вторник, 30 август 2011 г.

Относно времето

- Айнщайновата незавършена революция
Част I

Пол Дейвис


    Преди години, за съжаление годините текат доста бързо, Емил Вапирев, фен на „Светът на физиката", предложи да представим бестселъра на Пол Дейвис „About time", която той като запален библиоман си беше доставил от САЩ. И даже предложи сам да избере и преведе извадки от нея. За съжаление, професионалните му ангажименти, в които той скоро затъна, а след това и неочакваната и преждевременна кончина, не позволиха да реализираме и това си намерение. Сега, благодарение на героичните усилия на М. Бушев, който се зае с неимоверно трудната задача да подбере и да преведе, се състави този колаж от книгата (лично притежание на Емо), която, за съжаление, едва ли има шанс скоро да види бял свят у нас.
    Посвещаваме тазгодишното „Четиво с продължение" на паметта на проф. д.ф.н. Емил Вапирев.
Н. Ахабабян


        Кратки бележки на преводача за автора на книгата
       Пол Чарлз Уилям Дейвис (роден във Великобритания през 1946) е физик теоретик, астрофизик и космолог, световно известен автор на повече от двайсет книги - изследователски и научно-популярни. Сред изследователските му работи е откритието (1975) на ефекта на Дейвис-Ънру (ускорено тяло във вакуум изпитва топлинно облъчване), моделът на Бънч-Дейвис (1977) за възникването на едромащабната структура на вселената като флуктуации на вакуума в периода на инфлация, фазови преходи във въртящи се черни дупки и др. Сред книгите му, повечето от които са преведени на много други езици, са заглавия като: "Физика на времевата асиметрия" (1974), "Пространство и време в съвременната вселена" (1977), "Природните сили" (1979), "Други светове" (1980), "Краят на безкрайността" (1981), "Случайната вселена" (1982), "Квантова механика" (1984), "Последните три минути" (1994), "Петото чудо: в търсене на произхода на живота" (1998), "Как да построим машина на времето" (2001). От дълги години Пол Дейвис е професор по Природни науки в Австралийския център за астробиология към университета Макуейрир в Сидни. От 2005 оглавява катедрата по СЕТИ (търсене на извънземна цивилизация) към Международната академия по астронавтика.
    В предлаганата тук книга авторът е обхванал огромен брой актуални физически изследвания, които по един или друг начин опират до проблема за същността на времето. Включени са също така множество любопитни исторически детайли, както и биографични бележки за главните действащи лица в непресекващото търсене на човешката мисъл, посветено на времето. Поради ограниченията на обема обаче много от тези полезни и увлекателни части трябваше да бъдат пропуснати.

    Из Предговора
   Това е втората ми книга за времето. Първата (1974) беше за професионални физици.
  Интересът към загадката на времето е стар колкото човечеството. Темата за времето е централна във всички религии и в продължение на векове е била източник на доктринални спорове.
   Макар времето като измерима величина да навлиза в науката с трудовете на Галилей и Нютон, едва през 20 в. то се превръща в самостоятелен проблем. Това дължим преди всичко на Алберт Айнщайн. Но макар Айнщайновата теория на относителността да е от едно столетие, нейните странни изводи все още не са широко известни. Айнщайновата теория беше революция в нашите схващания за времето, но много от следствията й тепърва има да се изследват. Възможността за пътуване във времето започна да се проучва едва напоследък, а предстои още да се изясняват границите на валидност на тази теория, неяснотите относно възрастта на вселената, трудностите в обединяването на Айнщайновото време с квантовата физика.
    Книгата е предназначена за широката публика. И все пак читателят може да остане смутен и скептичен, а след прочитането да има даже повече възражения и въпроси. Това е добре, същото почувствах и аз след написването на книгата.

      Гл. 1. МНОГО КРАТКА ИСТОРИЯ НА ВРЕМЕТО

      Все пак за чие време става дума?
   В полутъмна лаборатория в Бон лежи метален цилиндър, подобен на подводница. Той е дълъг около три метра и е настанен удобно в стоманена поставка, заобиколен от жици, тръби и циферблати. На пръв поглед цялото устройство наподобява огромен автомобилен двигател. В действителност това е часовник, а по-точно - часовникът. Уредът в Бон, както и мрежата от подобни уреди по целия свят, взети заедно, съставят „стандартния часовник". Отделните уреди, измежду които сега най-точен е немският модел, представляват цезиеви атомни часовници. Те непрестанно се наблюдават, сравняват, сверяват се посредством радиосигнали от спътници и телевизионни предаватели, така че да бъдат в почти идеален синхрон. Данните постъпват в Международното бюро за мерки и теглилки в Севр, недалеч от Париж, анализират се и се предават като радиосигнали - онези фамозни бипкания, по които сверяваме часовниците си.
     Все пак чие време показва часовникът в Бон? Вашето? Моето? Божието? Дали учените в тази лаборатория не следят пулса на вселената, като с атомна надеждност старателно отбелязват някакво абстрактно космическо време? Би ли могъл да съществува друг часовник, най-вероятно на някоя друга планета, който за радост на своите създатели надеждно да отброява някакво друго време?
   Добре знаем, че часовниците могат да не показват еднакво време. Тогава кой от тях е правилният? Може би този в Бон, тъй като е по-точен. Но точен относно какво? Относно нас ли? В крайна сметка часовниците са изобретени да показват времето изцяло за нуждите на хората. Обаче дали всички хора са с едно и също време? Пациентът на зъболекарския стол и слушателят на Бетовенова симфония изпитват един и същ интервал на атомния часовник по твърде различни начини.

     Стремежът към вечността
   В борбата ни да постигнем съгласие с духовната и физическата реалност нищо не ни притеснява толкова много както въпросът за природата на времето. Парадоксалното съчетание на преходност и вечност е смущавал човека, откакто съществува. Платон стига до извода, че бързотечният свят на ежедневието е само наполовин реален - мимолетно отражение на безвремеви свят на чисти и идеални форми в царството на вечността. Самото време е само едно несъвършено „движещо се подобие на вечността", което хората се опитват да овеществят, макар че „минало и бъдеще са видове възникващо време и, като ги отнасяме към вечната същност, ние, без да забелязваме, правим грешка" (Платон, Тимей, 37 е - б.пр.).
    Нестихващото напрежение между преходното и вечното прониква в религиите и поражда многовековни, понякога твърде разгорещени, теологични спорове. Вътре във времето или вън от времето е Господ? Преходен или вечен? Процес или съществуване? Според Плотин, философ езичник от третото столетие, да съществуваш във времето значи да съществуваш несъвършено. Поради това чистото съществуване (т.е. Господ) трябва да се характеризира с липса на каквато и да е връзка с времето. За Плотин времето е затвор за човешките същества, който ни разделя от божественото царство - истинската и абсолютна реалност.
    Вярата, че Господ съществува извън времето, се споделя от много християнски мислители от ранни времена до днес. Августин поставя Господ в царството на вечността, където времето не тече, а по-скоро Господ усеща всички времена наведнъж.
   Така че Бог на класическото християнство не само съществува извън времето, но заедно с това познава бъдещето, миналото и настоящето. Тогава може ли един напълно безвремеви бог да има каквато и да е логическа връзка с променящия се свят на хората? Очевидно е, че Бог не може едновременно да съществува вътре във и вън от времето. Това поражда множество нестихващи и до днес спорове.

    Циклични светове и вечно възвръщане
    В древните култури връзката с вечността се поддържа жива чрез въвеждане на цикличност в света. „Времето изправя човека пред множество проблеми, какъвто е този за неотвратимостта и необратимостта: човекът е увлечен от времето и не може да възстанови нито един момент от миналото" (Уолтър Онг, 1982).
   Отърсването от историческото време се търси посредством религиозните обреди, каквото е ритуалното повтаряне на фрази или жестове, които символично възстановяват предишни събития. Древният празник на Новата година символизира периодичното прераждане и обновяване на природата. В някои случаи това е повторение на самия акт на сътворението - мистичният преход от хаос в космос (др. гръц. за „ред" - б.пр.).
  Символиката на тази широко разпространена традиция произтича от древната вяра в цикличност на времето. Много от годишните ритуали имат езически произход и предшестват християнството, но векове наред се толерират от църквата въпреки непримиримото й противопостяване на цикличното време.
  Въпреки силното влияние на линейното време в европейската култура в нея могат да се намерят немалко белези на открита цикличност. Ярката връзка с естествената цикличност на сезоните, употребата на повторения в изкуствата, философията на „нищо ново под слънцето" говорят за стремеж към откъсване от неумолимата стрела на времето.
  Както ще видим, съществува модерен вариант на Айнщайновата космология, в който съществува циклична вселена. Мнозина са склонни да виждат в нея перспектива за циклично космическо обновяване. Има обаче огромна разлика между общо космическо обновяване и вселена, която безкрайно се повтаря във всеки най-малък детайл.

