Книга: Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
Назад: Сферы Дайсона и бесконечность вселенной
Дальше: Почему прошлое, настоящее, будущее – а больше ничего?
Закон обратных квадратов
Представьте себе, что мы построили сферу с радиусом не в одну астрономическую единицу, а в две – то есть она вдвое дальше от Солнца. В нашей Солнечной системе она примерно совпадет с внутренним краем пояса астероидов – перед самым Юпитером. Материалов нам понадобится гораздо больше. Если удваиваешь радиус сферы, площадь поверхности возрастает в четыре раза. Квадратное соотношение, сами понимаете. Однако это означает, что количество излучения, доходящего до любой точки на сфере, сокращается – тоже в четыре раза. Яркость источника обратно пропорциональна квадрату расстояния до него.
Закон обратных квадратов открыл не Дайсон. Он известен со времен античности и появляется в самых разных контекстах. Чем дальше галактика, тем тусклее она становится – пропорционально квадрату расстояния до нее.
Обратному квадрату расстояния пропорциональна и гравитация. Чем дальше находишься от Солнца или от центра Земли, тем слабее сила гравитации. Она также при удвоении расстояния сокращается в четыре раза. Соотношение между силой гравитации и законом обратных квадратов стало катализатором, подтолкнувшим Исаака Ньютона к публикации в 1687 году «Principia Mathematica». В этом труде он сформулировал основы многого из того, что мы теперь называем физикой, и представил соответствующие формулы, в том числе и свои знаменитые законы движения. Очень может быть, что все это он опубликовал на спор.
В 1684 году Эдмунд Галлей (тот самый, с кометой), Кристофер Рен и Роберт Гук – выдающиеся ученые своего времени – обсуждали, почему планеты вращаются по эллиптическим орбитам. Вспомним, что этот факт открыл Кеплер на основании наблюдений за 75 лет до этого. Рен даже предложил денежное вознаграждение всякому, кто предоставит ему решение этой задачи.
Галлей был убежден, и вполне справедливо, что планеты притягиваются к Солнцу с силой, пропорциональной обратному квадрату расстояния, но дальше продвинуться не смог. Поэтому он обратился к Ньютону. Ньютон тогда еще не опубликовал труд всей своей жизни, однако уже был профессором в Кембридже и пользовался заслуженной славой гения первой величины. Вот как писал об этом случае современник:
В 1684 году доктор Галлей посетил Кембридж и, проведя некоторое время в обществе сэра Исаака, спросил его, какой, по его мнению, должна быть кривая, описываемая планетами, если предположить, что сила притяжения к Солнцу обратно пропорциональна расстоянию до него.Сэр Исаак тут же ответил, что это должен быть эллипс. Доктор, преисполнившись радости и изумления, спросил, откуда ему это известно.– Видите ли, я это вычислил, – сказал тот.
Общепринятая точка зрения состоит в том, что Ньютон все это вывел лет за 25 до описываемой беседы, когда вернулся домой из школы, поскольку занятия отменили из-за эпидемии чумы. Так ли это, неясно. Ясно другое: черновики Ньютон не нашел и поэтому пообещал Галлею повторить выкладки. Три года спустя, в 1687 году, он опубликовал «Principia». В данных обстоятельствах Галлей, похоже, поступил не по-джентльменски, забрав себе денежный приз, который предлагал Рен.
Из вселенского закона обратных квадратов следуют весьма важные выводы. Помните, что закон этот относится не только к гравитации, но и к свету, а именно с рассуждений о свете и началась наша беседа. Представьте себе бесконечную вселенную, равномерно заполненную галактиками. Для простоты представляйте себе галактики так же, как наши предки – звезды: вделанными в небесные сферы. Немного изменим картину: пусть сфер у нас будет бесконечно много. Чем дальше сфера, тем больше галактик на нее поместится.
Предположим, одна из этих сфер находится от нас в 10 миллионах световых лет, а другая – в 20 миллионах световых лет. Каждая галактика на меньшей сфере будет казаться в четыре раза ярче, чем ее далекие товарки. С другой стороны, на большей сфере поместится в четыре раза больше галактик. Перемножьте – и получится, что обе сферы изливают на Землю примерно одинаковое количество света. В бесконечной вселенной и сфер будет бесконечно много. Сложите все – и получите бесконечный луч яркого света отовсюду, куда бы вы ни посмотрели.
Если вы считаете, будто астрономы просто лишком умничают (или что я слегка сжульничал со своим зрелищным «экспериментом»), вспомните о чаще леса. Ближайшие деревья кажутся толстыми. Чем дальше, тем тоньше они выглядят, но их столько, что если углубиться в лес, то просвета не будет видно ни в каком направлении. А теперь предположим, что деревья горят, причем каждое – с яркостью Солнца. Космолог Эдвард Харрисон описал это довольно-таки поэтическим языком:
В этом пылающем жаром аду атмосфера Земли исчезла бы в считаные минуты, океаны выкипели бы за несколько часов, а сама Земля испарилась бы за несколько лет. И все же, разглядывая небеса, мы обнаруживаем, что вселенная погружена во тьму.
Перед нами парадокс Ольберса, получивший название в честь последнего, кто его описал. Парадокс имени себя Генрих Ольберс описал в 1823 году, однако сама идея – едва ли не ровесница самого принципа Коперника и восходит как минимум к 1605 году, когда Иоганн Кеплер написал о страшных последствиях бесконечного звездного распределения в трактате «Astronomia nova»:
Сами эти размышления несут с собою неведомую тайну, скрытый ужас – и в самом деле, выходит, что человек блуждает в бесконечности, лишенной и центра, и пределов и, следовательно, любого направления и цели.
Кеплер понимал, что следует из концепции симметричной вселенной, и это ему не нравилось. Он считал, что звезд должно быть ограниченное количество и что они наверняка «заключены и окружены стеною либо преградою».
Мы не в состоянии заглянуть бесконечно далеко, поскольку звездный свет от объектов дальше чем несколько десятков миллиардов световых лет еще не успел добраться до нас. Преграда, о которой говорил Кеплер – это начало времен.
Одна из симметрий – вращательная – дает нам закон обратных квадратов. Она же в сочетании с еще одной симметрией – однородностью вселенной – задает нам загадку, почему ночью темно. Эта загадка решается при помощи асимметрии – времени.
Мы уже видели, что течение времени на вид очень симметрично, однако время как координата вселенной определенно несимметрично: у вселенной есть начало. Начало вселенной – источник всех наших проблем при попытке понять, почему энтропия во вселенной была и остается такой низкой. Кроме того, именно оно позволяет нам спокойно спать по ночам. Секундочку!
Назад: Сферы Дайсона и бесконечность вселенной
Дальше: Почему прошлое, настоящее, будущее – а больше ничего?
