Глеб Анфилов - Бегство от удивлений

• Название: Бегство от удивлений
• Автор: Глеб Анфилов
• Издательство: "Детская литература"
• Жанр: Физика
• Год: 1974

Книга рассказывает о рождении и развитии механики как науки, искавшей и ищущей ответы на самые простые и глубокие вопросы об устройстве природы.

---

Ответ далеко не очевиден. Нельзя объявить просто: ночью темно потому, что не светит солнце. Ведь звезды — те же солнца, только далекие. Если их бесконечно много в бесконечных далях мироздания, над самым малым уголком небосвода их бесчисленно много. Значит, свет их на небосводе обязан давать сплошной фон, сливаться в ровное ослепительное сияние. А так как светят звезды из-за высокой температуры и вместе со светом изливают лучистое тепло, то во Вселенной не должно быть места ни для Земли, ни для людей. В нестерпимом свете и жаре немыслима жизнь. Любой листок, любая букашка мгновенно испепелились бы в такой Вселенной. Вещество привычных нам состояний — твердого, жидкого, даже газообразного — стало бы невозможно. Всюду было бы так же жарко, как в недрах Солнца!

Изложен старый, полуторавековой давности, космологический парадокс, называемый фотометрическим. Выдвинул его в свое время немецкий астроном Ольберс, сделав это в форме вполне корректной физико-математической теоремы. И потом многие десятки ученых пытались его снять.

В дебрях противоречий

Может, свет поглощается межзвездной средой — газом, пылью, холодными планетами, «золой» остывших звезд?

Нет. Сколько бы ни поглотилось света, его все равно останется бесконечно много. Расчет простой: разделите бесконечность пополам, на десять, на сто — результат будет бесконечностью. Кроме того, атомы межзвездной среды не «поедают» свет без остатка — просто «глотают» его, чтобы «выплюнуть» потом в другом направлении. Они лишь рассеивают, разбрызгивают звездные лучистые потоки по всему миру, и в бесконечном пространстве должна сохраняться бесконечность лучистой энергии. Небо даже станет ярче.

Ну, а если есть-таки в мире некая твердая холодная оболочка, на манер чудовищного зуба, придуманного Чеховым? Увы, и эта гипотеза, сколь серьезно ее ни обставить, не спасает положения. Снаружи-то владелец зуба обязан купаться в том же бесконечно обильном, испепеляющем лучистом ливне. Ничто не вправе устоять против его пагубного действия. Испарится и оболочка.

Остается сделать еще одно, весьма рискованное предположение: снять запрет на ночную тьму путем отказа от его главной причины — от звездной бесконечности. Признайте, что в бесконечном мироздании существует всего «горстка» звезд и галактик, — и все встанет на место, не так ли?

Нет, не так. Еще Ньютон убедительно рассудил, что в мире не может быть конечного числа звезд. Если бы их набралась всего «горсть», пусть громадная, благодаря тяготению они, как думал Ньютон, слиплись бы в комок, в одно огромное небесное тело. Позднее, правда, физика внесла поправку: «горсть» звезд не слиплась бы, а, наоборот, разбрелась по бесконечному пространству. И тогда Вселенная опустела бы, из нее исчезло бы практически все вещество.

Но вещество есть! Как бы далеко ни заглядывали астрономы в свои телескопы, всюду находилась материя. Значит, звезд бесконечно много? Тогда почему же все-таки ночью темно?

Видите, дело запуталось. Мы блуждаем в лесу противоречий.

Звезды пустого мира

Я однажды провалился на экзамене — дали, на беду, неразрешимую задачу. На другой день сообразил, что в экзаменационных билетах не принято задавать неразрешимых задач. Начал старательно думать — и, хоть с печальным запозданием, нашел ответ.

В космологии было похоже. Физики и астрономы сперва не разгадали каверзную загадку Ольберса. Но они знали, что фотометрический парадокс разрешим: небо-то темное! А потому продолжали размышлять, вычислять и постепенно выпутывались из лабиринта противоречий.

Представим такое. Мир бесконечен, звезд в нем бесчисленно много, их полная масса бесконечно велика, но тем не менее плотность звездной материи в бесконечном объеме равна нулю. Невозможно?

Оказывается, возможно. Нужно только, чтобы при увеличении объема плотность космической материи уменьшалась.

Плотность есть масса, деленная на объем. В каждой звезде плотность весьма велика, ибо весь ее объем заполнен веществом. Но в объеме, включающем две соседних звезды, средняя плотность меньше: много места ушло на пустоту. Дальше — то же самое. В объеме, охватывающем две соседние галактики, средняя плотность меньше, чем в каждой галактике по отдельности. А еще дальше? Что, если так будет продолжаться без конца? В пределе — для бесконечно большого объема — мы получим нулевую среднюю плотность материи.

И тогда выйдет долгожданное опровержение парадокса Ольберса: запрет ночной тьмы упадет. Глядя в глубь мира, мы практически не увидим вещества, ни светящегося, ни темного. Несмотря на то что звезд и прочих небесных тел останется бесконечно много.

Эта идея легла в основу любопытных схем размещения звезд, которые придумал в начале нашего века бельгийский космолог Шарлье. Главную их особенность Шарлье заимствовал у астронома XVIII века Ламберта, провозгласившего принцип иерархии в строении мироздания: небесные тела образуют системы, сложность которых с увеличением размеров растет, а средняя плотность материи падает. Мир, подчиненный таким правилам, свободен не только от фотометрического, но и от некоторых других (не упоминавшихся) парадоксов космологии — например, гравитационного (о мнимой неизбежности бесконечно большого тяготения в любой точке бесконечно большого мира с бесконечно большой суммарной массой звезд).

Так модель Вселенной, придуманная Шарлье, получила ранг более или менее разумной космологической гипотезы.

Как объять необъятное

Хороша ли модель Шарлье? Пожалуй, неплоха. Лучше, во всяком случае, чем мир, плывущий на китах или пребывающий на плечах Атласа. Не нужно ни того, ни другого, и вдобавок очень приятно понимать и объяснять друзьям, почему ночью темно. Для Вселенной Ньютона что-либо кардинально иное вряд ли сочинишь.

Однако есть в этой системе мироздания существенный изъян. Вместо Атласа, вместо китов и тому подобных красивых вещей понадобилось нечто, хоть и не столь фантастичное, но никак не вытекающее из небесной механики: иерархичность звездных систем. Этот армейский порядок звездно-галактического строя, строгая субординация размеров и дистанций — условия, придуманные независимо от физики. Они внесены очень искусственно, с единственной целью спасти природу от космологических парадоксов, причем так, чтобы остались в силе ньютоновские «надфизические» фетиши — абсолютное пространство и математическое время. Пока эти ипостаси ньютонианства были неприкосновенны, схемы Шарлье представлялись неизбежностью.

Лишь в наши дни доказана их невозможность: столь искусственное «построение» галактик очень быстро распалось бы. Не могут звезды «стоять по стойке «смирно».

Конечно, убедительнее было бы вывести всемирную систему из проверенных и бесспорных физических законов, лишь обобщив малое на большое и не измышляя для материи никаких дополнительных правил поведения, не требуя от нее неестественного послушания.

Все дальнейшее развитие космологии составлено из серии попыток реализовать эту программу — отправляясь только от знаний, добытых маленькими людьми на маленькой Земле, понять необъятное, этот черный звездный дом, притаившийся за окном наших избушек и небоскребов, за иллюминатором космических кораблей, за воздухом атмосферы, эту великую тайну, обступившую со всех сторон любопытное человечество.

Программа оказалась исполински трудной. Сдвиги начались лишь с работ Эйнштейна, с того этапа эволюции физики, когда пространство и время обрели тесную связь с движущейся материей. Но на первых порах и релятивистская космология делала неуверенные, неточные шаги.

Вроде киселя

Замысел сводился к следующему риторическому вопросу.

Если каждая планета и звезда искривляют вокруг себя прилегающий кусочек пространственно-временного мира, то не деформируется ли полной совокупностью звезд и галактик все пространство — время Вселенной? И если да, то как?

Заранее ничего нельзя было сказать. Возможно, мир в целом ничуть не согнут, или искривлен лишь в отдельных малых участках — будто воронки крутятся тут и там на зеркальной водной глади. Так это или не так, могло сказать конкретное исследование.

И Эйнштейн решает задачу. Отказывается от нефизичного требования Шарлье — чтобы средняя плотность вещества в пределе равнялась нулю. Пусть она составляет некую конечную величину — это естественнее. Отвергает и схемы Шарлье, они теперь не нужны. А взамен выдвигает тоже, правда, не очень справедливое на первый взгляд предположение: материя распределена во Вселенной равномерно, без сгущений и пустот, словно сплошной, всюду одинаковый, непрерывный кисель. Зачем это?

Не думайте, что Эйнштейн позабыл об атомах, звездах, галактиках и прочих вездесущих комках материи. Нет, он просто представил себе, что, начиная с каких- то громадных объемов, «зернистость» Вселенной становится несущественной в формировании пространства — времени. И тогда плотность материи не меняется при еще большем увеличении этих объемов. Ведь и обыкновенный клюквенный кисель, как известно, не непрерывен, а состоит из молекул. Но мы воспринимаем его как сплошную жижу. Подобно этому, звезды и галактики — нечто вроде молекул всезаполняющего вселенского «киселя» — «космологического субстрата».