Книга: Вселенная. Руководство по эксплуатации

III. Из чего состоит пустое пространство?

III. Из чего состоит пустое пространство?

Так, значит, Вселенная расширяется, однако галактики в ней практически не движутся. Как же это все на самом деле устроено? Придется вернуться к эйнштейновской общей теории относительности. Джон Арчибальд Уилер блестяще описал эту теорию известным афоризмом: «Пространство диктует материи, как двигаться, а материя диктует пространству, как искривляться», и именно так и следует о ней думать.

Мы не забыли о своем обещании держаться подальше от математики, однако формулировка Уилера, по сути, — это сухое изложение главного уравнения общей теории относительности — эйнштейновского уравнения поля. Приводить его здесь мы не будем, но кое-что о нем нужно знать.

Левая сторона уравнения поля[97] определяет, насколько две точки далеки друг от друга и в пространстве, и во времени, — эта величина называется «метрика», — а если мы посмотрим, как метрика меняется в пространстве, то сможем описать, насколько оно искривлено.

Метрике отводится настолько важная роль, поскольку частицы ленивы и выбирают именно тот маршрут, который позволяет минимизировать время на дорогу. В плоском (то есть лишенном гравитации) пространстве самый быстрый путь — прямая, как вы, вероятно, и сами догадываетесь, но если пространство искривлено гравитацией, все сильно осложняется.

Представим себе, что вы бросаете мячик приятельнице. Мячик хочет долететь до нее как можно быстрее, так что, вероятно, кратчайший путь — это прямая. Но постойте! Гравитация, как мы видели в предыдущей главе, заставляет время у поверхности Земли идти самую чуточку медленнее, поэтому мяч, вероятно, доберется до вашей приятельницы быстрее, если чуточку поднимется от земли и опишет дугу. С другой стороны, если дуга окажется слишком крутой, мячу придется двигаться быстрее, а мы уже видели, что если мяч летит очень быстро, время для него замедляется. Начинается поиск компромиссов, и мяч следует кривой пространства-времени и летит по дуге. Понятно? Несмотря на все разговоры о релятивистском времени и искривленном пространстве, в слабых гравитационных полях вроде поля Земли гравитация ведет себя именно так, как предсказывал Ньютон.

Но если мы хотим разобраться, как развивается Вселенная в целом, придется вырваться из слабого поля Земли, а для этого нужно сказать два слова о метрике. Напомним, что метрика говорит нам, насколько далеко отстоят друг от друга две точки. Представьте себе, что у вас есть линейка, которая медленно сжимается. И если вы через некоторое время решите измерить, например, расстояние от вас до Парижа, то обнаружите, что оно постоянно увеличивается.

Именно это и происходит в настоящей Вселенной!

Забудьте, чему вас учили в школе: пространство не абсолютно. Мы уже видели, что пространство и время для движущихся наблюдателей и наблюдателей, которые находятся вблизи массивных тел, относительны. Теперь мы понимаем, что по мере старения Вселенной меняется само пространство.

А что же находится по правую сторону эйнштейновского уравнения поля? Уилер нам уже ответил: «Материя диктует пространству, как искривляться». Именно материя Вселенной и говорит Вселенной, как развиваться.

Как же мы разберемся во всем этом, если (на самом деле) даже не знакомы с уравнениями общей теории относительности? Не бойтесь. Помните, что, когда речь заходит о гравитации, физическая интуиция и здравый смысл помогают даже лучше, чем вы думали.

Мы тут довольно бойко рассуждали о расширении пространства, но так ничего и не сказали о том, что же такое это самое пространство. Исаак Ньютон в своих Principia Mathematica много говорил о пространстве и придумал небольшой мысленный эксперимент, позволяющий пояснить, что это такое, на конкретном примере. Вернемся далеко назад — в главу 1, где Рыжий, Галилей и Эйнштейн (не обязательно в этом порядке) обнаружили, что наблюдатель не может определить, двигается он или покоится, если движение происходит равномерно. Играет роль исключительно динамика двух наблюдателей при их относительном движении.

Ньютон представил себе, что на скрученной веревке висит ведро, полное воды. Ведро удерживают в неподвижности, а затем отпускают, и веревка начинает раскручиваться, и ведро вертится. Поначалу вода хочет остаться на месте, и стенки ведра вертятся вокруг нее. Затем вступает в действие сила трения между водой и ведром, и вода начинает крутиться вместе с ведром. И при этом взбирается вверх по стенкам.

Да, понимаем — вы читаете и думаете: «Ну и что?»

