Космология и пространство-время

Теперь мы можем проиллюстрировать космическую историю, объединив концепции расширяющегося пространства и описание пространства-времени в виде буханки хлеба (блока), как в главе 3. Вспомним, что в образе буханки каждый ломтик — хотя он и двумерный — представлял всё трёхмерное пространство в отдельный момент времени с точки зрения одного определённого наблюдателя. Другие наблюдатели разрезают блок пространства-времени под другими углами, в зависимости от их относительного движения. В примерах, с которыми мы сталкивались ранее, мы не принимали во внимание расширение пространства, а, напротив, представляли, что ткань космоса фиксирована и неизменна во времени. Теперь мы можем уточнить те примеры, включив космологическую эволюцию.

Для этого рассмотрим точку зрения наблюдателей, которые покоятся по отношению к пространству, — наблюдателей, движение которых возникает исключительно за счёт космического расширения, точно так же, как у приклеенных к воздушному шару монеток с изображениями Линкольна. Снова, хотя наблюдатели двигаются друг относительно друга, среди всех таких наблюдателей имеется симметрия — их часы идут синхронно, — так что они нарезают блок пространства-времени в точности одинаково. Только относительное движение, добавленное к движению, связанному с расширением пространства, только относительное движение через пространство, как нечто противоположное движению из-за расширения пространства, будет приводить к рассинхронизации часов и расположению их сечений блока пространства-времени под разными углами. Следует также указать точную форму пространства, и в целях сравнения мы рассмотрим некоторые из возможностей, обсуждавшихся выше.

Простейший пример — это плоская и конечная форма пространства, форма видеоигры. На рис. 8.7а показано одно сечение такой Вселенной, схематическое изображение, которое вы должны рассматривать как представляющее всё пространство прямо сейчас. Для простоты представим, что наша Галактика, Млечный Путь, находится в середине фигуры, но будем помнить, что нет местоположения, которое каким-либо образом было бы выделено по сравнению с любыми другими. Даже края являются иллюзией. В верхней части рисунка пространство не заканчивается, поскольку вы можете пройти через край и появиться снова внизу; аналогично, слева пространство также не заканчивается, поскольку вы можете пересечь левый край и появиться снова справа. В соответствии с астрономическими наблюдениями каждая сторона должна распространяться по меньшей мере на 14 млрд световых лет (около 132 млрд трлн км) от своей центральной точки, но может быть и намного больше.

Рис. 8.7. (а) Схематическое изображение, представляющее всё пространство в настоящий момент, в предположении, что пространство плоское и конечное по протяжённости, т. е. имеющее форму экрана видеоигры. Заметьте, что галактика вверху справа продолжается через край вверху слева. (б) Схематическое представление изображения всего пространства в его эволюции во времени. Для ясности выделено несколько временны?х слоёв. Отметим, что полный размер пространства и расстояние между галактиками уменьшаются, по мере того как мы смотрим всё дальше назад, вглубь времени

Отметим, что сейчас мы не можем буквально видеть звёзды и галактики, как нарисовано на данном слое настоящего, поскольку, как мы обсуждали в главе 5, для света, испущенного любым объектом прямо сейчас, требуется время, чтобы достичь нас. А свет, который мы видим, когда смотрим вверх в ясную тёмную ночь, испущен очень давно — миллионы и даже миллиарды лет назад — и только сейчас завершил долгий путь к Земле, попав в телескоп и позволив нам восхититься чудесами глубокого космоса. Поскольку пространство расширяется, много лет назад, когда этот свет был испущен, Вселенная была намного меньше. Это показано на рис. 8.7б, на котором наш текущий слой настоящего помещён на правом краю буханки и показана последовательность сечений, которые изображают нашу Вселенную во всё более ранние моменты времени (левее слоя настоящего). Как вы можете видеть, общий размер пространства и расстояния между отдельными галактиками уменьшаются, когда мы рассматриваем Вселенную во всё более ранние моменты времени.

На рис. 8.8 вы можете видеть историю света, испущенного удалённой галактикой, возможно миллиард лет назад, путешествующего по направлению к нам в Млечный Путь. На начальном сечении в рис. 8.8а свет сначала испускается, и через последовательные сечения он оказывается всё ближе и ближе, в то время как Вселенная становится всё больше и больше, и наконец вы можете видеть, как он достигает нас на самом правом (на картинке) временном сечении. На рис. 8.8б, соединяя местоположения на каждом сечении, через которые проходит фронт света во время своего путешествия, мы показываем путь света через пространство-время. Поскольку мы получаем свет со многих направлений, на рис. 8.8в показаны примеры нескольких траекторий через пространство и время, которые выбирают различные лучи света, чтобы достичь нас в настоящем.

