Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Каким космологи представляют себе «Конец Света»?

Астрономические открытия конца ХХ века показали, что наша Вселенная расширяется все быстрее. Наука решительно перечеркнула привычные еще недавно картины вселенской катастрофы – «всемирного конца света», рисовавшие, как по прошествии многих миллиардов лет Вселенная снова станет сжиматься и исчезнет, уничтоженная «Последним взрывом» (С. Хокинг).

Но вечность мироздания отнюдь не означает вечности наполняющих его творений. В своей работе «Умирающая Вселенная» американские космологи Фред Адамс и Грегори Лафлин попробовали описать судьбу вечно расширяющегося мира. По их мнению, нашей Вселенной суждено пережить шесть эпох.

Первая из них длилась буквально мгновение: 10—3² секунды. За этот миг Вселенная успела возникнуть в пламени Большого взрыва и стремительно разрастись.

Затем наступила «эпоха излучения». В ту пору Вселенная была заполнена густой, раскаленной смесью протонов и электронов. Постепенно эта смесь остыла до 3000 °C, а бурлившие в ней элементарные частицы соединились в атомы. Вселенная стала прозрачна. Теперь электромагнитное излучение беспрепятственно распространялось в ней.

В　процессе гибели Вселенной плотность вещества снизится так сильно, что распадутся галактики

Минули сотни миллионов лет. Из почти равномерно рассеянного газообразного вещества сформировались звезды, галактики и даже целые скопления галактик. Сегодня мы живем в середине так называемой «эпохи звезд» – третьей по счету эры, переживаемой мирозданием. Со временем Солнце превратится в красного гиганта. На нашей планете все будет выжжено дотла.

Через триллионы лет та же катастрофа повторится в глобальном масштабе. Скопления галактик расплавятся, образуя громадные аморфные сгустки материи. В конце концов останутся лишь такие долгоживущие объекты, как красные карлики. Именно в их окрестности могут сохраниться последние островки жизни в нашей Вселенной. Впрочем, по прошествии 100 триллионов лет «сгорят» последние звезды. Их эпоха прекратится.

Начнется «эпоха распада». Вселенная будет пуста и холодна. Бессчетные поколения звезд исчерпают все запасы своего топлива – водорода и гелия. Исключения составят лишь коричневые карлики, чья масса была слишком мала, чтобы поддерживать термоядерную реакцию в звездной «топке». Они-то свое топливо сохранят, и потому при случайном слиянии двух подобных объектов образуется красный карлик. Впрочем, событие это будет очень редким. За весь огромный период времени – начиная с 10¹⁴ и заканчивая 10²⁰ годами – на участках пространства размером с нашу Галактику образуется всего-навсего от десяти до ста новых звезд.

В ту же эпоху плотность вещества снизится так сильно, что распадутся галактики. Одни погасшие звезды, случайно сближаясь, будут сливаться друг с другом. Другие от соударений вылетят далеко за положенные им пределы и затеряются в межгалактическом пространстве. Все прочие глыбы, бывшие некогда звездами, провалятся в черные дыры, расположившиеся посредине прежних галактик. В этой кромешной тьме канет каждая десятая звезда.

После этой эпохи наше мироздание «окажется на перепутье». По одним теориям, описывающим судьбу Вселенной, протоны – основные элементы атомных ядер – со временем утратят стабильность и по прошествии 10³³—10⁴¹ лет распадутся. Если это так, то вся материя превратится в электроны, позитроны, пи-мезоны, нейтрино и гамма-излучение. «Эпоха распада» окончится, облик нашей Вселенной радикально изменится.

Теперь единственными крупными объектами в ней останутся черные дыры. Начнется их эпоха. Одни из них будут сродни крохотным кляксам, расплесканным во Вселенной. Другие окажутся огромными безднами, их масса будет в миллиарды раз больше массы Солнца. Но и они не вечны. Они тоже теряют свое содержимое. За счет квантовых эффектов они испарятся, превратившись в излучение Хокинга. Сжавшись до размеров атома, черные дыры исчезнут из нашей Вселенной, выдав напоследок вспышку лучистой энергии. Последние из них, некогда обретавшиеся посредине галактик, рассеются, словно морок, по прошествии 10¹⁰⁰ лет. Лишь резкий отсверк гамма-лучей станет «эпитафией миллиардам почивших звезд, галактик и черных дыр», – отмечает австралийский астрофизик Пол Дэвис.

