Простая сложная Вселенная

Время, ощущаемое нами, людьми, кажется одинаковым для всех – «универсальным», – но мы воспринимаем его как таковое только в сравнении со светом: никто из нас (даже пилоты военных истребителей) не движется гораздо быстрее или гораздо медленнее остальных – крайне удачное стечение обстоятельств для часовщиков.
Но, несмотря на неспособность наших чувств ощутить это, факт остается фактом: если бы у всех людей, животных и предметов на поверхности нашей планеты имелись собственные часы, то время на каждых часах отражалось бы по-разному. Мы все имеем собственное, закрепленное исключительно за нами время. Эйнштейн додумался до этого за десять лет до опубликования своей теории гравитации, в общей теории относительности, с которой вы познакомились в предыдущей части.
Тогда, не в состоянии устроиться в какой-нибудь университет, потому что никто не хотел туда его брать, двадцатилетний Эйнштейн вынужден был зарабатывать на жизнь клерком патентного бюро (точнее, его помощником) в швейцарском городе Берн. Но это не мешало ему думать.
В перерывах между оценкой патентных заявок он пытался представить себе устройство мира движущихся объектов в зависимости от их скорости. Он надеялся вывести теорию движущихся тел. Он еще не был одержим гравитацией. Так же как и Вселенной в целом. Только тем, как объектам удается перемещаться внутри нее.
В возрасте всего двадцати шести лет, в 1905 году, он опубликовал свою работу, и все научное сообщество вскоре поняло, что неизвестно кто сделал необыкновенное заявление из-за затерянного где-то внутри офисов швейцарской интеллектуальной собственности стола о том, что часы не всегда идут синхронно. Вернее, ход часов зависит от того, как они перемещались относительно друг друга.
Или, что еще лучше, выдвинутая этим неизвестным молодым человеком теория могла вычислить ожидаемую фактическую разницу во времени у двух путешественников в зависимости от их относительной скорости.
Эта теория называется специальной теорией относительности.
Давайте представим себе близнецов.
Двоих, так как обычно рождается пара.
Через пару лет после публикации Эйнштейна французский физик Поль Ланжевен, используя специальную теорию относительности, рассчитал, что если отправить одного из близнецов на ракете в шестимесячное космическое путешествие со скоростью 99,995% от скорости света, то оставшемуся на Земле брату придется ожидать его возвращения пятьдесят лет. Таким образом, согласно теории Эйнштейна, проведенные путешественником в ракете полгода необходимо приравнять к пятидесяти прожитым как домоседом, так и всем человечеством годам: за время путешествия близнеца наша планета обернется вокруг Солнца пятьдесят раз. Несмотря на то что братья являются близнецами, у них в конечном итоге больше не окажется одинакового возраста: один из них будет на сорок девять лет и шесть месяцев старше другого. Довольно удивительное заявление.
Если разогревать на огне металлический прут, он расширяется и становится длиннее. То есть растягивается. Если целенаправленно направлять тепло, можно растянуть только стержень, а не, скажем, наковальню, на которой он находится, – то есть его окружение не меняется.
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, подобный феномен происходит и со временем. В ракете, летящей на скорости 99,995% от скорости света, или в самолете, перемещающемся со скоростью 99,999999999% от той же скорости, ракета, самолет и все содержащееся в них движется на сверхскоростях. Но не окружающая их среда. Так что только их собственное, индивидуальное время подвергается влиянию чрезвычайной скорости по отношению к окружающему миру.
То, что пережили близнецы Ланжевена, то, что пережили вы, летя на сверхскоростном самолете, ученые называют замедлением времени. Чем быстрее движется кто-то или что-то, тем больше выражено замедление времени.
Весьма своеобразное явление.
Но специальная теория относительности Эйнштейна также предлагает что-то еще более сложное для восприятия: она гласит, что время растягивается, а длина объектов, напротив, сжимается…
...
Представьте себя на Земле, в скафандре, с парочкой прикрепленных к спине ракет, настолько замечательных, что в них никогда не заканчивается горючее. Вы говорите своей нынешней жизни «до свидания» и готовы к отправке в космос.
А теперь пора в путь, и понадеемся, что случайные метеориты не окажутся на вашем пути.
Вы не просто разум, путешествующий через историю Вселенной, но разум и тело, как в предыдущий раз, когда вы отправились в пустынный космос просто ради удовольствия.
Вы уже в космосе.
Вы сверяете часы.
Они тикают точно так же, как и всегда: кажется, секунды сменяют друг друга, что бы это ни означало.
Земля отдаляется от вас, но вы представляете себе, что над ней висят огромные часы, с которыми всегда можно свериться, где бы вы ни находились, отсчитывающие время, скажем, в доме двоюродной бабушки, говоря вам, который там час, день и год.
Ваши ракеты набирают мощность.
Вы достигли 87% от скорости света.
