Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности



страница14/34
Дата04.05.2018
Размер9.31 Mb.
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   34
Рис 8.2 (а) Если равномерно распределенные монетки (1 пенни) приклеены к поверхности сферы, вид, который увидит каждый Линкольн, будет тем же самым, который увидит любой другой. Это согласуется с уверенностью, что вид из любой галактики во вселенной, в среднем, будет тем же самым, каким он будет из любой другой, (b) Если сфера расширяется, расстояния между всеми монетками увеличиваются. Более того, чем дальше монетки друг от друга разнесены на 8.2а, тем большее разделение они почувствуют из-за расширения в 8.2b.
Это хорошо согласуется с измерениями, показывающими, что чем более удалена от данной точки отсчета галактика, тем быстрее она движется прочь от этой точки. Отметим, что ни одна монетка не была выделена как специальная, что также согласуется с нашей уверенностью, что во вселенной нет специальной галактики или центра расширения пространства.

 А поскольку большее увеличение расстояния за данный временной интервал означает большую скорость, монетки, которые удалены дальше друг от друга, разлетаются более быстро. В сущности, чем дальше находятся друг от друга две монетки, тем больше поверхности воздушного шара находится между ними и тем быстрее они разлетаются в стороны, когда шар раздувается. Применяя точно такие же рассуждения для объяснения пространства и содержащихся в нем галактик, мы получаем объяснение наблюдений Хаббла. Чем дальше находятся две галактики, тем больше пространства имеется между ними и тем быстрее они будут расталкиваться прочь одна от другой при раздувании пространства.

При объяснении наблюдаемого движения галактик через раздувание пространства, ОТО не только обеспечивает объяснение, что все местоположения в пространстве трактуются симметрично, но также одним сильным броском оцениваются все данные Хаббла. Этот вид объяснения является одним из настолько элегантных шагов за пределы ящика (в этом случае, шагом, который действительно использует "ящик" – то есть, пространство) для объяснения наблюдений с количественной точностью и хитрой симметрией, что физики описывают его как едва ли не слишком прекрасное, чтобы быть неправильным. По существу, в настоящее время имеется универсальное соглашение, что ткань пространства растягивается.
Время и расширяющаяся вселенная

Используя небольшую вариацию модели воздушного шара, мы можем теперь понять более точно, как симметрия в пространстве, даже если пространство расширяется, дает понятие времени, которое однородно применимо в любом месте космоса. Представив себе, что каждая монетка заменена на одинаковые часы, как на Рис. 8.3, мы знаем из теории относительности, что одинаковые часы отсчитывают время с различным темпом, если они подвергаются различным физическим воздействиям – различным движениям или различным гравитационным полям. Но простое, хотя ключевое наблюдение заключается в том, что полная симметрия среди всех Линкольнов на раздувающемся шаре переносится на полную симметрию среди всех часов. Все часы помещены в одинаковые физические условия, так что все тикают в точности с одинаковым темпом и фиксируют одинаковое количество прошедшего времени. Аналогично, в расширяющейся вселенной, в которой имеется высокая степень симметрии среди всех галактик, часы, которые двигаются вместе с той или иной галактикой, также должны тикать с одинаковым темпом и, отсюда, фиксировать одинаковое количество истекшего времени. Как может быть иначе? Каждые часы выступают наравне с любыми другими, находясь, в среднем, примерно в одинаковых физических условиях. Это опять показывает ошеломительную силу симметрии. Без каких-либо расчетов или детального анализа мы обнаружили, что однородность физического окружения, как это подтверждается однородностью микроволновой фоновой радиации и однородным распределением галактик в пространстве,[8] позволяет нам сделать заключение об однородности времени.

Хотя обоснование здесь проведено непосредственно, заключение может, тем не менее, сбить с толку. Поскольку галактики все разбегаются прочь по мере расширения пространства, часы, которые двигаются вместе с той или иной галактикой, также разбегаются прочь. И это не все, они двигаются друг относительно друга с гигантском диапазоне скоростей, определяемом гигантским диапазоном расстояний между ними. Не будет ли это движение вынуждать часы рассинхронизироваться, как нас учил Эйнштейн в СТО? По ряду причин ответ будет – нет; здесь приводим один особенно полезный способ подумать об этом.

Вспомним из Главы 3, что Эйнштейн открыл, что часы, которые двигаются через пространство различными способами, отсчитывают время с различными темпами (поскольку они переводят различные количества их движения через время в движение через пространство; вспомните аналогию с Бартом на его скейтборде, сначала двигающимся на север, а затем переводящим некоторое количество своего движения на северо-восток).




c:\0\tkankosmosa_files\i67f685237d

Рис 8.3 Часы, которые двигаются вместе с галактиками, – чье движение, в среднем, возникает только из расширения пространства, – обеспечивают универсальный космический хронометраж. Они остаются синхронизированными, даже если они отделены друг от друга, поскольку они двигаются с пространством, но не через пространство.
Но часы, которые мы сейчас обсуждаем, совсем не двигаются через пространство. Точно так же, как каждая монетка приклеена к одной точке воздушного шара и двигается относительно других монет только вследствие раздувания поверхности шара, каждая галактика занимает один регион в пространстве и, большей частью, двигается относительно других галактик только вследствие расширения пространства. А это означает, что по отношению к самому пространству все часы в действительности стационарны, так что они отсчитывают время идентично. Это именно те часы – часы, чье движение происходит только от расширения пространства, – которые обеспечивают синхронизированные космические часы, используемые для измерения возраста вселенной.

