Книга: По следам бесконечности

От парадоксов к парадоксам

От парадоксов к парадоксам

Как мы уже могли убедиться, путь к решению особо сложных естественнонаучных проблем нередко идет через преодоление всякого рода парадоксов.

«Порвалась связь времен» — в величайшей тревоге восклицает шекспировский Гамлет. Но если бы датский принц был диалектиком, он понимал бы, что именно тогда, когда рвется «связь времен», — цепь привычных причин и следствий, — создаются наиболее благоприятные условия для прогресса, для скачка в неизвестное.

Парадокс в науке, то есть явление, противоречащее привычным теориям и представлениям, — почти всегда сигнал о неведомых возможностях, указание на хорошо замаскированную природой потайную дверцу, за которой открываются совершенно новые пути в неизвестное.

«Расправившись» с парадоксами классической физики, теория относительности принесла с собой новые, не менее удивительные.

Если во Вселенной действительно существуют «черные дыры» и замкнутые области пространства, то в этих областях могут происходить совершенно поразительные вещи.

Об одной из таких возможностей рассказывают в своей книге «Релятивистская астрофизика» Я. Зельдович и И. Новиков.

Оказывается, коллапсирующее тело, которое для внешнего наблюдателя вошло внутрь сферы Шварцшильда[13], уже не может вновь расшириться так, чтобы выйти из-под этой сферы к тому же наблюдателю, который видел ее сжатие.

Для этого наблюдателя все, что следует за тем моментом, когда тело прошло через критический радиус, является абсолютно недоступным.

Но можно представить себе наблюдателя, разумеется, гипотетического, который сжимается вместе с коллапсирующим веществом. В процессе сжатия он в какой-то момент тоже пересечет сферу Шварцшильда и перейдет, таким образом, из внешнего пространства в замкнутое внутреннее пространство коллапсирующего объекта.

Теория утверждает, что при некоторых условиях гравитационное сжатие может смениться расширением еще до того момента, как плотность сжимающегося вещества достигнет бесконечной величины. Бесконечной она будет только в центре сжатия.

При расширении, очевидно, наступит момент, когда наш «внутренний» гипотетический наблюдатель вновь пересечет сферу Шварцшильда, но на этот раз изнутри, и снова выйдет во внешнее эвклидово бесконечное пространство.

Но все дело в том, что это будет уже не то пространство, из которого происходит сжатие. Новая пространственная область лежит по отношению к прежней в «абсолютном будущем», и между этими двумя бесконечными областями не может быть никакого обмена информацией или какими-либо другими сигналами.

Этот вывод о двух эвклидовых пространствах, разделенных временной бесконечностью, лежащих относительно друг друга в «абсолютном будущем» и в «абсолютном прошлом», представляется довольно странным и даже фантастическим.

И надо прямо сказать, что вопрос о том, что происходит при коллапсе с точки зрения «внутреннего» наблюдателя, остается во многом еще совершенно неясным, и, в частности, трудно сказать, имеет ли он реальный физический смысл и какой именно можно сделать вывод о Двух отделенных друг от друга бесконечных эвклидовых пространствах.

Но этот пример еще раз убедительно показывает, к каким удивительным, необычным, экзотическим ситуациям приводит изучение геометрических свойств окружающего нас мира, особенно в тех случаях, когда мы сталкиваемся с физическими условиями, в той или иной мере соприкасающимися с бесконечностью.

В последнее время появилась еще одна удивительная гипотеза, связанная с «черными дырами». По существу, «черная дыра» — это область, которая поглощает сама себя и окружающую материю. Вещество, попадающее в эту область, как бы безвозвратно проваливается в бездну, А может быть, в самом деле, проваливается? В другую Вселенную…

Может быть, в нашей Вселенной есть своеобразные стоки, соединяющие ее с другой или с другими вселенными? И тогда в пространстве этой другой Вселенной возникают объекты, истекающие веществом, которые по аналогии можно назвать «белыми дырами».

Таким образом, не исключена возможность, что пространство нашей Вселенной соединено с пространствами других вселенных своеобразными туннелями, по которым происходит перекачка вещества. А входы и выходы этих туннелей и есть «черные» и «белые» дыры.

В связи с этим невольно вспоминается высказывание известного английского астрофизика Джемса Джинса, еще в 1928 году предположившего, что центры галактик имеют характер «сингулярных точек», в которых «материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно постороннего пространства. Тем самым обитателям нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя».

Но если наряду с пространством нашей Вселенной существуют иные пространства иных вселенных и между ними происходит обмен материей, то должны видоизмениться многие привычные нам физические закономерности, в том числе закон сохранения материи. Не исключена также возможность, что по «туннелям», связывающим различные миры, проникает не только материя, но и какие-то пока еще не известные нам воздействия, которые могут оказывать влияние на многие явления нашей Вселенной.

Мы снова в планетарии. На этот раз физическая аудитория. Семинар лекторов. Выступает академик Наан.

Он стоит возле края демонстрационного стола, как всегда, внешне невозмутимый и спокойный и, как о чем-то обыденном, рассказывает о явлениях, заведомо превосходящих возможности человеческого воображения.