   Нютоновото време и вселената часовник
  Древните гръцки философи развиват системна геометрия и я издигат до философски светоглед, но времето остава за тях нещо неясно и загадъчно, въпрос на митологията, а не на математиката. Учението на Аристотел за движението на телата го кара да оцени фундаменталното значение на времето, но той така и не съумява да въведе идеята за времето като абстрактен математически параметър. За Аристотел времето е движение. Представата за времето като независимо съществуващо възниква едва през европейското средновековие.
  Пръв Галилей вижда времето като фундаментална измерима величина в закономерното поведение на космоса. Докато седи в черквата, той измерва колебанията на фенер спрямо собствения си пулс и открива основния закон на махалото - неговият период не зависи от амплитудата на колебанието. Скоро в Европа настъпва ерата на все по-точните часовникови механизми. Те са нужни на мореплавателите, за да могат по времето и по разположението на звездите да изчисляват точното си местоположение. Географските открития тласкат силно напред развитието на корабни хронометри.
  Определящото значение на времето в законите на вселената става напълно ясно едва с откритията на Нютон към края на 17 в. Изложението на своите "Математически принципи на натурфилософията" той започва с прочутата си дефиниция на „абсолютно, истинско и математическо време, което по своята собствена природа тече равномерно и независимо от всичко външно". Централна за цялата Нютонова схема е хипотезата, че под действието на ускоряващите ги сили материалните тела се движат през пространството по предсказуеми траектории, в съответствие със строги математически закони. След като открива кои са тези закони, Нютон успява да изчисли движението на Луната и планетите, а така също траекториите на снаряди и други земни тела. Това е гигантска стъпка напред в човешкото разбиране за физическия свят и началото на това, което днес разбираме под научна теория.
   Нютоновите закони на механиката се оказват толкова успешни, че мнозина ги смятат валидни буквално за всеки физически процес във вселената. От този възглед възниква представа за космоса като за гигантски часовников механизъм, който е предсказуем във всеки свой детайл. Вселената часовник превръща времето във фундаментален параметър в механизмите на физическия свят. То символизира закона за причината и следствието, както и цялата рационална същност на космоса. И придава на света образа на божествения часовникар.
    Големият френски математик и физик Пиер дьо Лаплас - човекът, който казва на Наполеон, че „не се нуждае от такава хипотеза", когато става дума за ролята на Господ в Нютоновата вселена, стига до извода, че щом всяко движение е математически определено, тогава сегашното състояние на движение на вселената е достатъчно, за да се определи то за всяко време - бъдеще и минало. В такъв случай времето по същество става ненужно, тъй като бъдещето вече се съдържа в настоящето. Или както белгийският химик Иля Пригожин отбелязва, Господ-часовникарят е принизен до прост архивар, който разгръща страниците на космическата история, но тя вече е написана. Там където повечето древни култури разглеждат космоса като изменящ се жив организъм, Нютон провъзгласява твърд детерминизъм, свят на инертни частици и сили, подчинени на безкрайно точни закономерности.
   По своята дълбока същност Нютоновото време е математическо. След Нютон протичането на времето става нещо повече от прост поток на нашето съзнание - то започва да играе фундаментална роля в нашето описание на физическия свят, става нещо, което може да се анализира с неограничена точност. Нютон прави с времето това, което гръцките геометри правят с пространството - идеализира го до точно измерима величина. То вече не е нито илюзия, нито духовно творение на смъртни същества при неуспешния им опит да уловят вечността; това е така, защото времето е заложено дълбоко в самите закони на космоса - основата на физическата реалност.

     Айнщайновото време
    Нютоновото време е времето на „здравия разум". То лесно се разбира. Според Нютон има само едно всеобхватно универсално време. Него просто го има. На него нищо не може да му повлияе, то просто си тече равномерно.
    Когато и където да сме, както и да се движим, каквото и да правим, времето просто върви по един и същ начин за всички.
   Наред с всичко друго Нютоновата представа за време ни внушава да го делим на минало, настояще и бъдеще по един абсолютен и универсален начин. Тъй като целият свят е в едно общо време и едно общо „сега", то всеки един наблюдател, където и да се намира той, ще се съгласи, че миналото е еднакво за всички, а бъдещето за всички предстои. Всъщност повечето хора извън науката именно така схващат реалността.
   Но този прост възглед за времето е фундаментално погрешен. Преди настъпването на 20 век Нютоновото схващане за универсално време води до абсурдни заключения относно поведението на светлинни сигнали и движението на материални тела. Само за няколко години Нютоновият светоглед катастрофално се срива и увлича със себе си обичайната представа за времето. Тази дълбока и далеч отиваща промяна се дължи главно на Алберт Айнщайн.
   Айнщайновата теория на относителността въвежда във физиката една по специфичен начин гъвкава представа за времето. Макар че не възкресява древните мистични схващания за времето като нещо същностно лично и субективно, тя твърдо свързва преценката за време с отделния наблюдател.
   Вече никой не може да говори за време изобщо - има мое време и твое време в зависимост от това как се движим. Времето е относително.
  Макар Айнщайновото време да запазва ролята си в структурите на физическите закономерности, психологическият ефект от премахването на универсалното време е драматичен. След откритието на Айнщайн учените навлизат все по-навътре в загадките на времето. Може ли различни видове часовници да измерват различни видове време? Съществува ли естествен часовник или мярка за време на вселената като цяло? Има ли времето начало и ще има ли край? Какво придава на времето определена насоченост, ясно различие между минало и бъдеще? Какъв е произходът на нашето усещане за поток на времето? Възможно ли е пътешествие във времето и ако да как да се разрешат парадоксите, свързани с пътуване в миналото? Забележително е, че въпреки близо столетните изследвания много от тези въпроси все още не са получили удовлетворителен отговор: революцията, започната от Айнщайн, остава незавършена.

