книги из ГПНТБ / Комаров, В. Н. По следам бесконечности

ны. Что было бы, если бы Метагалактика не расширялась, а, скажем, сжималась?

—Если бы сжатие длилось уже миллиарды лет, мы вместо красного смещения в спектрах галактик наблю­ дали бы фиолетовое,— заметил Зельманов.— Сдвиг излу­ чения происходил бы в сторону более высоких частот и яркость неба была бы не ослаблена, как это имеет место

вдействительности, а, наоборот, усилена. В подобных ус­ ловиях в нашей области Вселенной жизнь не могла бы существовать.

—Значит, мы отнюдь не случайно живем именно в расширяющейся системе галактик и наблюдаем именно красное смещение в их спектрах?

Зельмапов улыбнулся:

—По этому поводу я обычно говорю так: мы являем­ ся свидетелями природных процессов определенного типа, потому что процессы иного типа протекают без свидете­ лей. В частности, жизнь невозможна на ранних стадиях расширения и на поздних стадиях сжатия.

Гравитация, коллапс и «черные дыры»

Итак, почти не приходится сомневаться в том, что мы живем в расширяющейся Вселенной и наблюдаем разбегание звездных систем — галактик. Причем словечко «поч­ ти» — здесь всего лишь необходимая дань философской убежденности в относительном характере научных истин.

Что же касается геометрии расширяющегося мира, то в однородной изотропной Вселенной она целиком зависит от количества материи. Или, что то же самое, от ее средней плотности.

И от этого, в частности, целиком зависит конечность или бесконечность пространства.

Или — или... Третьего не дано!

Но, увы, даже в рамках этой теории возможность столь простого выбора между конечным и бесконечным в значительной степени обманчива. Ведь, помимо беско­ нечности пространственной, могут быть и другие беско­ нечности и притом куда более неопределенные.

Например, теория однородной изотропной расширяю­ щейся Вселенной приводит к такой явно парадоксальной бесконечности — бесконечной плотности вещества до на­

чала расширения. Современная астрофизика знает плот­ ности до 100 миллионов тонн в одном кубическом сан­ тиметре: таковы плотности нейтронных звезд-пульсаров. Еще выше плотность атомного ядра. Но бесконечно боль­ шая плотность?

Какое реальное состояние за этим скрывается, трудно сказать. А может быть, появление бесконечно большой плотности свидетельствует просто о неблагополучии тео­ рии?.. Может быть, все дело в том, что общая теория относительности не учитывает квантовых эффектов, кото­ рые в области сверхвысокой плотности должны сильно возрастать?

Здесь астрофизика и космология непосредственно смы­ каются с физикой микромира. Но эта проблема еще ждет своего решения.

Вернемся, однако, к геометрии. Она определяется средней плотностью материн. В однородной Вселенной.

Аесли Вселенная неоднородна?

—Однородные изотропные модели, видимо, следует рассматривать лишь как одно из приближений к реаль­

ной картине мира,— утверждает Зельманов.— Есть веские основания полагать, что структура и свойства реальной Вселенной гораздо сложнее.

И поясняет свою мысль:

— Ведь если Вселенная в самом деле однородна, то из этого автоматически следует, что поведение и свойства мегаскопических характеристик в каждую данную эпоху везде одинаковы. Такое положение вещей не только до­ пускает возможность безудержной экстраполяции, но пря­ мо ее требует. Другими словами, любые данные, харак­ теризующие охваченную наблюдениями область (напри­ мер, средняя плотность вещества и т. п.), не только могут, по и должны быть распространены на бесконечную Все­ ленную. А такая экстраполяция вряд ли может быть оправдана!

Разумеется, это — соображения уже философского по­ рядка. Но з^есь как раз тот случай, когда вмешательство философии крайне необходимо. Ведь проблема, о которой идет речь, расположена вблизи самых границ современ­ ного знания. А именно в таких ситуациях философские соображения могут оказать незаменимую помощь в вы­ боре наиболее правильного пути.

Впрочем, накопилось немало наблюдательных фактов,

132

которые указывают на то, что материя во Вселенной рас­ пределена далеко не равномерно, в особенности если речь идет о сравнительно небольших областях пространства.

А если так, то о чем, собственно, может рассказать нам средняя плотность, даже если мы вычислим ее с пре­ дельной точностью? Ведь это все равно, что, скажем, под­ считать средний годовой доход жителя какого-нибудь крупного города в капиталистической стране. Он может оказаться вполне приличным и даже впечатляющим. Но в действительности за этим «средним благополучием» на­ верняка будут скрываться самые разительные контрасты. Ведь в это среднее войдут, с одной стороны, ужасающая нищета десятков тысяч людей, а с другой — баснословные доходы нескольких мультимиллионеров.

