Общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Парадокс близнецов. Принцип эквивалентности. Модели эволюции Вселенной

 Путаница возникает тотчас, когда близнецы меняются ролями; в самом деле, столь же справедливо  утверждение, что Том с точки  зрения Тима удаляется и что  его часы покажутся Тиму отставшими  ровно на столько же. Следовательно, Тим по возвращении вроде бы должен увидеть более молодого Тома. Поскольку подобный эксперимент в принципе может .быть выполнен, ясно, что из двух ответов только один может быть верен (или, как утверждают некоторые недоброжелатели, ни тот ни другой), и наши рассуждения ошибочны.

 Ошибка действительно имеется,  но ее трудно выявить. Дело  в том, что возраст братьев  надо сравнивать в один и  тот же момент времени, но  в теории относительности отсутствует  универсальное понятие одновременности.  Два события, которые происходят  одновременно с точки зрения  Тома, вовсе не кажутся одновременными  Тиму, и наоборот. При малых скоростях,  к которым мы привыкли, этот  эффект, также имеет место, но  мы его не замечаем. Представим  себе на железнодорожной станции  два светильника, расстояние между  которыми один километр, и пусть  они зажигаются одновременно. Для  пассажиров поезда, прибывающего  на станцию, эти два события  не синхронны, но они разделены  во времени всего на несколько  триллионных долей секунды. Эффект  едва увеличивается при увеличении  скорости поезда и расстояния  между светильниками. Оцененный  же применительно к астронавту  Тиму, он становится весьма существенным  и должен .быть принят во внимание. Но вот прошло пять лет от начала путешествия, и Том заявил: "Мой брат только что достиг Альфы, и сейчас в его путешествии произойдет "решительный поворот"; ему же кажется, что прошло только три года". Том был прав. Тим же по прибытии на Альфу высказался иначе: "Для меня прошло три года, а моему брату кажется, что прошло всего три пятых этого срока, т. е. немного меньше двух лет". И Тим также был прав.

 Ключ к разгадке парадокса  кроется в выражении "в один  и тот же момент времени", которое больше не имеет универсального значения. Для Тома событие "прибытие Тима на Альфу" и момент времени, отстоящий от начала путешествия на пять лет, одновременны. Для Тима же момент прибытия на Альфу совпадает с более ранним моментом времени Тома, наступившим всего лишь спустя девять пятых года.

 От скорости удаления космического  корабля зависит, какой именно  момент времени Тома является  синхронным с заданным моментом  времени Тима. Если движение корабля  замедлится, то произойдет смещение  вперед синхронного момента времени  Тома. Когда же корабль повернет, чтобы отправиться в обратный  путь, это смещение увеличится, пока  к концу путешествия оно опять  не достигнет девяти пятых  года. "Решительный" поворот  космического корабля с Тимом на борту прибавляет годы к возрасту Тома и приводит к его стремительному старению. Сам же Том не изменял направления своего движения, и поэтому Тим остался молодым. Взаимоотношения между близнецами не являются больше симметричными, так как один из них вынужден был тормозить и разгоняться; рассматриваемая система не является "инерциальной", и специальная теория относительности к ней неприменима. Таким образом, подлинного парадокса не существует.

Этот пример ясно демонстрирует  пределы применимости специальной  теории относительности: попытки описать  с ее помощью относительные движения, не являющиеся равномерными, обязательно  приводят к противоречиям, Во многих научно-фантастических произведениях  неоднозначность течения времени  представляется в драматических  тонах с помощью выдуманных сеансов  радио- или телепатической связи. Посмотрим, в чем заключаются беды обоих  подходов. Пусть для разговора  используются радиоволны. Отправленные с Земли, они достигают космического корабля с опозданием, которое  растет с увеличением пройденного  расстояния. Из-за такого растяжения времени, или из-за задержки сигнала, разговор будет казаться замедленным. Сигнал окажется "растянутым" в три  раза. Сигналы, отправленные с Земли  в течение первого года с момента  начала путешествия, будут прибывать  на корабль в течение трех лет, что соответствует времени путешествия  до Альфы. Если корабль повернуть  назад, то растяжение сигнала превратится  в сжатие, и все тру года обратного пути на корабле будут собираться передачи последующих девяти земных лет. Если сообщения посылает Тим, то Земле потребуется девять лет для принятия сигналов, посланных с корабля на пути к Альфе, и всего один год для принятия сигналов с обратного пути. Передача сообщений по радио становится бессмысленной: сообщение, посланное Томом спустя четыре месяца после начала путешествия, достигнет Тима, когда тот уже проведет в полете целый год. Тим ответит незамедлительно, но ответ придет на Землю через три года после отправления. Так что в распоряжении Тома будет достаточно времени для размышлений и для того, чтобы поесть спагетти.

Модели эволюции Вселенной.

