Есть ли «край» у Вселенной?

Есть ли «край» у Вселенной?

С давних пор никакой другой вопрос так не волновал человеческую мысль, как вопрос о бесконечности, писал выдающийся математик и мыслитель XIX столетия Давид Гильберт. Бесконечное действует на разум столь побуждающе и плодотворно, как едва ли действует какая-либо другая идея…

Великие мыслители древности пытались решить вопрос о геометрических свойствах Вселенной с помощью простых и, казалось бы, неопровержимых логических рассуждений. Допустим, говорили они, что у Вселенной есть край и человек добрался до этого края. Но стоит ему вытянуть руку, и она окажется за границей Вселенной. Значит, эта граница отодвинется на длину руки. Но подобную операцию можно повторить сколько угодно раз – следовательно, у Вселенной не может быть границ!

«Нет никакого конца ни с одной стороны у Вселенной, ибо иначе края непременно она бы имела», – писал древнеримский философ и поэт Тит Лукреций Кар в своей знаменитой поэме «О природе вещей».

Попытаемся представить себе пространство, простирающееся в любом направлении безгранично далеко. Задача далеко не простая! Но, пожалуй, еще труднее представить, что у пространства есть край, граница, предел. Если это так, тогда возникнет вопрос: а что находится дальше?

Примерно так и рассуждали мудрецы древности. Рассуждали, опираясь на наши привычные, обыденные земные представления, на здравый смысл. Рассуждали, не сомневаясь в том, что эти представления справедливы везде и всегда. Но, увы, наш обыденный здравый смысл, без которого в своей повседневной жизни мы и шагу не могли бы ступить, может служить надежным советчиком не всегда и не во всех случаях. В этом убеждает нас многовековой опыт познания природы, повседневная практика научных исследований.

Следующий шаг к пониманию геометрических свойств мироздания был сделан выдающимся древнегреческим мыслителем и философом Аристотелем, разработавшим стройное учение о мире, учение, которому суждено было господствовать в умах людей на протяжении полутора тысяч лет. В центре – неподвижная шарообразная Земля. А вокруг нее движутся Солнце, Луна, планеты и даже звезды. Усовершенствованное в дальнейшем александрийским математиком Клавдием Птолемеем, это учение получило название геоцентрического.

С появлением системы мира Аристотеля – Птолемея, наконец, возникла возможность подойти и к решению вопроса о конечности или бесконечности Вселенной, исходя из научных представлений о мироздании. Да, да, именно научных! Разумеется, сегодня мы твердо знаем, что система мира, о которой идет речь, неверна. Авторы ее ошибочно полагали, что видимые с Земли суточные перемещения небесных светил – не что иное, как их истинные перемещения. И тем не менее для своего времени предложенная ими система была вполне научной. С единой точки зрения она объясняла видимые движения небесных светил, более того, давала возможность вычислять их будущие положения на небе с точностью, удовлетворявшей потребности эпохи.

Система Аристотеля – Птолемея на вопрос о бесконечности Вселенной отвечала следующим образом. Если все небесные светила обращаются вокруг Земли, успевая совершить один оборот за сутки, следовательно, они должны двигаться с одинаковыми угловыми скоростями. Значит, чем дальше от Земли, тем длиннее окружность, которую планета или звезда должна в течение суток описать. И тем быстрее эта планета или звезда должна двигаться, чтобы ровно через сутки возвратиться в исходную точку. Если существуют звезды, расположенные бесконечно далеко от Земли, то и мчаться они должны с бесконечно большими скоростями!

Современная физика утверждает, что самой большой скоростью передачи физических взаимодействий или движения материальных объектов нашей Вселенной является скорость света в пустоте, равная 300 тысячам километров в секунду. Аристотель же не признавал существования реальных бесконечностей.

«Бесконечность не следует понимать как определенный предмет, – разъяснял он своим ученикам, – как человек или дом, а в том смысле, как, скажем, день или состязание, которые все время находятся в возникновении и уничтожении. Бесконечность – то, что не может быть пройдено. Это процесс, который все время приводит к новому и новому… В самой природе нет бесконечного».

Это означало, что в нарисованной им картине мира бесконечно удаленные небесные тела не могут существовать, да еще нестись с бесконечно большими скоростями. Мир Аристотеля – заведомо конечный мир. Конечной осталась Вселенная и в гелиоцентрической системе Коперника – и у него мир ограничен «сферой неподвижных звезд». Ведь Коперник считал Солнце не только центром нашей планетной семьи, но и центром мироздания, а все небесные светила обращающимися вокруг него. И Аристотель, и Птолемей, и Коперник считали вывод о конечности Вселенной неопровержимым.

Однако дальнейшее развитие астрономии и физики убедительно продемонстрировало, что выводы наук о природе никогда нельзя считать абсолютными и окончательными. И опыт изучения геометрических свойств нашего мира – блестящий тому пример. За сотни лет, отделяющих нас от эпохи Коперника, представления о конечности или бесконечности Вселенной менялись не однажды и притом самым кардинальным образом. История этих изменений вполне способна соперничать с захватывающим детективным романом.

