Текст книги "Краткое содержание «Кратчайшая история времени»"

Кратчайшая история времени

Введение

В этой книге объединены современные знания о происхождении и устройстве Вселенной. Авторы доступно разъясняют сложные физические проблемы и описывают новейшие представления о мироздании. Они увлекательно рассказывают, как человечество пришло к этим теориям, какие открытия делало на этом пути, как использовало результаты наблюдений с телескопов и спутников. Отправьтесь в путешествие по космосу, познакомьтесь с историей нашей Вселенной, узнайте ее тайны.

Размышления о Вселенной

Требуется сильное воображение, чтобы представить масштабы и возраст безграничного космоса. Место человека в огромной и сложной Вселенной кажется ничтожным. Трудно понять суть происходящих в ней процессов и явлений, потому что они далеки от повседневного опыта. Но мы все равно пытаемся изучить Вселенную и разгадать ее тайны.

Человечество уже многого добилось в исследовании космоса, используя научные методы и инструменты, такие как компьютеры и телескопы. Новейшие технологии отвечают на вопросы, которые веками мучили человечество. Сейчас ученые обладают множеством сведений о Вселенной. Когда-нибудь часть этих представлений будет такой же очевидной, как шарообразная форма Земли, или такой же нелепой, как идея о плоской Земле, стоящей на черепахе.

Развитие картины мира

Люди начали обращать внимание на космические явления еще в далеком прошлом. Древние греки внимательно наблюдали за ночным небом и вели подробные записи траекторий небесных светил. Они заметили пять объектов кроме Луны, которые перемещались отдельно от тысяч остальных звезд. Светила двигались в разных направлениях, за что их назвали планетами, что по-древнегречески значит «блуждающий». Это были Марс, Венера, Меркурий, Юпитер и Сатурн, только они видны невооруженным глазом.

О шарообразной форме Земли тоже догадывались еще в древности. Аристотель в 340 году до нашей эры доказывал в произведении «О небе», что Земля – не плоская плита, а сфера. Также философ считал, что Солнце, Луна, пять планет и звезды вращаются вокруг неподвижной Земли по круговым орбитам.

Представления Аристотеля развил греческий ученый Птолемей. Он создал модель Вселенной: в середине Земля, окруженная восемью обращающимися вокруг нее сферами, которые увеличивались по мере удаления. На ближайших сферах находятся планеты, на дальних – звезды.

В 1514 году Коперник предложил принципиально новую модель устройства Вселенной. Он предположил, что небесные тела вращаются не вокруг Земли, а вместе с Землей – вокруг Солнца, которое служит центром Солнечной системы.

Идея Коперника не получила поддержки вплоть до 1609 года. Итальянский астроном Галилей изобрел телескоп и обнаружил, что вокруг Юпитера обращаются несколько спутников. Раз не все небесные тела вращаются вокруг Земли, значит, Земля не центр Вселенной и может вращаться вокруг Солнца.

Теорию Коперника дополнил немецкий астроном Кеплер, который предположил эллиптическую форму орбит планет, что подтверждали наблюдения в телескоп. Модель Птолемея окончательно устарела.

Новую модель мира объяснил Исаак Ньютон в 1678 году. Он предположил, что планеты обращаются вокруг Солнца под действием определенной силы – гравитации. Эта же сила заставляет находящиеся в воздухе объекты падать вниз.

Новая модель Вселенной не предполагала никаких естественных границ, как у Птолемеевых сфер. Стало понятно, что звезды неподвижны, а их движение по небосклону вызвано вращением Земли вокруг оси. Ученые поняли, что звезды – такие же объекты, как Солнце, но очень далекие. Значит, и Солнце не центр Вселенной, а Солнечная система –одно из многих образований в огромном космосе.

Суть научных теорий

Прежде чем говорить о теориях происхождения и устройства Вселенной, нужно понимать, что такое научная теория. Хорошая теория подчиняется двум правилам:

□ предлагает модель из небольшого количества произвольных элементов, которая соответствует наблюдениям;

□ дает возможность предсказывать результаты будущих наблюдений.

Теория – это предположение. Ее невозможно доказать, сколько бы экспериментов ее ни подтверждали: нельзя утверждать, что в следующий раз не возникнет противоречия. При этом лишь одно наблюдение, которое расходится с теорией, опровергает ее.

