Физика времени

Когда-то существовали хитроумные часы — астрариум, о которых мы упоминали в главе 3. Это была Вселенная в миниатюре: часы воспроизводили видимые движения по небу Солнца, Луны, планет. Если запустить астрариум не в «реальном времени», а в ускоренном, можно увидеть будущее Солнечной системы — положения светил на часы и годы вперед. А запустив эту модель Вселенной в обратную сторону, против часовой стрелки, можно было бы наблюдать прошлое Солнечной системы.

Космология Фридмана — это тоже модель, физико-математическая модель Вселенной в масштабе всей системы галактик и скоплений. Как и астрариум, она способна оживить для нас прошлое Вселенной, рассказать о ее будущем. Она воспроизводит не детали, не индивидуальные движения отдельных галактик или скоплений. Модель дает представление об общей динамике Метагалактики. Она показывает нам крупномасштабную картину мира в движении. На этой картине галактики и скопления выглядят лишь точками. Космологическое расширение растягивает картину во все стороны, и галактики на ней «разъезжаются» друг от друга.

Что же эта модель Вселенной говорит о прошлом? Если галактики разбегаются, то раньше они были ближе друг к другу. Чем дальше в прошлое, тем теснее они располагались в пространстве.

Космологическая модель, обращенная в прошлое, — это как кинофильм, просматриваемый от конца к началу. И если уйти достаточно далеко вглубь времен, мы обнаружим, что галактики составляли все вместе как бы газ; но «частичками» этого газа были не атомы или молекулы, а сами галактики. И вся Вселенная была сплошь заполнена этим «газом» галактик.

Как и для обычного газа, самой важной физической величиной, характеризующей «газ» галактик, является плотность. Плотность есть масса, приходящаяся (в среднем) на единицу объема. В соответствии с общей однородностью Метагалактики, эта плотность всюду одинакова. Она лишь меняется со временем — убывает в ходе космологического расширения.

Но «запущенная» в сторону прошлого модель Фридмана показывает нам Вселенную не расширяющейся, а сжимающейся. Космическая плотность при этом непрерывно нарастает*). Она становится все больше и больше, пока не станет... бесконечно большой. И тут наш воображаемый фильм о Вселенной обрывается — модель Фридмана «отказывает».

_{*) Конечно, по ходу этого воображаемого сжатия галактики рано или поздно «перемалываются» и все их вещество превращается уже в настоящий, обычный газ, равномерно распределенный по всему пространству.}

Действительно, история Вселенной, воспроизводимая теорией Фридмана, не продолжается сколь угодно далеко в прошлое. У нее есть начало — момент, когда космическая плотность принимала неограниченно большое, бесконечное значение. Это трудно вообразить, но в тот же самый момент все расстояния во Вселенной и ее собственные размеры были равны... нулю. И все вещество Вселенной было сжато в точку. Из этой «начальной точки» и взяло старт космологическое расширение, которое продолжается до сих пор.

Начальное состояние бесконечной плотности называется космологической сингулярностью (сингулярность значит особенность). И верно, это состояние совершенно необычно и исключительно.

Но бесконечность — понятие математическое, а не физическое. Если в математических формулах, описывающих физическое явление, возникает бесконечность, для физики это сигнал тревоги. Это значит, возникает нечто совсем особенное, что данная теория не в состоянии верно описать. Теория становится в тупик.

В истории физики такое уже бывало. Например, формулы аэродинамики давали когда-то бесконечно большое сопротивление воздуха в случае если скорость летательного аппарата приближается к скорости звука. Но сверхзвуковые самолеты летают, и никаких бесконечностей при этом не заметно. Дело здесь в появлении нового эффекта — ударной волны — при переходе через звуковой барьер. Прежние формулы аэродинамики не допускали ударных волн. Отсюда и сигнал математики — в теории что-то неладно.

Как только ударные волны были приняты во внимание, все стало на свои места, и сопротивление воздуха оказалось по новым расчетам хотя и сравнительно большим, но отнюдь не бесконечным.

О чем же сигнализирует космологическая бесконечность? Несомненно, она указывает нам предел, границу применимости модели Фридмана. Скорее всего, в области сингулярности становится неприменимой и сама общая теория относительности. Но какая новая физика кроется здесь за бесконечностью? Возможно, это физика квантовых явлений, известных в мире мельчайших тел природы — атомов, ядер, элементарных частиц. Не зря же все размеры стягиваются в сингулярности или вблизи нее чуть ли не в точку: самое большое становится самым малым.