Секунды по-прежнему спокойно следуют друг за другом на часах на вашем запястье и в клетках вашего тела, но все вокруг начинает становиться странно искаженным.
Вы оборачиваетесь посмотреть на часы над Землей.
Пока на ваших часах тикает одна секунда, на родной планете проходит две.
Поразительно.
Ваше личное старение замедляется вдвое по сравнению со всеми остальными жителями Земли. Но пока ваше восприятие обеспокоено этим, секунды неумолимо продолжают свой бег. Часы Земли, кажется, движутся быстрее.
Вы продолжаете лететь.
Вы достигли 98% от скорости света.
Уже пять земных часов проходят за один ваш час.
Вы смотрите вперед, на далекие галактики.
Как ни странно, все эти блестящие сгустки света, казавшиеся бесконечно далекими мгновение назад, теперь представляются не такими уж недостижимыми. Как будто галактики совершили прыжок вам навстречу. Точнее говоря, пять прыжков.
Что, конечно же, невозможно.
Вы смотрите на часы и спидометр (устройство, измеряющее скорость точно так же, как в автомобиле). Вы летите со скоростью 99,995% от скорости света, скоростью, которую Ланжевен придал ракете одного из своих близнецов. Она пока не такая высокая, как у несущего вас самолета, но даже на скорости 99,995% от скорости света земные часы идут в 100 раз быстрее ваших. Целые сутки на родной планете занимают для вас всего одну минуту двадцать шесть секунд. Один ваш год здесь равен ста годам там, в доме двоюродной бабушки. И те далекие галактики впереди, галактики, предполагавшиеся быть в миллионах световых лет от нас, как они вдруг оказались так близко? Конечно же, они не могут стать такими близкими всего через пару часов путешествия!
И все-таки могут.
В сотни раз ближе.
Их расстояние до вас только что сжалось в том же размере, в котором ваше время замедлилось по сравнению с земным.
Хотя это совсем не похоже на расширение Вселенной. Расширение происходит одинаково в любом выбранном направлении.
Здесь же все по-другому. Это происходит только в направлении вашего движения.
И зависит от вас и только вас.
Так что забудьте о Вселенной. Просто подумайте о себе и сосредоточьтесь на том, что видите вокруг.
Справа и слева, кажется, ничего не изменилось. То же самое происходит сверху и снизу, где далекие галактики все еще на том же самом месте, где они были перед началом вашего ускорения. Но галактики впереди вас определенно изменились. Если снова взглянуть на них, практически не остается сомнений, что происходит что-то подозрительное: кажется, замедлению подвержено не только время. В свою очередь, длина и расстояние явно… укоротились? сжались?
Похоже, именно так. Вся Вселенная выглядит так, словно вы рассматриваете ее сквозь искаженное увеличительное стекло, сужающее расстояние впереди, но не по бокам.
Вы проверяете часы.
Секунды все еще следуют друг за другом. А вы все ускоряетесь, и все кажется еще более искаженным. Ваша озадаченность и страх вполне понятны, так что вы совершаете полный разворот, чтобы вернуться на Землю, которая, как предполагается, находится чрезвычайно далеко… но она оказывается прямо перед вами! Оглянувшись, вы видите, что галактики, к которым вы приближались буквально мгновение назад, оказались снова там же, где и были, – очень далеко! Независимо от направления, в котором вы путешествуете на этой удивительной скорости, все впереди вас, как бы далеко ни находилось, кажется очень близким, в то время как расстояния в других направлениях не меняются…
Через несколько минут, все еще в полном смятении, вы пролетаете мимо Международной космической станции, вращающейся вокруг Земли на совершенно безумной скорости. Вы сверяете часы: одна секунда по-прежнему проходит ровно за секунду… Пролетаете мимо космонавта, чьи движения ускорены в 100 тысяч раз. Стрелки его наручных часов вращаются как сумасшедшие. Вы видите разницу между его временем и вашим! Перед вами разворачивается его жизнь. За десять часов на часах космонавта на ваших часах проходит лишь крошечная доля секунды… И он движется соответствующим образом… То же самое происходит с космической станцией, Землей и всем вокруг… А ваши ракеты по-прежнему изрыгают огонь, пронося вас мимо Земли. Все быстрее и быстрее. На пути к бесконечности и...
Через полсекунды на ваших часах космонавт снова оказывается на Земле, спустя пару секунд он умирает, вырастают его дети и дети его детей, на Земле пролетают тысячи дней, ночей и лет, и вы теперь слишком далеко, чтобы разглядеть что-нибудь еще.
Для вас проходит еще несколько секунд.
Вы продолжаете ускоряться.
Сейчас больше нет смысла возвращаться на Землю. Вы приземлитесь в будущем настолько отдаленном, что, вероятно, ощутите себя ископаемым и, безусловно, будете считаться таковым.
Вся Вселенная перед вами продолжает становиться все более близкой и плоской.