Отметим, конечно, что вы свободны взять ваши часы, прыгнуть на борт ракеты и пронестись через пространство таким образом и с такой громадной скоростью, что вы подвергнитесь существенному движению в дополнение к космическому течению от расширения пространства. Если вы это сделаете, ваши часы будут тикать с другим темпом и вы обнаружите другую продолжительность истекшего после Большого взрыва времени. Это совершенно допустимая точка зрения, но она полностью индивидуалистична: измеренное истекшее время тесно связано с историей вашего особого местоположения и состояния движения. Когда астрономы говорят о возрасте вселенной, тем не менее, они стремятся к чему-то универсальному, – они стремятся измерить то, что имеет одинаковое значение где угодно. Однородность изменений сквозь пространство обеспечивает способ это сделать.[9]

Фактически, однородность микроволнового фонового излучения обеспечивает готовый тест для того, действительно ли вы двигаетесь с космическим течением пространства. Вы видите, хотя микроволновое излучение однородно по пространству, если вы предпримете дополнительное движение вне того, которое связано с космическим течением пространственного расширения, вы не будете наблюдать излучение однородным. Точно так же, как гудок мчащегося автомобиля имеет большую высоту, когда автомобиль приближается, и меньшую высоту, когда автомобиль удаляется, если вы несетесь сквозь пространство на космическом корабле, пики и впадины микроволн, направленные во фронт вашего корабля будут падать с большей частотой, чем они же, двигающиеся в направлении кормы вашего корабля. Более высокая частота микроволн переводится в более высокую температуру, так что вы найдете, что излучение в направлении вашего полета будет чуть теплее, чем излучение, достигающее вас сзади. Когда это производится здесь на "космическом корабле" Земля, астрономы находят микроволновой фон немного теплее в одном направлении в пространстве и немного холоднее в противоположном направлении. Причина в том, что Земля не только движется вокруг Солнца, а Солнце движется вокруг галактического центра, но и вся галактика Млечный Путь имеет небольшую скорость в дополнение к космическому расширению, направленную к звездному скоплению Гидры. Только когда астрономы внесли поправки на влияние этих относительно слабых дополнительных движений на микроволны, мы получили, что излучение проявляет истинную однородность температуры между одной частью неба и другой. Это та однородность, та общая симметрия между одним положением и другим, которая позволяет нам осмысленно говорить о времени, когда мы описываем всю вселенную.