Итак, во Вселенной не останется даже мало-мальски заметных скоплений вещества. Только пары из позитронов и электронов будут кружиться по своим орбитам, чей радиус, возможно, окажется больше размеров всей нашей нынешней Вселенной. Это и немудрено: к тому времени размеры мироздания увеличатся в 10⁴⁰ раз.

Электронно-позитронная идиллия продлится, на наш взгляд, «бесконечно долго», но и ей положен предел. Вселенная, скатываясь вниз по вечной лестнице времени, теряет последние капли своего содержимого, словно отброшенный кем-то сосуд, кем-то великим и непостижимым. Но сам сосуд, повторимся, вечен! Нам же по прошествии 10¹¹⁷ лет после Большого взрыва пришла пора попрощаться с этими электронами и позитронами, устроившими круговерть вселенских масштабов. Со временем, ибо оно отпущено им с лихвой, частицы, составившие эти пары, будут сталкиваться друг с другом и аннигилировать.

Что же останется, когда не останется даже элементарных частиц? Во Вселенной пребудут еще кванты света – фотоны. Сохранится также и некоторое количество нейтрино. Эту эпоху исследователи окрестили «вечной тьмой». Провидеть дальнейший ход событий не берутся и они. Впору лишь задаться вопросом: не превратится ли Вселенная в конце концов в ту самую Пустоту, которая порождает новые Вселенные?

Мы же вернемся на наше «перепутье мироздания». Мы предположили гибель протонов, и с их исчезновением, пережив эоны аннигиляции, погрузились в вечную тьму. Посмотрим же и другой сценарий. Что если протоны окажутся стабильными? Почему бы и нет? До сих пор науке не известен ни один случай распада протонов. Если крепость их и впрямь незыблема, то судьба мироздания окажется совершенно иной. Погаснут последние вспышки аннигилировавших черных дыр, но еще долго после этого события по Вселенной будут носиться оледенелые остовы звезд и планет. Пройдут эоны времени, пока их атомы вследствие реакций распада или холодных термоядерных реакций не превратятся в железо – элемент с самой благоприятной конфигурацией энергии. По оценке Фримана Дайсона, через 10¹⁵⁰⁰ лет все звезды, эти некогда ярко-огненные, раскаленные небесные тела, станут ледяными шарами, отлитыми из безупречно гладкого металла.

Однако Вселенная все еще не достигла самого низкого и, значит, наиболее стабильного энергетического уровня. Железные шары, бороздящие космическое пространство, по-прежнему будут излучать какое-то количество энергии. Пройдет 10¹⁰²⁶ (десять в степени десять в двадцать шестой степени) лет, и самые крупные железные звезды породят черные дыры, а звезды помельче взорвутся, образуя нейтронные звезды. На все это у них уйдет 10¹⁰⁷⁶ (десять в десять в семьдесят шестой степени) лет – срок, который даже помыслить трудно. Но пройдет и он. Все пространство заполонит космическая пыль. Под действием силы тяжести отдельные пылинки время от времени будут сливаться друг с другом. Эти сгустки претерпят коллапс, вновь превратятся в черные дыры, которые вслед за тем снова аннигилируют. Вселенная, как заезженная пластинка, будет какое-то время наигрывать одну и ту же мелодийку: сгущение, коллапс, аннигиляция, сгущение, коллапс, аннигиляция… Но когда-нибудь уничтожатся и эти остатки материи.

Что впереди? «Холодно, холодно, холодно. Пусто, пусто, пусто. Страшно, страшно, страшно» (Антон Чехов). И течет бесконечное Время.

Вселенная – это «мыслящий организм»?

Есть ряд фундаментальных вопросов, на которые не дают ответа ни современная физика, ни космология, ни другие науки.

Что такое материя?

Почему пространство имеет три измерения?

Почему время течет из прошлого в будущее?

Действительно ли мироздание подчиняется строгим научным законам или случайно описывается некими формулами?

Наконец, что такое сознание? Откуда оно берется?

Существующие физические теории, какими бы необычными они ни казались, не объясняют этого. Пространство всегда бывает трехмерным; в противном случае законы природы выглядели бы иначе. Только теория струн априори предполагает, что пространство имеет гораздо больше измерений, но все они, кроме привычных для нас размерностей, «свернуты» и существуют лишь в микромире.

Нет места в физике макромира и ничему случайному. Лишь в хаосе микрочастиц возможны всякого рода странности. Ну а вопросы о том, что такое сознание и существует ли внечувственное восприятие, по мнению теоретиков классической физики, вообще числятся по другому ведомству: они принадлежат науке психологии или же псевдонауке – эзотерике.