Сбоку по-прежнему ничего не меняется. Искажения происходят только впереди, по направлению вашего движения.
Вы все еще разгоняетесь.
Вы все ближе и ближе к скорости света, но что-то опять идет не так: хотя ваши ракеты по-прежнему успешно несут вас все быстрее и быстрее сквозь пространство и время, ваша скорость за последнее время не сильно увеличилась.
Более того, энергия ваших ракет, кажется, превращается в… массу.
Да, вы уверены в этом. Вы становитесь тяжелее с каждой минутой.
Годы мучительных диет разрушены ракетами.
Кто бы мог подумать?
– СТОП! – кричите вы, раздраженные этим более остального, и все застывает.
Сейчас вы где-то там, наверху, далеко в космосе, вероятно, в миллионах лет в будущем, но замерли на месте. Легко и непринужденно, как и вся Вселенная. Ничто не движется.
Можно на минуту расслабиться.
Ладно.
Давайте вместе поразмышляем о трех противоречащих здравому смыслу аспектах совершенного вами сверхскоростного путешествия.
Во-первых, время текло по-разному для вас и живущих на Земле, в том числе для космонавта (чье время так близко к времени огромных часов, зависших в небе над домом двоюродной бабушки, что их можно считать здесь идентичными). Обычные механические часы, которые и вы, и космонавт носили на руке, тикали совсем не с одинаковой скоростью, и чем быстрее вы летели, тем более заметно было различие. Это первое изменение. Странно, я согласен, но так и есть.
Вторая испытанная вами вещь – то, что расстояние до объектов впереди вас сжималось: то, что казалось очень далеким, пока вы не двигались быстро, становилось очень близким, как только вы начинали так перемещаться. Что также странно, соглашусь с вами. Но тем не менее тоже факт. Он называется релятивистским сокращением длины движущегося тела или масштаба.
И третье – то, что вы становились все тяжелее и тяжелее. Что, мягко говоря, раздражает, хотя, возможно, не столь же неожиданно, как два других аспекта, принимая во внимание, что теперь вы знаете, что E = mc2 – так что давайте, не откладывая в долгий ящик, рассмотрим этот особый побочный продукт быстрого перемещения.
Ничто, обладающее любой массой, не может достичь скорости света, не говоря уже о превосхождении этой скорости. Это закон. Так что чем быстрее движется что-то, имеющее массу, тем труднее становится его ускорить. Чтобы понять, что означает это на практике, представьте себя летящим так быстро, что добавление всего 1 километра в час к скорости на вашем спидометре будет означать достижение скорости света.
Затем вы достаете из кармана теннисный мяч и бросаете его впереди вас. Для определенности уточним, что вы бросите его со скоростью 20 километров в час.
На Земле это было бы легко. Но именно сейчас – нет. И по существу невозможно. Ничто не может двигаться быстрее света. Так что если вы летите со скоростью, лишь на 1 километр в час отстающей от скорости света, то мяч физически не мог лететь на 20 километров в час быстрее.
Ничто не мешает вам бросить мяч, это правда, – но если мяч не может двигаться быстрее скорости света, то ясно, что придется сделать что-то еще, чтобы зашвырнуть его в пустоту перед вами. И ответ дается нашим старым другом E = mc2 – дополнительная энергия, придаваемая мячу при броске, превращается в массу, так как не может превратиться в скорость.
Вы уже знаете, что массу можно превратить в энергию (внутри звезд, например), а здесь вы имеете пример противоположного явления: энергия превращается в массу. И вот объяснение: вы только что узнали благодаря специальной теории относительности Эйнштейна, почему вы становились все тяжелее до вашего крика и застывания всего вокруг.
...
Метр – это всегда метр, должно быть, думаете вы?
И снова ошибаетесь. В зависимости от того, как посмотреть.
Пространство и время связаны друг с другом: если меняется время, расстоянию тоже придется измениться.
Почему должно происходить именно так, спросите вы?
Почему расстояния и длины обязаны сокращаться, когда время замедляется?
Ответ на этот вопрос заключается в существовании абсолютного, нерушимого предела скорости природы: скорости света.
Если бы расстояния не сжимались, то вы бы уже нарушили этот предел.
В космическом пространстве свет распространяется со скоростью около 300 тысяч километров в секунду.
Наблюдатель на Земле, заметивший вас летящим на скорости 87% от скорости света, увидит вас на скорости 260 тысяч километров в его секунду.
Летя на такой скорости, вы, впрочем, должны помнить, что секунды, переживаемые сейчас вами, отличаются от его восприятия времени. На скорости 87% от скорости света одна ваша секунда приравнивается к двум секундам на Земле – и за эти две секунды наблюдатель видит, что вы пролетели 520 тысяч километров. Это видимое им расстояние в два раза больше расстояния, покрываемого вами за одну секунду.
Ничего особенного, не так ли?