     Умира ли вселената?
    Тъй че, щом светът е изложен на толкова много злини и толкова много опасности, то ако някое по-гибелно зло го постигне, той ще се сгромоляса в опустошение и грамадни развалини.
(Лукреций, За природата на нещата, 5:345. - б.пр.)
   Идеята за линейно време влече със себе си схващането за стрела на времето, сочеща от миналото към бъдещето и последователността на събитията. Произходът на времевата стрела като физически принцип все още е научна загадка, за чието значение учени и философи разгорещено спорят. Основната тема на спора е: по-добър или по-лош става светът? Основните религии проповядват вяра в доброто и спасението на човечеството.
    В средата на 19 в. физиците откриват законите на термодинамиката и скоро става ясно, че от тях следва универсален принцип на деградацията. Така нареченият втори закон на термодинамиката често се формулира с твърдението, че всяка затворена система се стреми към състояние на пълно безредие или хаос. В ежедневието ние се сблъскваме с втория закон в много познати обстоятелства: нещата по-лесно се развалят, отколкото се поправят; боклукът като че ли сам се натрупва; безплатен обяд няма; законът на Паркинсън и т.н. Приложен към вселената като цяло, вторият закон гласи, че тя неотвратимо се плъзга към крайно състояние на пълна деградация, т.е. към максимално безредие, което се отъждествява със състоянието на термодинамично равновесие.
   Мярка за неумолимото настъпление на хаоса е величината „ентропия", която се дефинира, грубо казано, като мярка за безредието в една система. Тогава според втория закон в затворена система пълната ентропия никога не намалява; в най-добрия случай тя остава постоянна. Почти всички изменения в природата увеличават ентропията. Един от най-ярките примери е начинът, по който Слънцето бавно изгаря ядреното си гориво, бълвайки непрестанно топлина и светлина в глъбините на околното пространство, като с всеки излъчен фотон повишава ентропията на космоса. В крайна сметка Слънцето ще изразходи горивото си и ще престане да свети. Същата бавна деградация очаква всички звезди в космоса. През 19 в. това предвиждане стана известно като „топлинна смърт на вселената". Термодинамичното „изчерпване" на вселената е в рязко противоречие с идеята за Нютоновата вселена часовник. Вместо да разглеждат вселената като идеален механизъм, физиците вече я възприемат като гигантска топлинна машина, която бавно изчерпва горивото си. Машините с вечни двигатели се оказват нереална идеализация и смущаващият извод е, че вселената бавно умира.
    Вторият закон на термодинамиката въвежда в света стрела на времето, защото нарастването на ентропията като че ли е необратим процес на „спускане надолу". По странно съвпадение на обстоятелствата, точно когато физиците се мъчат да осмислят лошата новина за умиращата вселена, Чарлз Дарвин отпечатва знаменитата си книга "Произход на видовете". Макар че еволюционната теория шокира хората значително по-силно от предсказанието за топлинна смърт на вселената, основната идея на Дарвиновата книга по същество е оптимистична. Биологичната еволюция също въвежда в природата стрела на времето, но тя сочи в обратната посока, така че еволюцията изглежда като „изкачване нагоре". Животът на Земята започва във формата на примитивни микроорганизми и с течение на времето се развива до биосфера с невероятна сложност на организацията, с милиони сложно структурирани организми, превъзходно адаптирани към своите екологични ниши. Докато термодинамиката предсказва дегенерация и хаос, биологичните процеси се стремят към развитие, като създават ред от хаоса.
    Самият Дарвин ("Произход на видовете", 1859г.) е убеден, че в природата има вроден стремеж към усъвършенстване: „Така както естественият отбор работи единствено за и посредством доброто на всяко същество, така всички телесни и духовни качества се стремят към съвършенство".
   Обаче напредъкът в природата не се съгласува добре нито със слепия термодинамичен хаос, нито с безцелния хаос, който по предположение лежи в основата на Дарвиновата еволюция. Напрежението между схващането за развиваща се биосфера от една страна и вселена, обречена на топлинна смърт, от друга, създава объркване сред учените. Някои от биолозите, по-специално във Франция, били склонни да омаловажават основната Дарвинова идея за случайните мутации и да я заменят със загадъчното свойство, наречено elan vital или жизнена сила, която тласка организмите към развитие в противовес на хаотичните тенденции на процесите в неживата природа. Вярата в такава жизнена сила се е запазила в някои общности извън науката даже до днешно време. Някои философи и учени, обезпокоени за крайната съдба на вселената, твърдят, че вторият закон на термодинамиката би могъл при определени обстоятелства да се заобиколи или да е невалиден за вселената като цяло.
    Спорът продължава и до днес. Биолозите отдавна са отхвърлили жизнената сила, но мнозина твърдят с плам, че всяко впечатление за напредък в биологичната еволюция просто е резултат от пожелателно мислене и културна среда. Според тях пътят на еволюционните изменения по същество е случаен или по образния израз на Жак Моно „това е случайност, хваната за крилото". Други учени, много от които са повлияни от трудовете на Иля Пригожин, признават съществуването на самоорганизация в природата и твърдят, че развитието към по-голяма сложност на организацията е универсална закономерност. Спонтанната самоорганизация не е непременно в противоречие с втория закон на термодинамиката: такива процеси винаги произвеждат ентропия като страничен продукт, така че възникването на ред от хаоса трябва да бъде заплатено на определена цена. Колкото се отнася до крайната участ на вселената, коя от двете противоположни тенденции - растяща сложност или увеличаваща се ентропия - ще надделее в крайна сметка, зависи в най-голяма степен от приетия космологичен модел. Читателите, които се интересуват от есхатологични въпроси, биха могли да прочетат моята книга "Последните три минути".

      Възвръщането на вечното възвръщане
    Даже в разгара на пререканията между оптимисти и песимисти, към края на 19 в. относно посоката на космическата стрела на времето идеята за цикличност навлиза по удивителен начин в Западната наука. физиците се мъчат да изяснят произхода на термодинамичните закони с помощта на атомната теория на веществото. Най-основният термодинамичен процес е протичането на топлина от горещо към студено - еднопосочен процес, който символизира втория закон. Във Виена Лудвиг Болцман се заема да намери математическо обяснение на този поток като движение на молекули. Той разглежда голям брой молекули, затворени в кутия с твърди стени и движещи се хаотично, сблъсквайки се помежду си и в стените на кутията.
    С този модел Болцман представя произволен газ. Той разбира, че безредното движение на молекулите се стреми да разруши всяка подреденост и да смеси твърде ефикасно ансамбъла от частици. Например температурата на газа се определя от средната скорост на молекулите, така че ако в даден момент газът е бил по-топъл в определена област, молекулите там средно ще се движат по-бързо от останалите. Но това не трае дълго. Бързите молекули се сблъскват с по-бавни и им отдават част от кинетичната си енергия. По-високата енергия на молекулите от топлата област ще се разсее по всички останали, докато се стигне до обща за целия газ средна молекулна скорост.
   Болцман подкрепя тази приемлива физическа картина с подробни изчисления, в които прилага Нютоновите закони за движението на молекулите, след което прилага статистически методи, за да изведе колективното поведение на голям брой молекули. Така открива величина, даваща мярка за степента на хаос в газа. Болцман доказва, че тази величина винаги расте в резултат на междумолекулните удари, с което подсказва, че може да се отъждестви с термодинамичната ентропия. Ако е така, то Болцман извежда втория закон на термодинамиката от Нютоновите закони.
    Малко след това голямо постижение френският математик и физик Анри Поанкаре открива в разсъжденията на Болцман сериозен недостатък, като доказва строго, че краен брой частици, затворени в кутия и подчиняващи се на Нютоновите закони на движението, трябва винаги да се връща в своето начално състояние (или много близо до него) след достатъчно дълъг период от време. Така че състоянието на газа претърпява периодични „възвръщания". Теоремата на Поанкаре води към очевидния извод, че ентропията може да расте до някакъв етап, след което тя трябва да намалява, така че газът да се върне към изходното си състояние. С други думи поведението на газа в достатъчно голям мащаб от време е циклично. Тази цикличност в състоянието на газа може да се обясни с присъщата на Нютоновите закони времева симетрия, т.е. тези закони не правят разлика между минало и бъдеще.
   Дължината на циклите на Поанкаре е извънредно голяма - около 10N секунди, където N е броят на молекулите (около трилион трилиона в 40 литра въздух). Възрастта на вселената е само 1017 секунди, така че трайността на циклите е огромна даже за една шепа молекули. В случая на макроскопична система дължината на циклите на Поанкаре многократно превишава всички познати времеви скали. И все пак циклите са крайни, поради което не може да се отрича, че на някакъв етап в много далечното бъдеще ентропията може да намалява. Така е показано, че Болцмановият извод за увеличаването на ентропията само като следствие от междумолекулните удари е грешен. Този извод скоро бива заменен с не съвсем ясното статистическо изискване, че ентропията на газа най-вероятно ще расте. Възможно е намаляване на ентропията в резултат на статистически флуктуации. Обаче шансовете за такава флуктуация намаляват силно с нейния размер, така че големите понижения на ентропията са твърде малко вероятни, макар че по принцип са възможни. Самият Болцман допуска, че е възможно вселената да претърпява цикли на Поанкаре и че съвременното относително подредено състояние на вселената е възникнало в резултат на фантастично рядко намаление на ентропията. Почти през цялото време състоянието на вселената би било близко до равновесие, т.е. до състояние на топлинна смърт. Това показва, че космическата топлинна смърт не е вечна, а е възможно възобновяване на вселената.
   Идеята на Поанкаре за възвратите има статистически характер. Възвръщането наподобява разбъркването на тесте карти, което, благодарение на крайния брой на картите в тестето, трябва да повтаря появата на дадено състояние безкрайно много пъти. Състоянието на картите е аналогично на състоянията на газа, а процесът на разбъркване играе ролята на хаотичните междумолекулни удари.

     Как всичко е започнало
    Айнщайн е разбирал много ясно конфликта на идеите относно стрелата на времето. Още в годината, когато формулира своята теория на относителността (1905, специалната теория на относителността - б.пр.), той прави забележително изследване върху статистическата механика на молекулните движения. Но въпреки това неговият първи опит да построи модел на вселената е основан върху предположението, че тя е статична и неизменна. Тук той не е сам. Повечето астрономи на 19 в. вярват, че вселената като средно е оставала почти една и съща през всички епохи. Вярата в устойчив, вечен космос, в който дегенеративните процеси непрестанно се компенсират от процеси на регенерация, датира от времето на древна Гърция. Подобни модели съществуват и в днешно време като варианти на теорията за статичната вселена.
    Така че космологиите могат да се разделят на четири класа. Първият е ортодоксалният научен модел за вселена, която възниква в краен момент от миналото и бавно деградира към топлинна смърт. Вторият е за вселена с определен произход, която обаче се развива въпреки втория закон на термодинамиката. Третият е за цикличната вселена без определено начало или край, претърпяваща или строго повторение, или статистически възврати. Накрая това е идеята за статичната вселена, в която локалните процеси могат да са дегенеративни или прогресивни, но вселената като цяло завинаги остава почти една и съща.
    Няма съмнение, че широката популярност на първия от тези космологични модели е свързана с дълбоко вкорененото религиозно вярване в създадена от Бог вселена. Въз основа на библията се правят изводи, че Господ е създал вселената преди няколко хиляди години и тя само изглежда по-стара. Но ако Господ може да създаде млада вселена, която да изглежда стара, той би могъл да я създаде и преди две хиляди години (за да съвпада с раждането на Христос), а и още по-късно, защото всички данни за възраст на земята (геоложки - напр. останки от динозаври, исторически и археологически) и за възраст на вселената (астрономически - напр. раждане на нови звезди) биха могли да са създадени от същото това всемогъщо същество.
    Но да се върнем към времето като измерима физическа величина. Светът е рационален и ние можем да търсим отговорите на рационални въпроси относно времето като тези за произхода на стрелата на времето както и за времето, когато вселената е възникнала, ако тя изобщо е имала начало. Нютоновата космология на вселената часовник и дошлата след нея космология на обречената на термодинамична смърт вселена са основани върху твърде опростено схващане за времето. Нужен беше гений като Алберт Айнщайн, за да обясни защо е така.

