Как выглядит время нашей Вселенной

Физики, а до них философы – это когда еще физики, как отдельной научной дисциплины, вовсе не существовало, – довольно-таки неплохо разобрались с устройством нашего мира. Но познание не останавливается никогда, поэтому до сих пор остается еще немало нерешенных вопросов.

Та эпоха, когда время было везде одинаковым

«Бог не играет в кости!» — как-то сказал Эйнштейн.
«Эйнштейн, не учите Бога, что ему делать» — возразил Бор.
Спор двух великих физиков возник вследствие того,
что ученые закопались глубоко в текстуры мира.
Как оказалось, бог не только играет в кости,
но ещё и передергивает.

До Ньютона, во времена Ньютона и довольно долго после него философы и физики считали мир одинаковым во всех направлениях. Одинаковым – это значит, что везде в мире были, по их мнению, единые законы.

Скажем падает яблоко на голову Ньютона, или это же яблоко падает на голову другого человека в другом месте Вселенной – это будет происходить одинаково, описываться одними и теми же законами.

Время тоже было везде одинаковым, двигалось оно только вперед. Начала времен не существовало, разве что это была мистическая точка, определяемая творцом Вселенной, Богом. Конец времени также отсутствовал, разве что предполагался некий апокалипсис, опять же основанный на религиозных представлениях.

С точки зрения чистой науки, время всегда шло вперед с одной и той же скоростью из бесконечности в бесконечность, строго по прямой. Все остальные объекты Вселенной развивались, двигались во времени ровно таким же образом из прошлого в будущее.

Во всех уголках Вселенной время шло одинаково, оно везде было идентичным.

Такое положение вещей иногда характеризуют термином «стрела времени», хотя это понятие предполагает много разных прочтений. Стрела, выпущенная бесконечно давно, летит строго вперед, не сбавляя скорости, лететь она будет также бесконечно долго. Как-то так это выглядит, если предельно упростить.

Картина мира была настолько ясная и предсказуемая, что на основе представлений о мире можно было рассчитать астрономические события в будущем. Поэтому очень долго никто не решался заявить, что мир устроен как-то иначе.

Нет ничего вечного в нашем развивающемся мире, рано или поздно кто-то должен был заявить, что мир совсем не такой.

Все в мире относительно

Представление о незыблемости Вселенной разрушили физические исследования света. Не только они, но во многом именно они.

Свет всегда интересовал ученых экспериментаторов. Они раскладывали белый свет на составляющие цвета радуги, разъединяли и соединяли световые потоки, преломляли, пропускали через препятствия, стараясь выяснить природу света. Одни предполагали, что свет – это поток неких частиц. Другие описывали свет, как волну.

Хотелось измерить скорость, с которой движется свет, так как невооруженным глазом казалось, что свет движется с бесконечной скоростью, распространяется во Вселенной мгновенно. Но оказалось, что скорость света конечна, хоть и очень высока. Ее удалось измерить экспериментально.

Дальше вполне логично следовало предположение, что скорость света изменится, если свет будет испускать движущийся объект. При движении к нам скорость света должна увеличиваться, при движении от нас, от наблюдателя – уменьшаться. Ведь по идее в нашей незыблемой Вселенной скорости должны складываться (вычитаться).

Если стоящий на земле наблюдатель включит фонарик, и проезжающий мимо него поезд в то же самое мгновение включит свой «фонарик», то третий наблюдатель, находящийся далеко-далеко, должен будет увидеть сначала свет от поезда, и лишь потом свет от неподвижного фонарика. Ведь поезд своей скоростью добавляет скорость свету, не так ли? Оказалось, что все совсем не так.

О скорости света

Скорость света в нашей Вселенной всегда одинаковая, откуда бы этот свет не отправлялся, с неподвижного объекта, движущегося объекта к нам или с удаляющегося от нас. Без разницы!

Наблюдатель увидел бы свет от стоящего человека и несущегося поезда одновременно, словно поезд не движется. Более того, если бы поезд несся со скоростью, близкой к скорости света, все равно фонарики вспыхнули бы одновременно для стороннего наблюдателя.

Какую скорость не добавляй к скорости света или вычитай, все равно получается та же самая скорость света!

Такие странности требовали объяснения, и они появились в работах Эйнштейна. Он ввел понятие относительного времени.

В движущемся объекте время иное, чем в неподвижном. И в том времени, в котором «живет» движущийся объект, скорость света будет ровно такой же, как в неподвижном объекте со своей «стрелой времени». Но почему? Да потому, что чем быстрее движется объект, тем медленнее движется его время, время этого движущегося объекта. В этом «новом», замедленном времени скорость света будет прежней и неизменной.

Выходит, что стрела времени совсем не одна во всей Вселенной. Каждый объект Вселенной имеет свою собственную «стрелу времени».

Время «присоединили» к пространству, которое стало четырехмерным: три измерения самого пространства (вправо-влево, вверх-вниз, вперед-назад) плюс еще одно измерение – это время.

Время является одной из координат пространства-времени.

Да, и еще. Пространство-время оказалось не идеально «гладким», а с некоторой кривизной. Эту кривизну пространству-времени придают массивные тела такие, как звезды, галактики, черные дыры.

Вообще-то, любая масса, даже масса тела человека создает небольшую кривизну пространства-времени, но кривизна может быть заметна только возле огромных масс. Скажем, луч далекой звезды «прячется» от астрономов не мгновенно, достигнув края солнечного диска, а несколько раньше или позже, чем должно быть. Это происходит именно из-за кривизны пространства-времени возле нашего массивного светила.

Конец времени

Стрела времени по старым представлениям бесконечна, хоть она может быть разной у разных объектов, исходя из новых теорий. Но вроде как у всех – это бесконечная стрела, уходящая в безграничное будущее. Возможен ли конец времени, есть ли конец у какой-либо стрелы времени? Могут ли часы Вселенной остановиться?

От времени снова вернемся к свету с его постоянной скоростью, независимо ни от чего. Свет исходит от источников. Например, от светящихся звезд, в частности, от нашего Солнца.

Кроме света, звезды и планеты могут «испускать» и другие объекты. Например, люди научились запускать в космос искусственные спутники, космические корабли. Чтобы оторваться от Земли и стать ее искусственным спутником, надо разогнаться до первой космической скорости, это около 7 км в секунду.

Чтобы улететь в далекий космос от нашей Земли, не оставаясь вечно на ее орбите, как летающие там спутники и космические станции, потребуется разогнаться уже до второй космической скорости, порядка 11 км в секунду. А чтобы улететь за пределы солнечной системы, по сути, чтобы оторваться от Солнца, нужна третья космическая скорость.

Почему такие разные скорости: первая, вторая, третья космические

Это связано с массой Земли и массой Солнца. Чем больше масса объекта, тем сложнее от него оторваться, нужна более высокая скорость – это вполне объяснимо и понятно.

Хорошо, а если предположить, что может существовать некий объект во Вселенной, имеющий настолько большую массу, что для отрыва от него нужно разогнаться до скорости света или даже выше? Мы сейчас можем легко рассчитать массу такого объекта. Более того, астрономы уже знают такие объекты во Вселенной, они существуют – это черные дыры.

Масса черной дыры настолько велика, что первая, вторая, третья и даже хоть миллионная космические скорости не позволяют ее покинуть. Разогнаться быстрее скорости света невозможно – таковы законы природы. Скорость света является предельной во Вселенной.

Но постойте! Если свет летит со скоростью света, а эта скорость не позволяет покинуть пределы черной дыры, то значит ли это, что из черной дыры свет не может вылететь? Вот именно: свет не может покинуть черную дыру. Кроме того, если свет извне попадет в черную дыру, то он там останется навсегда.

Что значит, что свет останется в черной дыре? Ведь свет обязан двигаться со скоростью света. Получается, что в черной дыре останавливается относительное время, то время, которое было у частиц света, попавших в дыру. Залетел в черную дыру, и время там остановится. Всё, там времени больше нет! Вылететь оттуда свет не может. То есть, черная дыра – это и есть конец времени.

Начало времени

Если конец времени – это черная дыра в том случае, если объект со своей стрелой времени туда вдруг попадет, то где же начало стрелы времени? Оказывается почти в такой же черной дыре. Ее называют сингулярностью, наверное, чтобы как можно больше всех запутать.

Сингулярность – это некое «безвременье» и без «пространственность», начальная точка всего, которая почему-то вдруг взрывается. Да так, что возникает пространство и время в результате так называемого Большого взрыва, начинается отсчет времени нашей Вселенной. Сама Вселенная при этом начинает с огромной скоростью расширяться. Причем она расширяется и по сей день, что подтверждено множеством теоретических и экспериментальных данных.

Как устроена сингулярность пока никто не знает. Да и невозможно себе представить нечто, где нет ни пространства, ни времени, хотя физики работают над этим. Пока не ясно, как всё это описать. Возможно, это даже нечто божественное, недоступное нам, хотя многие религиозные представления со временем были объяснены наукой.

Если с пространством, которое возникло и стало стремительно расширяться с момента Большого взрыва, все более или менее ясно – вот оно наше пространство, – то с началом времени ясно не всё. Попробую пояснить на примере, который, вроде бы, не совсем на эту тему.

