Что было сначала — масса или энергия?

Согласно теории Эйнштейна, масса и энергия эквивалентны. Известно, что две частицы с противоположными зарядами и равными массами, скажем электрон и позитрон, столкнувшись, исчезают в яркой вспышке света (точнее, гамма-лучей). Доказано также, что излучение может превратиться в частицу: фотон может преобразоваться в электронную пару, состоящую из электрона и позитрона. Могло ли нечто подобное случиться в начале времен, когда таким же путем была сотворена вся материя — из света, излучения?

Что касается будущего Вселенной, то ей и дальше предстоит подвергаться изменениям. Запасы атомной энергии в солнце и звездах немыслимо велики, но не бесконечны.

Каждую секунду эти небесные тела излучают огромное количество энергии. Медленно, но верно их запасы истощаются и похоже на то, что им когда-нибудь предстоит догореть, остыть и умереть!

Астрономам известны космические объекты, называемые нейтронными звездами. Похоже, что они представляют собой один из вариантов последней стадии звездных метаморфоз. Их вещество столь плотно, что его удельный вес оценивается в 1012 г/см3.

Если масса некоторой звезды превышает определенный предел, равный удвоенный массе солнца, то, согласно астрономическим теориям, эта звезда может сжаться до предела и превратиться в черную дыру. Ее притяжение станет таким огромным, что она втянет в себя всю материю из окрестного пространства. Все и вся будут тогда падать вниз, словно в бездонную пропасть, без всякой возможности вырваться обратно.

Черная дыра даже не способна стать меньше. Можно вообразить, что черные дыры мало-помалу поглотят все вещество вселенной. Но до настоящего времени астрономы не сумели подтвердить, чтобы такое происходило где-нибудь во Вселенной.

Пространство

У точки нет размеров. Движущаяся точка может оставлять след в виде прямой линии. Линия продолжается только в одном измерении (в длину) и поэтому называется одномерной. Если позволить линии сдвинуться в сторону, то ее следом будет плоскость. Плоскость двухмерна. Ее размер вычисляется умножением двух измерений: длины и ширины. Наконец, если плоскость поднимется вверх перпендикулярно своей поверхности, то получится пространство. Три координаты достаточны для определения пространства; три измерения должны перемножаться для вычисления его объема. Следовательно, пространство трехмерно.

Люди способны представлять себе пространство во всех трех измерениях, но не всегда успешно. Глядя только одним глазом, невозможно определить расстояние в пространстве, а если удастся, то только с помощью прошлого опыта, а не непосредственного восприятия. В этом легко убедиться, закрыв один глаз и затем пытаясь кончиком указательного пальца столкнуть спичку с края стола. Только когда мы смотрим на предмет двумя глазами, то есть под разным углом, сказывается стереоскопический эффект и становится возможным определить расстояние до предмета.

Все сказанное может показаться скучноватым. Но если вспомнить радость от взгляда на прекрасные пространственные предметы,— скульптуру, орнаменты, строение цветочной головки, отдаленные голубоватые вершины снежных гор, черты милого лица,— то найдется много удивительных неожиданностей.

Кроме пространства, как еще одно измерение действительности, переживается нами и время. Оно всегда течет только вперед, не позволяя нам ни обгонять, ни отставать от него, ни тем более сдвинуться назад, как сочиняют фантасты.

Но наступила новая пора, и наука изумила нас учением о четырехмерном пространстве-времени. Эйнштейн выдвинул это понятие в специальной теории относительности. Всякое движение теперь признается смещением в пространстве-времени.

В общей теории относительности Эйнштейн пошел еще дальше. Он предложил четырехмерное изогнутое пространство-время. Но поскольку человеческие способности ограничены восприятием трехмерной действительности, люди не могут представить себе устройство четырехмерного мира.