      Гл. 2. ВРЕМЕ ЗА ПРОМЕНИ

      Дар от небесата
    На хиляда и петстотин светлинни години от нас, в създездието Орел, се намира странна астрономична система. Позната под загадъчното означение PSR 1913 + 16 или по-просто „двойният пулсар", тя се състои от двойка изгорели, колапсирали звезди, подскачащи една около друга в бавен танц на смъртта. Всяка от тях съдържа повече материал от нашето Слънце, но той е свит в такъв малък обем, че едва би покрил Манхатън.
    Моята история на Айнщайновото време започва с една от тези звезди. Тя се завърта няколко пъти за една секунда, а заедно с нея се върти и нейното магнитно поле - трилион пъти по-силно от земното, - което създава мощно космично динамо. Блуждаещи електрони, попаднали в това магнитно поле, получават скорост, почти равна на светлинната. Когато се въртят по кръгови траектории, електроните изпускат напред тесен сноп електромагнитно лъчение. Заедно с въртенето на звездата този сноп обхожда вселената подобно на светлината от морски фар. Всеки път, когато снопът прекоси Земята, нашите радиотелескопи регистрират кратък сигнал. Поредицата от такива сигнали прави двойната звезда един твърде специален обект - пулсар. Когато беше открит първият пулсар, през 1967, той беше сметнат полусериозно за радиосигнал на извънземна цивилизация - толкова равномерни бяха поредиците от регистрирани импулси. Но пулсарите са изцяло природни обекти и учените много скоро оцениха това, че точно тези радиоизлъчвания ги правят най-точните часовници във вселената. Например на 1 септември 1974, малко след тяхното откриване, пулсационният период на PSR 1913 + 16 се оказва равен на 0.059029995271 секунди.
    В бинарния пулсар звездата часовник не само се върти около оста си и излъчва импулси - тя заедно с това се върти около своя партньор. Това орбитално движение оставя своя отпечатък върху непрестанното бипкане на радиоимпулсите. Темпото на пулсиране, което е извънредно регулярно за статичен пулсар, се отклонява по честота ту в една, ту в друга посока. Астрономите усърдно отбелязват всяка най-малка подробност на тези изменения с точност на наблюденията до 50 микросекунди. За тях двойният пулсар е толкова полезен и неочакван, че те го смятат за небесен дар.
   Този дар изниква от данните на рутинни изследвания за нови пулсари на студента Ръсел Хълс, от Масачузетския университет в Амхърст. Неговият ръководител на дипломната работа, младият професор Джозеф Тейлър, го изпраща през лятото на 1974 да работи на най-големия радиотелескоп в Аресибо, Пуерто Рико. Хълс има късмета да улови слабите периодични сигнали на 2 юли, но когато през август наблюдава отново обекта, той е поразен от промяната на периода; тази промяна продължава и по време на наблюденията. Ако обектът е пулсар, неговите импулси трябва да са абсолютно регулярни. Към септември Хълс открива, че измененията в периода следват определена закономерност. Той се убеждава, че пулсарът трябва да е част от бинарна звездна система, като измененията в периода трябва да се дължат на орбиталното движение на пулсара. Скоро става ясно, че партньорът му е също като него колапсирала звезда и че PSR 1913 + 16 представлява почти идеална естествена лаборатория за проверка на Айнщайновата теория на относителността. Откритието е оценено така високо, че Хълс и Тейлър получават Нобеловата награда по физика за 1993.
   Вариациите на импулсите от бинарния пулсар биха били съвършено неразбираеми, ако не беше теорията на Айнщайн. Неговата роля в историята на науката е такава, че той самият би могъл да бъде наречен дар от небето. През 1905, Айнщайновата Annus Mirabilis, в разстояние на няколко месеца той прави три фундаментални революции във физиката. Първата е квантовата теория (обяснението на фотоефекта); втората е статистическата механика (теория на Брауновото движение). Обаче най-ярки и най-далеч отиващи са последствията от неговата трета статия. Озаглавена доста безобидно „Върху електродинамиката на движещи се тела", тази статия се състои от десетина страници елементарни математически изводи и има за цел да изясни поведението на електрични заряди в движение. Но в сърцевината на създадената от Айнщайн концептуална буря лежи идеята за времето. След малко ще видим, че нашето интуитивно, обичайно разбиране за времето се натъква на непреодолима трудност при бипканията на бинарния пулсар. Тези бележити импулси ни пращат ясно послание: Нютоновото универсално време е фикция.
   Самият пулсар е мъртъв остатък от вътрешността на бивша ярка звезда, която набързо е изгълтала ядреното си гориво и после, лишена от топлинния ресурс, необходим за поддържане на вътрешното налягане, неудържимо е колапсирала. Ядрото продължително се свива дотогава, докато плътността му достига милиард тона в кубически сантиметър. Това е плътността на веществото в ядрото на атом и пулсарът всъщност е едно гигантско атомно ядро - неутронна топка, наречена „неутронна звезда". Неутронните звезди са толкова плътни, че гравитацията им е гигантска. На повърхността човек би тежал милиарди пъти повече отколкото на Земята! Това обяснява защо неутронната звезда може да се върти с бясна скорост, без да се разпада; познати са неутронни звезди, които се завъртат хиляда пъти за секунда.
    Бинарният пулсар е необикновен, защото се състои от две неутронни звезди, въртящи се една около друга. Масата на всяка от тях е около 1.4 слънчеви маси. Във вселената трябва да има още много такива бинарни системи, а също такива, в които неутронна звезда обикаля около черна дупка. Значението на PSR 1913 + 16 за нас е, че пулсарът - този идеален часовник - е в среда, където е подложен на две действия, които са от основно значение за нашето разбиране на времето: движението и гравитацията.