Куда направлено движение из северного полюса

Представьте себя, стоящим прямо на северном полюсе нашей Земли. Это представить не очень сложно, тем более, что туда теперь регулярно ходят ледоколы с туристами. Парадокс состоит в том, что из северного полюса любое направление движения – это направление на юг.

То есть, три человека могут одновременно шагнуть в разных направлениях, при этом все трое шагнут на юг. Тот, кто пойдет по нулевому меридиану нашей планеты, теоретически может дойти до Лондона. Кто пойдет восточнее, может прийти в Москву или Пекин или… Более западный пешеход попадет, скажем в Лиссабон или Нью-Йорк. А изначально все трое пошли строго на юг!

Так и наше время. Оно «шагнуло» вперед, возникнув из точки сингулярности, строго «вперед», но это было словно движение на юг из северного полюса.

На подобную тему выдающийся Эйнштейн возмущался, говоря, что «Бог не играет в кости». А ведь именно в момент возникновения всего, время пошло в случайное будущее, если можно так выразиться. Отклонись оно от выбранного тогда направления, история Вселенной была бы совсем другая, возможно, она обошлась бы без нас, без людей на Земле.

Но нам повезло! Вот они мы, и теперь мы знаем о сингулярности, начале времени и даже о том, что оно пошло туда, где мы есть.

Земной шарик времени

Так как время могло пойти в любом направлении из начальной точки, и не только по этой причине, было введено понятие мнимого времени. Его «рисуют» перпендикулярно оси реального времени.

Мнимое время считают в мнимых единицах – это когда мнимой единицей является квадратный корень из минус единицы (рис. 5). Только не пытайтесь это понять разумом, мнимые величины нужно принимать «душой», если вы не профессиональный математик или физик.

Что удивительно, ученые научились историю в реальном времени трансформировать в историю в мнимом времени, и наоборот. Причем мнимое время может двигаться, как вперед, так и назад, что не случайно. Ведь мнимое время – это, фактически,  несуществующее время.

Нас, обыкновенных любознательных «исследователей» формы времени, эти обстоятельства не должны слишком сильно отвлекать от основного вопроса. Раз мнимое время можно, фактически, пересчитать в реальное время и наоборот, то нам без особой разницы, какое время будет нарисовано на картинке его формы. Мнимое время рисовать удобнее, картинка получается более понятная.

Приступим к прорисовке. Вот из сингулярности (из подобия черной дыры, взорвавшейся в какой-то момент в виде Большого взрыва) возникает пространство-время. Время движется по одному из возможных направлений, а пространство стремительно расширяется, постепенно замедляя свой бег во все стороны.

Получается картинка, словно из северного полюса возникает шар, наподобие земного шара, он расширяется до максимального размера на экваторе. Затем пространство снова сужается до нулевого значения на южном полюсе, до состояния Большого сжатия.

По меридианам этого шарика с северного полюса до южного полюса протекает мнимое время, которое легко «пересчитывается» во время реальное.

Итак, теперь перед нами тот самый «шарик времени» от Большого взрыва до будущего Большого сжатия Вселенной, что фактически, является визуальной копией нашего земного шара:

По сути – это и есть форма времени, если можно так выразиться. Правда, тут возникает еще одно обстоятельство, которое нам придется принять во внимание на последнем шаге для прорисовки формы времени.

О движении звезд и галактик в расширяющейся Вселенной

Когда возник Большой взрыв, Вселенная стала стремительно расширяться. В итоге объекты, возникшие как можно раньше, должны были улететь от центра взрыва как можно дальше. Тот, кто раньше вышел в путь, тот дальше других уезжает от начальной точки – это довольно очевидно.

Значит, глядя в телескоп на звездное небо, астрономы должны вблизи видеть более новые звезды, а вдали – более старые. Как определяют возраст звезд, какие из них новые, а какие старые? Довольно просто, по их составу.

Молодые звезды состоят в основном из самых легких элементов таблицы Менделеева – это водород и гелий. В более старых звездах со временем в результате протекающих внутризвездных реакций постепенно появляются все более тяжелые элементы. Чем их больше, тем старше звезда.

Вдруг оказалось, что на относительно небольших расстояниях находятся очень старые звезды. То есть они возникли почти одновременно со Взрывом, уже состарились, но так и не улетели на самый край Вселенной, если можно так выразиться. Что же их задержало?

Что может тормозить движение звезд и галактик в расширяющейся Вселенной? Ученые предполагают, что «тормоза» тут ни при чем. Проблема в самой Вселенной. Так, если в момент Большого взрыва Вселенная стала расширяться быстрее скорости света – так сильно бабахнуло, образно говоря! – что возникшие тогда объекты попросту отстали от пространства Вселенной.

Пространство Вселенной умчалось вдаль со сверхсветовой скоростью, а объекты, которые ни при каких обстоятельствах не могут двигаться быстрее скорости света, резко отстали от расширения, от убегающей границы расширяющейся Вселенной. И теперь они видны совсем не там, где должны были быть.

Это как ехать по дороге, которая при этом сама движется в ту же сторону, что и автомобиль, удаляя конечный объект, куда едем. Двигаться придется значительно дольше. Но как это сказывается на картинке времени, на том шарике времени?

Инфляция во Вселенной и приспущенный мячик времени

«Инфляцией пространства» называют момент, когда Вселенная расширялась со сверхсветовой скоростью.

Для визуализации такой «инфляции пространства» шарик времени переворачивают (или меняют направление движения времени с юга на север, снизу вверх), а самый низ шарика делают приплюснутым.

Это выглядит так, словно слегка приспущенный мячик лежит на твердой ровной поверхности стола. Но самого стола нет, есть только приплюснутый снизу мячик, как показано на рисунке ниже.

Там внизу, где мячик прижат к несуществующей поверхности, ровно из середины ровной площадки «вышло» пространство-время. Сначала пространство расширялось со сверхсветовой скоростью, что на картинке показано ровной поверхностью нижней части «мячика». Затем пространство стало расширяться медленнее скорости света, начала вырисовываться форма в виде прообраза нашего земного шарика.

Так выглядит форма времени по самым современным представлениям. Точнее говоря, это форма изменения пространства-времени во времени (но не совсем так), поскольку пространство и время неразрывно связаны.

Что нам дает представление о форме времени? Понимание того, над чем сегодня работают физики-теоретики вкупе с физиками-экспериментаторами, разбираясь в том, как устроена наша Вселенная. Какой Вселенная была в прошлом и какой она станет в будущем? Разве это нам надо знать? Ответить можно только вопросом: разве нам это не интересно?

Иные возможные представления о времени

Вот теперь-то мы знаем о форме нашего времени. Хотя, наверное, многие думали, что наше время выглядит примерно так, как на картинке ниже:

В принципе, нам никто не запрещает рисовать собственные формы времени, как мы их себе представляем. Просто то, что было показано выше – это более или менее выверенное современное представление о времени, которое интересно увидеть визуально. Потому что текстовые, особенно заумные, объяснения выглядят очень даже неочевидно. Они не понятны непосвященному в тонкости физики человеку.

А так – слегка приплюснутый снизу, немного сдутый мяч, лежащий на столе, которого на самом деле нет. Стола нет. Мячик есть. Приспущенный. Только не надо его пинать или надувать, а то мало ли что произойдет с нашей историей. А что, как если после нашего воздействия всё вокруг станет совсем иным? История пойдет другим путем и приведет нас не туда, где мы сейчас есть, да еще и без нас вовсе…

Нет, конечно! Всё самое страшное, вернее, всё самое неопределенное уже прошло. Прошел момент «выбора Бога» в момент Большого взрыва, прошел период инфляции – сверх стремительное расширение Вселенной. Материя остыла, сформировались черные дыры, галактики, звезды, планеты, на одной из которых мы живем.

Со времени Большого взрыва прошли миллиарды и миллиарды лет. Вселенная расширяется. Время течет себе и течет. Все стабильно в той ее части, где находимся мы, мыслящее человечество.

Теперь на секунду только представьте себе чувства ученого, физика-теоретика, который из выведенных им формул вдруг отчетливо понимает, как устроен наш мир! Весь мир, от его начала до самого конца. От начала стрелы времени до ее исхода.

Хотя и тут все еще идут дискуссии о вечности Вселенной, когда конца нет и не будет никогда. Расширение будет сменяться сжатием, потом опять наступит расширение, следом снова сжатие, и так до бесконечности. Как знать, возможно, всё так и есть, и Вселенная вечна, как вечно в ней наше пространство-время.

Насколько на этом фоне вечности не вечно наше знание! Когда-то мир был постоянным и неизменным в представлениях ученых и простых людей. Это было совсем недавно по меркам истории человечества, совсем «вчера», даже еще во времена Эйнштейна.

Теперь нам представляют Большой взрыв, как отправную точку всего, говорят об инфляции пространства, а не только об инфляции в экономике. Рисуют нам мнимое время в дополнение к реальному. Рассказывают об уже одиннадцати, а не трех координатах (измерениях) пространства, добавляют еще многое другое.

Впереди новые знания, которые, возможно, разрушат сегодняшние представления, заменят их чем-то иным. А пока же – приплюснутый снизу, словно слегка приспущенный мячик, как наглядная форма пространства-времени, в котором мы живем и, главное, мыслим! Мы мыслим, значит мы существуем…