Неправильно. Потому что, даже если бы вы пролетели 520 тысяч километров за две его секунды, прошла только одна ваша.
Это 520 тысяч километров в секунду, насколько вы помните.
Так как скорость света составляет 300 тысяч километров в секунду, то вы побили бы универсальный рекорд…
Но это запрещено. Не полицией, но природой. Запомните: ничто не может двигаться быстрее света. Уже в начале двадцатого века многочисленными экспериментами был установлен как данный факт, так и то, что в космическом пространстве свет всегда передвигается с данной скоростью (не большей и не меньшей). Ньютон никогда бы не смог объяснить это с помощью своего видения мира. Но Эйнштейн справился. С помощью своей теории.
В его теории движущихся тел, специальной теории относительности, время и расстояние должны замедляться и сжиматься таким образом, что, как ни смотри, ни один объект никогда не сможет пересечь пределы скорости света с любой точки зрения.
Время земного наблюдателя проходит в два раза быстрее вашего? Тогда проделанное вами расстояние является, с вашей точки зрения, половиной того, что видит наблюдатель.
Летя на скорости 87% от скорости света, вы за секунду преодолеваете не 520 тысяч километров, а 260 тысяч. То, что кажется километром с Земли, на самом деле полкилометра для вас.
Ваша скорость всегда одинакова, кто бы ни измерял ее – вы или кто-то другой.
Скорости не зависят от наблюдателя. От него зависят только время и расстояния.
Если с прибавлением скорости далекие галактики покажутся вам гораздо ближе, это потому, что они стали гораздо ближе. Объективно. И это относится не только к расстояниям: сами объекты тоже сжимаются вместе со скоростью. Как видно тому, кто не движется вместе с объектом, любая ракета и все ее пассажиры сжимаются. Даже вы. Летя, подобно Супермену, на скорости 87% от скорости света, с вытянутым вперед кулаком, вы сжались до половины вашего роста, измеренного рулеткой на Земле. А летящие с вами пассажиры не заметили бы этого, так как их рост тоже бы уменьшился…
И все это является следствием установления фиксированной, конечной и непревзойденной скорости света. Все это содержится в открытой Эйнштейном в 1905 году специальной теории относительности: теории, указывающей на законы природы для тех, кто решает путешествовать на (исключительно) высоких скоростях.
Странно? Да.
Противоречит здравому смыслу? Определенно.

Вновь задумчиво бродя по пляжу, вы понимаете, что есть проблема: поверхность, что вы узрели на краю сегодняшней видимой Вселенной, не совсем та, о которой вы только что думали, не правда ли? Настоящая, та, что мы можем наблюдать в телескопы, очень холодная, в то время как эта стена, всплывшая в вашем уме, была очень горячей.
Насколько горячей?
Используя уравнение Эйнштейна, некоторые ученые уже рассчитали ее предполагаемую температуру. В итоге появилась достаточно внушительная цифра: около 3000 °C. Они обнаружили, что, становясь прозрачной, вся Вселенная имела такую же температуру.
Стены, которую вы видели в небе, не было.
И это проблема.
Но разве вы о чем-то не забыли?
Разве, сделав вывод о самом существовании горячего прошлого, вы не допускаете, что пространство-время расширяется, что видимый объем Вселенной рос и со временем вырос до размеров, замеченных вашими друзьями на небе? И не могло ли это расширение оказать влияние на температуру Вселенной?
Ну да. Не только могло, но и должно было, что на самом деле меняет все.
Взять духовку на вашей кухне. Разогрейте ее так, чтобы воздух внутри стал приятно жарким. Затем выключите и представьте себе, что духовка начинает быстро расти, достигнув величины дома. Температура внутри нее мгновенно станет значительно ниже, чем при обычных размерах.
Расчеты, проведенные еще в 1948 году американскими учеными Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Херманом, показали, что из-за расширения Вселенной от упомянутых 3000 °C должен остаться лишь слабый след и заполнить тепловым излучением всю видимую Вселенную, как бы исходя от поверхности вашей стены. Какую температуру ожидали найти ученые?
Где-то около – 260 или – 270 °C. Или где-то между 3 К и 13 К выше абсолютного нуля.
И так получилось, что в 1965 году, через семнадцать лет после расчетов Гамова и его коллег, два американских физика, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, проводили для американской компании Bell Laboratories необычную работу. Им надо было настроить антенну для приема отраженных от спутника-баллона радиоволн. Приятная легкая работа, если бы не довольно странное препятствие – раздражающий шум, слышимый на всех частотах. Чтобы избавиться от него и получить гонорар, они провели несколько блестящих проверок и поиск потенциальных инженерных неисправностей. Но ничего не помогало. Что бы они ни делали, шум был неистребим. В конце концов, не находя никаких других причин проблемы, они обвинили в ней голубей или других пролетавших мимо птиц, гадивших на их ультрасовременную антенну. Несмотря на впечатляющие научные достижения, они зашли еще дальше, проведя долгое время за ожесточенной чисткой своего устройства и проклиная существование птиц. Но шум не исчез, и дело закончилось тем, что они вызвали своих друзей – физиков-теоретиков. Вскоре после их визита они поняли, что могли пытаться избавиться от этого шума вечно без малейших шансов на успех. То, что они слышали, происходило не из-за «презентов» птиц. «Шум» исходил даже не с Земли. Это был сигнал. Температурный сигнал, сигнал температуры в 270,42 °C. И исходил он из космоса. Отовсюду.