       Сбогом на етера
    Нютон не е предполагал, че движението би могло да влияе върху времето. В края на краищата, щом времето е универсално, то не може да зависи от това дали наблюдателят ще реши да се движи или не. В Нютоновата представа за света движението (например на часовниковите стрелки) може да се използва, за да показва всепроникващото и вече съществуващо време, но не да го създава или дори на йота да го изменя.
     За да разберем как оттук възниква проблем, трябва да насочим вниманието си към идеята за относителност на движението, която за Нютон е точно толкова важна, колкото е неговото универсално време. Да си представим, че сте в кабина далеч в космоса. Вие сте безтегловни и нямате никакво усещане за движение. Какво значи да се движите? Поглеждате през отвор в кабината и виждате как покрай вас прелетява капсула. Вие ли се движите, космическата капсула или и двете? Разговор по радиото с космонавта от капсулата няма да ви помогне: „И аз нямам усещане за движение" - ви казва той. Заобиколен сте от пространство, но няма как да кажете дали се движите през пространството, защото в него няма никакъв ориентир, спрямо който да отнесете движението си. Има ясен смисъл да кажете, че се движите относно капсулата, но едва ли има смисъл да твърдите, че се движите абсолютно през пространството.
    Нютон и преди него Галилей разбират, че движението с равномерна скорост и във фиксирана посока е относително. От друга страна измененията на движението имат абсолютни ефекти. Ако вашата кабина внезапно се устреми напред или се отклони встрани, вас ще ви тласнат твърде забележими сили.
    Нютон включва „принципа на относителността" в своите закони за движението и той остава на централно място във физическата теория до началото на 20 в. За Айнщайн той също е основен физически принцип, който трябва да се запази на всяка цена. Но тук възниква непредвидено препятствие: законите на електродинамиката, които описват поведението на електрически заредени частици и движението на електромагнитни вълни като светлина и радиовълни, като че ли не се съгласуват с принципа на относителността. А тези закони, открити към средата на 19 в. от Майкъл Фарадей и Джеймс Кларк Максуел, работят прекрасно и постлаха пътя към съвременната електронна ера. Как може нещо толкова правилно да се оказва грешно по такъв фундаментален начин?
   Сблъсъкът е най-зрелищен при разпространението на светлината. Според принципа на относителността скоростта на светлината трябва да се изменя според движението на наблюдателя относно светлинен импулс: когато се движите срещу импулса, той би трябвало да върви срещу вас по-бързо отколкото ако се опитвате да го надбягате. От друга страна електромагнитната теория дава за скоростта на светлината определена фиксирана стойност - около триста хиляди километра за секунда, - без да се допуска зависимост от движението на наблюдателя. Пълно объркване. Любопитно е, че Айнщайн е бил озадачен от този въпрос още като юноша, като си представя как би се движел заедно със светлинна вълна. Движейки се заедно с вълната, би ли могъл да наблюдава замразените вълни на електричното и магнитното полета? Но това е безсмислица, защото такива статични полета не биха могли да съществуват в празно пространство, без да бъдат създадени от намиращите се наоколо магнитни и електрични заряди. (Променливите електрични полета създават магнитни полета и обратно.)
    Най-разпространеното решение на този конфликт е свързано с етера. Предполагало се е, че тази хипотетична среда прониква в целия космос и запълва пространството между материалните тела. Тогава физиците биха могли да приемат, че светлинните вълни се движат относно етера със споменатата постоянна скорост, точно както звуковите вълни се движат с определена скорост през въздуха. Този етер е бил нещо доста любопитно, защото той очевидно не е причинявал никакви механични ефекти, никакви сили на триене и забавяне върху движещите се през него тела. Земята например би могла спокойно да пътува през етера при въртенето си около Слънцето, без да усеща никакво съпротивление; иначе би се забавила и накрая би паднала върху Слънцето. Освен своята загадъчност етерът създавал проблеми с това, че нарушава принципа на относителността: даже при равномерно движение на телата би могло да им се припише абсолютно движение и да се измери с каква скорост те се движат през етера.
    Колкото и непривлекателна да е идеята за етера, тя е била широко разпространена. Даже в днешно време понякога се говори за радиосигналите като за „вълни в етера". Но ако етерът не действа върху движението на физически тела, как да се покаже, че той съществува? Невидима субстанция, която не се проявява в никакъв експеримент, е абсолютно излишно понятие. Все пак като че ли е имало начин етерът да разкрие своето призрачно съществуване. Той не влияе върху движението на Земята, но има отношение към движението на светлината. Ако се излъчват светлинни сигнали по посока на движението на Земята и срещу нея, то измерената от Земята скорост на светлината ще бъде по-голяма за втория сигнал отколкото за първия поради движението на Земята през етера.
    През 1880 американският физик Албърт Майкълсън, подпомогнат от Едуард Морли, измерва скоростта на Земята с помощта на светлинни снопове. Резултатът от този експеримент е класически в историята на науката. Не е разкрито никакво движение на Земята спрямо етера, т.е. не се наблюдава етерен вятър. Ако има етер, това би означавало, че Земята не се движи спрямо него. Но тогава излиза, че Слънцето и звездите трябва да се въртят около Земята, както е в космологията до Коперник. физиците, водени от Айнщайн, решават, че етерът просто не съществува.

     Навреме дошло решение
    Как без етер принципът на относителността да се съгласува с поведението на светлината и на останалите електромагнитни явления? Тук на сцената излиза Айнщайн. През 1905 той е убеден, че принципът на относителността трябва да се запази на всяка цена. От друга страна не желае да отхвърли красивата и толкова успешна теория на електродинамиката с нейната уникална стойност на светлинната скорост. Затова Айнщайн прави решителен скок и запазва както относителността на равномерното движение, така и постоянството на светлинната скорост като основополагащи принципи на една съвършено нова теория на относителността. На пръв поглед тези две изисквания изглеждат взаимно противоречиви. Ако движението е относително, тогава светлинният импулс трябва да мени скоростта си спрямо движението на наблюдателя; а поради това няма да има постоянна скорост. Единственият начин да се постигне съгласие е да се жертва нещо, което винаги се е приемало в науката, без да се поставя под въпрос, а това е универсалността на пространството и времето. Това е единственият начин двама наблюдатели, движещи се един спрямо друг, да виждат един и същ светлинен импулс, който се разпространява с една и съща скорост спрямо тях.
    Как да разбираме това видимо абсурдно положение? Скоростта е разстоянието, изминато за единица време, така че светлинната скорост ще бъде една и съща във всички отправни системи, ако разстоянията и интервалите от време са различни за различните наблюдатели и зависят от тяхното състояние на движение. В статията си от 1905 Айнщайн прави (математически достатъчно елементарен) извод на формули, свързващи дължини и интервали от време в две различни отправни системи.
    Така че основният резултат на теорията на относителността е предсказанието, че времето и пространството не са, както е смятал Нютон, фиксирани веднъж завинаги по абсолютен и универсален начин за всички наблюдатели. По-скоро те са в някакъв смисъл еластични, защото могат да се разтягат и свиват в зависимост от движението на наблюдателя.
     По този повод Айнщайн казва на своя приятел Мишел Бесо: „Моето решение засягаше самото понятие за време в смисъл, че времето не може да се дефинира абсолютно, а съществува неразривна връзка между него и скоростта на разпространение на светлинните сигнали." (А. Пайс, "Изкусен е Всевишният". С., 2004, с. 180 - б.пр.). Пет седмици по-късно основополагащата статия е написана и дадена за печат.
    Прав ли е Айнщайн? Бинарният пулсар далеч не е първата възможност да бъде проверена Айнщайновата теория на относителността, но пък е една от най-добрите. Самият пулсар се движи с около триста километра в секунда спрямо своя партньор. Системата като цяло се движи много по-бавно по отношение на Земята, така че въпросната неутронна звезда веднъж се втурва към нас, а друг път се отдалечава от нас. Тъй като радиоимпулсите, които изпраща, пътуват със скоростта на светлината, тук имаме система, която съчетава съществени черти на експеримент за проверка на Айнщайновата теория на относителността: изменения на относителното движение, светлинни сигнали и часовници. Сигналите потвърждават, че даже след като са пътували хиляда и петстотин години, идващите към нас импулси от звездата, когато тя се движи към нас, не изпреварват тези, които идват при отдалечаване на звездата от нас; това доказва, че скоростта на светлината не зависи от скоростта на източника. Предсказваните от Айнщайновата теория ефекти на изменения на пространствените и времевите интервали лесно се измерват чрез картината на бипканията. Така Айнщайновите формули са проверени с много голяма точност. Времето действително е относително и зависи от движението.

    Разтягане на времето
   Колкото по-бързо се движи тялото, толкова по-бавно тече неговото време. В това лесно се убеждаваме с помощта на Гайгеров брояч за регистриране на мюони в космичните лъчи. Мюоните са неустойчиви частици: ако се движат бавно, те се разпадат за милионни части от секундата. За това кратко време мюоните от космичните лъчи не биха могли да достигнат до земната повърхност. И все пак Гайгеровият брояч отбелязва наличието на много мюони, дошли до нас от космоса.
   Обяснението е в разтягането на времевите интервали със скоростта на движението. Според теорията на относителността, когато мюонът се движи със скорост, близка до светлинната, неговото време, отчитано от нас на Земята, силно се разтяга (около хиляда пъти). Тогава, вместо да се разпадне за няколко микросекунди (земно време) космическият мюон може да живее значително по-дълго - достатъчно дълго, за да стигне до нашия Гайгеров брояч на Земята.
   През 1978 подобрен вариант на този експеримент с мюони, движещи се още по-близо до скоростта на светлината (в лабораторията на ЦЕРН близо до Женева бяха получени мюони със скорост 99.7 % от светлинната скорост), показа, че тяхното време на живот се разтяга 29 пъти. Така Айнщайновата формула за разтягане на времето беше проверена с точност 2%.
  Тези (и други) експерименти недвусмислено показват, че часовниците се влияят от движението. Но защо физиците са убедени, че времето се разтяга. Простият отговор е, че времето (поне за физиците) е онова, което се измерва с часовници. За да бъдем последователни и принципът на относителността да е валиден, ние трябва да приемем, че всички часовници се влияят от движението по един и същ начин (иначе ефектът би могъл да се припише не на самото време, а на часовниците).

