями, которые подтверждают теорию устойчивого состояния и вызывают сомнения относительно теории Взрыва. Если вы будете читать статью или книгу защитника любой из этих теорий, вы увидите, что автор пишет так, как будто все данные говорят в его пользу и очень мало в пользу его упрямых оппонентов. Вы не должны ему верить. Когда специалисты расходятся во мнениях, разумно не становиться ни на чью сторону, если вы не отдаете сильного эмоционального предпочтения одной теории по сравнению с другой. Гамов откровенно писал о своем эмоциональном предпочтении теории Взрыва. Точно так же Хойл был откровенен в своем эмоциональном предпочтении теории устойчивого состояния. (Насколько мне известно, до сих пор психоаналитики еще не объяснили обе теории на основе неврозов тех людей, которые их защищают, но можете быть уверенными в том, что они в конце концов придут к этому.) Если не привлекать эмоции, разумно подождать выносить суждение до тех пор, пока астрономы не будут в состоянии привести достаточно данных, чтобы чаша весов склонилась в ту или другую сторону.

Имеется много других космических моделей. Некоторые из них были выдвинуты серьезно, некоторые — в виде шутки. Есть модели, в которых пространство закручивается само на себя, как листок Мебиуса (односторонняя поверхность, которая получается, если перевернуть один из концов полоски бумаги и затем склеить оба конца). Если вы обойдете такую Вселенную один раз, вы окажетесь там же, откуда начали свое путешествие, только все будет перевернутым, как в зеркале. Разумеется, вы можете обойти ее еще раз и поставить все на место. Имеются модели осциллирующей Вселенной, в которых Взрывы чередуются с периодами расширения и сжатия.

Этот цикл повторяется непрерывно, как в доктринах вечного возрождения некоторых философов и восточных религий. (Любопытно отметить, что Эдгар По в своей странной космологической работе под названием «Эврика», которую он высоко ценил, защищал модель осциллирующей Вселенной, находящейся в настоящее время в стадии сжатия.) Наиболее эксцентричной из всех моделей, по-видимому, является модель «кинематической относительности», предложенная астрономом из Оксфордского университета Эдуардом Милном. В ней вводится два существенно различных вида времени. В терминах одного времени возраст и размер Вселенной бесконечны, и она совсем не расширяется. В терминах другого времени она имеет конечный размер и расширяется только с момента создания. Какой вид времени выбрать в качестве основного — это вопрос удобства.

Английский математик Эдмунд Уиттекер однажды предложил (в виде шутки) теорию уменьшающейся Вселенной, в которой конечный космос не только сокращается, но и материя непрерывно уходит туда, откуда она приходит в теории Хойлa. Мир в конце концов полностью исчезает, но не со Взрывом, а с последним Вздохом. «Эта теория имеет то преимущество, — пишет Уиттекер, — что она дает очень простую картину конца Вселенной». Конечно, такая теория должна была бы объяснить, почему мы наблюдаем не фиолетовое, а красное смещение в спектре галактик, но это сделать нетрудно. Для этого нужно заимствовать у де Ситтера один из его приемов и предположить, что время ускоряет свой ход (один из физиков в шутку отметил, что это могло бы объяснить, почему по мере того, как мы становимся старше, кажется, что годы летят, как месяцы. Они действительно летят, как месяцы). Свет, который приходит на Землю от далекой галактики, был бы тогда светом той галактики, которая была миллионы лет назад, когда электромагнитные колебания происходили медленнее. Это могло привести к достаточно большему красному смещению, которое превысило бы допплеровский сдвиг в сторону фиолетового края спектра. Разумеется, чем дальше галактика, тем старше и краснее она кажется.

Тот факт, что можно сформулировать модель уменьшающейся Вселенной, показывает, насколько гибки уравнения теории относительности. Они могут быть согласованы с множеством различных моделей космоса, каждая из которых очень хорошо объясняет все, что можно наблюдать в настоящее время. Интересно отметить, что английский философ Фрэнсис Бэкон в 1620 г. в своем труде «Novum Organum» писал: «О небесах можно создать много отличающихся друг от друга гипотез, которые, однако, достаточно хорошо согласуются с явлениями». Современная космология не изменилась в этом отношении, хотя число наблюдаемых явлений стало гораздо большим; следовательно, имеются основания предполагать, что современные модели ближе к истине, чем старые. Конечно, космические модели, которые будут через сто лет, основанные на астрономических данных, неизвестных в настоящее время, могут совершенно не походить на любую из наших моделей, рассматриваемых сейчас всерьез.

Есть забавная маленькая сказка ирландского писателя лорда Дансэни (в его книге «Человек, который ел Феникса»), в которой Атлас рассказывает Дансэни, что произошло в тот день, когда благодаря науке смертные перестали верить в древнегреческую модель Вселенной. Атлас говорит, что его задача была довольно глупой и неприятной. Ему было холодно, так как он держал на шее южный полюс Земли, а его руки были всегда мокрыми от двух океанов. Но он продолжал выполнять свое дело до тех пор, пока люди верили в него.