Цель науки – создать единую теорию, которой подчиняется Вселенная. Чтобы решить эту сложную задачу, ученые разбивают ее на две большие части. Первая – это законы развития Вселенной. Вторая – первоначальное состояние Вселенной. В рамках каждой части создаются частные теории, описывая часть наблюдений и оставляя в стороне другие аспекты.

Если все во Вселенной взаимозависимо самым фундаментальным образом, то может статься, что нельзя подойти к полному решению, исследуя части проблемы по отдельности. Тем не менее, действуя таким способом в прошлом, ученые достигли известных успехов. Классический пример – все та же теория Ньютона, которая ставит гравитационное взаимодействие между двумя телами в зависимость только от одного их качества – массы, не принимая в расчет, из чего они сложены. Другими словами, нам не нужна теория внутреннего строения Солнца и планет для расчета их орбит.

Основные современные частные теории устройства мира – это общая теория относительности и квантовая механика. Первая применима к крупномасштабной структуре Вселенной, вторая описывает малые масштабы. Пока они несовместимы друг с другом: одновременно обе теории не работают.

Главная задача современной науки – найти квантовую теорию гравитации, которая объединит эти две модели и предложит единый взгляд на всю Вселенную.

Вселенная Ньютона

Аристотель полагал, что естественное состояние тела – покой, а движение ему придает приложенная сила. Из этого предположения следовало, что тяжелый предмет падает вниз быстрее легкого, так как сильнее притягивается к Земле. Никто не проверял это на практике: Аристотель считал, что законы Вселенной не требуют доказательства экспериментами.

Галилей поставил опыты, которые показали, что масса тела не влияет на скорость движения вниз. Перо опускается на землю медленнее только из-за сопротивления воздуха. Два металлических груза разной массы падают с одинаковым ускорением.

Ньютон использовал результаты экспериментов Галилея для создания законов движения. Он предположил, что приложенная сила не приводит тело в движение, а изменяет его скорость. Пока сила не действует, тело перемещается по прямой с постоянной скоростью. Так звучит первый закон Ньютона.

Также Ньютон утверждал, что тело ускоряется в темпе, который пропорционален приложенной силе и обратно пропорционален массе. Это второй закон Ньютона.

Всем, кто имел дело с автомобилями, известно: чем мощнее двигатель, тем больше ускорение, а при одной и той же мощности двигателя более тяжелая машина ускоряется медленнее.

Ньютон также описал действие определенного вида сил – гравитации. Его теория гласит, что сила притяжения двух объектов друг к другу пропорциональна их массам. Если масса одного тела возрастает в два раза, сила притяжения увеличивается вдвое. Поэтому тела падают с одинаковым ускорением: чем больше масса, тем сильнее сила притяжения, но и тем меньше ускорение.

Относительность

В 1676 году датский астроном Рёмер доказал, что свет движется с конечной скоростью. Он наблюдал за спутниками Юпитера и заметил, что чем ближе планета к Земле, тем раньше наступают затмения спутников. Рёмер измерил разницу во времени при разной удаленности Юпитера от Земли и вычислил скорость света. Величина получилась неправильной из-за неточных измерений расстояния до планеты – 225 тысяч, а не 300 тысяч км/с.

В 1865 году английский физик Максвелл предложил теорию распространения света. Он взял за основу уже существующие представления об электрических и магнитных силах и объединил их, предположив наличие электромагнитного поля. Согласно уравнениям Максвелла, волнообразные возмущения поля двигаются с постоянной скоростью, равной световой.

Теория Максвелла не согласовывалась с теорией Ньютона. Волны не могут перемещаться с постоянной скоростью, если нет абсолютного стандарта покоя.

Чтобы понять это, снова представьте себя играющим в пинг-понг в поезде. Если вы направляете шарик к противнику со скоростью 10 миль в час, то для наблюдателя на платформе скорость шарика составит 100 миль в час: 10 – скорость шарика относительно поезда плюс 90 – скорость поезда относительно платформы.

Какова скорость шарика – 10 или 100 миль в час? А как вы будете ее определять? Относительно поезда? Относительно Земли? Без абсолютного стандарта покоя вы не можете определить абсолютную скорость шарика.

