Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

Эластичность пространства в ОТО обеспечивает глубокий способ интерпретации открытия Хаббла. Вместо того, чтобы объяснять разбегающееся движение галактик космической версией взрыва на заводе, ОТО говорит, что в течение миллиардов лет пространство растягивается. И, раз уж оно разбухает, пространство растаскивает галактики друг от друга, почти как черные пятнышки на посыпанном маком пироге растаскиваются врозь, когда тесто поднимается в печи. Так что причина движения в разные стороны не во взрыве, который имел место внутри пространства. Вместо этого движение в разные стороны возникает из неослабевающего разбухания самого пространства.

Чтобы более полно ухватить эту ключевую идею, подумаем также о великолепно применимой для расширяющейся вселенной модели воздушного шара, которую физики часто используют (аналогия, которая может быть прослежена, как минимум, так же далеко назад, как веселый комикс, который вы можете увидеть в конечных комментариях[7], и который появился в заметке Датча в 1930 по итогам интервью с Виллемом де-Ситтером, ученым, который внес важный вклад в космологию). Эта аналогия уподобляет наше трехмерное пространство более легко визуализируемой двумерной поверхности сферического воздушного шара, как на Рис. 8.2а, который раздувается до все большего и большего размера. Галактики представляются многочисленными равномерно распространенными монетками (пенни с портретом Линкольна), приклеенными к поверхности шара. Отметим, что поскольку шар расширяется, все монетки удаляются друг от друга, обеспечивая простую аналогию тому, как расширяющееся пространство разносит в стороны все галактики.

Важное свойство этой модели в том, что тут имеется полная симметрия среди монеток, поскольку вид, который наблюдает любой отдельный Линкольн, будет таким же, как и вид, который наблюдает любой другой Линкольн. Чтобы показать это, представьте, что вы сжимаетесь, ложась на монетку, и обозреваете все направления на поверхности шара (вспомним, что в этой аналогии поверхность шара представляет все пространство, так что смотреть вне поверхности шара не имеет смысла). Что вы будете наблюдать? Ну, вы увидите монетки, удаляющиеся от вас во всех направлениях, так как шар расширяется. А если вы ложитесь на другую монетку, что вы будете наблюдать? Симметрия гарантирует, что вы будете видеть те же самые вещи: монетки, разлетающиеся во всех направлениях. Этот ясный образ хорошо фиксирует наши убеждения, – при поддержке все более точных астрономических исследований, – что наблюдатель в любой из более чем 100 миллиардов галактик вселенной*, пристально вглядывающийся в ее или его ночное небо через мощный телескоп, будет, в среднем, видеть образ, сходный с тем, что видим мы: окружающие галактики, удаляющиеся прочь во всех направлениях.

(*)"Имеются в виду, конечно, галактики наблюдаемой части вселенной. – (прим. перев.)"

Итак, в отличие от взрыва на заводе внутри фиксированного, существующего заранее пространства, если движение в разные стороны возникает вследствие того, что само пространство растягивается, не нужна специальная точка, – ни специальная монетка, ни специальная галактика, – которая является центром расходящегося движения. Каждая точка – каждая монетка, каждая галактика – выступает полностью наравне с любой другой.

Вид из любого места кажется похожим на вид из центра взрыва: каждый Линкольн видит всех других Линкольнов удаляющимися прочь; наблюдатель, вроде нас, в любой галактике видит все другие галактики удаляющимися прочь. Но поскольку это верно для всех положений, не существует специального или уникального положения, которое было бы центром, из которого происходит расходящееся движение.

Более того, это объяснение не только качественно оценивает расходящееся движение галактик пространственно однородным способом, оно также объясняет количественные детали, найденные Хабблом и подтвержденные с большей точностью последующими наблюдениями. Как иллюстрируется на Рис. 8.2b, если воздушный шар разбухает в течение некоторого интервала времени, например, удваиваясь в размере, все пространственные расстояния будут также удвоены по величине: монетки, которые находились на расстоянии 1 дюйм, теперь будут на расстоянии 2 дюйма, монетки, которые находились на расстоянии 2 дюйма, теперь будут на расстоянии 4 дюйма, монетки, которые находились на расстоянии 3 дюйма, теперь будут на расстоянии 6 дюймов, и так далее. Так что в течение любого заданного временного интервала увеличение расстояний между двумя монетками пропорционально начальному расстоянию между ними.