     Загадката на близнаците
   Дотук добре, но ето че се натъкваме на една загадка. Ако движението на часовниците е относително, тогава и ефектът на разтягане на времето ще бъде относителен. Да предположим, че два часовника А и В са в ръцете на двама наблюдатели, движещи се един спрямо друг. В отправната система на А в движение ще бъде часовникът В и следователно той ще се забавя. Но в отправната система на В в движение ще е часовникът А и затова ще върви по-бавно. Това прилича на парадокс. Как един и същ часовник, напр. А, може едновременно да избързва и да изостава спрямо друг (в случая В).
   Този проблем често се нарича „парадокс на близнаците" по следната причина. Да си представим двете близначки Ана и Бети. Бети заминава на космически кораб със скорост близка до светлинната, а Ана остава на Земята. Гледано от Земята, времето на Бети се забавя, така че когато тя се завърне на Земята, Ана ще бъде по-стара от Бети. Но от гледна точка на космическия кораб движеща се ще бъде Земята, така че времето на Ана се забавя и при завръщането си би трябвало Бети да установи, че не Ана, а тя е остаряла повече. Обаче не е възможно и двете неща да се случат: когато се съберат отново, Бети трябва или да е по-млада, или по-стара от Ана. Прилича на парадокс.
    В действителност парадокс няма. Това установява още Айнщайн в статията си от 1905, където мимоходом обсъжда и проблема на близнаците. Решението се основава на факта, че двете възможности за Ана и Бети в действителност не са напълно симетрични. За да направи своето пътешествие, Бети трябва на излитане от Земята да се ускори, да пропътува известно време и после да забави движението си до спиране на Земята. Ана остава неподвижна. Всички маневри на Бети, ускоряването и забавянето, нарушават симетрията между двата вида наблюдения. Принципът на относителността, нека не забравяме, е валиден за равномерно движение, а не за ускорения. Ускорението не е относително - то е абсолютно. Поради това именно Бети остарява по-малко.
    Важно е да се разберат две неща. Първо, ефектът на близнаците е реален ефект, а не просто мисловен експеримент. Второ, той няма нищо общо с действието на движението върху процеса на стареене. Не трябва да си въобразяваме, че прекараните в космическия кораб години са по-милостиви към Бети, защото е в затворен обем или защото се движи в космоса.
    Да предположим, че Бети потегля през 2000 и се връща през 2020. За това време Ана, разбира се, ще остарее с 20 години. Ако Бети пътува с 240 000 километра за секунда, по формулата на Айнщайн пътешествието й ще трае само 12 години в нейната отправна система и през земната 2020 година Бети ще е остаряла с 12 години.
    Експериментът на близнаците може най-добре да се обсъжда в термините на събития. Две са граничните събития: заминаването на Бети от Земята и завръщането й на Земята. За Ана и Бети тези две събития стават едновременно, защото те са заедно. Поради това за Ана тези две събития се делят от 20 години, докато за Бети между двете събития са протекли 12 години. Между две съвпадащи събития различни наблюдатели изпитват различни интервали от време. Разликата във времената между две събития не може да е фиксирана и не може да е с „истинска" трайност - тя е само относителна. Времето на Ана и времето на Бети са различни и нито едната, нито другата е права или греши - те просто са различни наблюдатели.

    Сбогом на настоящето
   При все че в края на пътуването наблюденията на Ана и Бети добре се съгласуват, ние можем пак да се объркаме, ако зададем въпроси като например: какво прави Бети, когато часовникът на Ана отбелязва 2007? Или: какво е показанието на часовника на Ана, когато Бети пристига на звездата?
   Когато събитията стават в пространствено раздалечени места и наблюдателите им са в различни състояния на движение, поставените въпроси нямат еднозначен смисъл. За да ги уточним, трябва точно да посочим за кой наблюдател и за какъв вид наблюдение става дума. Когато часовниците дават различни показания, не съществува някакво универсално „сега" или настоящ момент, с който различните наблюдатели могат да се съгласят. Ана има своето определение за „сега" през, да речем, 2007, а Бети има своето. Те, изобщо казано, не се съгласуват. Например трудно бихме могли да очакваме смислен отговор на въпрос от рода: какво ли прави сега Бети?
    Но нима не е достатъчно Ана да се обади на Бети и да я попита какво прави „сега"?
   Не, не е. Същата тази теория на относителността, която предсказва ефекта на близнаците, забранява на всяко физическо тяло или физическо въздействие да пътува по-бързо от светлината, така че между Ана и Бети няма мигновена връзка. Поради това различните „настояще-та" за раздалечени места не могат да бъдат причина за безпокойство. Не можем да припишем никакво физически смислено значение на събития, които стават „сега" на много раздалечени места от нас, защото никога няма узнаем нещо за тях и никога няма да можем да им повлияем.
   Колкото до Ана и Бети, когато се срещнат отново, те могат да сравнят записките си и да се уверят, че съответните записани от тях събития напълно се съгласуват.
   Ако липсата на универсално и всеобхватно „сега" ви поразява като налудничава идея, трябва да знаем, че идеята не е нова. През 1817г. английският есеист Чарлс Лемб пише с дръзновена проницателност: „Твоето 'сега' не е моето 'сега', а твоето 'тогава' не е моето 'тогава'; но моето 'сега' може да бъде твоето 'тогава' и обратно".

    Времето е пари
   Как да сме сигурни, че Айнщайн е прав относно ефекта на разтягане на времето? Според мен основната проверка за всяка странна теория е в това: могат ли да се печелят пари от нея? Една от причините винаги да съм скептичен относно т.нар. паранормални явления е, че ако някои хора, да речем, могат да предсказват бъдещето, тогава те биха превъзхождали средния брокер на стоковата борса. Даже ако ефектът е много слаб, все пак за дълъг интервал от време печалбите ще надминават загубите. Някой би се възползвал от това и би станал много богат. Дарвин ни учи, че даже най-малкото предимство с течение на времето може да доведе до невероятен успех. Трудно е да се каже обаче, че между професионалните екстрасенси има изявени финансови специалисти (освен умението да измъкват пари от клиентите си). Но затова пък неотдавна научих за гадател, който редовно съветвал висши бизнесмени и политици, но успял да проиграе семейните имоти в местното казино.
   За разлика от гадателството хората системно печелят пари от забавянето на времето. В редица страни се строят машини за такова деформиране на времето. Наричат ги „синхротрони". Такава машина засилва електрони по кръгова тръба до скорости много близки до светлинната. Тъй като електроните се движат по закривена траектория, те излъчват интензивно електромагнитно лъчение, концентрирано в тесен сноп. (Между другото, именно с това „синхротронно излъчване" се обясняват бипканията на пулсарите.) Отначало, когато се натъкнали на него, синхротронното лъчение изглеждало като вредно. По замисъл синхротроните са създадени, за да ускоряват субатомни частици, а не да произвеждат лъчение. Излъчването струва енергия, а следователно и пари. Една от причините ускорителите на елементарни частици да са толкова големи е да се намали кривината на траекториите на частиците, така че да се минимизират радиационните загуби. Но, както често става в науката, недостатъкът може да се превърне в предимство и в днешно време много страни строят синхротрони именно с цел да произвеждат лъчението. Синхротронното лъчение е много интензивно, обхваща широк интервал от честоти от видимата светлина нагоре и с него лесно се работи.
    Голямото предимство е свързано с много високите честоти, които могат да се достигнат - до спектралната област на рентгеновите лъчи. Синхротронното лъчение се използва много ефикасно за определяне атомната структура на сложни материали, каквито са стъклата, или на големи биомолекули. Образите се получават толкова бързо, че понякога е възможно да се проследяват детайлите на химическите изменения с времето. Неотдавна беше установена структурата на вируса, причиняващ шап по добитъка. Синхротронното лъчение се използва за анализи в лекарственото производство, в термопластиката и керамиката, а синхротронната литография се използва за създаването на машини с размер по-малък от един милиметър. Компаниите са готовни да заплащат няколко хиляди долара на ден за използване на синхротрон, така че тези машини носят печалби от милиони долари годишно.
   Синхротронните електрони обикновено летят със скорост 99,99999 процента от скоростта на светлината, а тайната на техния успех е в разтягането на времето, което при тях е няколко хиляди пъти. Това увеличава извънредно много честотата на излъчването в отправната система на лабораторията. За синхротрон с дължина на обиколката сто метра честотата на лъчението, наблюдавана в лабораторията, е близо трилион мегахерца.
    Не е нужно да ходим в синхротрон, за да наблюдаваме ефекти на разтягане на времето. Около нас е пълно с обекти, движещи се с извънредно високи скорости. Такива са електроните, кръжащи в атомите. Във водородния атом електронът се върти с около 200 километра за секунда, т.е. по-малко от един процент от светлинната скорост. В тежките атоми обаче тази скорост е много по-голяма поради по-големия електричен товар на ядрото. Вътрешните електрони в атоми като тези на златото, оловото или урана се въртят около ядрото със значителни скорости. Като следствие от разтягането на времето и на други релативистки ефекти поведението на тези електрони се изменя значително. Това определя електричните и оптичните свойства на твърдите тела.
   Да вземем за пример цвета на златото. Повечето метали имат сребрист цвят, но това не се отнася за златото. Неговият характерен блясък може да се обясни с релативистичните ефекти за движещите се в метала електрони. Така че без преувеличение можем да наречем този метал скъпоценен благодарение на разтягането на времето вътре в атомите на златото. Разтягането на времето и свързаните с него ефекти на теорията на относителността буквално отвсякъде ни заобикалят.
   Но ако разтягането на времето е реално и дори има пазарна стойност, тогава трябва да смятаме, че има повече от едно настояще. Не значи ли това, че може да има повече от една реалност?
    Добър въпрос! Какво можем да разбираме под физическа реалност, след като има много на брой настояще-та?

