Книга: По следам бесконечности

«Вселенная Зельманова»

«Вселенная Зельманова»

Академик В. Фок, просмотрев эту работу, воскликнул:

— Да тут целых три докторские диссертации!

Речь шла об исследованиях Зельманова по неоднородной анизотропной Вселенной. Однако сам Зельманов, кандидат физико-математических наук, с защитой докторской не торопится. Считает, что по своим прежним результатам защищаться как-то уже неудобно, надо прежде получить новые.

Зельманов — человек чрезвычайно требовательный к себе, и решать подобные вопросы, разумеется, его право. Тем более, что дело в конце концов не в званиях, а в характере научных результатов. А результаты получены явно знаменательные.

Как мы уже говорили, сейчас вряд ли кто-либо всерьез сомневается в том, что гипотезы изотропии и однородности представляют собой лишь приближение к истинному положению вещей, быть может, не очень грубое, но все-таки приближение. Во всяком случае определенные следы уклонения от изотропии и однородности в движении и распределении галактик обнаруживают и астрономические наблюдения.

Особенно показательна анизотропия расширения — различие в темпе расширения Метагалактики по разным направлениям. Речь идет об измерениях скоростей разбегания галактик в зависимости от расстояния (так называемый параметр Хаббла). Современные наблюдения показывают, что этот параметр в зависимости от направления меняется приблизительно в полтора-два раза.

Правда, этот факт может быть истолкован двояко. Существует предположение, согласно которому наша Галактика входит в состав мощного скопления галактик, получившего название Сверхгалактики. И не исключена возможность, что анизотропия расширения объясняется вращением Сверхгалактики. В таком случае эта анизотропия относится лишь к Сверхгалактике. Но само существование Сверхгалактики уже свидетельствует о наличии известной неоднородности Вселенной.

Если же Сверхгалактики, как полагают некоторые астрономы, не существует, то тогда анизотропия параметра Хаббла есть анизотропия всей наблюдаемой части Вселенной.

И в том, и в другом случае однородной и изотропной Вселенной не получается.

Правда, некоторые исследователи все же придерживаются мнения, что в достаточно больших масштабах наблюдаемая Вселенная не обнаруживает заметных отклонений от однородности. Однако нельзя забывать, что мы располагаем пока еще довольно неполными сведениями о распределении материи в космосе.

Итак, нужна теория анизотропной неоднородной Вселенной. Нужна уже хотя бы для того, чтобы взглянуть с более общих и широких позиций на однородные изотропные модели.

Но, увы, уравнения, которые при этом получаются, слишком сложны, чтобы с ними удалось справиться современным математическим оружием. Да и фактов, на которые можно было бы опереться, слишком мало.

Эта ситуация волновала Зельманова на протяжении многих лет. И в конце концов он пришел к такому заключению: если решить желанные уравнения не удается — надо попытаться исследовать их качественно. Другими словами, не имея решений, выяснить их наиболее важные свойства. С помощью такого обходного маневра можно узнать немало интересного о поведении материи в анизотропной неоднородной Вселенной.

Удивительная эта все-таки наука — космология… Мы не в состоянии охватить своим взглядом пространство Вселенной, непосредственно увидеть все тонкости его строения. Но косвенно, с помощью соответствующих аналогий и различных мысленных моделей, с помощью математических построений, можем представить себе и такие объекты, с которыми никогда не встречались непосредственно в обыденной жизни, которых никогда не видели.

«К счастью мы обладаем измерительным инструментом, который не связан какими-либо границами тонкости, — говорил знаменитый физик. Макс Планк. — Это полет наших мыслей… мысленно мы можем заглянуть в атомное ядро, равно как и преодолеть космическое расстояние в миллионы световых лет».

И вот некоторые результаты, полученные Зельмановым.

Оказалось, например, что в неоднородной анизотропной Вселенной расширение в одних областях может сочетаться со сжатием в других, соседних областях пространства. А это значит, что наблюдаемое в настоящее время расширение отнюдь не обязательно является расширением всей нашей Вселенной.

Вполне возможно, что область расширения, внутри которой мы находимся, значительно превосходит ту часть Метагалактики, которая доступна современным наблюдениям, так как в противном случае к нам просачивалось бы жесткое ультрафиолетовое излучение, которое возникает в областях достаточно длительного сжатия.