Рис 8.2 (а) Если равномерно распределенные монетки (1 пенни) приклеены к поверхности сферы, вид, который увидит каждый Линкольн, будет тем же самым, который увидит любой другой. Это согласуется с уверенностью, что вид из любой галактики во вселенной, в среднем, будет тем же самым, каким он будет из любой другой, (b) Если сфера расширяется, расстояния между всеми монетками увеличиваются. Более того, чем дальше монетки друг от друга разнесены на 8.2а, тем большее разделение они почувствуют из-за расширения в 8.2b.

Это хорошо согласуется с измерениями, показывающими, что чем более удалена от данной точки отсчета галактика, тем быстрее она движется прочь от этой точки. Отметим, что ни одна монетка не была выделена как специальная, что также согласуется с нашей уверенностью, что во вселенной нет специальной галактики или центра расширения пространства.

 А поскольку большее увеличение расстояния за данный временной интервал означает большую скорость, монетки, которые удалены дальше друг от друга, разлетаются более быстро. В сущности, чем дальше находятся друг от друга две монетки, тем больше поверхности воздушного шара находится между ними и тем быстрее они разлетаются в стороны, когда шар раздувается. Применяя точно такие же рассуждения для объяснения пространства и содержащихся в нем галактик, мы получаем объяснение наблюдений Хаббла. Чем дальше находятся две галактики, тем больше пространства имеется между ними и тем быстрее они будут расталкиваться прочь одна от другой при раздувании пространства.

При объяснении наблюдаемого движения галактик через раздувание пространства, ОТО не только обеспечивает объяснение, что все местоположения в пространстве трактуются симметрично, но также одним сильным броском оцениваются все данные Хаббла. Этот вид объяснения является одним из настолько элегантных шагов за пределы ящика (в этом случае, шагом, который действительно использует "ящик" – то есть, пространство) для объяснения наблюдений с количественной точностью и хитрой симметрией, что физики описывают его как едва ли не слишком прекрасное, чтобы быть неправильным. По существу, в настоящее время имеется универсальное соглашение, что ткань пространства растягивается.

Время и расширяющаяся вселенная

Используя небольшую вариацию модели воздушного шара, мы можем теперь понять более точно, как симметрия в пространстве, даже если пространство расширяется, дает понятие времени, которое однородно применимо в любом месте космоса. Представив себе, что каждая монетка заменена на одинаковые часы, как на Рис. 8.3, мы знаем из теории относительности, что одинаковые часы отсчитывают время с различным темпом, если они подвергаются различным физическим воздействиям – различным движениям или различным гравитационным полям. Но простое, хотя ключевое наблюдение заключается в том, что полная симметрия среди всех Линкольнов на раздувающемся шаре переносится на полную симметрию среди всех часов. Все часы помещены в одинаковые физические условия, так что все тикают в точности с одинаковым темпом и фиксируют одинаковое количество прошедшего времени. Аналогично, в расширяющейся вселенной, в которой имеется высокая степень симметрии среди всех галактик, часы, которые двигаются вместе с той или иной галактикой, также должны тикать с одинаковым темпом и, отсюда, фиксировать одинаковое количество истекшего времени. Как может быть иначе? Каждые часы выступают наравне с любыми другими, находясь, в среднем, примерно в одинаковых физических условиях. Это опять показывает ошеломительную силу симметрии. Без каких-либо расчетов или детального анализа мы обнаружили, что однородность физического окружения, как это подтверждается однородностью микроволновой фоновой радиации и однородным распределением галактик в пространстве,[8] позволяет нам сделать заключение об однородности времени.

Хотя обоснование здесь проведено непосредственно, заключение может, тем не менее, сбить с толку. Поскольку галактики все разбегаются прочь по мере расширения пространства, часы, которые двигаются вместе с той или иной галактикой, также разбегаются прочь. И это не все, они двигаются друг относительно друга с гигантском диапазоне скоростей, определяемом гигантским диапазоном расстояний между ними. Не будет ли это движение вынуждать часы рассинхронизироваться, как нас учил Эйнштейн в СТО? По ряду причин ответ будет – нет; здесь приводим один особенно полезный способ подумать об этом.