Однако самые последние открытия показали, что мир устроен еще сложней и интересней.
Наиболее значительные изменения во взглядах на мироздание связаны с работами Альберта Эйнштейна. Великий физик доказал, что свойства пространства определяются содержащейся в нем материей.Материя искривляет пространство. Это искривление и порождает то притяжение между телами, которое мы ощущаем как силу тяжести.
В искривленном пространстве все привычные нам законы геометрии нарушены: сумма углов треугольника не равна 180°, отношение длины окружности к ее диаметру не равно я, параллельные прямые пересекаются...
Под прямой линией в искривленном пространстве, как и в обычном, понимают траекторию луча света, который всегда выбирает кратчайший путь между двумя точками. Присутствие материи может искривлять путь светлого луча — астрономы убеждаются в этом на опыте, наблюдая свет от далеких звезд, проходящий вблизи края Солнца.
Если материи много или она сильно сконцентрирована, то это так искривляет пространство, что оно становится зам-кнутым. Лучи света уже не могут вырваться за его пределы. Тем более это невозможно для всех тел, скорость которых меньше скорости света. Внешнему наблюдателю такая замкнутая область пространства представляется совершенно черной. Отсюда и название подобных объектов — «черная дыра».
Не исключено, что наша Вселенная тоже являет собою замкнутый мир. Это зависит от средней плотности вещества в ней. Если вещества во Вселенной (включая массу звезд, галактик, межзвездной пыли и газа) столько, что в среднем на каждый кубический метр приходится больше десяти атомов, то мир наш замкнут; если меньше — то он открыт. К сожалению, точность оценок плотности вещества во Вселенной пока недостаточна, чтобы разрешить этот интереснейший вопрос.
То, что свойства пространства связаны со свойствами дополняющей его материи, можно назвать величайшим открытием современной науки. Эйнштейн описал эту связь в виде системы очень сложных уравнений, куда входит плотность вещества и радиус кривизны пространства.
Эйнштейну не удалось решить эти уравнения. Дело в том, что в соответствии с представлениями своей эпохи он искал ответ, опираясь на постоянные, неизменные значения радиуса кривизны и плотности вещества. Ответ не находился, и тогда Эйнштейн начал искусственно менять свои уравнения, внося в них неоправданные теорией дополнения.
Найти решение уравнений Эйнштейна удалось в 1922 году выдающемуся советскому математику А. А. Фридману. Фридман доказал, что радиус кривизны пространства — величина непостоянная. Она должна либо расти, либо уменьшаться со временем. Вместе с радиусом меняются расстояния между всеми телами во Вселенной.
Теоретические предсказания Фридмана блестяще подтвердились в наблюдениях астрономов. Оказалось, что Вселенная расширяется. Галактики удаляются от нас. Причем, чем больше расстояние до галактики, тем быстрее она убегает. Скорость расширения возрастает на 25 километров в секунду с каждым миллионом световых лет. Самые далекие видимые сейчас объекты — квазары удаляются со скоростью, достигающей 80 процентов от скорости света. Свет от квазаров идет до нас 10 миллиардов лет. Граница, где скорость расширения достигает скорости света, должна находиться на расстоянии около 12 миллиардов световых лет.
Но если галактики все время удаляются от нас, значит, в прошлом они были ближе. Чем дальше в прошлое, тем меньше расстояния, тем теснее мир. Если решения, найденные Фридманом, продолжить в прошлое на 12 миллиардов лет, получается, что вся Вселенная помещалась тогда в одной точке в состоянии с бесконечной плотностью материи. В результате взрыва невообразимой мощности 12 миллиардов лет назад началось то расширение вселенной, которое мы наблюдаем.
Такова наиболее распространенная (но не единственная из обсуждаемых в настоящее время) гипотеза о строении и эволюции Вселенной. Возможно, что на самом деле никакого взрыва не было, а радиус мира совершает колебания от некоторого минимального до некоторого максимального значения. Так что через несколько миллиардов лет расширение сме¬нится сжатием, а потом снова расширением и так далее.