     Времешафт *
    „Разликата между минало, настояще и бъдеще е само илюзия, колкото и упорита да е тя"
Алберт Айнщайн
   Идеята, че събитията са разположени „всички наведнъж" във времето, мотивира Айнщайн да напише цитираната горе мисъл. Трябвало е обаче теорията на относителността да се наложи в научната общност, за да накара учените да гледат на времето не като на подредена и универсална последователност от събития, а като на пространство, което просто се показва пред нас във вид на пейзаж - времешафт. Това значи, че времето се представя по същия начин като пространството. Първият физик, който предлага това е Херман Минковски, един от преподавателите на Айнщайн в Техническия университет на Цюрих. През 1908 Минковски изнася лекция в Кьолн върху създадената от бившия му студент забележителна теория на относителността. Той започва с драматичната фраза: „Отсега нататък пространството само по себе си и времето само по себе си са обречени да угаснат като сенки и само своеобразното обединение на двете ще запази независима реалност".
    „Обединението", споменато от Минковски, е негова идея. Ако времето може да се третира като пространство, поне за целите на математическото представяне, тогава то трябва да се разглежда като четвърто измерение, защото вече имаме три пространствени измерения. Това звучи доста странно, но човечеството е започнало да представя времето като пространствено измерение още откакто открива символното представяне. Още когато нашите предци от палеолита са означавали интервалите от време с белези върху кости, те вече са представяли времето като пространство. Даже терминът „четвърто измерение" е използван за описание на времето години преди появата на теорията на относителността. През 1880 британският учен Чарлз Хинтън в есето си „Какво е четвъртото измерение?" ни призовава да си представим нещо изумително цяло, съдържащо всичко, което някога се е случило, или някога ще се случи". Според Хинтън настоящето на осъзнатото ни възприятие е просто субективно явление.
    Новото в Айнщайновото време е фактът, че то е свързано с пространството физически, а не само метафорично. Теорията на относителността сплита пространството и времето по много точен начин: пространството се свива, докато времето се разтяга. Минковски подчертава, че прибавянето на времевото измерение към трите пространствени измерения дава в резултат един обединен „пространствено-времеви" континуум, в който не могат да се отделят чисто пространствени и чисто времеви аспекти. Теорията на относителността не ни разрешава да отделяме времето от пространството, взимайки по абсолютен и универсален начин пространствени, т.е.взети в един и същ момент, разрези в пространство-времето. За всеки наблюдател съществува собствено разрязване и то, изобщо казано, е различно.

   Фиг. 1. Пространство-времето според Айнщайновата теория на относителността. В диаграмите на Минковски времето се представя по вертикалата, а две пространствени измерения са нанесени хоризонтално. В (а) хоризонталните разрези показват пространството в два момента t1 и t2, както се виждат от определен наблюдател. За този наблюдател всички точки от даден разрез са едновременни. В (b) същото пространство-време се разрязва по различен начин, съответстващ на перспективата на втори наблюдател, движещ се относно първия. За втория наблюдател именно точките от наклонените равнини са едновременни. Така че няма един-единствен и общоприет начин за разрязване на пространство-времето на „пространство" и „време".

    На фиг. 1 е показана диаграма на Минковски, показваща заедно пространството и времето. Проблемът с подобни диаграми е, че не е възможно да се представят четири измерения върху лист хартия и затова поне едно от пространствените измерения трябва да се изпусне. Пространството се представя хоризонтално, а времето тече вертикално. Диаграмата показва как различните наблюдатели по различен начин разрязват пространство-времето на „пространство" и „време". Самият Айнщайн отначало не е особено очарован от идеята за обединено пространство-време и затова нарича четиримерната геометрия на Минковски „излишна педантичност"; но впоследствие все пак я приема. Същинското значение на обединеното пространство-време е в това, че то напълно смесва пространството и времето. Минковски много бързо разработва правилата на пространствено-времевата геометрия. За съжаление те не са непосредствено обобщение на тримерната училищна геометрия, разширена така, че да включи допълнително измерение. Затова, когато чертаем диаграми в пространство-времето, нашата обичайна интуиция за разстояния и ъгли може да ни подведе.

    Фиг. 2. Диаграма на Минковски за ефекта на близнаците. Бети излита от Земята при събитие P. Наклонената линия е „световната линия" на нейната ракета, която достига до далечната звезда при събитието Q. Рязката смяна на наклона на световната линия в Q представя началото на завръщането на Бети. Срещата на Земята става при събитието R. Разстоянията по алтернативните пространствено-времеви траектории PR и PQR очевидно са различни, с което показват различното времетраене между двете събития P и R Поради странните правила на геометрията на Минковски PQR е по-късият път.

    От друга страна, диаграмите на Минковски могат да се окажат много полезни. За пример да вземем движенията на близначките Ана и Бети (фиг. 2), като за удобство ще запазим само едно пространствено измерение. Забележете, че дадено събитие, например Бети излита от Земята, съответства на една точка в пространство-времето. Даден обект, човек или ракета, описва в пространство-времето траектория, наречена негова „световна линия". Световната линия на Ана съвпада с тази на Земята и е просто права линия. Тази линия е вертикална, защото аз избирам диаграма, която представя събитията в отправната система на Земята. В тази отправна система Ана не се движи, така че с „течение" на времето тя описва линия с фиксирани пространствени координати. За разлика от нея Бети лети с ракетата по световна линия, която върви надясно, после се обръща и върви отново към Земята. Събитията, представящи излитането на Бети от Земята, пристигането й на звездата и връщането й на Земята, са означени съответно P, Q и R.
    Същественото тук е следното. Времетраенето между двете събития P и R не е фиксирано, а зависи от дължината на световната линия, която наблюдателят проследява между тях. От чертежа е очевидно, че разстоянието между P и R, измерено по световните линии, ще бъде различно: Ана има права световна линия, докато тази на Бети прави чупка през Q. Бихте могли да си помислите, че оттук Бети ще оцени времетраенето като по-дълго, но диаграмата, както предупредих, подвежда. Геометрията на Минковски тук се различава от „нормалната" геометрия по това, че линиите, отклоняващи се от вертикалата, трябва да се умножат по специфичен скъсяващ множител. Тогава се оказва, че най-дългото време между две събития е времето, което показва часовник с права световна линия, свързваща събитията. Затова Бети „достига до" събитието R за по-кратко време отколкото Ана. Забележете, че аз не казвам „Бети стига до R първа", защото R не е място, а събитие. Събитието, включващо Ана и Бети (в нашия случай тяхната среща), не може да става в различни моменти, при все че Ана и Бети не са съгласни относно времетраенето между P и R.
    Подобна пространственост на времето може да е от помощ за физическите разглеждания, но това става на висока цена. Човешкият живот кръжи около делението на времето на минало, настояще и бъдеще и хората трудно ще се откажат от тези категории само защото физиците ги отхвърлят. Ако бъдещето по някакъв начин „вече съществува", тогава ние не можем по никакъв начин да му повлияем. Изразът „станалото станало" ще се отнася със същата сила за миналото и за бъдещето. Херман Вайл пише: „Светът не се случва, той просто е". Случването, ставането, потокът на времето, поредицата от събития - всичко това според Вайл е фикция. Същото казва Айнщайн (виж мотото на този раздел), когато праща съболезнователно писмо до съпругата на Бесо по случай неговата смърт (няколко седмици преди смъртта на самия Айнщайн).
  В своя професионален живот повечето физици приемат без колебание идеята за пространство-времето, но в обичайния бит те постъпват като всички други, като действат и разсъждават, приемайки движението на настоящия момент. Как да вярваме, че бъдещето няма да се случи, а просто ще бъде (когато му дойде времето...)?
   Даже Айнщайн е признавал в края на живота си, че проблемът на настоящето „сериозно го безпокои". В разговор с философа Рудолф Карнап той се съгласява, че има „нещо специално в настоящето", но изразява надеждата, че каквото и да е това нещо, то се намира „извън сферата на науката".

