Седьмое доказательство

Существует самая прямая и непосредственная связь между пространством и временем, выражаемая таким принципом: то, что ограничено в пространственном отношении, ограничено и во времени.

В самом деле, сколь ни велика Вселенная, но, коль скоро она ограничена в пространстве, у нее должна быть периферия и должен быть центр. И все объекты, находящиеся на каком-то удалении от центра, под влиянием гравитационных сил должны постоянно и, со всё возрастающими скоростями, падать в направлении этого центра. И, в конечном счете, упасть на него, что и будет означать гибель Вселенной. Возможен и другой вариант: Вселенная расширяется от центра к периферии, её объекты – звезды, галактики, туманности – разлетаются во все стороны, как осколки после взрыва. А разлетаясь, как мы уже знаем, – распадаются в силу явления энтропии. В конце концов, они потеряют друг друга из виду и рассеются в холодном и темном пространстве – и это тоже будет означать гибель Вселенной[27 - Какой именно из этих вариантов реализован на практике, т. е. какой конец реально ожидает нашу вселенную: «горячий» или «холодный», зависит от того, какова средняя плотность вселенной и нынешняя скорость ее расширения. Если плотность меньше некоторого критического значения, зависящего от скорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение вселенной прекратится и начнется сжатие. Скорость расширения вселенной оценивается пока весьма грубо: исходя из того, что мы знаем на сегодняшний день, вселенная расширяется на 5—10% за каждую тысячу миллионов лет. Неопределенность в современном значении средней плотности Вселенной еще больше. Если сложить массы всех наблюдаемых звезд в нашей и других галактиках, то даже при самой низкой оценке скорости расширения сумма окажется меньше одной сотой той плотности, которая необходима для того, чтобы расширение Вселенной прекратилось. Однако и в нашей, и в других галактиках должно быть много темной материи, которую нельзя видеть непосредственно, но о существовании которой мы узнаем по тому, как ее гравитационное притяжение влияет на орбиты звезд в галактиках. Кроме того, галактики в основном наблюдаются в виде скоплений, и мы можем аналогичным образом сделать вывод о наличии еще большего количества межгалактической темной материи внутри этих скоплений, влияющего на движение галактик. Сложив массу всей темной материи, мы получим лишь одну десятую того количества, которое необходимо для прекращения расширения. Но нельзя исключить возможность существования и какой-то другой формы материи, распределенной равномерно по всей Вселенной и еще не зарегистрированной, которая могла бы довести среднюю плотность Вселенной до критического значения, необходимого, чтобы остановить расширение. Таким образом, имеющиеся данные говорят о том, что более вероятен вариант расширяющейся Вселенной.]. Невозможен только стационарный вариант. Пространственно ограниченная Вселенная не стабильна, она не может существовать вечно: действующие в ней силы рано или поздно разорвут её.

Несмотря на свою очевидность, эта идея лишь сравнительно недавно пришла людям в голову. Вплоть до начала ХХ века Вселенная считалась стационарной, пребывающей в одном и том же состоянии. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г. общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселенной.

Однако, применив свою теорию к Вселенной как целой системе, Эйнштейн обнаружил, что такого решения, которому соответствовала бы не меняющаяся со временем Вселенная не получается. Этот результат не удовлетворил великого учёного. Чтобы добиться стационарного решения своих уравнений, Эйнштейн ввёл в них дополнительное слагаемое – так называемую космологическую постоянную («лямбда-член»).

Фактически «лямбда-член» Эйнштейна означает допущение существования некоторой «антигравитационной» силы, которая в отличие от других сил не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической. Однако до сих пор никто не смог найти какого-либо физического обоснования этой таинственной силы.

В начале 20-х гг. советский математик Александр Фридман решил для Вселенной уравнения общей теории относительности, не накладывая условия стационарности. Он доказал, что могут существовать два решения для Вселенной: расширяющийся мир и сжимающийся мир. Полученные Фридманом уравнения используют для описания эволюции Вселенной и в настоящее время.

В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл подтвердил расширение видимой части Вселенной по смещению положения спектральных линий наблюдаемых галактик.

Таким образом, теория относительности Эйнштейна и наблюдения астрономов подтверждают: вселенная конечна во времени.

Впрочем, к этому выводу можно прийти и гораздо более простым путем. Можно ли из неизменности количества вещества, находящегося в запаянной колбе, сделать вывод о вечности самой колбы? Закон сохранения вещества (являющийся частным случаем закона сохранения энергии) будет справедлив пока и поскольку система (в данном случае – колба с находящимся в ней веществом) остается замкнутой. Но вдруг: мышка бежала, хвостиком махнула, колба упала – и разбилась. И закон сохранения тут же перестал действовать. Или, скажем, безо всякой мышки произошел распад материала колбы…

Стало быть, из закона сохранения энергии нельзя сделать вывод о вечности Вселенной. Из этого закона следует совершенно противоположный вывод: Вселенная не вечна. Она ограничена в пространственном отношении и конечна во времени.

Энергия энергии рознь

Закон сохранения энергии позволяет сформулировать еще одно, возможно, более убедительное возражение относительно вечности вселенной.

Согласно определению Большой Советской Энциклопедии, «весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю». Обратите внимание – «движущуюся», а не застывшую. Действительно, согласно материалистическому воззрению, движение есть форма существования материи. Иными словами, есть движение – есть материя, есть Вселенная. Нет движения – нет материи, нет Вселенной. А мера движения – это энергия.

Как мы знаем, энергия бывает двух видов: свободная и связанная.

Если говорить о связанной энергии, то да, она как бы всегда присутствует в любой системе – иначе просто никакой системы не было бы.

Она присутствует, безусловно, и во Вселенной, но какой от неё прок? Она же не совершает работу. Не светит, не греет, не вращает небесные тела. Эта энергия вроде бы есть, но её как бы и нет. Она – потенциальная, а не актуальная. Что о ней говорить? Представьте себе первобытный хаос, в котором нет ни галактик, ни звезд, ни планет – вообще ничего. Что такая, с позволения сказать, Вселенная, что её отсутствие – велика ли разница?

Если вам трудно представить хаос, представьте незаведённые часы. Энергия-то в них, несомненно, есть, – равная их массе, умноженной на квадрат скорости света. Но толку от той энергии никакого, сколь большой бы она ни была.

Потому что это связанная энергия.

Не эта энергия крутит колесики и стрелки, бьет в колокольчик звонка, а та свободная энергия, которую вы сообщаете часовой пружине, когда заводите часы.

Функционирование часов зависит только от величины свободной энергии.

А величина свободной энергии равна той, которую вы затратили на подзавод часов (если пренебречь той небольшой частью, что ушла на преодоление трения, на нагрев вращающихся частей и т. д.).

Но часы – это не замкнутая система: энергия в них поступает извне.

Если говорить о по-настоящему замкнутой системе, не обладающей внутренними источниками энергии, и рассматривать её в длительном периоде, то, если там и было какое-то количество свободной энергии, оно рано или поздно перейдет в связанную форму. К этому ее принуждают законы термодинамики, с которыми мы познакомимся чуть позже.

И вот, представьте себе, что вся свободная энергия абсолютно замкнутой системы перешла в связанное состояние. Все процессы внутри системы прекратились, ее движение остановилось. По сути, система превратилась в неподвижный труп. Пусть даже она обладает массой, а стало быть и энергией. Но это – связанная энергия. Энергия, которая не может работать, энергия, не приводящая систему в движение…

А теперь вспомним определение: движение есть форма существования материи. Нет движения, – значит нет и существования материи, ничего нет.

Получается, что нет никакой разницы между несуществованием Вселенной – и ее существованием в виде системы со связанной энергией. Между переходом всей энергии Вселенной в связанное состояние – и уничтожением Вселенной.

Жизнь – это только свободная энергия. Связанная энергия – это смерть. Энергия энергии рознь.

А теперь давайте задумаемся. Если бы изначально вся энергия нашей Вселенной находилась в связанной форме, то откуда в такой системе может вообще появиться свободная энергия, которая бы привела ее в движение?

Поскольку в реальной материальной Вселенной свободная энергия, тем не менее, присутствует, это значит, что мнение о том, что кроме материи ничего не существует, ошибочно.