Гамов, Альфер и Герман предсказали его. Он явился следствием уравнений Эйнштейна. Это был остаточный след температуры последнего светонепроницаемого момента нашей Вселенной; застывший кадр, снятый более 13,8 миллиарда лет назад, когда гораздо меньшая по размеру Вселенная была настолько плотно заполнена материей и энергией, что свет не мог еще проходить сквозь нее.
Пензиас и Уилсон экспериментально подтвердили расчеты теории, показавшейся некоторым ученым настолько абсурдной, что даже ее название – теория Большого взрыва – было придумано одним из самых известных профессоров того времени, британцем Фредом Хойлом из Кембриджского университета, только чтобы высмеять ее.
В 1978 году Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике. Они обнаружили остаточное тепло растопленной очень давно печи нашей Вселенной, тепло, излучаемое с поверхности последнего рассеяния, поверхности, ограничивающей конец видимой Вселенной. Это излучение, одно из неопровержимых доказательств (горячего) Большого взрыва, называется реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоновым излучением.

А как насчет ткани Вселенной? Что это за ткань? Что ее изгибает?
На самом деле это как раз то, что выяснил Эйнштейн.
Через E = mc2 он доказал, что различие между массой и энергией излишне, что масса и энергия – лишь два аспекта одного и того же. Это случилось в 1905 году. В 1915 году Эйнштейн показал, что очертания Вселенной в любом месте определяются массой и энергией, присутствующими там. Попутно он избавился от идеи о том, что гравитация является силой. Гравитация лишь геометрия. Кривые и склоны, созданные материей и энергией. Но геометрия чего? Ясно, что нет такого понятия, как космическая, растягивающаяся, покрытая мылом прорезиненная ткань, по которой движется все, но вспомните: то, что мы не видим чего-то, еще не означает, что оно не существует. До того как человечество поняло, что невидимый воздух вокруг состоит из атомов и молекул, все думали, что в нем ничего нет.
Здесь тот же вид концептуального расхождения во взглядах: космическое пространство, несмотря на кажущуюся пустоту, не пусто. И не статично.
То, что делает его перемещающимся и изменяющимся геометрическим объектом, есть именно то, что я до сих пор называл «тканью Вселенной».
Эйнштейн обнаружил, что эта ткань представляет собой смесь пространства и времени, двух величин, которые, как мы поняли в течение прошлого столетия, нельзя разделить.
Ткань Вселенной, таким образом, теперь более известна под именем пространство-время или пространственно-временной континуум, и общая теория относительности Эйнштейна говорит, каким образом искривляется это пространство-время, что оно содержит и наоборот. Энергия и материя, с одной стороны, и пространственно-временная геометрия, с другой стороны, являются в отношении гравитации идентичными понятиями.
Однако до сих пор вы испытали только искривление пространства. Но не времени. По крайней мере вы так думаете. На самом деле искривление времени происходило всегда. Оно происходит вокруг прямо сейчас, пока вы читаете. Его эффект слишком слаб, чтобы восприниматься чувствами, но скоро вы окажетесь в таких местах, где искривление времени будет очевидно и весьма запутанно. Это произойдет в самолете, в третьей части, а затем, когда вы в конце концов нырнете в черную дыру в шестой части.
...
Вне атмосферы, вдали от Земли находится Луна, вращающаяся вокруг нашей планеты, как мраморный шарик в миске, с той лишь разницей, что сама Луна также создает искривление пространственно-временного континуума. Искривление Луной пространства-времени заставляет воду, находящуюся на поверхности Земли, падать по отношению к Луне. Именно поэтому вода следует за вращающейся вокруг нашего мира Луной, создавая приливы.
...
И все искривление пространства-времени всеми звездами галактики Млечный Путь складывается вместе, создавая гравитационное поле Галактики, конкурирующей с соседними галактиками, а затем и сама Местная группа конкурирует с общим искривлением другими группами и т. д. А Эйнштейн придумал способ объединить все в одну-единственную формулу. Молодец, Эйнштейн!

Ухмыляясь, вы снова оглядываетесь по сторонам, но тут нет ничего, обо что ее можно разбить. Ни Земли. Ни звезд.
Не растерявшись, вы решаете проделать еще один гравитационный эксперимент.