Чтобы согласовать обе теории между собой, ученые приняли гипотезу о существовании некой среды в пространстве, которую назвали эфиром. Тогда скорость волн измеряется относительно эфира и остается постоянной.

В 1905 году Альберт Эйнштейн создал теорию относительности, для которой не нужна идея эфира. Он предположил, что законы физики не должны зависеть от наблюдателей, в том числе движущихся с разной скоростью. Если по теории Максвелла скорость света постоянна, то любой движущийся наблюдатель должен фиксировать одинаковую скорость света вне зависимости от приближения или удаления от источника света.

Представления человечества о пространстве и времени существенно изменились благодаря теории относительности. Вместо идеи абсолютного времени Эйнштейн предложил общую сущность – пространство-время. В его теории у каждого события есть четыре координаты: три для определенной точки в пространстве и одна для времени.

Из теории относительности Эйнштейн вывел знаменитое уравнение Е = mс² (Е – энергия, m – масса, с – скорость света), по которому масса и энергия эквивалентны. Это значит, что кинетическая энергия увеличивает массу движущегося объекта. В результате его труднее разгонять.

Теория относительности несовместима с теорией Ньютона. Он утверждал, что сила притяжения двух тел немедленно меняется при изменении расстояния между ними. Теория относительности не допускает мгновенного характера действия, так как не существует скорости выше световой.

Искривленное пространство

Эйнштейн создал общую теорию относительности, которая примиряет его выводы с физикой Ньютона. Он предположил, что гравитация – следствие искривления пространства-времени.

Пространство-время изгибается под действием массы или энергии тел. В результате тела движутся по геодезическим линиям общего четырехмерного пространства-времени, а в трехмерном пространстве это выглядит, как изменение траектории.

В основе общей теории Эйнштейна лежит принцип эквивалентности. Он гласит, что масса тела при постоянном ускорении и в однородном гравитационном поле одинакова.

Представьте себе, что вы находитесь в лифте посреди пустого пространства. Нет никакой гравитации, никакого «верха» и «низа». Вы плывете свободно. Затем лифт начинает двигаться с постоянным ускорением. Вы внезапно ощущаете вес. То есть вас прижимает к одной из стенок лифта, которая теперь воспринимается как пол. Если вы возьмете яблоко и отпустите его, оно упадет на пол. Фактически теперь, когда вы движетесь с ускорением, внутри лифта все будет происходить в точности так же, как если бы подъемник вообще не двигался, а покоился бы в однородном гравитационном поле.

Из общей теории Эйнштейна следует вывод, что ход времени в разных гравитационных полях различается. Около массивных объектов вроде Земли время замедляется, так как на него действует гравитация. Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее течет время. Наблюдатель на поверхности Земли зарегистрирует более длинный интервал между сигналами, чем наблюдатель на расстоянии.

Ход времени влияет на биологические часы человека. Если один из близнецов полетит на космическом корабле с околосветовой скоростью, а другой останется на Земле, то по возращении первый будет гораздо моложе брата.

Пространство и время – не абсолютные, а динамические сущности. Они влияют на развитие Вселенной и зависят от космических процессов. Представления о неизменном мироздании уступили место идее о меняющейся Вселенной, которая появилась в прошлом и исчезнет в будущем.

Расширяющаяся Вселенная

При наблюдении звездного неба видно, что некоторые звезды немного смещаются относительно друг друга по мере движения Земли вокруг Солнца, тогда как остальные выглядят неподвижными. Движущиеся звезды находятся ближе к нам, их движение видно на фоне далеких звезд. Этот эффект относительного положения объектов называется параллакс. Параллакс звезд помог человечеству измерить расстояние до них.

Ближайшая к Земле звезда называется Проксима Центавра. Она находится на расстоянии четырех световых лет, что равно 38 миллионам миллионов километров. Многие другие звезды расположены в нескольких сотнях световых лет от Земли. Сравните с расстоянием до Солнца: всего восемь световых минут.

Современное представление о структуре Вселенной стало складываться в 1924 году. Американский астроном Эдвин Хаббл показал: Млечный Путь – не единственная галактика. Во Вселенной множество звездных скоплений, которые разделены пустыми пространствами.