У различных областей неоднородной Вселенной может быть своя средняя плотность. А значит, и своя кривизна. И своя геометрия.

Известный американский физик Р. Оппенгеймер рас­ смотрел в свое время любопытную теоретическую возмож­ ность. Если очень большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то ее сжатие под дей­ ствием собственного тяготения может быть неудержимым. Наступит беспрецедентная катастрофа — гравитационный коллапс.

Впрочем, это было лишь чисто теоретическое исследо­ вание, построенное по принципу: «рассмотрим некоторую воображаемую ситуацию и попытаемся выяснить, что из нее получается...»

Одним из первых советских ученых, попытавшиеся применить идею гравитационного коллапса к реальным объектам, был профессор Кирилл Петрович Станюкович.

Кирилл Петрович — доктор технических наук. Но в то же время ему принадлежит ряд оригинальных работ по теоретической физике.

— Хорошо известно,— говорит Кирилл Петрович,— что в конце прошлого века некоторым казалось, будто развитие науки закончено. И уж никто не мог предста­ вить себе, что на протяжении жизни одного поколения могут возникнуть такие науки, .как квантовая механика и теория относительности, вызвавшие революцию в образе мышления физиков. Казалось бы, эта поучительная исто­ рия должна была бы отбить охоту утверждать, что физи­ ческая наука может когда-нибудь закончиться. Однако

133

время от времени высказывается мнение, что физика в один прекрасный день может исчерпать свой предмет.

Разумеется, профессор Станюкович с подобным мне­ нием активно не согласен.

— Вспомним Бора, Лобачевского, Ньютона, Эйнштей­ на,— продолжает он,— и других основоположников науки о пространстве, времени п материи, которые не только исходили из известных нм фактов, но, используя свою фантазию, выдвигали и исследовали гипотезы, прямо-таки противоречащие установившимся теориям. Так стоит ли нам канонизировать их мысли? Стоит ли подгонять под их уравнения всю наблюдаемую Вселенную вместо того, чтобы использовать их успехи прежде всего как поучи­ тельные образцы умения думать, умения привнести в теорию о Вселенной нечто от себя.

Сам Станюкович старается следовать именно этому принципу.

Из-под его «теоретического» пера и родилось любопыт­ ное образование— «планкеон». Так назвал его Кирилл Петрович в честь знаменитого физика Макса Планка.

По существу, речь идет о «микроколлапсе». Оказывает­ ся, для его возникновения масса порядка одной стотысяч­

Плотность подобного образования будет поистине чудовищ­ на — в каждом кубическом сантиметре 10 95 г! Для сравне­ ния можно напомнить, что средняя плотность вещества Земли составляет всего 5

По существу, «планкеоны» — это замкнутые в себе эйнштейновские мпкровселенные. Находящиеся внутри планкеонов частицы движутся не по прямым линиям, а по замкнутым траекториям, которые нигде пе выходят за пределы их поверхности.

Планкеоны независимо от их массы можно считать своеобразными элементарными частицами. Впрочем, точ­ нее, их надо было бы назвать «мертвыми» или «спящи­ ми» — законсервированными частицами.

Подсчеты, проделанные Станюковичем, показывают, что планкеоны больших энергий должны встречаться во Вселенной чрезвычайно редко — приблизительно один планкеон на 10 тысяч кубических километров простран­ ства.

134

Однако планкеонов, в которых заключены небольшие энергии, может быть значительно больше. Не исключена возможность, что они входят в состав протонов и нейтро­ нов в качестве центральных ядер этих частиц. Но это, разумеется, лишь самое предварительное предположение.

Есть и другая гипотеза, согласно которой планкеоны — это не что иное как кварки — гипотетические фун­ даментальные частицы с дробными электрическими заря­ дами, из которых построены многие элементарные части­ цы и поисками которых сейчас заняты физики.

Однако может оказаться, что связь между планкеонами и обычными элементарными частицами носит совсем иной характер.

Академик М. А. Марков и профессор Станюкович вы­ сказали оригинальную гипотезу, согласно которой обыч­ ные элементарные частицы представляют собой не что иное, как наблюдаемую часть планкеонов. Эти частицы с очень большой частотой, если можно так выразиться, пе­ риодически «высовываются» из своих планкеонов и «пря­ чутся» обратно.

Но так как масса ненаблюдаемого вещества, заключен­ ного в планкеонах, во много раз больше массы «высовы­ вающихся» из них наблюдаемых частиц, то это может означать, что ненаблюдаемая масса нашей Метагалактики во много раз больше наблюдаемой.