Если взглянуть на небеса и позволить взору проникнуть в глубину Вселенной, то легко заключить, что нет никакой границы, что ничто (хотя бы в теории) не может стать на пути взгляда. Пространство простирается во всех направлениях, все дальше и дальше, без препятствий, без границ, всегда бесконечно расширяясь. В некотором смысле это верно. Но если от этого, не задумываясь, перейти к выводу: «Вселенная, следовательно, бесконечна», то физики сразу возразят: «Потише, это недостоверно! Вселенная действительно велика, но при этом она не обязательно бесконечна. Согласно нашим теориям, у нее возможен предел, где она, в конце концов, изгибается назад».

Но может ли пространство бесконечно продолжаться и оставаться ограниченным? «Да,— отвечают физики,— хотя человеческому уму не под силу нарисовать картину такого пространства». Только некоторым избранным умам, одаренным редкой интуицией, скажем, Эйнштейну, удалось осознать природу пространства и построить его теорию.

Вот картина, которой часто пользуются, объясняя понятия, заключенные в учении о четырехмерном пространстве. Для начала предлагается оставить только два измерения.

Представим себе двухмерные существа, способные, соответственно, воспринимать и понимать только двухмерную действительность, то есть свою родную плоскую поверхность. Существа эти сами плоски и могут перемещаться только по плоскости. Далее, предположим, что они пришли к выводу о бесконечности своей «вселенной». Они додумались, что их плоский мир может, в теории, бесконечно продолжаться в любом желаемом направлении (рис. 11).

Но однажды некий, высокоинтеллектуальный представитель рода двухмерных существ вдруг предположил, что хотя и нет теоретического предела расстоянию, открытому для перемещения в любую сторону, все же «их мир» ограничен. Но каким образом? — А таким, при котором поверхность обитания плоских существ на деле есть не плоскость, а огромное округлое тело, скажем, эллипсоид или другая кривая поверхность, загибающаяся к своему началу. Такая поверхность, или такая «вселенная» будет обладать как раз всеми свойствами бесконечности. По ней можно беспрепятственно и безостановочно двигаться в любом направлении, но при этом «вселенная» все-таки остается конечной. Но двухмерному существу крайне трудно это усвоить. Только очень тщательные измерения могли бы показать, что это не так, и тогда их математикам пришлось бы объяснять, что их пространство искривлено. Для всякого, наделенного чувством трехмерного пространства, очевидно, что кривизна пространства неизбежно ведет к тому, что двухмерные существа оказываются живущими в сфере или эллипсоиде.

Легко вообразить, что необходимо сделать большой скачок от двухмерного осмысления мира к трехмерному. Понимая мир двухмерно, в понятиях поверхностей, невозможно воспринимать даже повседневные явления, привычные, но необходимо зависящие от трех измерений. Наше существование полностью зависит от восприятия пространства. Все окажется иным при переходе от двухмерных (поверхностных) восприятий к понятиям трехмерного пространства.

Но насколько немыслимо для двухмерных существ суметь подняться на новую ступень шкалы измерений и представить себе трехмерный мир, почти настолько же и нам невозможно шагнуть выше по лестнице измерений и вообразить четырехмерное пространство. Следовательно, когда мы говорим о «четырехмерном искривленном пространстве», нам приходится довольствоваться чисто словесными описаниями, которые хорошо соотносятся со всем вышеизложенным, однако их содержание остается все же невразумительным. Здесь мы снова встречаемся с областью, где от науки не приходится требовать понятности.

Мир, где мы живем, неотделим от полноты физического мира с его пространством и временем. Протяженность пространства и времени определяется количеством наличной материи или энергии. И там, где нет материи или энергии в физических измерениях и определимых количествах, там нет ни пространства, ни времени. Это открытие ошеломило физиков и философов нашего столетия.

Рис. 11. Двухмерный ограниченный мир — гигантская искривленная поверхность, загнутая к своему началу. Частично пунктирная кривая показывает, как линия, кажущаяся взгляду прямой, может без конца продолжаться по поверхности, не встречая границ. Без трехмерных представлений о пространстве трудно понять строение такого мира, но его плоские обитатели вряд ли догадываются об этом.

Поиск по сайту: