Хотя есть убедительные косвенные свидетельства того, что на каком-то очень большом масштабе должна наступать однородность, открытие таких структур, как Стена Слоана и Пустота Рудника, означает, что мы не знаем, начиная с какого масштаба Вселенная становится гладкой и уже можно игнорировать ее клочковатую, ячеистую, губчатую или фрактальную структуру как мелкую рябь на поверхности громадного океана.
Глава 23 Вселенная конечная или бесконечная: космологические модели
Пришло время напомнить наш рассказ из главы 1 о том, что первым космологом можно было бы считать загадочного Пифагора, который использовал слово космос для обозначения упорядоченной Вселенной. Геометрические формы и числа рождались в попытках описать весь этот мир. Если космос управляется математикой, то можно построить модели нашей Вселенной, чтобы понять ее структуру. И действительно, сразу после создания общей теории относительности она была использована для описания Вселенной в целом. Так родилась современная космология. А до этого наши средства для построения моделей мира были ограничены, хотя различные точки зрения на структуру мира существовали всегда.
Аристотель представлял себе Вселенную конечной. Всё находилось внутри сферы неподвижных звезд. Ее размер не был известен, хотя, по оценкам Птолемея, эта сфера была удалена на 20 000 радиусов Земли. В этой модели мир над сферой Луны отличался от мира под ней. Люди, состоящие из обычного вещества, не могли находиться в верхнем мире. За пределом самой внешней сферы не было ничего. Если попытаться представить себе такую Вселенную, то ничего не выйдет: мы вынуждены будем мысленно поместить ее внутрь еще большего пустого пространства (рис. 23.1).
Другой ответ на загадку о крае Вселенной тоже возник еще в древности: у Вселенной края нет, ибо она бесконечна. Это была точка зрения атомистов, считавших, что всё, в том числе и человек, зависит от сложного взаимодействия атомов и вызванной этим эволюции структуры. Эти процессы требовали огромного времени и пространства, поэтому легче было представить их в бесконечной Вселенной. Лукреций, живший в I веке до н. э. (см. главу 2), в своей книге «О природе вещей» так описал бесконечность:
Но бесконечной всегда остается вселенная в целом.
И по природе своей настолько бездонно пространство,
Что даже молнии луч пробежать его был бы не в силах,
В долгом теченье чреды бесконечных веков ускользая
Дальше вперед, и никак он не смог бы приблизиться к цели.
Вот до чего для вещей необъятны повсюду просторы,
Всяких границ лишены и открыты во всех направленьях [7] .
Рис. 23.1. На этой знаменитой гравюре, появившейся в 1888 г. в книге Камиля Фламмариона, человек из своего конечного мира выглядывает сквозь небесную сферу, этот загадочный край Вселенной. Текст на французском языке повествует о средневековом миссионере, обнаружившем место, где небо сходится с землей.
Джордано Бруно был знаком с текстами Лукреция и стал одним из первых, кто в эпоху Возрождения поддержал идею о безбрежности пространства и бесчисленности звезд. По его представлениям, существовало бесконечное число небесных тел, похожих на Землю. В этом отношении он опередил Коперника, Кеплера и даже Галилея, хотя, надо сказать, Бруно не был астрономом и не мог наблюдениями подкрепить свои идеи.
Третья возможность, обсуждавшаяся в древние времена, заключалась в том, что мир частично конечен, а частично бесконечен. Согласно этой идее, наш материальный мир похож на остров в бесконечной Вселенной. Это была идея стоиков, последователей Зенона (336–246 до н. э.). Популярное в XIX веке представление о том, что все заключено в нашем Млечном Пути, имеет некоторое сходство с идеями стоиков. С другой стороны, конкурирующая теория «островных вселенных» напоминает взгляды атомистов. Именно ее позже сочли правильной. Но можем ли мы до конца следовать за атомистами и считать, что наша Вселенная бесконечно велика?