При этом особенно интересно, что в теории анизотропной неоднородной Вселенной расширение не обязательно должно быть неудержимым, а сжатие — не обязательно катастрофическим до состояния сверхвысокой плотности. Есть и другие решения. И не исключено, что наблюдаемая часть Вселенной вообще никогда не проходила стадию плотности, близкой к ядерной, хотя в период перехода от сжатия к расширению плотность могла быть весьма высокой (например, порядка плотности белых карликов — около 10⁶ г/см³).

И еще на одно любопытное обстоятельство обратил внимание Зельманов. В неоднородной Вселенной может оказаться неодинаковым темп течения времени в различных областях — ведь согласно общей теории относительности он зависит от концентрации материи. Значит, одни и те же физические процессы в различных областях Вселенной могут протекать по-разному.

Следовательно, по отношению к очень протяженным физическим системам существенно изменяет свой смысл понятие развития системы как целого.

Колоссальная протяженность Метагалактики существенна и в другом отношении. Для того чтобы осуществилось взаимодействие между ее отдаленными друг от друга областями (чтобы то или иное физическое воздействие распространилось от одной области к другой), необходимы огромные промежутки времени, измеряемые миллиардами световых лет. А за такое время успевает существенно измениться общая картина Метагалактики. В подобной ситуации теряет привычный смысл даже самое понятие единой физической системы.

Но, пожалуй, все это только пролог к самому неожиданному результату.

Для того чтобы судить о тех или иных физических явлениях, надо выбрать систему отсчета. Но ведь это можно сделать различными способами. Как быть? Какой системе отдать предпочтение?

В однородной изотропной Вселенной решение этой задачи не составляет особых затруднений. Здесь есть система отсчета, единая для всей Вселенной и как бы «вмороженная в вещество». Если Вселенная сжимается или растягивается — эта система сжимается и растягивается вместе с ней.

И когда речь идет о конечности или бесконечности Вселенной, то имеется в виду конечность или бесконечность именно в этой системе отсчета.

Иное дело в анизотропной неоднородной Вселенной. Здесь движение материи может быть настолько сложным, что преимущественной системы отсчета не существует. А тогда…

Дело в том, что Зельманову удалось установить поразительную на первый взгляд вещь. Оказалось, что свойство конечности и бесконечности пространства — это свойство относительное. Оно зависит от системы отсчета.

Пространство конечное, то есть обладающее конечным объемом, в системе отсчета, движущейся по одному закону, в то же самое время может быть бесконечным относительно системы координат, движущейся по другому закону.

Если система отсчета у нас одна-единственная, проблема просто не возникает. Но в условиях неоднородной анизотропной Вселенной, где нет единой преимущественной системы отсчета, относительность конечности и бесконечности пространства уже нельзя игнорировать. В этой ситуации наше обычное противопоставление конечного и бесконечного оказывается некорректным.

Результат кажется парадоксальным. Но если задуматься и сопоставить его с другими выводами из теории относительности, то относительность бесконечности предстанет перед нами как явление, которого можно было ожидать. Ведь согласно специальной теории относительности пространственные и временные отношения между различными окружающими нас реальными объектами не являются абсолютными. Их характер целиком зависит от состояния движения данной системы. Так, в движущейся системе течение времени замедляется, а все масштабы длины — размеры протяженных объектов — сокращаются. И это сокращение тем сильнее, чем выше скорость движения. При приближении к скорости света, которая максимально возможная скорость в природе, все линейные масштабы уменьшаются.

Но если хотя бы некоторые геометрические свойства пространства зависят от характера движения системы отсчета, то нот ничего невероятного в том, что относительными оказываются и свойства конечности и бесконечности. Ведь эти свойства самым тесным образом связаны с геометрией.

Разумеется, выводы Зельманова не есть еще установление неких всеобщих геометрических свойств реальной Вселенной.

Значение этих результатов иное: благодаря им можно сделать чрезвычайно важный вывод. Даже с точки зрения теории относительности понятие бесконечности Вселенной значительно сложнее, чем это представлялось раньше.

Вот и еще один шаг, уводящий нас все дальше от классического «или-или». Совсем иной подход к постановке проблемы, по существу, иной взгляд на мир, а значит, и существенный сдвиг во всей системе нашего мышления.