Согласно гипотезе Станюковича планкеоны, взаимодей­ ствуя с обычными частицами, должны время от времени «раскрываться». При таком раскрытии во Вселенную вы­ брасывается некоторое количество элементарных частиц, находившихся до этого в скрытой неуловимой форме. «Спящая» материя просыпается...

Ни планкеоны, ни аналогичные частицы «максимоны», придуманные академиком М. А. Марковым, пока что не обнаружены. Но за последние годы в глубинах Вселенной открыт целый ряд явлений, которые говорят о возмож­ ности концентрации огромных масс в сравнительно не­ больших областях пространства.

К подобным состояниям могут, например, приводить заключительные этапы в жизни звезд.

Звездный зал Московского планетария. Огромный сфе­ рический купол, поблескивающие многочисленными объ­ ективами черные шары главного аппарата в центре, голу­ бой полусвет кагг всегда настраивают на какую то косми­

135

ческую ноту. Идет публичная лекция. На кафедре доктор физико-математических наук Игорь Дмитриевич Новиков.

Игорь Новиков не случайный гость в планетарии. Когда-то он пришел сюда школьником и в астрономиче­ ском кружке познакомился с наукой о Вселенной. Здесь он не только впервые взрлянул на небо в телескоп, но и научился оригинально мыслить, в бесчисленных спорах и диспутах оттачивал ум будущего исследователя. А по­ том Московский университет, аспирантура — он был уче­ ником Зёльманова,— защита диссертации.

И вот, Новиков — сотрудник академика Якова Борисо­ вича Зельдовича, одного из крупнейших физиков-теорети- ков, посвятившего в последние годы свои усилия исследо­ ванию Вселенной.

В планетарии не ведут научных наблюдений неба, не разрабатывают новых теорий. Под искусственными звез­ дами читаются популярные лекции о достижениях и про­ блемах науки о Вселенной.

Как-то одни американский турист, увидев длинную очередь, выстроившуюся возле кассы в вестибюле плане­ тария, восхищенно воскликнул:

— Да у вас в стране всеобщее астрономическое обра­ зование!

Верно сказано. Но в планетарии посетителей не прос­ то знакомят с новейшими представлениями о Вселенной. Современная астрономия поучительна. Она динамична, полна новых идей, она то и дело сталкивает нас лицом к лицу с удивительнейшими фактами. Она учит смело мыслить, обобщать, анализировать, искать неожиданные связи между явлениями, философски осмысливать слож­ ные проблемы.

Среди тех, кто пришел на лекцию Новикова,— школь­ ники, студенты, научные работники, рабочие, инженеры. И, может быть, среди них будущие Эйнштейны и Фрид­ маны.

А Игорь Дмитриевич рассказывает об одном из самых

о том, что происходит с этими небесными телами после того, как в их недрах выгорает ядерное топливо.

Падают давление и температура в центральной части звезды, и она под действием собственного притяжения

136

начинает сжиматься. Если масса звезды меньше массы Солнца, то в результате такого сжатия она превращается в белого карлика — небольшую звезду с плотностью око­ ло тысячи тонн в одном кубическом сантиметре.

Если масса звезды превосходит полторы солнечные массы, то сжатие продолжается и дальше. Звезда теряет устойчивость. Взрываются остатки ядерного горючего, со­ хранившиеся в поверхностных слоях,— со звезды срывае­ тся ее внешняя оболочка. Происходит явление, получив­ шее название вспышки Сверхновой.

Если же масса сжимающейся звезды превосходит сол­ нечную примерно в 2—3 и более раз, то согласно теории тяготения даже при огромной плотности спрессованного вещества, достигающей плотности атомного ядра, упру­ гость прижатых друг к другу частиц не может остано­ вить катастрофического сжатия. Вот тогда-то и возни­ кает гравитационный коллапс.

Но все это — лишь предисловие. Предисловие к тому удивительному выводу, который имеет самое прямое отно­ шение к геометрии окружающего нас мира.

— В процессе сжатия,— говорит Новиков, поясняя спроектированную на купол зала схему,— напряженность поля тяготения на поверхности коллапсирующего тела растет, и наступает момент, когда вторая космическая скорость, то есть скорость освобождения от притяжения сжавшейся звезды, оказывается равна скорости света.

И тогда возникает поразительная ситуация. Ни одна частица, ни один луч света не может преодолеть огром­ ного притяжения и вырваться изнутри подобного образо­ вания наружу. Пространство сколлапспрованного объекта как бы «захлопывается», и для внешнего наблюдателя он перестает существовать.

Это и есть «черная дыра».

Так как при коллапсе масса звезды не меняется, со­ храняется ее статическое гравитационное поле. И хотя сколлапсировавшая звезда как бы исчезает из нашего ми­ ра, в действительности она продолжает взаимодействовать с окружающими объектами своим полем тяготения.

Как подчеркивают Я. Зельдович и И. Новиков, общая кривизна пространства в больших масштабах и замкну­ тость или бесконечность Метагалактики зависят от плот­ ности всех видов материи, в том числе и «застывших звезд».

137

Астрономические расчеты показывают, что в нашей Галактике примерно 30 процентов звезд обладают мас­ сами достаточно большими, чтобы их существование за­ кончилось гравитационным коллапсом. Исходя из этого можно приблизительно оценить число «черных дыр», уже имеющихся в нашей Галактике. Возможно, их не меньше миллиарда.

Но если во Вселенной могут происходить те удиви­

Если Вселенная конечна и замкнута, нельзя ли, дви­ гаясь по лучу света, совершить кругосветное, пли, точнее, «круговселенное», путешествие, подобное путешествию вокруг Земли, то есть путешествие с возвращением в ис­ ходную точку? Разумеется, вопрос ставится чисто аб­ страктно, ибо при этом приходится отвлекаться от време­ ни, необходимого для осуществления подобного замысла и технических возможностей.

Если бы материя была распределена в пространстве равпомерио, так сказать, «равномерно» размазана по все­ му пространству, то путешествие, о котором идет речь, в принципе, вероятно, оказалось бы возможным. И, на­ правив какой-нибудь супертелескоп в противоположную точку небесной сферы, мы, возможно, могли бы увидеть самих себя.

Но в неоднородной Вселенной наша «прямая» линия будет испытывать многочисленные местные искривления и вряд ли вернется к месту старта. Дело обстоит еще сложнее. На нашем пути могут встретиться многочислен­ ные черные дыры с их могучим притяжением и другими пространственно-временными сюрпризами, которые способ­ ны сделать дальнейшее путешествие просто невозможным.

Таким образом, если бы мы даже и располагали необ­ ходимым временем и соответствующими техническими средствами, «круговселенное» путешествие оказалось бы куда более сложным делом, чем путешествие вокруг Зем­ ли. И не только круговселенное, но даже просто полет в намеченную точку мирового пространства.

Нельзя ли, однако, воспользоваться иным способом путешествий по Вселенной? Вернемся на время на Землю и проделаем такой «мысленный» эксперимент: попытаем­ ся совершить путешествие из некоторой точки на эква­

138

торе в противоположную. Казалось бы, кратчайший вари­ ант — движение по экватору пли по меридиану. В этом случае нам придется преодолеть около 20 тысяч километ­ ров. Но есть еще одна теоретическая возможность. По­ скольку поверхность нашей планеты искривлена, до про­ тивоположной точки на экваторе можно в принципе до­ браться прямиком сквозь тело Земли. Разумеется, если располагать для этого соответствующими техническими средствами. Тогда наш маршрут сократится до 13 тысяч километров.

Поскольку пространство Вселенной также искривлено, естественно возникает вопрос: нельзя ли воспользоваться подобным же способом и для путешествий по Вселенной? Кстати, им широко пользуются современные писателифантасты на страницах своих произведений.

Но все дело в том, что для путешествия «напрямик» из одной точки экватора в противоположную нам при­ шлось «проколоть» Землю, иными словами, выйти из дву­ мерного пространства земной поверхности в трехмерное.

Чтобы «проколоть» искривленное мировое пространст­ во, нам надо было бы выйти в следующее — четвертое измерение. Но, увы, пространство, в котором мы живем, хотя и искривлено, но трехмерно. И потому ускоренный метод космических путешествий, о котором идет речь, хотя и заманчив, по, к сожалению, навсегда, видимо, ос­ тается уделом лишь научной фантастики, возможно, было бы точнее сказать — ненаучной фантастики.

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 тог­ да, когда рвется «связь времен»,— цепь привычных при­ чин 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

139

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 обла­ стях могут происходить совершенно поразительные вещи.

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

Оказывается, коллапсирующее тело, которое для внеш­ него наблюдателя вошло внутрь сферы Шварцшильда 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 момен­ том, когда тело прошло через критический радиус, являе­ тся абсолютно недоступным.

Но можно представить себе наблюдателя, разумеется, гипотетического, который сжимается вместе с коллапси­ рующим 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 утверлчдает, что при некоторых условиях гра­ витационное 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 пе­ ресечет сферу Шварцшильда, но на этот раз изнутри, и снова выйдет во внешнее эвклидово бесконечное простран­ ство.

Но все дело в том, что это будет уже не то простран­ ство, из которого происходит сжатие. Новая простран­ ственная область лежит по'отношению к прежней в «абсо­ лютном будущем», и между этими двумя бесконечными1

1 Сферой Шварцшильда для данного тела называется такая сфера, оказавшись внутри которой это тело начинает катастро­ фически сжиматься.

140