Тонкие особенности расширяющейся вселенной



Несколько тонких моментов в нашем объяснении космического расширения достойны выделения. Первое, вспомним, что в аналогии с воздушным шаром какую-либо роль играет только поверхность шара – поверхность, которая всего лишь двумерна (каждое положение может быть отмечено заданием двух чисел, аналогичных широте и долготе на Земле), тогда как пространство, которое мы видим, когда обозреваем окружение, имеет три измерения. Мы использовали эту модель с меньшим числом измерений, поскольку она сохраняет концепции, существенные для правильной, трехмерной ситуации, но намного легче поддается визуализации. Важно иметь это в виду, особенно если вы намеревались сказать, что в модели воздушного шара имеется особая точка: центральная точка внутри шара, удаляясь от которой двигается вся резиновая поверхность. Хотя это наблюдение верное, оно бессмысленное в аналогии с шаром, поскольку любая точка вне поверхности шара не имеет значения. Поверхность шара представляет все пространство; точки, которые не лежат на поверхности шара являются просто не относящимися к делу добавками модели и не соответствуют какому-либо положению во вселенной.*
(*)"Выйти за пределы двумерной аналогии с поверхностью шара и получить сферическую трехмерную модель легко математически, но тяжело на картинке даже для профессиональных математиков и физиков. Вы можете попытаться подумать о твердом трехмерном шаре, похожем на шар для боулинга, но без дырок для пальцев. Однако, это неудовлетворительный образ. Мы хотим, чтобы все точки в модели рассматривались на одинаковом основании, поскольку мы верим, что каждое местоположение во вселенной (в среднем) в точности похоже на любое другое. Но шар для боулинга имеет все виды отличающихся точек: некоторые находятся на внешней поверхности, некоторые вложены во внутренность, одна находится прямо в центре. Напротив, точно так же, как двумерная поверхность воздушного шара окружает трехмерную сферическую область (содержащую воздух внутри шара), приемлемая сферическая трехмерная форма должна окружать четырехмерную сферическую область. Так что удовлетворительной формой является трехмерная сферическая поверхность в четырехмерном пространстве. Но если вы уже оставили ваши попытки представить это, сделайте то же самое, что делают все профессионалы: воспользуйтесь легко представимыми низкоразмерными аналогиями. Они содержат почти все существенные особенности. Чуть дальше мы рассмотрим трехмерное плоское пространство, в противоположность круглой форме сферы, и это плоское пространство можно представить."
Второе, если скорость удаления становится все больше и больше для галактик, которые удалены все дальше и дальше от нас, не означает ли это, что галактики, которые достаточно удалены будут убегать от нас со скоростью большей, чем скорость света. Ответ ошеломляющий – определенно да. Однако тут нет конфликта с СТО. Почему? Ну, это тесно связано с причиной, по которой часы, разлетающиеся вследствие космического течения пространства, остаются синхронизированными. Как мы подчеркивали в Главе 3, Эйнштейн показал, что ничто не может двигаться через пространство быстрее, чем свет. Но галактики, в среднем, совсем еле-еле двигаются через пространство. Их движение едва ли не полностью связано с растягиванием самого пространства. И теория Эйнштейна не запрещает пространству расширяться таким образом, что две точки – две галактики – удаляются друг от друга со скоростью большей, чем скорость света. Его результат только ограничивает скорость, из которой удалена составляющая, связанная с пространственным расширением, скорость, превышающая ту, которая возникает из пространственного расширения. Наблюдения подтверждают, что для типичных галактик, несущихся вместе с космическим течением, такое превышение движения является минимальным и полностью остается в рамках СТО, даже если их движение относительно каждой другой галактики, возникая из раздувания самого пространства, может превышать скорость света.*
(*)"В зависимости от того, ускоряется или замедляется темп расширения вселенной со временем, свет, испущенный такой галактикой, может вступить в битву, которая могла бы составить гордость Зенона: свет может лететь к нам со скоростью света, в то время как расширение пространства делает расстояние, которое свет еще должен пролететь, всегда больше, делая для света невозможным достижение нас когда-либо. Подробности в секции комментариев[10]."
Третье, если пространство расширяется, не означает ли это, что в дополнение к тому, что галактики разлетаются друг от друга, раздувающееся пространство внутри каждой галактики будет двигать все ее звезды друг от друга, а раздувающееся пространство внутри каждой звезды, и внутри каждой планеты, и внутри вас, меня и чего угодно другого будет двигать все составляющие атомы друг от друга? Короче, не заставит ли раздувающееся пространство любую вещь, включая наши мерные линейки, увеличивать размеры и, таким образом, сделает невозможным распознать, что любое расширение на самом деле произошло? Ответ: нет. Подумайте еще раз о модели воздушного шара с монетками. Поскольку поверхность воздушного шара раздувается, все монетки двигаются в разные стороны, но сами монетки, несомненно, не расширяются. Конечно, если вы представите галактики маленькими кружочками, нарисованным на шаре черным маркером, тогда действительно, по мере увеличения размера шара маленькие кружочки будут также расти. Но монетки, а не зачерненные кружки, фиксируют, что реально происходит. Каждая монетка остается фиксированной по размеру, поскольку силы, удерживающие ее атомы цинка и меди вместе, намного больше, чем расталкивание расширяющегося шара, к которому монетка приклеена. Аналогично, ядерные силы, удерживая индивидуальные атомы как целое, и электромагнитные силы, удерживая ваши кости и кожу вместе, и гравитационные силы, удерживая планеты и звезды невредимыми и собирая их в галактики, более сильны, чем расталкивающее раздувание пространства, так что ни один из этих объектов не расширяется. Только на самых больших масштабах, на масштабах намного больше индивидуальной галактики раздувание пространства встречает мало сопротивления или не встречает совсем (гравитационное притяжение между сильно разделенными галактиками относительно мало вследствие включения больших расстояний), так что только на таких сверхгалактических масштабах раздувание пространства будет разносить объекты в стороны.
Космология, симметрия и форма пространства

Если кто-то разбудил вас среди ночи из глубокого сна и потребовал у вас рассказать ему о форме вселенной – общей форме пространства – вы, возможно, затруднитесь с ответом. Даже в вашем полусонном состоянии вы знаете, что Эйнштейн показал, что пространство должно быть разновидностью чего-то вроде игрушки Дурацкая замазка (Silly Putty), так что, в принципе, оно может иметь практически любую форму. Тогда как вы можете, возможно, ответить на вопрос вашего интервьюера? Мы живем на маленькой планете, вращающейся вокруг средней звезды на окраине галактики, которая всего лишь одна из сотен миллиардов, рассеянных по пространству, так как же вы можете надеяться знать хоть что-нибудь о форме всей вселенной? Ну, раз уж туман сна рассеялся, вы понемногу осознаете, что сила симметрии еще раз придет на выручку.

Если вы принимаете широко распространенное среди ученых мнение, что после усреднения на больших масштабах все местоположения и все направления во вселенной симметричны относительно друг друга, то вы на правильном пути к ответу на вопрос интервьюера. Причины в том, что почти все формы не удовлетворяют этому симметрийному требованию, поскольку одна часть или область формы фундаментально отличается от другой. Груша сильно выпукла у основания, но куда меньше у вершины; яйцо более плоское в середине, но более заостренное у своих концов. Эти формы, хотя и проявляют некоторую степень симметрии, не обладают полной симметрией. Исключив такие формы и ограничившись только теми, в которых каждый регион и направление похожи на любой другой, вы сможете фантастически ограничить возможности.