Закон тяготения Ньютона стал отправной точкой для строгой математической космологии, но он же оказался источником временных трудностей. Любопытные письма, которыми обменивался Ньютон с теологом Ричардом Бентли зимой 1692/93 года, демонстрируют зачатки этого нового мышления. Бентли видел в науке лишь орудие для своей борьбы с атеизмом. Наука выявляет рациональные законы природы (такие как закон тяготения), но предполагают ли они существование (или вмешательство) сверхъестественного существа? Бентли решил попросить Ньютона прокомментировать происхождение мира, поскольку Ньютон сам был глубоко религиозным человеком и в то же время величайшим знатоком физики.
Бентли задавал Ньютону острые вопросы; среди них был вопрос о том, как будет вести себя вещество, равномерно рассеянное в пространстве. Ньютон ответил, что вещество будет оставаться в равновесии, если силы притяжения, действующие на каждую частицу с разных направлений, будут уравновешены. Ньютон сравнивал эту ситуацию с иглами (разумеется, с бесконечным числом игл!), стоящими на кончиках. Даже малейшее нарушение равновесия может привести к катастрофическому коллапсу. Поэтому для прошлого и нынешнего существования звездной Вселенной, в которой действует гравитация, по-видимому, требуется невероятно точная «настройка». Ньютон допускал, что это могла бы осуществить и божественная сила. Это было именно то, чего добивался Бентли и что совпадало с желанием Ньютона увидеть «отпечатки пальцев» Бога в природе. Сегодня мы менее склонны к мысли, что существование Бога можно обосновать с помощью временных загадок физической природы. В этом вопросе многие современные ученые — как верующие, так и неверующие — проявляют близость к представлениям математика Блеза Паскаля (1623–1662), высказанным в его глубоких «Мыслях». Бог для Паскаля — это скрытый Бог; поэтому Паскаль предпочитал не всматриваться в «небеса и птичек» в поисках доказательств Его существования.
В 1895 году Хуго фон Зелигер пришел к выводу, что под действием ньютоновской гравитации бесконечная евклидова Вселенная с однородно распределенными звездами не может пребывать в абсолютном покое. Фактически, при этих условиях невозможно вычислить значение силы, действующей на частицу в заданной точке пространства. Но природа не может пребывать в таком неопределенном состоянии. Эта новая проблема старой модели мира побудила Зелигера к введению небольшой модификации в закон тяготения Ньютона, которая чуть-чуть ослабляет гравитационную силу дополнительно к ее обратной квадратичной зависимости. Эта модификация сходна с более поздним предложением Эйнштейна добавить так называемую космологическую постоянную в его уравнения общей теории относительности, чтобы предложенная им модель конечной Вселенной могла оставаться в состоянии покоя.
Открытие неевклидовой геометрии в XIX веке в корне изменило подход к этой проблеме (см. главу 15). Можно иметь конечную Вселенную и в то же время не мучиться над каверзным вопросом о крае Вселенной. Так что Вселенная галактик может быть как конечной, так и бесконечной. Особый случай — однородная и изотропная Вселенная. Поскольку из своей Галактики мы видим мир изотропным (одинаковое число галактик в разных направлениях), то, скорее всего, наша Вселенная на достаточно больших масштабах однородна, если только мы не находимся в ее центре. Но это последнее противоречило бы принципу Коперника.
Что касается ограниченности Вселенной, то существует одно космологическое наблюдение, которое можно провести невооруженным глазом и очень легко понять. Как известно, ночью темно.
Но если бы Вселенная имела бесконечную протяженность и была заполнена звездами, то на каждом луче зрения рано или поздно попалась бы поверхность звезды. А если во всех направлениях мы видим поверхности звезд, то все небо днем и ночью должно быть таким же ярким, как поверхность Солнца. В действительности же это не так. В этом и состоит так называемый парадокс Ольберса [8] . Так о чем же свидетельствует темное ночное небо?