Сегодня мы знаем, что звезды, видимые невооруженным глазом, составляют ничтожную долю всех звезд. Мы видим на небе примерно 5000 звезд – всего лишь около 0,0001% от числа всех звезд нашей Галактики, Млечного Пути. А Млечный Путь – лишь одна из более чем сотни миллиардов галактик, которые можно наблюдать в современные телескопы. И каждая галактика содержит порядка сотни миллиардов звезд. Если бы звезда была крупинкой соли, все звезды, видимые невооруженным глазом, уместились бы в чайной ложке, однако звезды всей Вселенной составили бы шар диаметром более тринадцати километров.

Звезды находятся так далеко, что нельзя понять их размер и форму – они кажутся светящимися точками. Цвет излучения – единственный признак, по которому различают звезды. С помощью телескопов мы можем исследовать свет, испускаемый галактиками, звездами и другими космическими объектами. Анализ спектра показывает температуру небесного тела, состав атмосферы планеты и другие характеристики.

Хаббл исследовал галактики, измерял расстояния до них и наблюдал за их спектрами. Он заметил, что большинство галактик показывают красное смещение, то есть удаляются от нас. Это поменяло представление о Вселенной – раньше ученые считали, что галактики движутся хаотично.

В 1929 году Хаббл обнаружил еще одно удивительное явление: величина красного смещения прямо пропорциональна расстоянию галактик от Земли. Чем больше расстояние до галактики, тем быстрее она движется в направлении от нас. Получается, что Вселенная не имеет определенного размера, а постоянно увеличивается. Расстояние между галактиками возрастает.

Теория тяготения Ньютона допускает такое явление. Ученые еще в восемнадцатом или девятнадцатом веках могли бы предсказать, что Вселенная расширяется. Но вера человечества в статичное и неизменное мироздание была сильнее и сохранялась до начала двадцатого века.

Сам Эйнштейн вначале тоже не допускал динамичного состояния Вселенной. В 1915 году он добавил в общую теорию космологическую постоянную – особый член в уравнении, который допускал статичность Вселенной. Позже ученый убрал эту величину из уравнения и признал ее своей крупнейшей ошибкой.

Российский ученый Александр Фридман не пытался решить противоречие в теориях, чтобы сохранить статичность Вселенной. Наоборот, он настаивал на ее расширении. Фридман предложил два простых факта:

1. Вселенная выглядит одинаково вне зависимости от направления взгляда.

2. Первое предположение верно для любой точки наблюдения.

С помощью этих предположений и уравнений общей теории относительности Фридман доказал, что Вселенная динамична. Он доказал, что галактики удаляются друг от друга. Этот эффект можно сравнить с надуванием воздушного шара, в процессе которого точки на его поверхности разбегаются. На шаре нет такой области, которая была бы центром расширения. И чем больше расстояние между точками, тем быстрее скорость их разбегания.

С помощью предположений Фридмана можно предложить три модели Вселенной, так как уравнения Эйнштейна в таких случаях допускают три варианта решений. Сам ученый предпочел первую модель.

1. Согласно первой модели, Вселенная расширяется медленно. Сила притяжения между галактиками останавливает расширение. Когда это произойдет, галактики начнут сближаться. Вселенная перестанет расширяться и начнет сжиматься.

2. Вторая модель предполагает, что Вселенная увеличивается очень быстро. Гравитация тормозит удаление галактик друг от друга, но недостаточно, чтобы остановить расширение.

3. Третий вариант предлагает такую скорость расширения Вселенной, которая не дает ей сжиматься. Скорость уменьшается со временем, но никогда не достигнет нуля.

Современные космические телескопы показывают, что в ближайшее время Вселенная будет расширяться с увеличивающейся скоростью. Но как она появилась и что заставило ее расширяться?

Большой взрыв и черные дыры

Если решить уравнения Эйнштейна, учитывая существующее количество материи во Вселенной, то получится один интересный факт: около 13,7 миллиарда лет назад расстояние между галактиками было равно нулю. Это значит, что Вселенная была точкой с нулевым радиусом и бесконечной плотностью. Такой момент ученые называют Большим взрывом.

События до Большого взрыва не важны для науки, так как они не имеют последствий в нашей Вселенной. Поэтому ученые считают, что отчет времени начинается с Большого взрыва. Что привело к Большому взрыву, кто создал подходящие для него условия, что было до него – это ненаучные вопросы.

Перед учеными встала задача объяснить, каким образом из этой сжатой в точку Вселенной развилось существующее мироздание. Алан Гут предположил, что в первое время после Большого взрыва Вселенная расширялась с огромной, постоянно нарастающей скоростью. Этот процесс назвали инфляцией.

Гут выдвинул теорию, что Вселенная увеличилась в миллион миллионов миллионов миллионов раз всего за долю секунды. Резкая инфляция разгладила неоднородности первоначальной Вселенной, подобные складкам на сдутом воздушном шаре. Так Вселенная стала однородной и гладкой, какой мы ее наблюдаем сейчас.

Через несколько часов после Большого взрыва сформировались ядра гелия, лития и нескольких других элементов. Вселенная продолжала расширяться. В течение следующих миллионов лет не происходило никаких событий. Затем температура Вселенной снизилась до нескольких тысяч градусов. Энергия электронов и ядер элементов тоже понизилась и больше не могла противостоять силе электромагнитного притяжения. Ядра и электроны притягивались друг к другу и формировали первые атомы.

В некоторых областях расширяющейся Вселенной плотность была выше средней. Большое количество вещества образовывало гравитационное притяжение, которое тормозило и останавливало расширение. В этих местах вещество стало сжиматься.

Скопления газа из водорода и гелия в первоначальных галактиках разбивались на отдельные облака. Они сжимались под действием притяжения, атомы сталкивались между собой, выбрасывая много тепла. Температура внутри коллапсирующих облаков достигала значений, достаточных для ядерного синтеза. Облака стали звездами, которые сжигают водород, превращают его в гелий и выделяют тепло и свет.

Со временем топливо звезды кончается, она начинает остывать. Притяжение опять вступает в силу, заставляя атомы сближаться между собой. Звезда опять разогревается, но в этот раз ненадолго. Некоторое время она может гореть, под действием высокой температуры превращая гелий в углерод или кислород. Но эти реакции высвобождают мало энергии, поэтому скоро наступает кризис звезды.

Центральные части звезды продолжают сжиматься, пока не достигнут предельно плотного состояния. В результате появляются черные дыры.

Раньше считалось, что скорость света настолько велика, что гравитация не успевает воздействовать на частицы света. Но когда ученые установили точную скорость света, стало понятно, что сила притяжения действует на свет.

Профессор Джон Мичелл предположил, что свет достаточно плотной звезды будет возвращаться под действием гравитации. Частицы света не успеют далеко распространиться и будут притягиваться назад. Такая звезда представляет собой пустоту в пространстве и называется черной дырой.

Теория относительности гласит, что ничто не перемещается быстрее света. Если свету не под силу покинуть черную дыру, то ничто другое тоже не вырвется из нее. Вокруг сжатой звезды находится область пространства-времени с сильным гравитационным полем, который ничто не в состоянии преодолеть. Внешняя граница такой области называется горизонтом событий.

Раньше черные дыры казались удивительным и редким явлением. Сейчас ученые понимают, что это распространенные объекты во Вселенной. Современные телескопы работают в рентгеновском и гамма-диапазонах и находят огромное количество черных дыр. Например, один спутник исследовал небольшой участок неба и обнаружил на нем полторы тысячи черных дыр. Такая дыра есть и в нашей Галактике – в самом центре. Ее масса больше массы Солнца в миллион раз.

Когда массивная звезда коллапсирует и образует черную дыру, внешние слои иногда выбрасываются в пространство под действием взрыва. Такое явление называют вспышкой сверхновой. Мощный взрыв делает сверхновую невероятно яркой – она светит ярче, чем все звезды одной галактики вместе взятые.

Взрыв сверхновой выпускает в пространство тяжелые элементы, которые образовались в звезде перед превращением в черную дыру. Эти вещества находятся в межзвездном пространстве и позже формируют звезды и планеты. Таким образом появилась наша Земля и другие планеты Солнечной системы. Большинство тяжелых элементов на Земле, включая золото или уран, представляют собой остатки сверхновых звезд, вспыхнувших еще до существования Солнечной системы.