Вытянув руку вперед, вы разжимаете пальцы и отпускаете вазу. Но, насколько вы можете видеть, она остается там же, где и была. Проходит минута. Вторая. И еще – и ничего не меняется.
Ну, если только ваза не подплыла чуть поближе. Но не намного. Ничего стоящего особого упоминания.
В конце концов, устав смотреть на это безобразие, вы отталкиваете вазу кончиком пальца и наблюдаете, как она медленно уплывает прочь по кажущейся прямой линии. Скатертью дорога.
Если бы вы ее не оттолкнули, ваза осталась бы рядом. Она не упала бы. Да и в каком направлении она может упасть? При отсутствии планет, звезд, а также понятий «вверх-вниз» или «вправо-влево»? В центре ничего все направления абсолютно идентичны. Не существует никакой поверхности любого рода для притяжения вазы, если, конечно, вы не считаете ею себя. Но это значило бы оскорбить свою особу, не так ли? Что ж… когда речь идет о природе, не стоит принимать что-либо слишком близко к сердцу, ибо по прошествии некоторого времени, проведенного вами за бездельем, к великому разочарованию, вы видите возвращение вазы. Гравитация работает. Гравитация, создаваемая вами.
Хотя тут возникает странный вопрос: это ваза плывет к вам или вы к вазе? Всем остальным вы можете сказать, что ваза вполне может оказаться поверхностью, на которую вы падаете. К сожалению, додумать идею до конца не удается, потому совсем рядом проносится астероид, разъединив вас и уже довольно близко подплывшую вазу невидимыми гравитационными пальцами.
Если бы вас спросили, вы бы, вероятно, ответили, что, будучи тяжелее, вы первым достигнете астероида. Но нет. Ничего подобного. Вы и ваза касаетесь пыльной каменистой поверхности одновременно, и, как только ноги ощущают мягкую почву, вы тут же хватаете неудавшееся произведение искусства, чтобы разбить его вдребезги.
К сожалению, поверхность астероида не столь тверда, как земная, и ваза не разбивается. Вместо этого вас сразу же окружает огромное облако космической пыли… Раздосадованный, вы подбираете вазу и изо всех сил зашвыриваете ее в космос, чтобы избавиться от нее раз и навсегда. На этот раз шансов на возвращение у вазы не остается, и вы с облегчением вздыхаете, глядя сквозь облако пыли, как она растворяется вдали, обреченная вечно вращаться вокруг самой себя.
Наконец-то вы одни!
Теперь можно расслабиться, насладиться нетронутым космическим пейзажем и выяснить, как познакомиться с гравитацией ближе, чем кто-либо прежде.
Пока вы размышляете, астероид, на котором вы стоите, перестает продвигаться вперед. Его траектория только что изменилась в направлении темного застывшего мира – планеты без звезды, блуждающей посреди ничего в напрасных поисках сияющего нового дома. То есть опасность все-таки была. Вы просто ее не заметили.
В то мгновение, когда астероид резво ныряет вниз в сторону планеты, вы чувствуете, как все внутри сжимается в комок, и почти уверены, что он выбрал идеальный курс для столкновения, чтобы расплющить вас о поверхность холодного, давно мертвого мира. Вы, конечно, слышали, что перед лицом неминуемой смерти людям, как правило, приходят на ум давно забытые воспоминания или же они видят мгновенно пролетающую перед их глазами жизнь. Но с вами ничего такого не происходит. Вы не можете думать ни о чем, кроме лица двоюродной бабушки, обвиняя ее и вазу в верной смерти, ожидающей ваше тело.
В героических усилиях спасти свою жизнь вы сильно отталкиваетесь, спрыгиваете с астероида и пытаетесь отплыть подальше от планеты. Сразу после такого поступка вы понимаете две вещи: во-первых, вопреки тому, что вы думали, вы находитесь не на траектории полета, ведущего к столкновению, а во-вторых, хоть спрыгнуть с астероида и возможно, но плыть в космическом пространстве нельзя.
Словно на межзвездных американских горках, вы разгоняетесь все сильнее и сильнее, скользя вниз по склону, создаваемому планетой в ткани Вселенной. Как и следовало ожидать, вы в конечном итоге не долетаете до ее поверхности несколько тысяч миль и, развернувшись прямо над ее темной, холодной поверхностью, подобно рогатке, выстреливаете обратно в космос вместе со своим астероидом, летящим с гораздо большей скоростью, чем до падения. Вы и астероид только что фактически украли некоторое количество кинетической энергии этого мира, уподобившись мячу для гольфа, который, пропустив коварно движущуюся лунку, вращается вокруг ее края, пока не выпрыгнет из нее и неожиданно не покатится дальше быстрее, чем когда вы его забивали. С неподвижной лункой такого произойти не может, как и с неподвижным миром. Но с движущейся – вполне, как и с движущейся планетой.