И раз уж сама логика вынесла нас за рамки современной науки, приглядимся к необычной теории физика Реджинальда Т. Кэхилла из Аделаидского университета. Начнем разговор о ней издалека. Зададимся вопросом: «Почему мы вообще осознаем мир?» Ответ вроде бы налицо: «Потому что наш мозг устроен так, что отражает реальность. Структуры мироздания, очевидно, отражаются в структурах процессов, протекающих в головном мозге». Кэхилл переиначивает эту фразу. Если мозг, познающий мир, соответствует ему и устроен подобно ему, то и мир, может быть, устроен так же, как головной мозг. Таким образом, идеальная модель мозга должна соответствовать модели мироздания.

В　гипотезе Кэхилла мир представляет собой подобие бесконечной нейрональной сети

Сейчас мозг чаще всего представляют в виде нейрональной сети. Она состоит из множества «узелков» – нервных клеток. Между ними устанавливаются определенные отношения. Две клетки иногда помогают друг другу (коэффициент соотношения равен + 1), порой мешают друг другу (коэффициент равен —1), а порой могут не иметь ничего общего друг с другом (коэффициент равен нулю).

Нейрональная сеть разворачивается поэтапно. Динамику этого развития можно рассмотреть на примере головного мозга эмбриона. Нервные клетки размножаются; одни из них образуют комплексы, другие остаются в изоляции, третьи блокируют соседние клетки, то есть подавляют распространение нервных импульсов. Мозг становится все сложнее. Он напоминает космическое пространство, в котором периодически встречаются «комплексы галактик» – их скопления – или пространство атома, в котором тоже есть «сгустки», «комплексы»: элементарные частицы.

Это звучит привычно. Загадки впереди. Кэхилл не стал определять основные элементы своей гипотетической сети. Он решил оставить их в «неявном виде». Эти элементы не должны появляться даже в формулах. А потому Кэхилл обратился к теории фракталов. Ведь их тоже нельзя свести к первоэлементу.

В последнее время ученые нередко отмечают, что распределение галактик в нашей Вселенной обладает свойствами фрактала. Так, на страницах журнала «Знание – сила» физик Владилен Барашенков писал: «Фракталы имеют склонность к повторению структуры на каждом новом этаже, поэтому, не получится ли так, что на некотором очень большом расстоянии плотность вещества Вселенной снова начнет возрастать, повторяя структуру атома… Но тут мы выходим далеко за рамки современной науки».

Итак, в гипотезе Кэхилла мир представляет собой подобие бесконечной нейрональной сети, чьи узелки невозможно определить, чьи узелки – это «неявные первоэлементы», или же «монады». Это название заставляет вспомнить учение Лейбница. В его теории монада – это психически активная субстанция, воспринимающая и отражающая других монад и весь мир. «Монада – зеркало Вселенной», – говорил Лейбниц. «Монада – бесконечно повторяющийся элемент Вселенной, с которого начинается любой ее фрактал», – уточнил бы Кэхилл.

Его монады в первые же моменты своего бытия сами превратились в сеть, чьи монады, в свою очередь, тоже превратились в разветвленные сети, чьи монады тоже превратились… – и так до бесконечности. Когда Кэхилл моделировал рождение подобной сети на компьютере, автоматически выявилось одно ее поразительное свойство. Количество узелков сети увеличивалось пропорционально квадрату расстояния. Чем не закон природы? Однако такое оказалось возможным лишь в трехмерном пространстве. Если во всех физических теориях трехмерность мироздания была его фундаментальным свойством, то у Кэхилла – лишь следствием существования Вселенной.

Не все фрактальные структуры заполняют пространство целиком, растягивая эту бесконечную сеть. Многие упорно замыкаются в себе, являются «искажениями», «дефектами» пространства. И именно эти ограниченные в своей целостности, «дефектные» фракталы образуют то, что мы называем «материей». Если сравнить фрактальную сеть с бескрайним океаном, то «дефекты» – это островки. Итак, материя, эта объективная реальность, данная нам в ощущениях, является искажением первозданного мира.

В компьютерных моделях между монадами возникали самые разные отношения. Одни из них протягивали свои «руки», находили другие монады и образовывали сети, существовавшие длительное время. Другие сети не выдерживали конкуренции, быстро распадались или сливались с имеющимися сетями. Члены этих сообществ узнавали друг друга, обладали памятью и, если у кого-то дела шли плохо, сочувствовали ему. Они, словно, элементарные частицы – участницы «квантовой корреляции», – были связаны незримыми узами, на каком бы расстоянии друг от друга ни находились.

