Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ЭКСКУРСИЯ ПО ВСЕЛЕННОЙ

ЭКСКУРСИЯ ПО ВСЕЛЕННОЙ

Книга и фильм «Степени десяти» (Powers of Ten) — одно из классических путешествий по далеким мирам и измерениям — начинаются и заканчиваются изображением пары людей, сидящих на травке в парке в Чикаго; надо сказать, что это место подходит для начала нашего путешествия не хуже любого другого. Постоим мгновение на твердой земле (которая, как нам уже известно, состоит в основном из пустоты) и оглядимся вокруг. Какие привычные размеры и расстояния мы увидим? Но не будем задерживаться на человеческом масштабе — примерно двухметровом, — а покинув это уютное гнездышко, устремимся к новым высотам и большим размерам (на рис. 70 вы можете увидеть примеры масштабов, о которых пойдет речь в этой главе).

Одно из самых ярких свидетельств того, что человек живо реагирует на высоту, превосходящую человеческие масштабы, мне довелось наблюдать во время выступления танцевального ансамбля Элизабет Стреб. Ее танцовщицы падают ничком с перекладины, которая поднимается все выше и выше, и последняя танцовщица падает уже с высоты около 10 м. Это определенно больше той высоты, на которой человек чувствует себя комфортно, и свидетельством тому были многочисленные испуганные вскрики в аудитории. Человек не должен падать с такой высоты, и уж точно не должен падать лицом вниз.

Большинство высоких зданий тоже вызывает у нормального человека сильную реакцию, хотя, возможно, и не столь драматичную, — от восхищения до страха и отчуждения. Одна из задач, стоящих перед архитекторами при проектировании высотных зданий, — приблизить эти сооружения, многократно превосходящие нас по размеру, к человеку, гуманизировать их. Здания и конструкции могут быть разными по форме и размеру, но наша реакция на них всегда отражает чисто физиологическую и психологическую реакцию на размер.

РИС. 70. Обзор больших масштабов и единиц длины, которые используются для их описания

Самое высокое сооружение в мире — башня «Бурдж–Халифа» в Дубае, столице Объединенных Арабских Эмиратов, высотой 828 м. Это чертовски много, но башня стоит в основном пустая, и фильм «Миссия невыполнима — 4» вряд ли придаст ей такой же культурный статус, какой приобрела другая башня — Empire State Building — после фильма «Кинг–Конг». Культовое нью–йоркское здание ниже арабской башни в два с лишним раза, однако заполнено гораздо плотнее.

Мы живем в мире, где много громадных естественных объектов, превосходящих все созданное человеком во много раз; многие из них вызывают восхищение и преклонение. В вертикальном направлении гора Эверест имеет высоту 8,8 км — высочайший пик Земли. Много лет назад я была счастлива, когда наконец добралась до ее вершины, хотя на сделанном там фото мы с приятелем выглядим достаточно жалко. Марианская впадина глубиной 11 км — самое глубокое известное место в океане и нижняя точка поверхности земной коры. Именно туда, в эту чужеродную впадину, устремился режиссер Д жеймс Кэмерон, после того как успешно завоевал мир со своим фильмом «Аватар».

На поверхности Земли естественные тела имеют значительно большие размеры. Ширина Тихого океана, к примеру, составляет около 20 млн м, тогда как Россия — длина ее территории по широте около 8 млн м — вдвое меньше. Земля имеет примерно 12 млн м в диаметре, а ее окружность достигает 40 млн м. США (4,2 млн м по широте) примерно вдесятеро меньше, но их длина все равно превосходит диаметр Луны, составляющий около 3,5 млн м.

Объекты в открытом космосе также могут иметь самые разные размеры. Астероиды, к примеру, различаются между собой очень сильно — мелкие могут быть размером с гальку, крупные намного превосходят любые объекты на поверхности Земли. Солнце — около 1,4 млрд м в ширину — превосходит Землю по размеру более чем в 100 раз. А Солнечная система, которую я возьму в пределах до Плутона (который входит в Солнечную систему независимо от того, является он планетой или нет), примерно в 8000 раз больше радиуса Солнца.

Расстояние от Земли до Солнца значительно меньше — всего лишь 150 млрд м — одна двухсотая от одной тысячной светового года. А световой год — это расстояние, которое свет может преодолеть за год — результат перемножения 300 млн м/сек (скорости света) и 30 млн сек (продолжительности года в секундах). Из?за конечной скорости света солнечный свет, достигающий Земли, уже имеет возраст около 500 сек.

В нашей обширной Вселенной существует множество видимых структур самых разных видов и размеров. Астрономы объединяют большинство небесных тел в несколько типов. Для масштаба скажем, что галактика, как правило, имеет размер около 30000 световых лет, или 3 х 10²⁰ м, в поперечнике. Это относится и к нашей Галактике — Млечному Пути, — размер которой примерно втрое больше. Скопления галактик имеют размер около 10²³ м, или 10 млн световых лет. Свету требуется 10 млн лет, чтобы пересечь такое скопление галактик из конца в конец.

Несмотря на громадный разброс размеров, большинство небесных тел подчиняется законам Ньютона. Орбиту Луны, как и орбиту Плутона или даже самой Земли, можно рассчитать в рамках ньютоновой теории всемирного тяготения. Учитывая расстояние от планеты до Солнца, ее орбиту можно предсказать на основании одних только законов Ньютона — тех самых, что заставили упасть на землю легендарное яблоко.