— Возможно, что в ходе катастрофического сжатия достигаются бесконечные плотности и бесконечные кривизны пространства-времени. По что при этом происходит, пока остается неясным, так как в подобных ситуациях должны играть весьма существенную роль квантовые эффекты, а квантовая теория сильного гравитационного поля, к сожалению, пока еще не построена. Как представить себе физически бесконечную кривизну пространства — этого мы не знаем. Но это во всяком случае что-то очень необычное. Нечто, скажем, вроде перерыва постепенности или вроде щели во времени. А щель во времени — это, конечно, очень неприятная с точки зрения всех современных представлений вещь, это означает прекращение всяких связей, в том числе причинных связей, а отсюда — открывается принципиальная возможность существования, скажем, других вселенных, почти никак не взаимодействующих с нашей. Возможно, что существует некоторый предел плотности и кривизны, но и в этом случае физические условия столь экзотичны, что современная теория о них ничего сказать не может. И вообще в области коллапса пространство и время могут приобретать совершенно удивительные с нашей привычной точки зрения свойства.

И Густав Иоганнович все с тем же невозмутимым видом развертывает перед присутствующими поразительную картину.

Оказывается, в районе, где совершается катастрофическое сжатие, есть области, в которых время течет с бесконечно большой быстротой. Для наблюдателя (разумеется, гипотетического), оказавшегося в такой области, целая вечность от бесконечно далекого прошлого до бесконечно далекого будущего длилась бы всего лишь какое-нибудь мгновение. Иными словами, здесь нет ни будущего, ни настоящего, ни прошлого — фактически не существует времени.

В том же районе гравитационного коллапса можно указать и такие области, в которых пространство стягивается в точку, то есть фактически не существует пространства.

Есть также основания предполагать, что в области очень сальных гравитационных полей и, в частности, в районе коллапса, нарушается и свойство односвязности пространства.

Односвязность означает, что в нашем пространстве любой замкнутый контур может быть непрерывной деформацией стянут в произвольную точку, расположенную внутри этого контура. Другими словами, это означает, что в нашей Вселенной нет «оторванных» друг от друга кусков, разделенных непреодолимыми «пропастями».

А если пространство становится многосвязным, состоящим как бы из отдельных кусков, то в каждом из этих кусков течение времени может происходить независимо и в разных направлениях. Но в таком случае в момент перехода из одного «куска» в другой, если, разумеется, такой переход вообще возможен, наблюдатель обнаружил бы, что время вдруг потекло иначе, чем раньше, например, вспять.

В области коллапса возможен и такой случай, когда пространство теряет так называемое свойство ориентируемости, присущее нашему обычному пространству. Практически это означает, что наблюдатель, движущийся в таком пространстве по замкнутому контуру, вернувшись в исходную точку, мог бы обнаружить, что в результате «кругового» путешествия течение времени изменилось на обратное.

— Все эти явления, — заключает Наан, — на первый взгляд представляются парадоксальными. Но парадоксы возникают именно тогда, когда наука вплотную подходит к неизвестному. А познание неизвестного неизбежно влечет за собой переоценку привычных взглядов. Поэтому мы должны быть готовыми к тому, что многие положения, которые в настоящее время кажутся нам незыблемыми, а также некоторые законы, которые мы считаем «абсолютными» (например, закон сохранения), по мере дальнейшего развития наших знаний окажутся вовсе не такими уж «незыблемыми» и не столь «абсолютными». Но, разумеется, это не означает, что прежние законы будут начисто «отменены»: просто они окажутся частными, предельными случаями еще более общих законов.

— Вы говорите о новых идеях, которые относятся к геометрическим свойствам Вселенной, — спрашивает кто-то из присутствующих. — Вы имеете в виду какие-либо конкретные идеи?

— Лично меня привлекают идея, связанные с природой вакуума, — говорит Наан. — На мой взгляд, вакуум представляет собой не что иное, как бесконечно большой запас энергии одного знака, скомпенсированный энергией другого знака. Таким образом, вакуум — это как бы совокупность, единство противоположностей. Когда же из вакуума образуются другие формы материи, которые и составляют то, что мы называем Вселенной, эти противоположности разделяются. Возможно, вакуум и есть та «протосреда», из которой могут возникать все другие виды вещества и материи. И я думаю, что со временем на смену существующей физической картине мира, оперирующей всевозможными полями — электромагнитным, гравитационным и т. д. — придет вакуумная картина.

— Выходит, вакуум — это основа всего?

— Да, я думаю, что основой всего во Вселенной как раз и является вакуум. А все остальное не более, как «легкая рябь» на его поверхности. Очень может быть, что с этой точки зрения удастся объяснить такие явления, как рождение космических лучей высоких энергий, вспышки Сверхновых, образование радиогалактик или квазаров, а также начало расширения Метагалактики.

Лицо Наана принимает заговорщическое выражение:

— Скажу вам, но только по секрету… До сих пор исходили из предположения, что определяющую роль играют свойства материи (вещества, частиц, полей), а свойства пространства и времени являются вторичными, производными. Однако в принципе не исключена возможность, что в действительности все обстоит как раз наоборот: то есть свойства материи представляют собой не что иное, как проявление, как следствие определенных геометрических свойств пространственно-временного «каркаса»…

— Значит, теперь, — пытается резюмировать кто-то, — прежняя постановка вопроса «или-или» — или наша Вселенная конечна, пли бесконечна, устарела?

— Она устарела, — заметил Наан, — хотя бы вследствие результата, полученного Зельмановым. Об «относительности бесконечности»…