В принципе теория Кэхилла скорее напоминает дарвиновскую теорию эволюции, чем физическую модель. Его Вселенная рождается и развивается; монады в ней возникают и гибнут, вырастают и увядают. Законы их отношений – физические законы – тоже рождаются со временем и развиваются.

В формулах Кэхилла само собой появляется и «сознание». По его представлению, это не что иное, как элементы непредсказуемого в расчетах. Эти элементы не вписываются ни в какие математические формулы, не соответствуют никакой схеме. Они выбиваются из схем и формул. Австралийский ученый называет их «шумом».

…Все эти прозрения органически сливаются в теорию Кэхилла. В ней мироздание – эта бесконечная Вселенная – так же, как и наше сознание – наша личная Вселенная, – постепенно рождаются из ничего. Рождаются, потому что отдельные узелки – монады, нейроны – встречаются друг с другом, контактируют, проникаются симпатией друг к другу, образуют новые, все более сложные структуры. Их элементы связаны друг с другом, вопреки разъединяющим их внешне пространству и времени. Оставшиеся же в изоляции узелки (во вселенском масштабе – материальные объекты) со временем отмирают.

Картина, нарисованная Кэхиллом, близка религиозному видению. Каждой монаде как будто присуща бессмертная душа. Она поддерживает связь со всеми родственными ей душами, в какой части космоса те бы ни находились. Монады тянутся друг к другу, добрая – к доброму, злая – к злому. Из их симпатий рождается напряжение бескрайнего, биполярного мира. Из их отношений рождается сам вечно меняющийся Мир, в становлении которого – в становлении Будущего, в становлении этого бесконечного Поля сознания – равно участвуют атомы, звери, люди, звезды, скопления галактик.

Другие времена, другие вселенные

Возможны ли путешествия во времени?

Машина времени! Удивительно, но в последние годы этот заветный призрак заставляет сильнее биться сердца ученых, хотя сама тема, признается Стивен Хокинг, относится к числу «политически некорректных». «Если ученый берется публично рассуждать о путешествиях во времени, он рискует вызвать возмущенную отповедь общественности. Как же?! Средства налогоплательщиков, выделяемые на серьезные исследования, беззастенчиво тратятся на какие-то пустяки!» Однако, по словам Хокинга, ученым не занимать не только гениальной прозорливости, но и обычной бытовой сметки. «Нам приходится утолять свой интерес к подобной теме, скрывая его под ничего не говорящими публике научными названиями, которые, на самом деле, подразумевают, что речь идет о путешествиях во времени».

В самом деле, вот уже четверть века, с конца 1980-х годов, ученые всерьез занимаются самой возможностью путешествий в прошлое или будущее, так сказать, «контрабандой» переправляя эту тему на страницы авторитетных научных журналов под нейтральной вывеской «замкнутые кривые времени».

Так, в 1988 году Кип Торн, Майкл Моррис и Ульви Юртсивер из Калифорнийского технологического института показали, что так называемые «червоточины» – особые туннели, ведущие из одной области Вселенной в другую, отдаленную ее часть, – можно использовать для путешествий во времени. Для этого космический корабль должен пролететь сквозь две «червоточины», которые с огромной скоростью движутся друг относительно друга. Позднее было установлено, что собственное прошлое можно отыскать, даже миновав всего одну-единственную «червоточину», один конец которой стремительно движется относительно другого.

Перемещаясь по «червоточинам», можно переноситься в прошлое или будущее, а также молниеносно перелетать с одного конца Вселенной на другой

В 1991 году американский астрофизик Джон Ричард Готт описал, как путешествовать во времени с помощью космических струн. Подобные «нити» диаметром порядка 10^—29 сантиметров могли образоваться вскоре после Большого взрыва. Заполнены они ложным вакуумом, оставшимся со времен сотворения Вселенной, а потому отрезок нити длиной 1 метр весит 100 квадрильонов тонн. Когда две бесконечно длинные струны почти со световой скоростью проносятся друг рядом с другом, они настолько искажают пространство-время вокруг себя, что космический корабль, огибающий их, переносится в свое собственное прошлое или будущее. Впрочем, машину времени можно соорудить даже из одной космической струны, сплетя ее в прямоугольную петлю. Размеры такого прямоугольника: 54 тысячи световых лет × 0,01 светового года. Огибая эту конструкцию, космический корабль попадает в прошлое. Правда, чтобы перенестись всего на год назад, масса «петли», уводящей в прошлое, должна составлять не менее половины массы всего Млечного Пути.