Тем не менее более точные измерения планетарных орбит показали, что законы Ньютона — не последнее слово науки. Потребовалась общая теория относительности, чтобы объяснить прецессию перигелия Меркурия, то есть видимое изменение параметров его орбиты вокруг Солнца со временем. Общая теория относительности — более всеохватная теория, которая включает в себя ньютоновы законы (для невысоких плотностей и скоростей), но работает и за пределами этих ограничений.

Для описания большинства объектов общая теория относительности не нужна, однако ее эффекты могут накапливаться со временем, а там, где плотность объекта достаточно велика, как в черных дырах, они проявляются в полную силу. Черная дыра в центре нашей Галактики имеет радиус около 100 млрд (10¹¹) м.

Заключенная в этом объеме масса очень велика — около 4 млн солнечных масс — и здесь, как и в случае всех остальных черных дыр, описать ее гравитационные свойства без общей теории относительности невозможно.

Вся видимая Вселенная в настоящее время простирается примерно на 100 млрд световых лет в поперечнике — 10²⁷ м, или в миллиард раз больше нашей Галактики. Такое громадное число вызывает удивление, ведь получается, что размер Вселенной больше, чем расстояние, до которого мы реально можем «дотянуться» (13,75 млрд световых лет). Считается, что с момента Большого взрыва прошло 13,75 млрд лет и ничто за это время не могло преодолеть большее расстояние, так что и размер никак не может быть больше.

Однако здесь нет никакого противоречия. Причина, по которой Вселенная в целом больше, чем расстояние, которое мог преодолеть свет за время ее жизни, состоит в том, что пространство расширяется. В понимании этого явления большую роль играет общая теория относительности. Ее уравнения говорят о том, что растягивается сама ткань космоса. Мы можем видеть точки Вселенной, расположенные невероятно далеко друг от друга — так далеко, что сами они «видеть» друг друга не в состоянии.

Учитывая конечную скорость света и конечный возраст Вселенной, наблюдаемые расстояния в ней, разумеется, тоже конечны, и мы уже подошли к верхнему их пределу. Видимая Вселенная — это все, что доступно нашим телескопам. Тем не менее размер Вселенной почти наверняка не ограничен тем, что мы видим. Как и в случае с малыми расстояниями, где мы можем строить предположения, выходящие за рамки сегодняшних экспериментальных ограничений, здесь мы тоже можем строить предположения о том, что находится за пределами наблюдаемой Вселенной. Единственный предел в направлении больших расстояний кладет наше собственное воображение и естественное нежелание думать о структурах, которые мы не имеем никакой надежды когда?нибудь увидеть.

Мы в самом деле не знаем, что находится там, за горизонтом — границей наблюдаемой Вселенной. Ограниченность наших наблюдательных возможностей позволяет допустить существование там новых необычных явлений. Другие структуры, другие измерения, даже другие законы природы могут иметь место до тех пор, пока их существование не вступает в противоречие с наблюдаемыми явлениями. Это не означает, что буквально математически непротиворечивые структуры физически существуют в природе, как иногда утверждает мой коллега–астрофизик Макс Тегмарк. Однако это означает все же, что там, за горизонтом, может находиться множество самых неожиданных явлений и объектов.

Мы пока не знаем, существуют ли другие измерения или другие вселенные. Более того, мы не можем даже сказать наверняка, конечна Вселенная в целом или бесконечна, хотя большинство из нас считает, что, скорее всего, бесконечна. Ни одно наблюдение, ни одно измерение не дают никаких признаков ее конца, но дальность наблюдений и измерений ограничена. Вообще, Вселенная может иметь конец, так же как может иметь форму мяча или воздушного шара. Но в настоящее время ни одно теоретическое или экспериментальное свидетельство не указывает на это.

Большинство физиков предпочитают не думать слишком много о том, что царит за пределами видимой Вселенной, поскольку мы вряд ли когда?нибудь узнаем, что там. Однако любая теория гравитации или квантовой гравитации дает нам математические инструменты для предположений и прогнозов. На основе теоретических методов и гипотез о дополнительных пространственных измерениях физики иногда придумывают экзотические варианты иных вселенных, которые либо вообще не контактируют с нашей Вселенной, либо контактируют только через гравитацию. Как говорилось в главе 18, специалисты по теории струн и другие физики рассматривают возможность существования мультивселенной, состоящей из множества независимых вселенных, что согласуется с уравнениями теории струн; иногда эти рассуждения сочетаются с антропным принципом, который использует возможную множественность вселенных в своих интересах. Некоторые даже пытаются отыскать сигнатуры, по которым в будущем можно было бы судить о существовании подобных мультивселенных. Как мы видели в главе 17, в одном конкретном сценарии двухбрановая мультивселенная помогла бы нам получить ответы на некоторые вопросы физики элементарных частиц — ив этом случае имела бы проверяемые следствия. Но большинство дополнительных вселенных, будучи возможными, в обозримом будущем наверняка останутся за пределами наших экспериментальных проектов. Поэтому пока они останутся лишь теоретическими абстрактными гипотезами.