Книга: Чем мир держится?

Во вселенной

Во вселенной

Во Вселенной, как и во времена Ньютона, главной силой остается гравитация.

Теория относительности ввела представление о кривизне пространства-времени, но постоянна ли эта кривизна в реальной Вселенной? Сам Эйнштейн поначалу пришел к выводу, что Вселенная стационарна, ее составные части — галактики и скопления галактик — в среднем остаются на своих местах, радиус кривизны пространства-времени постоянен. Он увидел мир успокоенным и упорядоченным. Может быть, тут сыграло свою роль руководившее Эйнштейном всю его жизнь представление о стройной гармонии мироздания. Для того, чтобы уравнения рисовали мир именно таким, ученому пришлось ввести в них так называемую космологическую постоянную. Не будем входить в сложные математические подробности такой операции, тем более, что впоследствии Эйнштейн называл эту свою «добавку» самой большой ошибкой своей жизни. (Впрочем, часть физиков сегодня не соглашается с «отречением» Эйнштейна и продолжают использовать его «старовведение».)

Так или иначе, первые годы Эйнштейн был вполне удовлетворен Вселенной, вышедшей из-под его пера.

Но тут слово взял петроградский ученый Александр Александрович Фридман…

Он умер в тридцать семь лет — роковой возраст для великих поэтов. Но сколько было сделано и сколько прожито в этот короткий срок! Математик, метеоролог, доброволец русской армии в первую мировую войну, военный летчик, организатор аэронавигационной службы на всем протяжении русского фронта, директор завода измерительных приборов, профессор Пермского университета, организатор математического бюро Петроградской Главной физической обсерватории… Перечислены далеко не все дела, которыми он успешно занимался.

А в 1922 году, за три года до смерти, он опубликовал небольшую работу «К вопросу о кривизне пространства».

Название спокойное, академическое. Между тем статья доказывала не больше и не меньше как то, что кривизна пространства меняется и Вселенная расширяется. Он выяснил это, по-новому решая уравнения общей теории относительности.

Достаточно известна история о том, как Эйнштейн прочел работу Фридмана, не согласился с нею, послал возражение в журнал, потом получил письмо Фридмана, убедившее его в ошибочности собственных возражений. И признал, что Вселенная может оказаться не только стационарной, но и динамической, меняющейся.

Это был чисто теоретический спор по математическим проблемам. Но именно тут теория гравитации Эйнштейна проявила себя, что довольно скоро выяснилось, как учение, способное делать предсказания гигантского масштаба. Эта теория, еще и не подтвержденная тогда «как следует», оправдала то доверие к ней физиков, о котором говорил Г. Бонди. Потому что через шесть лет после появления статьи Фридмана астроном Эдвин Хаббл обнаружил факт «разбегания» галактик. Следовательно, Вселенная расширялась — по Фридману[15].

Хаббл и астрономы, его последователи, на основе своих наблюдений по скорости разбегания галактик определили возраст Вселенной примерно в два миллиарда лет. Они опирались как будто на факты. А теоретики, развивавшие общую теорию относительности, настаивали на удлинении временной шкалы по меньшей мере в пять раз.

В истории науки экспериментаторы и наблюдатели в среднем чаще оказываются правы, чем теоретики. Но в данном случае, как, впрочем, пока во всех случаях, связанных с теорией относительности, математическая физика вышла победительницей в споре с наблюдательной астрофизикой. В пятидесятые годы астрономия подтвердила ее правоту. Так называемое первичное, или реликтовое («ископаемое»), космическое излучение — память о «первовзрыве» нашей Метагалактики — было обнаружено в 1965 году чисто случайно, при испытаниях наземной системы связи со спутниками. Был обнаружен радиошумовой фон, не менявшийся, куда бы ни направляли антенну. Во всем сначала обвинили аппаратуру, се разбирали, проверяли каждую деталь, пока не убедились, что от проверок и отладок радиошум не исчезает. Ровный поток радиоизлучения, соответствующий температуре в три градуса выше абсолютного нуля, падал на радиотелескоп на Земле, пронизывал Вселенную.

Очень обидно, что открыт он был случайно, потому что за семнадцать лет до этого существование такого излучения было, по существу, предсказано на основе общей теории относительности.

Нейтронные звезды были предсказаны в 1934 году, а соответствующие предсказанию небесные тела обнаружили только в 1968 году — это были знаменитые ныне пульсары.

В 1939 году на основе геометродинамики Эйнштейна была предсказана возможность существования так называемых черных дыр.

Датский ученый Меллер написал книгу о теории относительности, которая вышла двумя изданиями — в 1952 и 1971 годах. В предисловии ко второму изданию Меллер отмечает, что в момент, когда книга его вышла впервые, теория относительности считалась в общем законченной. Научные события 1955–1970 годов показали ее возможности и в объяснении астрофизических явлений, и в новом бурном развитии.

Итак, Вселенная «искривилась» и начала расширяться, ее объекты стали несравненно многообразнее, но гравитация осталась, как и во времена Ньютона, силой, которой держится мир. Именно ее теория вызвала преображение картины мироздания в XX веке.