По-видимому, замкнутая в физическом смысле материальная Вселенная не является всё же абсолютно замкнутой.

Наверно, существует что-то вне её, нечто нематериальное, что сообщило ей какое-то количество свободной энергии.

Количество свободной энергии в незамкнутой системе равно сумме сообщенной ей свободной энергии и той энергии, которая благодаря этому, высвободилась внутри системы из связанного состояния за вычетом той части энергии, которая вновь перешла в связанное состояние.

Попросту говоря, Вселенная в энергетическом смысле напоминает рекламного кролика Энерджайзера, в которого кто-то вставил батарейку.

О количестве энергии во Вселенной

А теперь вернемся к вопросу о том самом количестве энергии во Вселенной, которое, согласно закону сохранения энергии, неизменно, то есть представляет собой некую абсолютную константу.

Давайте спросим: а каково же это постоянное и неизменное количество энергии во Вселенной?

Поскольку закон сохранения энергии действует всегда и при любых обстоятельствах, а количество энергии всегда одно и то же, нельзя ли хоть приблизительно установить величину этой константы? Ну что вы – возразят нам, – Вселенная ведь бесконечна, значит и количество энергии в ней бесконечно!

Это уже подозрительно. Где это вы видели безразмерную константу, стремящуюся к бесконечности?

И здесь уместно вспомнить шутливую задачку, на которой спотыкаются даже серьезные физики. Представьте себе, что хулиганы привязали к хвосту кошки консервную банку. Известно, что таким образом экипированная кошка производит бешеный шум, который пугает, прежде всего, её саму, от чего она бежит ещё быстрее. Но чем быстрее она бежит – тем больший шум производит, и так далее. Спрашивается: с какой скоростью должна бежать кошка, чтобы не слышать этого шума?

На ум сразу приходит сверхзвуковая скорость – если разогнать кошку до такой скорости, она не будет слышать производимого ею шума, потому что он будет запаздывать, распространяясь с меньшей скоростью.

А ведь есть и другое, более простое и естественное решение этой задачи!

Чтобы не слышать шума кошка… не должна бежать! Или, если угодно, она должна иметь скорость, равную нулю.

Эта шутка – прямая аналогия с нашей проблемой. Когда говорят о том, что количество энергии в замкнутой системе есть величина постоянная, это не обязательно означает, что такой системе в целом действительно присуще какое-то определённое количество энергии. Иначе говоря, общее количество энергии системы может равняться нулю.

Как это может быть?

В 1747 г. американский физик Бенджамин Франклин, тот самый, чей портрет украшает стодолларовую купюру, открыл еще один закон сохранения – закон сохранения электрического заряда, смысл которого заключается в точном равенстве величин положительного и отрицательного элементарных зарядов. Этот закон формулируется так: «Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему[28 - Электрически изолированной принято считать систему, через поверхность которой нет переноса зарядов.], не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе». В 1843 закон сохранения электрического заряда был экспериментально подтвержден англичанином Майклом Фарадеем.

Оказалось, что разноименные заряды (заряженные частицы) появляются и исчезают парами: положительные и отрицательные. Так что, каково бы ни было их количество, в сумме они дают ноль.

Макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны, т. е. в них в равных количествах содержатся как положительные, так и отрицательные заряды.

Если говорить о Вселенной, то, как считают ученые, её полный электрический заряд равен нулю; число положительно заряженных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.

А теперь вспомним открытый Уоллисом закон сохранения количества движения, утверждающий, что «общее количество движения в замкнутой системе постоянно». Согласно третьему закону Ньютона «действие равно противодействию», то есть силы взаимодействия двух тел равны по величине и противоположны по направлению.

Если рассматривать, скажем, систему, состоящую из камня и земли, на которой лежит камень, то сила сопротивления земли согласно закону Ньютона равна, но противоположна силе давления на нее камня, а общая сумма этих двух сил (с учетом знака) равна нулю. Именно по этой причине эта система находится в состоянии покоя. Если бы сила земли превысила силу камня, земля бы подбросила камень вверх, а если бы сила камня превысила силу земли – камень бы погрузился в землю (такое случается с метеоритными камнями, с чудовищной силой ударяющимися о землю).