Первым, кто усомнился в непреложности вывода о конечности мира, был великий итальянский мыслитель Джордано Бруно. Вселенная не имеет предела и края, но безмерна и бесконечна, писал он в своих знаменитых «Диалогах».

Правда, идеи Бруно не опирались на какие-либо физические или астрономические данные – они явились плодом чисто философских размышлений. В безграничности Вселенной Бруно видел возможность освобождения человеческого духа от всяческих запретов, сковывавших свободную мысль в мрачную эпоху средневековья. Для Бруно все подобные запреты невольно отождествлялись с «небесной твердью»…

Кристальной сферы мнимую преграду,

Поднявшись ввысь, я смело разбиваю,

И в бесконечность мчусь, в другие дали,

Кому на горе, а кому в отраду,

– Я Млечный Путь внизу вам оставляю…

– писал Бруно в одном из своих сонетов.

Естественно-научное обоснование идеи Бруно получили лишь спустя почти столетие, когда великий английский физик Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения. Вселенная представлялась Ньютону пустым «вместилищем», где «плавают» притягивающие друг друга небесные тела. При этом из открытого им закона всемирного тяготения следовало, что любая конечная система материальных тел в результате взаимного притяжения должна рано или поздно собраться к одному общему центру. Однако ничего похожего в природе не наблюдается. Следовательно, общее число небесных тел во Вселенной должно быть бесконечно велико! А так как бесчисленное множество небесных светил может «поместиться» лишь в неограниченном пространстве, то Вселенная, по Ньютону, должна быть бесконечной.

Казалось, вопрос о геометрии мира наконец-то был решен – окончательно и бесповоротно.

Был этот мир глубокой тьмой окутан.

Да будет свет! И вот явился Ньютон!..

– восторженно возглашала эпиграмма того времени.

Однако и на этот раз ясность оказалась обманчивой, а положение вещей куда более сложным, чем представлялось современникам и последователям великого основателя классической механики.

В 1905 году в журнале «Анналы физики» появилось несколько статей тогда никому еще не известного технического эксперта патентного бюро в Берне Альберта Эйнштейна. В этих статьях была изложена разработанная им специальная теория относительности (СТО) – теория, ознаменовавшая собой величайший революционный переворот не только в физике, но и в естествознании вообще. Новая теория не только позволяла рассчитывать явления, происходящие при очень высоких скоростях, близких к скорости света, она обосновала принципиально новый взгляд на мир, коренным образом отличающийся от представлений классической физики.

А еще через 11 лет последовало продолжение. На страницах того же самого журнала «Анналы физики» была напечатана новая работа Эйнштейна «Общая теория относительности». Всего 50 страничек! Но этот труд оказался вершиной научной мысли первой половины XX столетия. В этом исследовании были изложены совершенно новые, непривычные представления о пространстве, времени и тяготении…

Вспомним вывод общей теории относительности о том, что пространство и время – это только формы существования материи, что пространство и время материя «создает» сама: нет материи – нет ни пространства, ни времени. В советские времена в устах некоторых наших философов этот вывод стал своеобразной расхожей формулой, точнее лозунгом, который они автоматически повторяли как некое философское заклинание, в которое уже не вкладывалось никакого конкретного физического содержания. Впрочем, для философов, о которых идет речь, это не имело никакого значения и было совсем не важно. Гораздо важнее для них были слова, с помощью которых можно было держать в духовном подчинении физиков.

Но как бы там ни было, связь между материей, пространством и временем заключается не только в том, что материя существует в пространстве и во времени и создает их сама, но и в том, что любое тело, существующее в пространстве, определяет его геометрические свойства. Образно говоря, любая масса искривляет пространство вблизи себя. И тем сильнее, чем больше величина этой массы. И поскольку Вселенная заполнена звездами, галактиками, планетами и туманностями, мы обитаем в искривленном мире. В мире, где лучи света распространяются не по прямым, а по «изогнутым» линиям. Таким образом, геометрические свойства Вселенной непосредственно зависят от распределения масс.

Этот вывод теории получил блестящее экспериментальное подтверждение: во время одного из полных солнечных затмений было зарегистрировано искривление световых лучей более далекой чем Солнце звезды под действием притяжения нашего дневного светила.

Соответствующие уравнения, описывающие свойства гравитационного поля, были выведены Эйнштейном и независимо от него знаменитым геттингенским математиком Д. Гильбертом. Эти уравнения и позволили построить картину Вселенной, коренным образом отличающуюся от картины, вытекавшей из классической физики Ньютона…

Правда, в повседневной жизни люди никакого искривления пространства не замечают. Но только потому, что сталкиваются со сравнительно небольшими массами и незначительными расстояниями. Однако в космических масштабах и гигантских скоплениях вещества искривленность пространства весьма существенна и имеет непосредственное отношение к конечности или бесконечности Вселенной.