Несколькими минутами позже мертвая планета исчезает вдали, а вы приземляетесь обратно на поверхность вашего астероида. Как ни странно, вы понимаете, что он никогда не переставал притягивать вас, и, что еще более странно, замечаете, что вы оба следовали весьма похожим путем вокруг исчезнувшего теперь мира.
То, что ваза, составляющая одну сороковую вашего веса, обязана, как и вы, падать на астероид, может быть удивительным, но то, что на ту же планету должен вместе с вами упасть и астероид размером с небольшую гору, – досадно. Тем не менее это и случилось. Похоже, все объекты тождественным образом падают на планеты или друг на друга, независимо от массы. Как ни любопытно может прозвучать, но Солнце и перо будут падать абсолютно одинаковым образом по отношению к астероиду, планете или чему-то еще. Так происходит, потому что подверженность гравитации означает путешествие вниз по склонам, создаваемым материей и энергией в ткани Вселенной.
Вполне понятно, что вы усаживаетесь на поверхность астероида, чтобы дать этой мысли оформиться.
Вы смотрите в космическое пространство.
Но ни одна имеющая смысл идея не приходит на ум.
Тем не менее вы продолжаете пытаться, и в конечном счете упорство вознаграждается сторицей, внезапно вызвав в вашем уме необычайно красивую картину.
Вы начинаете видеть кривые, склоны и параболы повсюду: вокруг астероидов, далеких планет, звезд и галактик. Доходящие из далеких ярких источников лучи света кажутся скользящими по этим склонам, оставляя за собой затухающие флуоресцентные линии, чтобы, увидев их, вы могли представить себе реальный образ холста Вселенной. Вы замечаете, что ни материя, ни вы, ни свет в космосе не движетесь по прямой линии, как можно было подумать. Вблизи галактики, звезды, планеты или даже небольшого астроида свет отклоняется. Чем большей плотности объект и чем ближе к нему проносящийся мимо луч, тем сильнее изгиб. Передвигаясь, планеты, звезды и галактики тоже создают кривые и склоны, следуя которым они танцуют вокруг друг друга и сливаются. Все и везде в нашей Вселенной движется. Даже ее ткань.
Кажется, что эта самая ткань, очертания которой вы видите, ткань, остававшаяся невидимой для вас до сих пор, на самом деле выглядит почти живой.
Наблюдая эту картину, сидя на астероиде, вы скользите вниз по кривой, точно так же как и сейчас, читая эту книгу. На астероиде кривую создает его вес. В случае с вами, читающим эту книгу, это – Земля. У астероида кривая пологая, и вам не потребуется много энергии, чтобы его покинуть. У Земли кривая гораздо круче.
...
Когда вы впервые оттолкнули от себя уродливую вазу, она медленно вскарабкалась по невидимому склону, созданному вашим присутствием, а затем скатилась туда же, так же как любой подброшенный вверх с поверхности Земли объект постепенно замедляет скорость, а затем ускоряется по мере падения вниз.
Чтобы вытолкнуть его в космос, объект нужно выстрелить с поверхности Земли строго вертикально со скоростью более 40 320 километров в час. Если скорость окажется меньше, он рухнет вниз. Всегда.
Таким образом, чтобы избежать вашего гравитационного притяжения (не следует путать с вашей притягательностью), также требуется минимальная скорость, такая же, как если бы вы попытались забросить детский шарик в земляную лунку.
Вы недостаточно сильно оттолкнули вазу, и она вернулась обратно потому, что вы тоже искривляете ткань Вселенной.
А потом, когда вы мчались к мертвой планете и, сильно оттолкнувшись и используя ее собственное движение, унеслись прочь, вы неосознанно использовали технологию, которую специалисты по космическим ракетам используют для отправки безтопливных спутников далеко в Солнечную систему. Располагая аппараты рядом с планетами под нужным углом и на правильно выбранном расстоянии, они могут заставить их с повышенной скоростью совершать прыжки в сторону отдаленных областей наших космических окрестностей.
Мысли затопляют ваш мозг, теперь вы осознаете, что даже на Земле все и все время действительно падает вниз по склону, созданному материей нашей планеты. И что это происходит потому и из-за того, что она состоит из слоев, начиная с верхних слоев атмосферы и заканчивая внутренним ядром, с наименее плотными частицами вверху и самыми плотными, похороненными глубоко внутри. Потребовались миллиарды лет для достижения такого равновесия.
Теперь, сознаете ли вы это или нет, но вы полностью избавились от мысли, что притяжение является силой.

Так что, как говорится, настало время вглядеться немного пристальнее в растягивающее Вселенную расширение.
Оно происходит реально?
Да. Расстояния между дальними галактиками действительно все время растягиваются. Хоть это не относится к близлежащим объектам, потому что гравитация в малых масштабах сильнее. Галактики создают гравитационное притяжение, что сводит на такое расширение на нет, как в пределах их границ (расстояние между Солнцем и близлежащими звездами не расширяется), так и вокруг них (в настоящий момент соседние галактики все время становятся все ближе и ближе). Для больших расстояний, однако, расширение имеет место.