Мы уже сталкивались с одной формой, которая отвечает всем требованиям. Сферическая форма воздушного шара оказалась ключевой составляющей к установлению симметрии между Линкольнами на монетках на раздувающейся поверхности, также и трехмерная версия этой формы, так называемая 3-сфера, является одним из кандидатов на форму пространства. Но это не единственная форма, которая дает полную симметрию. Продолжая по причине более легкой визуализации двумерные модели, представим бесконечно широкий и бесконечно длинный резиновый лист – такой, который полностью неискривлен, – с равномерно распределенными монетками, наклееными на его поверхность. Если весь лист расширяется, то опять имеется полная пространственная симметрия и полное соответствие открытию Хаббла; каждый Линкольн видит, что каждый другой Линкольн удаляется со скоростью, пропорциональной расстоянию до него, как показано на Рис. 8.4. Поэтому трехмерная версия этой формы, подобная бесконечно протяженному кубу из прозрачной резины с галактиками, равномерно разбросанными по его внутренности, является другой возможной формой для пространства. (Если вы предпочитаете кулинарные аналогии, подумайте о бесконечно большой версии посыпанного маком пирога, упоминавшегося ранее, одной из форм, аналогичных кубу, но продолжающейся бесконечно и с рассыпанным маком, играющим роль галактик. Когда пирог печется, тесто расширяется, заставляя каждое маковое зерно удаляться от других). Эта форма называется плоским пространством, поскольку, в отличие от сферического примера, она не имеет кривизны (понятие "плоский", которое используют математики и физики, однако, отличается от разговорного понятия "расплющенного в блин"[11]).

Одна чудесная мысль относительно как сферической, так и бесконечной плоской формы заключается в том, что вы можете бесконечно идти по ней и никогда не достигнете края или границы. Это привлекательно, поскольку позволяет нам избежать тяжелых вопросов: Что находится за краем пространства?


c:\0\tkankosmosa_files\i3160a757b0 

(а) (b)


Рис 8.4 (а) Вид от любой монетки на бесконечном плоском листе является тем же самым, как и вид от любой другой монетки, (b) Чем дальше друг от друга удалены две монетки на Рис. 8.4а, тем больше будет увеличение расстояния между ними, когда плоскость расширяется.
Что произойдет, если вы дойдете до границы пространства? Если пространство не имеет краев или границ, вопрос не имеет смысла. Но отметим, что две формы обеспечивают это дополнительное условие различным способом. Если вы идете прямо вперед в пространстве сферической формы, вы найдете, подобно Магеллану, что рано или поздно вы вернетесь в стартовую точку, никогда не столкнувшись с краем. В отличие от этого, если вы идете прямо вперед в бесконечном плоском пространстве, вы найдете, что подобно Энерджайзеру Банни, вы можете идти и идти, опять таки, никогда не столкнувшись с краем, но также никогда и не возвратившись в место, откуда вы начали путешествие. Хотя это может показаться фундаментальным отличием между геометрией искривленной и плоской формы, имеется простое изменение плоского пространства, которое поразительным образом похоже в этом смысле на сферу.

Чтобы проиллюстрировать это, подумаем об одной из тех видеоигр, в которых экран кажется имеющим края, но на самом деле их не имеет, поскольку вы не можете реально выпасть из экрана: если вы выдвигаетесь за правый край, вы снова появляетесь на левом; если вы выдвигаетесь за верхний край, вы снова появляетесь на нижнем. Экран "зациклен" путем идентификации верхнего края с нижним, а левого с правым, и, таким образом, форма плоская (неискривленная) и имеет конечный размер, но не имеет краев.




c:\0\tkankosmosa_files\i2b6209f866

Рис 8.5 (а) Экран видеоигры плоский (в смысле "неискривленный") и имеет конечный размер, но не содержит краев или границ, поскольку он "зациклен". Математически такая форма называется двумерным тором. (b) Трехмерная версия той же формы, называемая трехмерным тором, также плоская (в смысле неискривленная) и имеет конечный объем, а также не имеет краев или границ, поскольку зациклена. Если вы проходите через одну сторону, вы входите через противоположную сторону.
Математически эта форма называется двумерным тором, она проиллюстрирована на Рис. 8.5а.[12] Трехмерная версия этой формы – трехмерный тор – обеспечивает другую возможную форму для ткани космоса. Вы можете представить себе эту форму как гигантский куб, который зациклен вдоль всех трех осей: когда вы идете через потолок, вы снова появляетесь со дна, когда вы идете через заднюю стенку куба, вы снова плявляетесь на фронтальной, когда вы идете через левую сторону, вы снова появляетесь с правой, как показано на Рис. 8.5b. Такая форма плоская, – еще раз, в том смысле, что не искривленная, а не в том смысле, что подобная блину, – трехмерная, конечная по всем направлениям и все еще не имеющая краев и границ.

