Физика времени

Такое разъединение времени и пространства происходит для нас тогда, когда мы выбираем определенную систему отсчета и устанавливаем в ней приборы для измерения времени и расстояний. Наблюдения с помощью этих приборов дают нам сведения не о времени вообще и не о пространстве вообще, а именно о конкретном времени и конкретном пространстве, какими они представляются из нашей системы отсчета. В другой системе отсчета картина отдельно времени и отдельно пространства может оказаться совершенно иной. Одинаковыми остаются во всех системах отсчета лишь те данные, которые характеризуют пространство и время вместе, как единое целое (соответствующие физические величины называют инвариантами пространства-времени).

Проиллюстрируем разные способы разделения времени и пространства простым примером из геометрии. Представим себе обыкновенный цилиндр. Это объемное тело будет представлять для нас «единое трехмерное пространство». Из него можно выделить «двумерное пространство», произведя сечение цилиндра плоскостью. Такое двумерное пространство — это, так сказать, подпространство нашего «единого трехмерного пространства»; число измерений подпространства на единицу меньше. Результат выделения подпространства зависит от принятого способа сечения. В сечении можно получить фигуры разной формы, разной площади.

Если произвести сечение плоскостью, перпендикулярной оси цилиндра, то получим двумерное подпространство в виде круга. Если же рассечь цилиндр плоскостью, параллельной его оси, получим прямоугольник. Какое из двух сечений правильно передает свойства двумерного подпространства этого тела? Вопрос не имеет смысла. Двумерное подпространство не абсолютно, его можно выделить разными способами.

Нет ничего удивительного и в том, что трехмерное физическое пространство, подпространство единого четырехмерного пространства-времени, предстает перед нами разным на разных «снимках» Вселенной. Эти снимки дают разные сечения четырехмерного пространства-времени Вселенной. Снимок в реальных лучах нужно понимать геометрически как сечение световым конусом. Моментальный же снимок — сечение плоскостью постоянного космического времени.

Эти снимки Вселенной в разных срезах времени соответствуют разным системам отсчета, разным способам отделения времени от пространства. Плоскость постоянного космического времени дает срез в системе отсчета, связанной с самой расширяющейся Метагалактикой. Срез световым конусом соответствует другой системе отсчета. Эта система представляет собой как бы жесткую сетку, «привязанную» к земному наблюдателю, к нашей Галактике. Такая сетка не растягивается космологическим расширением. Напротив, она остается неизменной, и все галактики, кроме нашей собственной, «расползаются» относительно нее — они движутся по закону Хаббла.

Мы уже говорили о том, как выглядит пространство в этой системе отсчета — оно оказывается неоднородным. И время в этой системе отсчета иное, отличное от общего космического времени. Оно должно измеряться по часам, которые расположены всюду в пространстве на неизменных расстояниях от нас и друг от друга. Эти часы не разбегаются. А часы на разбегающихся га тактиках, когда мы смотрим на них из неподвижном системы отсчета, представляются отстающими от наших неподвижных часов. Так, разумеется, и должно быть по теории относительности: время в движущейся системе отсчета течет медленнее, чем в неподвижной.

Горизонт

Прямым свидетельством такого замедления времени служит красное смещение в спектрах излучения далеких галактик. Ведь красное смещение означает увеличение периода колебаний принятого света. Периоды же колебаний растягиваются из-за того, что по нашим часам любые колебания, а с ними и само время на движущихся относительно нас телах замедляются. Это эффект Доплера, о котором мы говорили в главе 6.

По закону Хаббла, чем дальше от нас галактика, тем больше скорость ее удаления от нас. Из-за этого красное смещение и замедление времени усиливаются с расстоянием. Рассматривая все более и более удаленные галактики, мы замечаем все большее и большее красное смещение и, следовательно, все более значительное замедление времени. Согласно космологической модели Фридмана, существует такое большое, но вполне определенное, конечное расстояние, на котором красное смещение становится бесконечно большим. Период принимаемого света оказывается при этом бесконечным, а его частота (величина, обратная периоду) обращается в нуль. С точки зрения наблюдений это означает, что источник света остановится для нас невидимым. Пусть его собственная мощность излучения и будет сколь угодно велика, все равно его нельзя увидеть.

Таким образом, можно говорить о существовании во Вселенной горизонта, в пределах которого только и возможны наблюдения. Расстояние до горизонта составляет 15 — 18 мил- миллиардов световых лет. Это путь, который свет успевает пройти за время от начала космологического расширения до современной эпохи.

О горизонте мы уже говорили в главе 7, когда речь шла о световом конусе. Конус прошлого служил горизонтом видимости, горизонтом событий. Природа космологического горизонта, по существу, та же: все дело в том, что за конечное время свет проходит конечный путь. То, что происходит вблизи космологического горизонта, очень похоже и на явления вблизи критической поверхности черной дыры (см. главу 8). Там тоже любой источник света, сколь бы ярким сам по себе он ни был, становится невидимым для удаленного наблюдателя, но на путь от критической поверхности до наблюдателя свету требуется бесконечное время.

Вывод о существовании горизонта во Вселенной никак не зависит от того, имеются ли в действительности астрономические тела, которые столь ярки, что могут посылать нам свет со сколь угодно больших расстояний. Этот вывод имеет характер принципиального ограничения, вытекающего из свойств космического времени.

В космологической модели Фридмана объем пространства, заключенного в пределах горизонта, является ограниченным по величине, конечным. Конечна и содержащаяся в этом объеме масса вещества. Отсюда вытекает одно важное заключение общего характера.

Уже многие века ведутся споры о том, конечна или бесконечна Вселенная. Теория относительности и основанная на ней космология дают возможность получить ответ на этот вопрос. В утверждениях «Вселенная конечна» или «Вселенная бесконечна» речь идет об объеме трехмерного пространства. Но этот объем (как и вообще геометрические свойства пространства) зависит от того, каким именно образом пространство выделено из единого четырехмерного целого, которое оно составляет вместе с временем. Значит, ответ на вопрос о конечности или бесконечности Вселенной зависит от системы отсчета. Пространство не абсолютно. Не абсолютен и его объем.

Как мы уже сказали, в неподвижной системе отсчета, когда трехмерное пространство выделяется путем сечения световым конусом, объем пространства конечен. В движущейся системе отсчета, связанной с общим космологическим расширением, объем трехмерного пространства может быть как конечным, так и бесконечным.

Конечность объема в одной системе отсчета не исключает бесконечности в другой. Здесь для иллюстрации снова можно воспользоваться геометрическим примером с цилиндром. Если цилиндр бесконечен вдоль своей оси, то в сечении плоскостью может получиться фигура конечной площади, например круг. При сечении бесконечного цилиндра плоскостью, параллельной его оси, получим прямоугольник бесконечной площади. Две эти фигуры представляют собой два разных подпространства бесконечного цилиндра. Одно из подпространств конечно, а другое бесконечно.

Если наша Вселенная не единственна и в мире имеется множество вселенных, вопрос о конечности и бесконечности должен ставиться, очевидно, иначе. Тут требуется новый подход и новое понимание, выходящие за рамки теории Фридмана. У для Вселенной в фридмановском смысле ответ на вопрос, бесконечна ли она, не сводится просто к «да» или «нет». Глубоко нетривиальным окажется, должно быть, и ответ на вопрос о мире. Но пока космология мало что может об этом сказать.