Современная картина эволюционирующей Вселенной - не только расширяющейся, но и буквально «взрывающейся», - пожалуй, так же мало похожа на картину статичной  Вселенной, которую рисовала астрономия начала XX в., как современные представления  о взаимопревращаемости атомов и элементарных частиц на неделимые атомы классической физики.

Наша Метагалактика нестационарна, поскольку непрерывно изменяется, в прежние времена (если кому было наблюдать) она выглядела иначе, и не будет находиться в нынешнем виде вечно — она имела начало и должна иметь конец своего, существования (таковы современные представления об эволюции Вселенной).

Около двадцати или десяти миллиардов лет назад (где-то в этом интервале времен) вещество, из которого сегодня состоят галактики, было сконцентрировано до очень больших  плотностей в некоторой, так называемой, покоящейся сингулярной точке. В  современную эпоху наблюдаемые  скорости тогда образовавшихся галактик достигают и сотен, и двух сотен  тысяч км/с, т. е. скорости их движения оказываются сравнимыми со скоростью  света. Создается впечатление, что  когда-то в те давние времена произошел  гигантский по мощи взрыв этой сингулярной  области (говорят об этом совершенно в условном смысле, а не в прямом толковании взрыва), который и явился началом развития Метагалактики (если угодно, Вселенной) к ее современному состоянию. Такой взгляд на начало мира оказался приемлемым многим ученым, гипотеза эта получила всеобщее признание  и была названа гипотезой Большого взрыва (по англ. — Big Bang). В варианте холодной сингулярности она принадлежит французскому космологу аббату Жоржу Лемэтру (1894-1966), ставшему впоследствии президентом Ватиканской академии наук, а в варианте горячей сингулярности — великому русскому ученому Георгию Гамову (1904-1968).

Итак, по современным воззрениям, Вселенная возникла в результате стремительного расширения, если угодно, взрыва, сверхплотного горячего вещества, обладавшего сверхвысокой температурой. Это был не обычный взрыв, который  начинается из определенного центра и затем захватывает другие области  пространства. По образному выражению  нобелевского лауреата, американского  физика Стивена Вайнберга (соавтора теории электрослабого взаимодействия), взрыв произошел одновременно везде, «причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы». Другого пространства, кроме того, которое было первоначально занято исходным веществом, не существовало, т. е. тогда это была вся, именно вся Вселенная. И начальный Большой взрыв (Big Bang) был не расширением материи в окружающее пространство, а расширением самого пространства. Big Bang произошел 13-17 млрд лет назад (по оценкам из закона Хаббла).

Проследим за динамикой развития Вселенной после взрыва. Чем дальше мы уходим в прошлое, тем больше температура, все ближе и ближе сингулярность — загадка взрыва Вселенной. Современная наука позволяет в мысленном путешествии во времени подойти к сингулярности вплотную. Вернемся опять к использованию простейших математических формул, которые позволят с большей наглядностью проиллюстрировать это путешествие. Начальная температура, по предположению Гамова, была порядка 1032 градусов Кельвина. Это так называемая планковская температура, составленная из планковских единиц длины, времени и массы. Начиная с этого момента (с нуля времени!), Вселенная начала расширяться, температура ее стала понижаться, а объем Вселенной начал расти. Опять же, через планковское время, которое оценивается величиной около 10-43 с, после рождения классического пространства-времени, во Вселенной наступила инфляционная эпоха. Она характеризуется предельно сильным отрицательным давлением (его иногда называют состоянием фальшивого вакуума), при котором меняются законы обычной гравитационной физики. Вещество становится не источником притяжения, а источником отталкивания. Во время этой эпохи объем Вселенной увеличивается на много-много порядков от первоначального объема, вплоть до ста порядков, т. е. практически до размеров почти современной Вселенной, в результате чего вся современная Вселенная оказывается в одной причинно-следственной области, уравнивается кинетическая энергия расширения и ее потенциальная энергия. Из-за действия сил отталкивания Вселенная «разгоняется» и приобретает большую кинетическую энергию, которую в дальнейшем, в последующие эпохи, мы наблюдаем в виде хаббловского расширения по инерции.

Через одну секунду после  взрыва температура настолько понизилась, что была уже всего 10 млрд градусов. При такой все еще огромной температуре происходят процессы рождения и аннигиляции (превращения в свет, в фотоны) элементарных частиц. Например, процессы рождения пар электрон-позитрон при столкновении фотонов и обратная реакция, аннигиляция пар электрон-позитрон с превращением в фотоны.