Помимо этих возможностей, все еще имеется другая форма, согласующаяся с объяснением открытия Хаббла через симметрично расширяющееся пространство. Хотя это тяжело изобразить в трех измерениях, как и в сферическом примере имеется хорошая двумерная модель: бесконечная версия картофельного чипса Принглс. Эта форма, часто обозначаемая как седловина, является разновидностью вселенной на сфере: в то время как сфера симметрично раздувается наружу, седловина симметрично сжимается внутрь, как показано на Рис. 8.6. Используя немного математической терминологии, скажем, что сфера имеет положительную кривизну (выдавливается наружу от плоскости), седловина имеет отрицательную кривизну (сжимается внутрь от плоскости), а плоское пространство, – как бесконечное, так и конечное, – не имеет кривизны (не выдавливается и не сжимается).*


(*)"Точно так же, как экран видеоигры дает версию плоского пространства конечного размера, которая не имеет краев или границ, имеются версии седловой формы конечного размера, которые также не имеют краев или границ. Я не хочу обсуждать это далее, запомним лишь, что это подразумевает, что все три возможные кривизны (положительная, нулевая и отрицательная) могут быто реализованы в формах конечного размера без краев или границ. (Тогда, в принципе, космический Магеллан смог бы осуществить космическую версию своего путешествия во вселенной, чья кривизна задана любой из трех возможностей)."
Исследователи доказали, что этот список – однородно положительная, отрицательная или нулевая – исчерпывает возможные виды кривизны для пространства, которое соответствует требованию симметрии между всеми положениями и всеми направлениями. И это по-настоящему великолепно. Мы говорим о форме всей вселенной, для которой имеется бесконечное число возможностей в чем-либо. Однако, призвав безмерную силу симметрии, исследователи оказались в состоянии резко уменьшить возможности. Так что, если вы позволяете симметрии руководить вашим ответом, и ваш полуночный интервьюер подарит вам целую горсть гипотез, вы будете в состоянии принять его вызов.[13]
c:\0\tkankosmosa_files\i62b3511b6d

Рис 8.6 Использование двумерной аналогии для пространств, где имеются три типа кривизны, которые полностью симметричны – то есть, кривизны, в которых вид из любой точки одинаков с видом из любой другой. Это (а) положительная кривизна, которая однородно раздувается вовне, как на сфере; (b) нулевая кривизна, которая совсем не раздувается, как на бесконечной плоскости или конечном экране видеоигры; (c) отрицательная кривизна, которая однородно сжимается внутрь, как на седловине.
И все же вы можете удивиться, почему мы пришли к множеству возможных форм ткани пространства. Мы обитаем в одной вселенной, так почему мы не можем уточнить однозначную форму? Ну, только формы, которые мы перечислили, соответствуют нашей уверенности, что каждый наблюдатель, не зависимо от того, где во вселенной он находится, должен видеть на больших масштабах одинаковый космос. Но такое применение симметрии, хотя и высоко селективно, не может пройти весь путь и указать однозначный ответ. Для этого нам нужны уравнения Эйнштейна из ОТО.

В качестве входных данных уравнения Эйнштейна принимают количество материи и энергии во вселенной (предполагая опять из соображений симметрии, что они распределены однородно), а на выходе они дают кривизну пространства. Сложность в том, что на протяжении многих десятилетий астрономы не могли прийти к согласию, сколько материи и энергии на самом деле имеется. Если вся материя и энергия во вселенной была бы размазана однородно по пространству, и если после этого оказалось бы, что превышена так называемая критическая плотность около 10–23 грамм на каждый кубический метр* – около пяти атомов водорода на кубический метр, – уравнения Эйнштейна дадут положительную кривизну пространства; если плотность будет меньше критической, уравнения проведут к отрицательной кривизне; если плотность будет в точности равна критической, уравнения будут говорить нам, что пространство не имеет глобальной кривизны. Поскольку эта проблема наблюдений была уже определенно решена, наиболее уточненные данные склоняются на сторону отсутствия кривизны – плоская форма. (Но вопрос о том, может ли Энерджайзер Банни всегда двигаться в одном направлении и пропасть в темноте или однажды он замкнет круг и обнаружит вас со спины, – продолжается ли пространство всегда или замыкается подобно видеоэкрану, – все еще полностью открыт).[14]


(*) "Сегодня материя во вселенной более распространена, чем радиация, так что критическую плотность удобно выражать в единицах, наиболее значимых для массы, – граммы на кубический метр. Отметим также, что хотя 10–23 грамм на кубический метр может не выглядит как очень много, в космосе очень много кубических метров пространства. Более того, возвратившись назад во времени, вы увидите, что чем меньше пространство, в котором размазана масса/энергия, тем более плотной становится вселенная."
Даже так, даже без окончательного ответа на вопрос о форме космической ткани, что достаточно ясно, так это то, что симметрия является существенным понятием, позволяющим нам осмысливать пространство и время применительно к вселенной как к целому. Без привлечения мощи симметрии мы бы завязли на первом ухабе.
Космология и пространство-время

Теперь мы можем проиллюстрировать космическую историю через объединение концепции расширяющегося пространства и описания пространства-времени через батон хлеба из Главы 3. Вспомним, в представлении батона хлеба каждое сечение – даже если оно двумерное – представляет все трехмерное пространство в отдельный момент времени с точки зрения одного отдельного наблюдателя. Другие наблюдатели разрезают батон под другими углами, зависящими от деталей их относительного движения. В примерах, с которым мы сталкивались ранее, мы не принимали во внимание расширение пространства и, напротив, представляли, что ткань космоса фиксирована и неизменна во времени. Теперь мы можем уточнить те примеры, включив космологическую эволюцию.