Мы так много об этом разглагольствуем, поскольку к концу эксперимента Ньютона относительное движение между ведром и водой отсутствует — тем не менее мы можем сказать, что ведро и вода вертятся. Вот в чем вопрос: откуда ведро «знает», что оно вертится? Почему вода по-прежнему взбирается вверх по стенкам, если она никуда не движется относительно ведра?

Представьте себе одну простую вещь, которую вы увидите в любом научном музее: маятник Фуко. Маятник — это грузик, закрепленный на струне или тросе, который болтается туда-сюда, как в напольных или настенных механических часах. Маятник Фуко подвешивают так, чтобы он качался в любом направлении, куда захочет. Грузик раскачивают в одной плоскости — туда-сюда, — однако если наблюдать за ним достаточно долго, станет заметно, что он еще и вращается. То есть на самом деле маятник раскачивается в одной плоскости, а Земля под ним вращается. Каким-то образом маятник знает, как сохранить свою фиксированную ориентацию относительно пространства.

А лучше представьте себе, что наш старинный приятель Рыжий сидит в большой цилиндрической комнате, оборудованной ракетными двигателями, — нечто вроде аттракциона-центрифуги в парке развлечений.

Двигатели заводятся, барабан центрифуги начинает вращаться. Проходит совсем немного времени, и они останавливаются, но устройство в целом продолжает вращаться. Если вы видели «Космическую Одиссею-2001» или любой другой научно-фантастический фильм, где силу тяжести на космической станции симулируют вращением, то знаете, что произойдет: Рыжего начнет тащить вверх по стенкам[98].

Если во Вселенной нет ничего, кроме Рыжего с его центрифугой, у нас возникает вопрос: как можно сказать, что они вращаются? Относительно чего они вращаются? Попробуйте ответить на этот вопрос, избежав слова «пространство». Ведь пространство — это всего-навсего ничто, пустота, не так ли?

Философ Эрнст Мах примерно 240 лет спустя так сказал об этом в своей «Механике»: «Исследователь должен ощущать нужду в… знании о непосредственных связях, скажем, между массами во Вселенной. Они будут парить перед ним как идеальное представление о принципах материи в целом, из которого таким же образом вытекают все ускоренные и инерционные движения».

Нельзя сказать, чтобы это было точное научное определение того, как устроена Вселенная, но относительно вероятно, что мы забыли бы, что хотел донести до нас Мах, если бы не тот факт, что «принцип Маха» крайне занимал Эйнштейна (именно Эйнштейн так его и назвал). Он перефразировал это высказывание гораздо лаконичнее: «Инерция — это своего рода результат взаимодействия между телами».

По-прежнему сложно? А если так: «Тамошняя масса влияет на здешнюю инерцию»?

Ну и что? Конечно, далекая материя влияет на движение тел поблизости от нас. Именно это мы называем гравитацией. Но Мах говорил не об этом, и Эйнштейн усмотрел в его словах не это. Мах говорил, что если мы сравним нашу материю с далекими звездами, то уж как-нибудь сообразим, движемся мы или нет — по крайней мере ускоряемся мы или нет.

Принцип Маха в основном и вдохновил Эйнштейна на создание общей теории относительности. Основная идея заключалась в том, что «далекие звезды» в среднем можно считать неподвижными, и мы вправе сказать, что что-то движется или, если уж на то пошло, вращается, только относительно неподвижных звезд.

Верен ли принцип Маха?

Не обязательно. С математической точки зрения это решение уравнений Эйнштейна для пустого пространства. То есть для пространства, где материя как таковая отсутствует. Очевидно, что в таком случае не может быть и речи ни о каких далеких звездах, однако эйнштейновская специальная теория относительности все равно предсказывает, что если вы вдруг окажетесь в этой пустой вселенной, то «почувствуете», что вращаетесь.

Но ведь абсолютно пустая вселенная — это не правило, а исключение. В нашей Вселенной есть вещество. Общая теория относительности инкорпорирует во Вселенную материю. Это и есть то «свертывание» пространства, которое ощущается где угодно, в том числе и здесь.

Сразу после того, как Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, Джозеф Лензе и Ханс Тирринг из Венского университета заметили, что если взять достаточно массивное тело, скажем, черную дыру, и привести это тело во вращение, то пространство вокруг черной дыры тоже потянется за ней. Иначе говоря, если вы попытаетесь стоять на месте, покажется, будто вы вращаетесь. И это не просто догадка. С тех пор было запущено множество спутников, которые зарегистрировали вращение пространства, вызванное вращением Земли и Марса.

Мы хотим сказать, что на крупных масштабах получается, будто именно материя и «создает» пространство, даже если локальное пространство выглядит так, будто в нем ничего и нет.