Общее для всех этих гипотез — представление о Вселенной как о шаре радиусом примерно в 12 миллиардов световых лет, довольно равномерно заполненном материей в виде звезд и галактик. Данные астрономических наблюдений как будто бы подтверждают эти взгляды.
Тем не менее, недавно советские физики Д. Д. Соколов и В. Ф. Шварцман выдвинули гипотезу, резко противоречащую принятым взглядам на строение мира. По их мысли, мир может быть примерно в десять раз меньших размеров, чем мы думаем, но устроен значительно сложней.
Но как же быть с данными наблюдений? Д. Д. Соколов и В. Ф. Шварцман показали, что противоречий с наблюдениями у их гипотезы на самом деле нет.
И хотя свет от самых далеких видимых объектов должен идти к нам 12 миллиардов лет, расстояние до этих границ может быть значительно меньше.
Разве так может быть? Может, но не в обычном, а в склеенном мире.
Что же это такое — склеенный мир?
Формально — математически склеенный мир получается путем отождествления противоположных границ пространства. Конечно, довольно трудно себе представить, как это можно сделать и как будет выглядеть такой мир.
Чтобы облегчить задачу, давайте вместо нашего трехмерного мира, имеющего длину, ширину и глубину, рассмотрим двухмерный мир, имеющий только длину и ширину. Хорошей моделью такого двухмерного мира может служить простой листок бумаги. Превратить этот мир в склеенный очень просто — достаточно свернуть бумагу в трубку и склеить соприкасающиеся концы. При этом надо все время помнить, что наш модельный мир — двух¬мерный. И мы сами, и звезды, и лучи света могут перемещаться только на поверхности бумаги.
Теперь представьте, что вы находитесь в этом склеенном мире и смотрите на какую-нибудь звезду. Лучи света идут от звезды к нашему глазу кратчайшим путем — по геодезической линии. В обычном мире мы привыкли, что геодезическая линия только одна — это прямая линия, идущая от объекта в точку наблюдения. В склеенном мире все не так. Геодезических линий здесь может быть множество. Свет от звезды может попасть в наш глаз, обойдя поверхность мира кругом, через склеенные границы. Другой луч обойдет мир дважды, трижды и так далее.
Каждый из этих лучей создаст свое изображение звезды. Действительно, любой предмет кажется нам расположенным в том направлении, откуда свет попадает в глаз. Сядьте перед зеркалом, а сбоку от зеркала поставьте, например, свечу. Вы увидите свечу в зеркале, расположенной теперь как бы в другой точке пространства.
То же самое происходит с изображением звезд в склеенном двухмерном мире. Если луч от звезды пришел к нам по кратчайшему пути (а не обежал вокруг мира), то мы увидим звезду в той точке пространства, где она в самом деле находится. Это"изображение получило название оригинала. Оригинал соответствует тому изображению, которое было бы видно в обычном, не склеенном мире.
Если же свет обогнул склеенный мир, то наш глаз увидит звезду на продолжении прямой, проведенной через последний отрезок на пути луча. А расстояние до изображения будет равно всей длине пути, пройденного светом.
Значит, звезду мы увидим вовсе не на том месте, где она действительно находится, и не на истинном ее удалении от нас. Такое изображение звезды авторы гипотезы предположили назвать духом-.
Так как направление лучей с каждым новым обходом вокруг мира все больше отклоняется от направления на оригинал, то духи располагаются цепочкой и кажущееся расстояние до каждого следующего духа возрастает.
В склеенном мире луч света может обходить мир и вправо и влево. Поэтому цепочки духов будут видны по обе стороны от оригинала.
Такова ситуация в склеенном мире.
Значительно сложнее разобраться в явлениях, происходящих в склеенном трехмерном мире. Простейшая модель такого мира — трехмерный тор. Такая конфигурация отождествления (склейки) противоположных граней параллелепипеда.
Это довольно трудно вообразить, так как требуется мысленно выйти за пределы привычного мира и изогнуть его в четвертом измерении.
Можно попытаться понять это таким образом. Представьте себе, что вы находитесь в комнате, у которой потолок каким-то фантастическим образом смыкается, совмещается с полом. Луч света от какого-нибудь предмета, идущий под углом вверх и упершийся в потолок, попадает в соответствующую точку пола и распространяется дальше, параллельно первоначальному пути.
Что же вы увидите в этом случае? Вы увидите предмет как бы отраженным в полу, как в зеркале. Но только предмет будет виден вам сверху (вниз с потолка!), а не снизу, как было бы, если бы пол и впрямь оказался зеркальным.
В трехмерном склеенном мире число духов значительно увеличивается. Ведь теперь их образуют не только те лучи, которые идут от объекта вправо и влево, как в примере со склеенным листом, но даже и лучи, идущие вверх и вниз, вперед и назад.
Так что только первичных духов (образованных лучами света, пересекающими склеенную границу один раз) у каждого предмета будет 6. Вторичных духов станет уже 30. Далее число духов стремительно возрастает — по мере роста случаев пересечения границ. Хорошо еще, что при этом возрастает расстояние до духов, а яркость соответственно падает. Иначе оригинал вообще не удалось бы отыскать в толпе духов.
Итак, в теории все выходит довольно забавно. Но имеет ли эта хитрая премудрость отношение к реальному миру, в котором мы живем?
Попробуем проверить предположение, что мы живем в склеенном мире. Как изменится картина окружающего мира, не вступит ли она в противоречие с тем, что мы видим на самом деле?
Прежде всего, если склеенный мир не слишком тесен и расстояние до его границ достаточно велико, то вид нашего ближайшего окружения совершенно не изменится. Все звезды, расположенные от нас на расстоянии меньшем, чем расстояние до ближайшей границы, будут только оригиналами.
На более далеких расстояниях среди оригиналов начнут попадаться и духи. Если мы находимся не в самом центре склеенного мира, то расстояние до его границ в разных направлениях будет разным. Поэтому образуется промежуточная область, где есть оригиналы и духи.
Наконец, самые далекие объекты, расстояние до которых превышает максимальное расстояние до границ склеенного мира, могут быть только духами.
Если наш мир и на самом деле склеенный и хотя бы одна из его границ расположена от нас на расстоянии меньшем, чем кажущееся расстояние до далеких галактик, значит, хотя бы часть этих галактик — духи.
Но разобраться, которые из них оригиналы, а которые духи, довольно сложно. Ведь духи могут быть разбросаны по разным участкам неба, видны нам под другим углом и удалены от нас гораздо больше, чем оригинал.
Поэтому неудивительно, что до сих пор никто и не заметил, что многие звезды и галактики на самом деле — духи. Но теперь, когда подозрение высказано, интересно было бы посмотреть повнимательнее на снимки звездного неба.
Если удастся найти на небе один и тот же объект, который виден сразу в разных местах, то можно будет сделать вывод, что наш мир и в самом деле склеенный. А измерив углы, под которыми видны духи, и определив расстояние до них, можно будет установить и размеры склеенного мира. Итак, что же видно на небе?
Прежде всего, ближайшие к нам звезды и галактики, очевидно, не могут быть духами, потом что всякий дух должен находиться дальше оригинала. Сравнение формы и строения ближайших галактик показывает, что по крайней мере до расстояния около 30 миллионов световых лет среди них нет духов, так как они все не похожи друг на друга.
Для больших расстояний метод анализа галактик по их индивидуальным особенностям же не годится, так как за то время, пока свет дойдет до нас, строение галактик может измениться настолько, что их трудно будет узнать.
Время, необходимое для такого изменения, можно оценить, разделив размер галактики на характерную скорость движения отдельных ее звезд. Например, размеры нашей Галактики около 30 000 световых лет, а характерная скорость движения звезд — 300 километров в секунду, или одна тысячная световой. Так что для нашей Галактики время изменения получается как раз 30 миллионов лет.
Эту трудность можно преодолеть, если исследовать не отдельные галактики, а их скопления. Особенно удобны так называемые правильные скопления. Эти скопления имеют шаровую форму, поэтому их вид не зависит от угла, под которым их рассматривают. Радиус таких скоплений в среднем около 15 миллионов световых лет, скорость движения входящих в них галактик — порядка 1000 км в секунду, так что вид правильных скоплений не меняется в течение примерно 5 миллиардов лет — время, вполне достаточное, чтобы свет дошел до нас из далеких областей.
Отличать скопления друг от друга можно по числу входящих в них галактик, по их составу (галактики бывают эллиптические, сферические, спиральные), по радиусу скопления.
Возможности нынешних земных телескопов позволяют нам наблюдать несколько десятков тысяч правильных скоплений галактик. Из них около 12 тысяч внесены в специальные каталоги, где указаны координаты скоплений и важнейшие их особенности.
Поиски духов среди скоплений галактик даже по этим каталогам — очень трудная работа. Разные авторы по-разному определяют границы скоплений и число входящих в них галактик. Кроме того, в каталогах описано лишь около половины небесной сферы. Отсутствуют наблюдения в большей части южного полушария, а часть неба северного полушария закрыта темными облаками пыли вблизи центра нашей Галактики.
Из-за всех этих трудностей найти четкую последовательность какого-нибудь оригинала и его духов в каталогах не удалось. Установлено только, что на расстоянии до 2,5 миллиардов световых лет встречаются скопления, которые, несомненно, являются оригиналами. Это следует из богатства их состава. (В более близких к нам скоплениях число галактик меньше, а дух не может быть строен сложнее оригинала.)
Вообще говоря, расстояние до границ склеенного мира может быть различным в разных направлениях. Два из них можно оценить: расстояние до ближайшей и до самой далекой границы.
Минимальное расстояние до границы в склеенном мире определяется тем, что на всем этом расстоянии (считая от точки наблюдения) нет ни одного духа, только оригиналы. Максимальное расстояние, наоборот, таково, что вся область за ним заполнена только духами.
Результаты наблюдений за особенностями структуры отдельных галактик (упоминавшиеся выше) показывают, что расстояние до ближайшей границы склеенного мира никак не меньше 30 миллионов световых лет.
По анализу правильных скоплений галактик можно оценить и расстояние до самой удаленной границы склеенного мира. Оно составляет по крайней мере 2,5 миллиарда световых лет, а может быть, и больше. Просто для более далеких областей у нас нет данных.
Кстати, если наш мир даже и не склеенный, то среди видимых на небе звезд и галактик все равно могут попадаться духи. Их способны породить черные дыры.
Свет от далекой звезды, проходя вблизи черной дыры, отклоняется под действием ее мощного тяготения и приходит на Землю, изменив направление. Именно в этом, новом направлении мы и увидим звезду-дух. Итак, склеен ли наш мир?
Ответом на этот вопрос могут быть только дальнейшие наблюдения. Авторы гипотезы дают следующие рекомендации наблюдателям: искать участки неба, которые можно совместить друг с другом путем сдвига по небесной сфере, поворота, отражения и изменения кажущегося расстояния. Можно искать также цепочки из все более далеких объектов, первый из которых — оригинал, а остальные — духи. Духи должны быть расположены на равных расстояниях друг от друга. Такая четкая периодичность в расстояниях между далекими объектами вряд ли может возникнуть случайно.
Подобную периодичность в расположении квазароподобных радиоисточников отметили еще в 1972 году американские ученые Г. Бербидж и Л. Делл. Этот период, по их оценкам, соответствует расстоянию примерно в один миллиард лет, что не противоречит оценке расстояний до границ склеенного мира, которую получили Д. Д. Соколов и В. Ф. Шварцман.
Так что, похоже, и в самом деле наш мир куда тесней, чем мы думали до сих пор....
В. Кандыба