Чтобы сделать это, рассмотрим точку зрения наблюдателей, которые покоятся по отношению к пространству – это значит, наблюдателей, чье движение возникает исключительно за счет космического расширения, точно так же как у приклеенных к воздушному шару монеток с Линкольнами. Еще раз, даже если они двигаются относительно других, имеется симметрия относительно всех таких наблюдателей – их часы согласованы – так что они разрезают батон пространства-времени в точности одинаковым образом. Только относительное движение в добавление к движению, происходящему из пространственного расширения, только относительное движение через пространство, в противоположность движению из-за раздувающегося пространства, будет приводить к рассинхронизации их часов и расположеню их сечений в пространственно-временном батоне под разными углами. Мы также нуждаемся в точном определении формы пространства, и для целей сравнения мы рассмотрим некоторые из обсужденных выше возможностей.

Простейший пример для описания – это плоская и конечная форма, форма видеоигры.


На Рис. 8.7а мы показываем одно сечение в такой вселенной, которое вы должны рассматривать как схематический образ, представляющий все пространство прямо сейчас. Для простоты представим, что наша галактика, Млечный Путь, находится в середине фигуры, но держим в памяти, что нет местоположения, которое любым образом было бы выделено по сравнению с любым другим. Даже края иллюзорны. Верхняя часть не есть место, где пространство заканчивается, поскольку вы можете пройти через нее и появиться снова внизу; аналогично, левая сторона не есть место, где пространство заканчивается, поскольку вы можете пересечь ее и появиться снова на правой стороне. Чтобы соответствовать астрономическим наблюдениям, каждая сторона должна распространяться, по меньшей мере, на 14 миллиардов световых лет (около 85 миллиардов триллионов миль) от своей центральной точки, но каждая может быть и намного больше.

Отметим, что прямо сейчас мы не можем буквально видеть звезды и галактики, относящиеся к данному сечению настоящего, поскольку, как мы обсуждали в Главе 5, для света, испущенного любым объектом прямо сейчас, требуется время, чтобы достичь нас. Напротив, свет, который мы видим, когда мы смотрим вверх в ясную темную ночь, испущен очень давно – миллионы и даже миллиарды лет назад – и только сейчас завершил долгий путь к Земле, попав в наш телескоп и позволив нам восхититься чудесами глубокого пространства. Поскольку пространство расширяется, эпохи назад, когда этот свет был испущен, вселенная была намного меньше. Мы иллюстрируем это на Рис. 8.7b, на котором мы отметили наше текущее сечение настоящего на правой стороне батона и включили последовательность сечений налево, которые изображают нашу вселенную во все более ранние моменты времени. Как вы можете видеть, как общий размер пространства, так и и расстояния между отдельными галактиками уменьшаются, когда мы рассматриваем вселенную во все более ранние моменты.




c:\0\tkankosmosa_files\i4949a0d1a3

Рис 8.7 (а) Схематическое представление изображения всего пространства прямо сейчас, в предположении, что пространство плоское и конечное по протяженности, т. е. имеющее форму экрана видеоигры. Отметим, что галактика вверху справа совпадает с галактикой вверху слева (зацикленность), (b) схематическое представление изображения всего пространства в его эволюции во времени, с несколькими временными сечениями, выделенными для ясности. Отметим, что полный размер пространства и расстояние между галактиками уменьшаются, когда мы смотрим все дальше назад во времени.

На Рис. 8.8 вы можете также видеть историю света, эмитированного удаленной галактикой, возможно, миллиард лет назад, когда он путешествует по направлению к нам сюда в Млечный Путь. На начальном сечении в Рис. 8.8а, свет сначала испускается, и через последовательные сечения вы можете видеть свет, становящийся все более и более близким, как раз пока вселенная становится больше и больше, и, наконец, вы можете видеть его достигнувшим нас на самом правом временном сечении. На Рис. 8.8b, соединяя местоположения на каждом сечении, через которые проходит фронт света во время своего путешествия, мы покажем путь света через пространство-время. Поскольку мы получаем свет со многих направлений, Рис 8.8с показывает пример траекторий через пространство и время, которые различные лучи света выбирают, чтобы достичь нас.