При еще более высокой  температуре, следовательно, еще ближе  к моменту «взрыва», возможны были рождение и аннигиляция более  тяжелых частиц и античастиц, причем непрерывно происходило быстрое  их взаимное превращение. В этом первоначальном и «кипящем бульоне» из элементарных частиц, частиц примерно было столько  же, сколько фотонов. В настоящее  время фотонов в миллиард раз (109) раз больше, чем частиц (протонов). Очевидно, объяснить такое соотношение  между числом фотонов и числом частиц в прошлом и настоящем  можно, если только предположить, что  в «кипящем планковском бульоне», в прошлом, на каждый миллиард античастиц приходился миллиард плюс одна частица, т. е. существовала мизерная ассиметрия между частицами и античастицами. (Если бы ассиметрия была в другую сторону, то нынешняя Вселенная состояла бы из антивещества). Возникает множество вопросов: почему разница между количеством частиц и античастиц так мала? и т. д. Оставим в стороне пока эти вопросы и вернемся к ситуации, возникшей через одну секунду (!) после взрыва. В это время от всего разнообразия частиц остались только фотоны, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино. Нейтрино и антинейтрино вырвались из равновесного состояния, из «кипящего бульона», примерно через 0,2 сек. после взрыва (в отличие от фотонов, оторвавшихся примерно через миллион лет).

За последние годы в  физике элементарных частиц произошли  большие изменения. Сейчас логически  последовательное описание Big Bang невозможно без элементарных частиц. Все тяжелые частицы, адроны, состоят из кварков. Соединение кварков осуществляется посредством элементарных переносчиков сильного взаимодействия — глюонов. Но самое поразительное заключается в том, что на взаимодействие элементарных частиц, на сложные процессы, проходящие в «кипящем бульоне», оказывает влияние пустота — физический вакуум. Этот особый вакуум (так считает современная наука) является сложным состоянием, необычной пустотой, от которого зависят свойства пространства-времени и материи. Физический вакуум — это сложнейшее состояние «кипящих» виртуальных частиц всевозможных сортов.

Следует также вспомнить  о видах взаимодействия, известных  нам. Таких видов взаимодействий, как уже указывалось, всего четыре: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Если подсчитать момент времени t, соответствующий температуре Т, когда энергия 1014 Гэв (тогда Т 1027 К), то получится t 10-24с.

Итак, при температурах Т 1027К происходит объединение трех сил: электромагнитной, слабой и сильной. Остается в стороне только одна сила — гравитационная. Казалось бы, осталось сделать только один шаг, но этот последний шаг до сих пор не удается сделать пока никому.

Оценка энергии, при которой  должно произойти объединение всех сил природы, равна 1019Гэв, что соответствует  температуре Т 1032К, т. е. начальной температуре в сингулярности. В результате этого суперобъединения нет отдельных четырех взаимодействий, есть только одно универсальное супервзаимодействие. При разработке теорий, в которых существует единое универсальное взаимодействие, ученые с неизбежностью приходят к рассмотрению абстрактных пространств с большим, чем четыре, числом измерений. Есть варианты теорий, в которых рассматриваются 10, 11 и даже 26 измерений вместо обычных четырех. Почему же мы на практике не обнаруживаем этих дополнительных измерений? Как утверждают ученые, все дополнительные измерения компактно «сворачиваются» на расстояниях порядка 10-23см — это так называемая планковская длина волны. На этих расстояниях необходимо учитывать квантовые эффекты -здесь уже не «работает» классическая общая теория относительности. Квантовой же теории гравитации в признанном всеми варианте пока еще не существует.

Возможно, в нашей Вселенной должны сохраниться «следы» тех процессов, которые протекали вблизи сингулярного состояния. К таким «следам» относятся самые фундаментальные свойства нашего мира, а именно, тот факт, что пространство имеет три измерения, а время — одно измерение, тоже обусловлено теми, далекими для нас, процессами. Тот факт, что во Вселенной есть вещество, также обусловлен теми процессами. Вообще Вселенная вблизи «большого взрыва» напоминает суперген (если использовать биологическую терминологию), в котором заложена вся информация о будущем Вселенной. Недаром католической церкви понравился Big Bang.

Продолжим анализ начала и последующих моментов после взрыва. Прошло три-пять минут после начала расширения, и температура во Вселенной упала ниже одного миллиарда градусов. При этой температуре возможно соединение протона и нейтрона в ядро дейтерия. В результате реакций синтеза при температуре ниже миллиарда градусов начинают возникать ядра гелия. На этом ядерные реакции в ранней Вселенной прекращаются. Расчеты показывают, что в первичном веществе должно образоваться около 25% гелия по массе, а остальное вещество (75%) — это ядра атомов водорода (протоны). Наблюдения показывают, что первые звезды во Вселенной образовались из вещества, химический состав которого соответствует предсказаниям теории горячей Вселенной. Все другие химические элементы образовались при дальнейшей эволюции Вселенной главным образом в недрах звезд, а за образование тяжелых элементов ответственны в первую очередь процессы в сверхновых звездах. (Таким образом, атомы, которые есть в нашем организме, когда-то были рождены в недрах какой-то сверхновой звезды!).