Рис. 8.8. (а) Свет, испущенный очень давно из удалённой галактики, оказывается всё ближе и ближе к Млечному Пути, что показано на последовательных временных сечениях. (б) Когда мы, наконец, увидим удалённую галактику, мы смотрим на неё как через пространство, так и через время, поскольку свет, который мы видим, испущен очень давно. Выделен путь через пространство-время, который прошёл свет. (в) Пути через пространство-время, проходимые светом, испущенным различными астрономическими телами, которые мы видим сегодня

Эти рисунки ярко показывают, как свет из космоса может быть использован в качестве хранилища космического времени. Когда мы смотрим на галактику Андромеды, свет, который мы получаем, был испущен примерно 2 млн лет назад, так что мы видим её такой, какой она была в далёком прошлом. Когда мы смотрим на скопление галактик Волосы Вероники, свет, который мы получаем, был испущен около 300 млн лет назад, и поэтому мы видим скопление галактик Волосы Вероники таким, каким оно было в ещё более ранние эпохи. Если прямо сейчас все звёзды во всех галактиках этого скопления взорвутся как сверхновые, мы всё ещё будем наблюдать всё тот же невозмущённый образ скопления галактик Волосы Вероники, и это будет продолжаться ещё 300 млн лет; только тогда свет от взорвавшихся звёзд достигнет нас. Аналогично, астроном в скоплении Волосы Вероники, который в нашем текущем слое настоящего направил сверхмощный телескоп по направлению к Земле, будет видеть изобилие папоротников, членистоногих и ранних рептилий; он не увидит Великую китайскую стену или Эйфелеву башню ещё почти 300 млн лет. Конечно, этот астроном, хорошо разбирающийся в основах космологии, понимает, что он видит свет, испущенный из давнего прошлого Земли, и, разрезая свою собственную космическую пространственно-временную буханку, будет относить ранние земные бактерии к своей соответствующей эпохе, своему соответствующему выбору временно?го сечения.

Всё это подразумевает, что мы, как и астроном из скопления галактик Волосы Вероники, двигаемся только с космическим потоком, связанным с расширением пространства, поскольку это гарантирует, что его сечения пространственно-временно?го блока соответствуют нашим, — это гарантирует, что его списки настоящего согласуются с нашими списками настоящего. Однако если он нарушит стройность рядов и станет быстро двигаться через пространство в дополнение к космическому потоку, его временны?е слои будут наклонены по отношению к нашим, как на рис. 8.9. В этом случае, как и в случае с Чуви в главе 5, настоящее этого астронома будет соответствовать тому, что мы рассматриваем как будущее или как прошлое (в зависимости от того, направлено ли дополнительное движение к нам или от нас). Нужно отметить, что его временны?е слои больше не будут пространственно однородными. Каждый наклонённый слой на рис. 8.9 пересекает Вселенную в ряде различных эпох, так что эти сечения далеки от однородности. Это существенно усложняет описание космической истории, вот из-за чего физики и астрономы, как правило, не рассматривают такие точки зрения. Обычно же рассматривают точку зрения наблюдателей, которые двигаются только с космическим потоком, поскольку это даёт однородные сечения, — но, строго говоря, каждая точка зрения применима так же, как и любая другая.

Рис. 8.9. Временно?е сечение наблюдателя, обладающего существенным дополнительным движением по отношению к космическому потоку, связанному с расширением пространства

По мере того как мы смотрим всё левее вдоль космической пространственно-временно?й буханки, Вселенная становится всё меньше и плотнее. И точно так же, как велосипедная камера становится горячее и горячее, когда вы накачиваете в неё всё больше и больше воздуха, Вселенная становится всё горячее и горячее по мере того как материя и излучение всё больше и больше сжимаются за счёт сжатия пространства. Если мы вернёмся к одной десятимиллионной доле секунды после начала, Вселенная будет столь плотна и столь горяча, что обычная материя распадётся на первичную плазму из элементарных составляющих природы. И если мы продолжим наше путешествие назад, прямо к моменту вблизи самого «нуля» времени — времени Большого взрыва, — вся известная Вселенная сожмётся до размера, по сравнению с которым точка в конце этого предложения выглядит гигантской.[59] Плотности были настолько велики, а условия настолько экстремальны, что самые утончённые физические теории, которыми мы сегодня располагаем, не дают понимания протекавших процессов. По причинам, которые будут постепенно становиться более ясными, успешно работающие законы физики, открытые в двадцатом столетии, перестают действовать в таких экстремальных условиях, оставляя нас без руководства для понимания начала времени. Мы вскоре увидим, что недавние исследования дают надежду, но пока мы осознаём неполноту нашего понимания того, что происходило в начале, при приближении к размытому пятну на левом краю космической пространственно-временно?й буханки, — это наша версия terra incognita на картах прошлого. В качестве заключительного штриха мы даём рис. 8.10, как иллюстрирующий космическую историю несколькими широкими мазками.

Рис. 8.10. Космическая история — пространственно-временна?я «буханка» — для плоской Вселенной, имеющей конечную пространственную протяжённость. Размытое изображение наверху обозначает недостаток наших знаний о начале Вселенной