Открытие расширения Вселенной в 1929 году принадлежит американскому астроному Эдвину Хабблу, а закон, связывающий путь расходящихся галактик с их расстоянием до нас, называется законом Хаббла. В силу этого открытия Хаббла по праву можно считать одним из отцов современной наблюдательной космологии. Он также является человеком, который вместе с Эрнстом Эпиком доказал, что Млечный Путь – еще не вся Вселенная и вне его существуют другие галактики. Два открытия, безусловно, достойные Нобелевской премии, если бы они были сделаны сегодня. Однако в то время наблюдения за звездами и попытки понять их не рассматривались как часть физики ни физическим сообществом, ни Нобелевским комитетом. Как следствие, Хаббл так никогда не получил Нобелевскую премию.

Вы снова рассматриваете разнообразные далекие источники света. Но нет никаких сомнений. Все цвета сдвинуты в сторону красной части спектра.
И что еще интереснее: чем дальше источник света, тем более выражено смещение…
Черт. Все было так легко.
Так что же происходит?
Значит, в конце концов, законы природы в разных частях Вселенной отличаются? И если бы можно было прогуляться по похожей на Землю планете, вращающейся вокруг подобной Солнцу звезды в миллиардах световых лет отсюда, то не окажется ли ее небо, океаны и сапфиры зелеными, растения и изумруды – желтыми, а лимоны – красными?
Точно нет.
Если бы вы попали туда, то увидели бы инопланетный мир таким же, как здесь, мир, в котором лимоны желтые, а небо синее. Причиной наблюдаемого смещения цветов является не то, что законы природы сильно отличаются от наших. Она лежит гораздо глубже. Она даже изменила все, во что человечество верило в течение более 2000 лет.
Вы когда-нибудь настраивали гитару или любой другой струнный инструмент? Вы замечали, что возникающая при щипке струны нота меняется по мере вращения колков? Чем больше растягивается струна, тем выше тон, не так ли?
В существенной степени только что виденное вами в небе соответствует тому же феномену, за исключением того, что звук заменяется светом, а струна не является струной. В космосе свет перемещается или передается не с помощью струн, а сквозь ткань Вселенной. И чтобы объяснить только что обнаруженное смещение спектра, эту ткань следует включить в процесс. Почему?
Потому что в этом сдвиге, влияющем на все возможные цвета одинаковым образом, стоит винить не свет, а то, сквозь что он проходит.
Когда вы щиплете и затягиваете струну с помощью колков, производимый ею звук сдвигается в сторону более высоких частот не потому, что что-то случилось со звуком, а потому, что струна растянулась. И гитарные струны растягиваются точно так же для настройки всех нот.
Теперь представьте, что возможно растянуть ткань Вселенной, как гитарную струну. И если однажды это сделать, все длины распространяющихся по ней световых волн сразу же станут «высокочастотными». Почему? Потому что свет можно рассматривать как волну, и растяжение приведет к увеличению расстояния между двумя последовательными гребнями – длинами волн. Синий станет зеленым. Зеленый – желтым, желтый – красным и т. д.
На примере спектра это означает, что фактические цвета Вселенной смещаются в красную сторону. Это – красное смещение.
А теперь вместо однократного растяжения ткани Вселенной постарайтесь представить себе, что она растягивается непрерывно и неизменно. Чем большее расстояние необходимо преодолеть свету, тем сильнее будет красное смещение по достижении им Земли. Согласно такому сценарию, отправленный из далекой галактики синий луч будет постепенно становиться зеленым, затем желтым, затем красным, затем невидимым для наших глаз инфракрасным и, наконец, микроволновым излучением. Зная, насколько исходный цвет испускаемого далекой звездой излучения отличается от конечного, достигшего Земли цвета, можно сказать, насколько далеко находится эта звезда.
Но так ли это? Действительно ткань Вселенной ведет себя так?
Да. То есть именно так, как вы наблюдали в небе.
Но что означает это на практике?
На практике фактическое расстояние между далекими галактиками и нами все время растет. А значит, пространство между галактиками растягивается и, следовательно, увеличивается само по себе. Это означает, что Вселенная со временем меняется.
Бесчисленные эксперименты теперь подтвердили эту теорию, и ученые научились принимать ее. Мы действительно живем в меняющейся, растягивающейся Вселенной.
Для ясности: расходятся не галактики. Растет расстояние, отделяющее нас от и так далеких галактик. Растягивается сама пустота пространства. Ученые дали этому феномену имя, назвав его расширением Вселенной. И вопреки тому, что можно подумать, оно не означает, что Вселенная расширяется в «нечто». Это означает, что она расширяется и растет изнутри.