c:\0\tkankosmosa_files\i4e3916f434

Рис 8.8 (а) Свет, испущенный очень давно из удаленной галактики оказывается все ближе и ближе к Млечномй Пути, что показано на последовательных временных сечениях. (b) Когда мы, наконец, увидим удаленную галактику, мы смотрим на нее как через пространство, так и через время, поскольку свет, который мы видим, испущен очень давно. Выделен путь через пространство-время, который прошел свет. (c) Пути через пространство-время, выбираемые светом, эмитированным различными астрономическими телами, которые мы видим сегодня.
Рисунки ярко показывают, как свет из пространства может быть использован как вместилище космического времени. Когда мы смотрим на галактику Андромеды, свет, который мы получаем, был испущен примерно 3 миллиона лет назад, так что мы видим Андромеду такой, какой она была в далеком прошлом. Когда мы смотрим на скопление Волосы Вероники (скопление галактик Кома), свет, который мы получаем, был испущен около 300 миллионов лет назад, и поэтому мы видим скопление Волосы Вероники таким, каким оно было в еще более ранние эпохи. Если прямо сейчас все звезды во всех галактиках этого скопления станут сверхновыми, мы будем все еще наблюдать невозмущенный образ скопления Волосы Вероники, и это будет так еще 300 миллионов лет; только тогда свету от взорвавшихся звезд хватит времени, тобы достичь нас. Аналогично, астроном в скоплении Кома, который на нашем текущем сечении настоящего направил сверхмощный телескоп по направлению к Земле, будет видеть изобилие папоротников, членистоногих и ранних рептилий; он не будет видеть Великую Китайскую Стену или Эйфелеву башню еще почти 300 миллионов лет. Конечно, этот астроном, хорошо разбирающийся в основах космологии, осознает, что он видит свет, эмитированный из давнего прошлого Земли, и, разбивая его собственный космический пространственно-временной батон, будет относить ранние земные бактерии к своей соответствующей эпохе, своему подходящему выбору темпорального сечения.

Все это предполагало, что как мы, так и астроном из скопления Волос Вероники, двигаемся только с космическим течением от пространственного расширения, поскольку это гарантирует, что его сечения пространственно-временного батона соответствуют нашим, – это гарантирует, что его списки настоящего согласуются с нашими.




c:\0\tkankosmosa_files\ie6d7c5fd5b

Рис 8.9 Временное сечение наблюдателя, обладающего существенным дополнительным движением по отношению к космическому потоку от расширения пространства.
 Однако, если он нарушит шеренгу и двинется через пространство существенно в дополнение к космическому течению, его сечения будут наклонены по отношению к нашим, как на Рис. 8.9. В этом случае, как мы нашли вместе с Шеви 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). Отметим, однако, что его сечения больше не будут пространственно однородны. Каждое наклоненное сечение на Рис. 8.9 пересекает вселенную в ряде различных эпох, так что сечения далеки от однородных. Это существенное усложнение описания космической истории, из-за которого физики и астрономы в целом не рассматривают такие точки зрения. Вместо этого они обычно рассматривают только точку зрения наблюдателей, которые двигаются только с космическим потоком, поскольку это дает сечения, которые однородны, – но, строго говоря, каждая точка зрения применима так же, как и любая другая.

Как мы видим дальше в левой стороне космического пространственно-временного батона вселенная становится все меньше и все плотнее. И точно так же, как велосипедная камера становится горячее и горячее, когда вы вдуваете в нее все больше и больше воздуха, вселенная становится все горячее и горячее по мере того, как материя и излучение сжимаются все более и более тесно за счет уменьшения пространства. Если мы обратимся назад к моменту всего лишь одной десятимиллионной доли секунды после начала, вселенная будет столь плотна и столь горяча, что обычная материя распадется на первичную плазму из составляющих элементарной природы. И если мы продолжим наше путешествие назад, прямо к моменту вблизи самого нуля времени – времени Большого взрыва – вся известная вселенная сожмется до размера, по сравнению с которым точка в конце этого предложения выглядит гигантской.




c:\0\tkankosmosa_files\i810b42d2fa

Рис 8.10 Космическая история – пространственно-временной "батон" – для вселенной, которая плоская и имеет конечную пространственную протяженность. Нечеткость наверху обозначает недостаток наших знаний об областях вблизи начала вселенной.
Плотности в такую раннюю эпоху были настолько велики, а условия настолько экстремальны, что самые усовершенствованные физические теории, которые мы сегодня имеем, не могут дать нам проникновение в происходящее. По причинам, которые будут становиться все более ясными, высокоуспешные законы физики, разработанные в двадцатом столетии, не действуют больше при таких напряженных условиях, оставляя нас без руководства в нашем походе к пониманию начала времен. Мы коротко увидим, что недавние исследования обеспечивают дающий надежду свет маяка, но до сих пор мы понимаем неполноту наших знаний о том, что происходило в начале при приближении к размытому пятнышку далеко слева на космическом пространственно-временном батоне, – нашей версии terra incognita на картах прошлого. С этим последним замечанием мы представляем Рис. 8.10, как примерную иллюстрацию космической истории.
Альтернативные формы

