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

(*)"В зависимости от того, ускоряется или замедляется темп расширения вселенной со временем, свет, испущенный такой галактикой, может вступить в битву, которая могла бы составить гордость Зенона: свет может лететь к нам со скоростью света, в то время как расширение пространства делает расстояние, которое свет еще должен пролететь, всегда больше, делая для света невозможным достижение нас когда-либо. Подробности в секции комментариев[10]."

Третье, если пространство расширяется, не означает ли это, что в дополнение к тому, что галактики разлетаются друг от друга, раздувающееся пространство внутри каждой галактики будет двигать все ее звезды друг от друга, а раздувающееся пространство внутри каждой звезды, и внутри каждой планеты, и внутри вас, меня и чего угодно другого будет двигать все составляющие атомы друг от друга? Короче, не заставит ли раздувающееся пространство любую вещь, включая наши мерные линейки, увеличивать размеры и, таким образом, сделает невозможным распознать, что любое расширение на самом деле произошло? Ответ: нет. Подумайте еще раз о модели воздушного шара с монетками. Поскольку поверхность воздушного шара раздувается, все монетки двигаются в разные стороны, но сами монетки, несомненно, не расширяются. Конечно, если вы представите галактики маленькими кружочками, нарисованным на шаре черным маркером, тогда действительно, по мере увеличения размера шара маленькие кружочки будут также расти. Но монетки, а не зачерненные кружки, фиксируют, что реально происходит. Каждая монетка остается фиксированной по размеру, поскольку силы, удерживающие ее атомы цинка и меди вместе, намного больше, чем расталкивание расширяющегося шара, к которому монетка приклеена. Аналогично, ядерные силы, удерживая индивидуальные атомы как целое, и электромагнитные силы, удерживая ваши кости и кожу вместе, и гравитационные силы, удерживая планеты и звезды невредимыми и собирая их в галактики, более сильны, чем расталкивающее раздувание пространства, так что ни один из этих объектов не расширяется. Только на самых больших масштабах, на масштабах намного больше индивидуальной галактики раздувание пространства встречает мало сопротивления или не встречает совсем (гравитационное притяжение между сильно разделенными галактиками относительно мало вследствие включения больших расстояний), так что только на таких сверхгалактических масштабах раздувание пространства будет разносить объекты в стороны.

Космология, симметрия и форма пространства

Если кто-то разбудил вас среди ночи из глубокого сна и потребовал у вас рассказать ему о форме вселенной – общей форме пространства – вы, возможно, затруднитесь с ответом. Даже в вашем полусонном состоянии вы знаете, что Эйнштейн показал, что пространство должно быть разновидностью чего-то вроде игрушки Дурацкая замазка (Silly Putty), так что, в принципе, оно может иметь практически любую форму. Тогда как вы можете, возможно, ответить на вопрос вашего интервьюера? Мы живем на маленькой планете, вращающейся вокруг средней звезды на окраине галактики, которая всего лишь одна из сотен миллиардов, рассеянных по пространству, так как же вы можете надеяться знать хоть что-нибудь о форме всей вселенной? Ну, раз уж туман сна рассеялся, вы понемногу осознаете, что сила симметрии еще раз придет на выручку.

Если вы принимаете широко распространенное среди ученых мнение, что после усреднения на больших масштабах все местоположения и все направления во вселенной симметричны относительно друг друга, то вы на правильном пути к ответу на вопрос интервьюера. Причины в том, что почти все формы не удовлетворяют этому симметрийному требованию, поскольку одна часть или область формы фундаментально отличается от другой. Груша сильно выпукла у основания, но куда меньше у вершины; яйцо более плоское в середине, но более заостренное у своих концов. Эти формы, хотя и проявляют некоторую степень симметрии, не обладают полной симметрией. Исключив такие формы и ограничившись только теми, в которых каждый регион и направление похожи на любой другой, вы сможете фантастически ограничить возможности.

Мы уже сталкивались с одной формой, которая отвечает всем требованиям. Сферическая форма воздушного шара оказалась ключевой составляющей к установлению симметрии между Линкольнами на монетках на раздувающейся поверхности, также и трехмерная версия этой формы, так называемая 3-сфера, является одним из кандидатов на форму пространства. Но это не единственная форма, которая дает полную симметрию. Продолжая по причине более легкой визуализации двумерные модели, представим бесконечно широкий и бесконечно длинный резиновый лист – такой, который полностью неискривлен, – с равномерно распределенными монетками, наклееными на его поверхность. Если весь лист расширяется, то опять имеется полная пространственная симметрия и полное соответствие открытию Хаббла; каждый Линкольн видит, что каждый другой Линкольн удаляется со скоростью, пропорциональной расстоянию до него, как показано на Рис. 8.4. Поэтому трехмерная версия этой формы, подобная бесконечно протяженному кубу из прозрачной резины с галактиками, равномерно разбросанными по его внутренности, является другой возможной формой для пространства. (Если вы предпочитаете кулинарные аналогии, подумайте о бесконечно большой версии посыпанного маком пирога, упоминавшегося ранее, одной из форм, аналогичных кубу, но продолжающейся бесконечно и с рассыпанным маком, играющим роль галактик. Когда пирог печется, тесто расширяется, заставляя каждое маковое зерно удаляться от других). Эта форма называется плоским пространством, поскольку, в отличие от сферического примера, она не имеет кривизны (понятие "плоский", которое используют математики и физики, однако, отличается от разговорного понятия "расплющенного в блин"[11]).

Одна чудесная мысль относительно как сферической, так и бесконечной плоской формы заключается в том, что вы можете бесконечно идти по ней и никогда не достигнете края или границы. Это привлекательно, поскольку позволяет нам избежать тяжелых вопросов: Что находится за краем пространства?

(а) (b)

Рис 8.4 (а) Вид от любой монетки на бесконечном плоском листе является тем же самым, как и вид от любой другой монетки, (b) Чем дальше друг от друга удалены две монетки на Рис. 8.4а, тем больше будет увеличение расстояния между ними, когда плоскость расширяется.

Что произойдет, если вы дойдете до границы пространства? Если пространство не имеет краев или границ, вопрос не имеет смысла. Но отметим, что две формы обеспечивают это дополнительное условие различным способом. Если вы идете прямо вперед в пространстве сферической формы, вы найдете, подобно Магеллану, что рано или поздно вы вернетесь в стартовую точку, никогда не столкнувшись с краем. В отличие от этого, если вы идете прямо вперед в бесконечном плоском пространстве, вы найдете, что подобно Энерджайзеру Банни, вы можете идти и идти, опять таки, никогда не столкнувшись с краем, но также никогда и не возвратившись в место, откуда вы начали путешествие. Хотя это может показаться фундаментальным отличием между геометрией искривленной и плоской формы, имеется простое изменение плоского пространства, которое поразительным образом похоже в этом смысле на сферу.

Чтобы проиллюстрировать это, подумаем об одной из тех видеоигр, в которых экран кажется имеющим края, но на самом деле их не имеет, поскольку вы не можете реально выпасть из экрана: если вы выдвигаетесь за правый край, вы снова появляетесь на левом; если вы выдвигаетесь за верхний край, вы снова появляетесь на нижнем. Экран "зациклен" путем идентификации верхнего края с нижним, а левого с правым, и, таким образом, форма плоская (неискривленная) и имеет конечный размер, но не имеет краев.

Рис 8.5 (а) Экран видеоигры плоский (в смысле "неискривленный") и имеет конечный размер, но не содержит краев или границ, поскольку он "зациклен". Математически такая форма называется двумерным тором. (b) Трехмерная версия той же формы, называемая трехмерным тором, также плоская (в смысле неискривленная) и имеет конечный объем, а также не имеет краев или границ, поскольку зациклена. Если вы проходите через одну сторону, вы входите через противоположную сторону.

Математически эта форма называется двумерным тором, она проиллюстрирована на Рис. 8.5а.[12] Трехмерная версия этой формы – трехмерный тор – обеспечивает другую возможную форму для ткани космоса. Вы можете представить себе эту форму как гигантский куб, который зациклен вдоль всех трех осей: когда вы идете через потолок, вы снова появляетесь со дна, когда вы идете через заднюю стенку куба, вы снова плявляетесь на фронтальной, когда вы идете через левую сторону, вы снова появляетесь с правой, как показано на Рис. 8.5b. Такая форма плоская, – еще раз, в том смысле, что не искривленная, а не в том смысле, что подобная блину, – трехмерная, конечная по всем направлениям и все еще не имеющая краев и границ.