Почин же энтузиастам, сам того не желая, подал Эйнштейн. В его теории относительности время вело себя вопреки нашим бытовым представлениям: оно то замедляло свой бег, то мчалось, как оглашенное, а дирижировал его «адажио» и «аллегро» космонавт, уносившийся вдаль почти со скоростью света. А ведь известное – и проверенное временем – правило гласит, что произойти может все, что не запрещено законами природы. Поэтому многим ученым стало не по себе, когда обнаружилось, что, по принципиальным соображениям, теория относительности отнюдь не исключает появление машины времени.

С тех пор физики раздумывают над тем, как можно использовать формулы Эйнштейна для построения подобной машины. Выдвигаются все новые идеи.

В 2003 году британский физик Уильям Боннор выводит уравнения, описывающие, каким образом электрические и магнитные феномены общей теории относительности могут способствовать появлению так называемых «петель времени», ведущих из настоящего в прошлое и влияющих на настоящее.

В 2005 году Амос Ори из Израильского технологического института (Хайфа) показал, что машиной времени может стать сферическая оболочка, вращающаяся вокруг вакуумного кольца. Материал для такой сферы – самое обычное вещество. Возможно, подобные «машины времени» даже существуют в природе – в окрестности черных дыр, вокруг которых с бешеной скоростью вращаются гигантские массы материи.

Впрочем, пока лишь один концепт выдержал критику оппонентов. Речь идет о тех самых «червоточинах» – особых туннелях, ведущих из одной дали пространства в другую, из одной эпохи в другую.

Общая теория относительности позволяет нам однозначно описать подобную «червоточину». Как только один ее конец придет в движение, часы, висящие здесь, замедлят свой бег. По крайней мере, так будет казаться со стороны. Это явление называется релятивистским расширением времени. «Чем быстрее одна система отсчета движется относительно другой, – писал Эйнштейн, – тем сильнее время в ней замедляет свой ход». Перемещаясь по «червоточинам», можно переноситься в прошлое или будущее, а также молниеносно перелетать с одного конца Вселенной на другой. «Цивилизация, достигшая бесконечно высокого уровня развития, могла бы превратить подобную “червоточину” в настоящую машину времени», – полагает Кип Торн.

Вот пример: путешествуя по галактике, космонавт наткнулся на небольшую «червоточину». На входе в нее он оставляет своего напарника (для вящего эффекта скажем, что это его брат-близнец). Теперь, взяв на буксир другой конец «червоточины», он унесется прочь почти со световой скоростью. Через некоторое время он остановится и повернет назад, туда, где его брат ожидает окончания эксперимента. И тут выяснится, что пока наш герой «маневрировал» в космосе (это заняло совсем немного времени!), его брат изнемог от ожидания. Для него прошло, быть может, несколько десятилетий! Наш же герой ничуть даже не состарился.

Подобный мысленный эксперимент основан на «парадоксе близнецов», придуманном Эйнштейном. Согласно ему, если один из братьев остается на Земле, а другой, сев в космический корабль, уносится с огромной скоростью прочь, то для него время идет медленнее, чем для того, кто остался ждать. Благодаря «червоточине» этот парадокс к общей радости разрешается. Состарившемуся братцу достаточно потерпеть, пока его единокровный родственник не примчится назад и не привезет с собой другой конец «червоточины». Теперь, стоит юркнуть туда, можно попасть в свое прошлое. Миновав этот туннель, обретаешь давно исчезнувший мир и самого себя, только молодого, каким ты был в ту пору, когда брат пустился в путешествие.

Есть лишь одно ограничение. Отправляясь в прошлое подобным образом, можно добраться лишь до того момента, когда эту «червоточину» впервые использовали как машину времени. Проникнуть куда-нибудь дальше и стать очевидцем «времен очаковских и покоренья Крыма» или побывать в Древнем Египте – нельзя. Зато в другую сторону дорога открыта, и можно катапультироваться в будущее.

Именно релятивистский эффект позволил бы нам заглянуть в Москву даже не 2042, а 3042. Следует, например, отправиться в путь к звезде, расположенной в 500 световых годах от Земли, а затем вернуться назад. Главное, чтобы полет туда и обратно проходил со скоростью, равной примерно 99,995 % скорости света. «Когда вы вернетесь, на Земле пройдет 1000 лет, в то время как вы станете лишь на десять лет старше», – говорит один из самых известных конструкторов машин времени Джон Ричард Готт. Правда, от его теоретических озарений до практических экспериментов дистанция непомерно велика и, может быть, тоже исчисляется тысячелетиями, иронизируют оппоненты.