Пока мы предполагали, что пространство имеет форму, подобную экрану видеоигры, но ситуация имеет много тех же самых особенностей и для других возможностей. Например, если данные в конце концов покажут, что форма пространства сферическая, то тогда по мере того, как мы движемся все дальше назад во времени, размер сферы становится все меньше, вселенная становится все горячее и плотнее, и при нулевом времени мы столкнемся с некоторой разновидностью начала типа Большого взрыва. Изображение иллюстрации, аналогичной Рис. 8.10, проблематично, поскольку сферы не сопоставимы четко одна с другой (вы можете, например, представить "сферический батон", в котором каждое сечение является сферой, которая окружает предыдущую), но в стороне от графических трудностей физика почти совершенно та же. Случаи бесконечного плоского пространства и бесконечного седлообразного пространства также обладают многими одинаковыми особенностями вместе с двумя уже обсуждавшимися формами, но они отличаются в одном существенном смысле. Посмотрим на Рис. 8.11, на котором сечения представляют плоское пространство, которое бесконечно протяженно (конечно, мы можем показать только его часть). Когда вы наблюдаете все более ранние времена, пространство сжимается; галактики становятся все ближе и ближе друг к другу, чем дальше назад вы смотрите на Рис 8.11b. Однако общий размер пространства остается тем же самым. Почему? Ну, бесконечность забавная вещь. Если пространство бесконечно и вы сокращаете все расстояния на множитель два, размер пространства становится равным половине от бесконечности, что все еще равно бесконечности. Так что, хотя все вещи сближаются друг с другом и плотности становятся все выше, когда вы направляетесь все дальше назад во времени, общий размер вселенной остается бесконечным; вещи становятся более плотными везде на протяжении бесконечного пространства. Это дает весьма отличающийся образ Большого взрыва.

Обычно мы представляем вселенную, начинающуюся с точки, грубо как на Рис. 8.10, на котором нет внешнего пространства или времени. Тогда, при таком виде взрыва, пространство и время развертываются от их сжатой формы и расширяющаяся вселенная начинает полет. Но если вселенная пространственно бесконечна, уже имеется бесконечная пространственная протяженность в момент Большого взрыва. В этот начальный момент плотность энергии повышается и достигаются несравнимые ни с чем температуры, но эти экстремальные условия существуют везде, а не только в одной отдельной точке. В такой обстановке Большой взрыв не имел места в одной точке; напротив, Большой взрыв имел место везде на бесконечной протяженности. По сравнению с обычным точечным началом, это похоже на много Больших взрывов в каждой точке бесконечной пространственной протяженности. После Взрыва пространство раздувалось, но его общий размер не возрастал, поскольку нечто, уже бесконечное, не может стать еще больше. Что возрастало, так это расстояния между объектами вроде галактик (как только они сформировались), как вы можете видеть, посмотрев слева направо на Рис 8.11b. Наблюдатель вроде вас или меня, посмотрев наружу из одной галактики или из другой, увидит все окружающие галактики разбегающимися прочь, точно так же, как открыл Хаббл.

Имеем в виду, что этот пример бесконечного плоского пространства намного больше, чем чисто академический. Мы увидим, что имеются веские основания считать, что общая форма пространства не искривленная, а поскольку до сих пор нет оснований считать, что пространство имеет форму экрана видеоигры, плоская бесконечно большая пространственная форма является передовой областью споров для крупномасштабной структуры пространства-времени.




c:\0\tkankosmosa_files\ic699df6135

Рис 8.11 (а) Схематическое изображение бесконечного пространства, населенного галактиками, (b) Пространство сокращается во все более ранние времена, – так что галактики становятся ближе и более плотно упакованными в ранние времена, – но общий размер бесконечного пространства остается бесконечным. Наше неведение относительно того, что происходило в самые ранние времена обозначено размытым пятном, но здесь пятно распространено по всей бесконечной пространственной протяженности.
Космология и симметрия

Соображения симметрии явно были необходимыми в разработке современной космологической теории. Понятие времени, его применимость ко вселенной как целому, общая форма пространства и даже лежащая в основании схема ОТО – все они остаются на фундаменте симметрии. Даже в этих условиях, имеется еще и другой способ, в котором идеи симметрии наполняют эволюционирующий космос. В ходе его истории температура вселенной охватывала огромный диапазон от невыносимо горячих моментов сразу после Взрыва до нескольких градусов выше абсолютного нуля, которые мы находим сегодня, если вы поместите термометр в глубокое пространство. И, как я буду объяснять в следующей главе, вследствие критической взаимозависимости между теплом и симметрией то, что мы видим сегодня, является вероятным, но холодным остатком намного более богатой симметрии, которая формировала раннюю вселенную и предопределяла некоторые из самых привычных и существенных особенностей космоса.

9 Испаряя ваккум
ТЕПЛОТА, ПУСТОТА И ОБЪЕДИНЕНИЕ


Каталог: art -> theory -> Briyan Grin
art -> Вилена александровна развитие межкультурной компетенции студентов-лингвистов средствами
art -> Кодекс ткп 45 04-78-2007 (02250) установившейся практики
art -> Кодекс ткп 45 04-208-2010 (02250) установившейся практики
art -> Технический кодекс ткп 2006
art -> Сестринский процесс: пациент с нарушением целостности кожных покровов
art -> Технологии Raid – немного теории и практика использвания
art -> Диетическая добавка к пище
Briyan Grin -> Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   34


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница