Физика времени - Чернин Артур Давидович (читать книги полные txt) 📗
Теория Фридмана, учитывающая все особенности динамики, позволяет сделать точный расчет времени, протекшего от сингулярности. Но результат не слишком сильно отличается от нашей оценки — время сокращается не более чем на одну треть. Скорее всего, оно заключено в пределах от 15 до 18 миллиардов лет.
Остающаяся небольшая неопределенность связана с тем, что в теории Фридмана для вычисления возраста Вселенной требуется не только лишь значение постоянной Хаббла. Результат вычисления зависит еще и от космической плотности вещества в современную эпоху. А она известна сейчас не слишком точно (мы еще обратимся к этой величине немного позднее).
Часы Вселенной
Но вот вопрос, который мы должны были, наверное, давно уже поставить. В какой системе отсчета измеряется время расширения, возраст Вселенной? Теория относительности учит нас, что промежуток времени между двумя событиями зависит от того, в какой системе отсчета находятся часы, по которым мы его измеряем. Если производить измерения двумя часами, движущимися друг относительно друга, то результаты будут различны.
Когда мы говорим о разбегании галактик, мы, очевидно, связываем свою точку зрения с Землей, с Солнечной системой, с нашей Галактикой. Мы наблюдаем динамику Вселенной из нашей Галактики и с помощью наших приборов измеряем их скорости и расстояния до них. Сопоставляя скорости и расстояния (связанные законом Хаббла), находим по их измеренным значениям искомое время. Отсюда ясно, что в качестве системы отсчета нам служит Галактика.
Но Галактика — лишь одна из многочисленных «частичек» вещества Вселенной, участвующих в ее общей динамике. Все эти «частички» равноправны между собой в силу однородности Метагалактики. Раз так, время расширения, измеренное по часам нашей Галактики, совпадает с временем, измеренным по часам любой другой галактики.
Время расширения, возраст Вселенной относятся ко всей Метагалактике в целом и, по сути дела, сама однородная Метагалактика служит системой отсчета, в которой это время измеряется. Мысленно можно представить себе часы, расположенные на всех галактиках, и все они идут «в ногу», отсчитывая общее время Вселенной.
Об этом стоит, пожалуй, сказать немного подробнее и точнее.
Прежде всего, нужно учесть, что в действительности каждая галактика совершает вообще-то довольно сложное движение. Главное ее движение — это участие в общем разбегании по закону Хаббла. Но к этому добавляется еще всякий раз и какое-то индивидуальное (собственное, как говорят астрономы) движение, связанное, например, с притяжением соседних галактик. Так вот от этих индивидуальных, собственных движений нужно отвлечься. Нужно мысленно представить себе сетку, наброшенную на всю Метагалактику. Эта сетка равномерно растягивается во все стороны в соответствии с общим регулярным расширением общей картины. Часы, расположенные в узлах такой сетки, и будут давать «чистое» время Вселенной, освобожденное от случайностей поведения индивидуальных галактик. Это собственное время всей Метагалактики как целого.
Одновременность
Мы уже говорили, что сингулярность служит естественным началом отсчета космического времени. Это было событие, одновременное для всей Вселенной. Ее вещество начало расширяться в этот момент и притом все разом. Сингулярность — событие, происшедшее в одном месте, даже в одной точке, где находилось в тот момент все вещество. Так что смысл одновременности в этом случае вполне ясен и однозначен.
Но когда речь заходит о более поздних событиях в истории Вселенной и притом происходящих в разных местах пространства, нужно всякий раз заботиться о том, чтобы точно определить, в каком именно смысле понимается одновременность событий. Например, мы должны хорошо представлять себе, что в точности означает утверждение об однородности Вселенной. Ведь речь идет здесь о разных местах пространства, которые сравнивают между собой.
Мы говорим, что сейчас плотность вещества одинакова по всей Вселенной. Сейчас — значит в нынешний момент времени. И именно в этот момент мы сравниваем плотность вещества в разных областях Метагалактики. Подразумевается, что мы видим всю картину распределения галактик как бы сразу, в один единый миг. Плотность, с которой размещаются во Вселенной галактики, убывает со временем из-за космологического расширения. Поэтому считать ее всюду по пространству одинаковой можно только при том условии, что каждая область Метагалактики, каждый ее участок, рассматривается на одном и том же этапе расширения. Иначе один участок выглядел бы более плотным (то есть более молодым), а другой — менее плотным (то есть более старым), когда бы мы наблюдали первый на более раннем, а второй — на более позднем этапе расширения. Видеть все участки одинаковыми — значит видеть их через один и тот же промежуток времени от начала расширения. В этом и состоит смысл одновременности. Это одновременность в собственной системе отсчета Метагалактики.
Можно сказать, что Метагалактика предстает перед нами однородной лишь на «моментальной фотографии», снятой в таких воображаемых лучах, которые распространяются мгновенно, с бесконечной скоростью. Иначе как бы мы увидели ее всю сразу и одновременно. А как выглядела бы Метагалактика, «снятая» в реальных световых лучах?
Астрономические наблюдения — оптические и радио-, в инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучах — ведутся с помощью электромагнитных волн различной частоты. Они распространяются вдоль светового конуса и показывают картину неба с запаздыванием на определенное время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние, разделяющее нас и наблюдаемый объект. Солнце мы видим с задержкой 8 мин; свет от звезд Галактики идет к нам десятки и сотни лет, а от далеких галактик и скоплений — миллионы и сотни миллионов лет. Чем дальше объект, тем в более раннюю эпоху мы видим его. Наблюдая распределение и движение галактик, мы получаем сведения о тех их свойствах, которыми они обладали в очень отдаленном, по нашим обычным понятиям, прошлом. Но по масштабам Вселенной разница в сотни миллионов лет не очень велика. Ее расширение происходит в таком темпе, что расстояния, а с ними и космическая плотность вещества заметно меняются лишь за миллиарды лет. Потому-то плотность в близкой области Вселенной, где видны галактики, и представляется нам одинаковой, однородной.
Если бы, однако, можно было заглянуть на большие расстояния, то есть в более далекое прошлое, мы, очевидно, обнаружили бы, что там (то есть тогда) плотность больше, чем вблизи (то есть сейчас). Снимок, сделанный в реальных лучах, показал бы, таким образом, Вселенную неоднородной по плотности: чем дальше от нас, тем плотнее. На таком снимке и само физическое пространство, в соответствии с общими принципами эйнштейновской теории, должно быть неоднородным по своим геометрическим свойствам.
Срезы времени
Итак, имеются два разных «снимка»: какой из них правильный? Казалось бы, второй, он соответствует действительной процедуре наблюдений. Но и первый (моментальный), хотя и не может быть получен непосредственно в наблюдениях, тоже показывает реальную Вселенную. Снимки сильно отличаются друг от друга и, прежде всего, тем что в одном случае космическая плотность и само пространство однородны, а в другом никакой однородности нет.
Различия касаются свойств видимой Вселенной в целом. Но если не уходить далеко, а ограничиться какой-то не очень большой окрестностью, оба снимка, очевидно, покажут приблизительно одно и то же. Различия, связанные с запаздыванием света, тем меньше, чем меньше область наблюдений. В действительности оба снимка правильные и друг другу не противоречат. Но их различие показывает, что, когда речь идет о больших объемах пространства и больших промежутках времени, само пространство и само время по-разному проявляют себя в разных наблюдениях.
Согласно принципам общей теории относительности, как время, так и пространство не абсолютны, их свойства не заданы раз навсегда, а зависят, как уже не раз упоминалось, от тяготеющих масс. Время и пространство не абсолютны еще и в другом смысле: они по-разному могут быть отделены друг от друга, выделены из единого четырехмерного пространства- времени.