Но «по-прежнему» гравитация собирает космический газ в звезды, звезды — в галактики, галактики — в их скопления. Нельзя при этом, конечно, забывать чрезвычайно интересных данных о взрывных процессах во Вселенной, полученных Бюраканской школой астрономов во главе с В. А. Амбарцумяном. Иногда Вселенную, объекты которой конденсируются из рассеянного в космосе вещества, противопоставляют Вселенной, в которой космические тела образуются при взрывах так называемого протозвездного вещества — по Бюраканской концепции. Но сейчас многие физики полагают, что в реальной Вселенной идут оба этих процесса, в полном согласии с положением Бора относительно глубоких истин.

Большую роль в развитии космологических аспектов общей теории относительности сыграл приход в нее в конце пятидесятых годов советского академика Я. Б. Зельдовича. Он во многом увязал с теорией гравитации ядерные реакции в звездах, само понятие релятивистской астрофизики появилось в шестидесятых годах в науке в результате работ его школы.

Общая теория относительности широко развила данное Ньютоном представление о гравитационной энергии. Энергия гравитации есть всюду, где есть масса. Сосредоточена ли она в чудовищно грандиозных телах звезд или распылена частицами межзвездного газа по тому, что еще недавно считалось пустым космическим пространством. Эта энергия может быть превращена в тепло н свет — при процессах сжатия, конденсации вещества.

Гравитационная энергия во Вселенной имеет огромный количественный перевес над всеми остальными формами энергии. Потоки света, излучаемые бесчисленными звездами Вселенной, жар самих этих звезд, космические лучи, пронизывающие мир, — все эго вместе составляет лишь небольшую долю той энергии, которой тяготение обеспечивает наш мир.

Мало того. Именно тяготение — исток, из которого в конечном счете берут основу своей мощи все остальные энергетические ресурсы Вселенной. Гравитационное сжатие больших тел космоса превращает освобождающуюся энергию тяготения в свет, тепло и энергию вращательного движения.

Известный американский физик Фримен Дайсон пишет: «Законы термодинамики утверждают, что любое количество энергии обладает характерным качеством, связанным с ним, — энтропией. Энтропия измеряет степень беспорядка, хаотичности, связанной с энергией. Энергия всегда будет превращаться из одной формы в другую так, чтобы энтропия возрастала. Воспользовавшись этим обстоятельством, мы можем расположить разные формы энергии „по порядку значимости“, где высшее место займет форма, которой присуща минимальная энтропия или минимальный хаос… Направление потока превращений энергии во Вселенной задается, главным образом, свойствами гравитации: прежде всего тем, что она преобладает в космосе количественно, а кроме того, тем, что гравитация является высшей формой энергии. Высшей — ибо она обладает нулевой энтропией».

Низшая форма энергии в этом смысле — тепло, теплота. В теплоту могут превращаться все виды энергии — от гравитационной до химической.

Но тогда встает вопрос: почему Вселенная еще существует? Ведь перед нами энергетический поток, который течет в одну сторону. Океан гравитационной энергии изливается могучими реками, непрерывно переходит в свет и тепло. И остается все тем же неиссякаемым океаном. Почему? Мало того, по Дайсону, закон всемирного тяготения отпускает нашей Галактике всего сто миллионов лет существования, причем не с сегодняшнего дня, а так сказать, с того момента, как она приняла тот вид, который имеет последние несколько миллиардов лет. Расчет прост. В одном кубометре нашей Галактики, если учесть и звезды, и планеты (правда, пока достоверно известна лишь одна планетная система — Солнечная), и межзвездный газ, в среднем находится миллион атомов. Сто миллионов лет — время, которое должно было бы запять свободное падение всего этого вещества к общему гравитационному центру Галактики. Но закон всемирного тяготения при грандиозных масштабах своего действия все-таки не один управляет развитием Вселенной.

Мы обязаны сменой дня и ночи вращению Земли. Но точно так же вращаются все небесные тела. Когда Солнечная система возникала из сгустившегося межзвездного газа, именно вращение облака, из которого образовались и светило, и его планеты, помешало всему этому облаку собраться под воздействием сил тяготения в единый центр.

Наконец, термоядерные процессы, идущие в недрах звезд, не дают им сжиматься слишком сильно, противостоя силе тяготения, стремящейся стянуть массу звезды к ее центру.

Словом, гравитация, которую мы только что осыпали комплиментами (самая могучая… высшая форма энергии… и тому подобное) оборачивается злобным демоном вселенской истории, угрожающим разрушить нашу Галактику. А вращательное движение и термоядерные реакции выступают как защитники Галактики (и Метагалактики— в ней, правда, вещество в миллион раз разреженней, и сроки жизни соответственно в тысячу раз — по закону Ньютона — дольше) от этого злого гения Вселенной. Но ведь и вращательное движение звезд и звездных систем тесно связано, как подчеркивал Дайсон, с гравитационной энергией. Мало того. Сами термоядерные реакции возможны только при высоких температурах, а в разогреве масс протозвезд играло весьма значительную роль гравитационное сжатие.

Гравитация ведет себя как копье Геракла: рапы, которые наносило его острие, можно было вылечить прикосновением древка.

Во внутризвездных масштабах, как и в галактических, тяготение играет важнейшую роль. Жизнь звезды — борьба, как и жизнь галактики, как и жизнь человека. Три главные силы встречаются здесь в чудовищном противоборстве: гравитация, ядерные реакции и центробежная сила. Ярче всего это видно на примере событий, которые называют гравитационным коллапсом.