----------------------------------------------------
    *Игра на думи; в думата landscape (пейзаж, ландшафт) land (земя) е заменена с time (време) - бел. прев.

(Paul Davies. ABOUTTIME - Einstein's unfinished revolution.
Touchstone, London et al., 1996)

Уводни бележки, подбор и превод: М. Бушев


     Посочените по-долу линкове ще ви позволят да проследите следващите няколко части от това прекрасно "Четиво с продължение":

ІІ Част: http://old.inrne.bas.bg/wop/ARCHIVE/wop_2_2007/serial.pdf

ІІІ Част: http://old.inrne.bas.bg/wop/ARCHIVE/wop_3_2007/serial.pdf

ІV Част: http://old.inrne.bas.bg/wop/ARCHIVE/wop_4_2007/serial.pdf

сряда, 24 август 2011 г.

Вяра и наука

 стр.  27 - 43


І ГЛАВА
Към предговор: http://kosmos-21.blogspot.com/2011/06/blog-post.html


ИСТОРИЧЕСКО РАЗВИТИЕ НА КОСМОЛОГИЯТА[1] 

      АНТИЧНИ ПРЕДСТАВИ ЗА МИРОЗДАНИЕТО

    Наивни схващания за произхода и устройството на света се срещат още в митовете на древните народи – Вавилон, Египет, Индия, Гърция и др. Според някои от тях Земята имала малко закръглена форма и плувала върху долните води на безбрежен океан, според други била крепена върху гърбовете на слонове, костенурки и т.н. Слънцето и Луната се движели с колесници или лодки по обсипания със звезди небесен свод (фиг. 1).

      Фиг.1 а) Египтяните вярвали, че в първичния космически океан се родил богът на Слънцето, който по-късно започнал да се движи с ладия по небосвода. б) Индийските брамини поставяли Земята върху гърба на огромен слон, крепен от гигантска костенурка и пр. (Ако някои от илюстрациите не се виждат ясно, щракнете върху тях и те ще се увеличат.)

     В представите на гръцките мъдреци Земята също била център на всемира. Тя имала формата на изпъкнал от едната си страна диск, стоящ на място във въздуха. Светът завършвал с прозрачна кристална сфера, върху която били разположени “неподвижните” звезди. Тази сфера се въртяла равномерно около невидима ос, минаваща през полюсите й. Единият от тях се намирал в района на Полярната звезда, а другият – някъде на юг. Пътят на Слънцето и Луната, както и сложните маршрути на планетите, астрономите от онова време чертаели върху глобуса на звездното небе. Питагорейците (около VI в. пр. Хр.) смятали Земята за кълбо. Като такава тя останала в съзнанието и на много от следващите мислители. Тилолай (VI – V в. пр. Хр.) ученик и последовател на Питагор, нарисувал друга картина на мирозданието. В центъра на Вселената, според него, горял огън, около който се движели десет тела: небето с неподвижните звезди, петте познати тогава планети, Слънцето, Луната, Земята и Противоземята (последната измислил, за да доведе броя на телата до съвършеното “божествено” число десет). Евдокс Книдски (IV в. пр. Хр.) изградил схема, която отново върнала Земята в центъра на света. Тя била заобиколена от 27 концентрични кристални сфери, движението на които достатъчно добре възпроизвеждало видимите премествания на планетите. За да бъде постигнато това нещо, осите на въртене на тези сфери били разположени в различни направления, така че сумираните движения на няколко такива кълба да дават наблюдавания път на небесното тяло. Аристарх Самоски, живял в Александрия през IV-III в. пр. Хр., изглежда е предложил първия хелиоцентричен модел. Той твърдял, че Слънцето е много по-голямо от Земята и около него се движат всички небесни тела. Най-добре подплатен с блестящи математически изчисления и съгласуван с наблюденията, обаче бил моделът на Клавдий Птолемей. Поради тази причина той се е задържал близо 1400 години – от средата на II в. сл. Хр. до към средата на ХVI век. Според него Земята стои на едно място и около нея обикалят Слънцето, Луната, планетите, както и сферата на “неподвижните” звезди.

       НАУЧНИ КОСМОЛОГИЧНИ МОДЕЛИ

     През 1543 г. Николай Коперник публикува труда си “За въртенето на небесните сфери”. В него изказва гениални догадки, с които отхвърля геоцентризма. Знаменитият учен приел Слънцето като средоточие на цялото мироздание.
    Втората половина на ХVІІ век Исак Нютон открива закона за всемирното привличане и решава, че Вселената трябва да е безкрайна, хомогенно запълнена с небесни тела, за да се получи равномерно разпределяне на гравитацията. (В противен случай, т.е. при ограничена Вселена, силата на привличане няма да бъде уравновесена за външните обекти и след известно време тя ще събере всичкото вещество на едно място.) Но, ако неговото предположение е правилно, би трябвало да се наблюдават две необичайни явления. Първо, нощното небе да има яркостта на Слънцето, защото от всички посоки до Земята ще пристигат лъчите на безбройното множество звезди – фотометричен парадокс. Второ, силата на привличане ще бъде безкрайно голяма и ще поражда огромни ускорения. Такъв гравитационен парадокс също не се установява.
   Карл Шарлие в началото на ХХ век предлага модел на йерархично построена безкрайна Вселена, в която не би трябвало да съществуват тези два космологични парадокса.[2] Но един такъв модел не би могъл да се възприеме макар и поради обстоятелството, че в него средната плътност на веществото в пространството клони към нула и освен това няма как да се въведе разширение, нито да се обясни реликтовото радиоизлъчване.
    През 1948 г. Хърман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл разработват така наречения стационарен модел. При него те въвеждат специално "С – поле", което сътворява вещество, така че средната плътност да не се променя вследствие на разширяването. Някои от поддръжниците на този възглед предполагат, че е възможно светът да е съществувал винаги (без да е бил създаван) в добре подреденото състояние, в което го виждаме и днес. Проведените тестове с далечни обекти (купове, радиогалактики) обаче не се съгласуват с изводите от стационарния модел. Тук отново не се дава отговор на въпроса за произхода на микровълновия фон, а и на редица други възражения.
    (По-късно (1993) Фред Хойл, Джефри Бърбидж и Джаянт Нарликар създават друга версия на тази постановка, наречена космология на квазистационарното състояние, която също обуславя една вечна Вселена. Тя успява да обясни наличието на реликтовото излъчване, сегашната му температура, количеството на леките ядра и пр., но все още не може да намери необходимото потвърждение от наблюденията.)

      Кратка история на хипотезата за "Големия взрив" 

    Хипотезата за “Големия взрив”  все още е считана за най-перспективна от болшинството физици. Поради това ще се спрем по-подробно на космологичните данни, говорещи в нейна подкрепа, но няма да спестим и критиките на противниците.
   Малко след като създава общата теория на относителността (ОТО), през 1917г. Алберт Айнщайн предлага модел на Вселената, който е в нейните рамки. Поради свои собствени философски и общонаучни съображения, Айнщайн е бил уверен, че Вселената може да се опише единствено от статичен модел, чийто глобални свойства не се променят с времето. За да получи такова решение, той въвежда в гравитационните уравнения космологичен член Λ (ламбда) с дименсия (размерност) на сила за компенсиране на гравитацията. Ламбда членът изразява съществуването на отрицателно налягане, пропорционално на разстоянието, но независещо от масата. По такъв начин той представлява един вид антигравитационна сила, която се противопоставя на привличането между телата и пречи на самосъбирането на веществото в света. Така Вселената, според Айнщайн, може да бъде винаги в равновесие, като при това е статична, затворена и крайна.
     През 1922 г. Александър Фридман установява, че ако се изключи този неправомерно въведен Λ член, моделите според ОТО трябва да са нестационарни – свиващи се или разширяващи се. След няколко години (1929), Едуин Хъбъл открива червеното отместване в спектрите на далечните галактики, от което прави извода, че те се разбягват, т.е. Вселената се разширява.[3] От всичко това следва, че ако се върнем назад в миналото, преди някакъв определен интервал от време, радиусът на света може да е бил произволно малък. Още през 1927 г. белгийският йезуит Жорж Льометр предлага хипотезата, че в началото на Вселената стои експлозия на "първичен атом". Към средата на века (1948), Георги Гамов като изучава възможността за космологично обяснение на обилието от химични елементи, открива една обща закономерност – сред тях преобладават изотопи с неутронен излишък. Този факт го навежда на мисълта, че в първичното вещество продължително време са се запазвали свободни неутрони, за което пък е необходима висока температура. По такъв начин се заражда идеята за Горещата Вселена, която отначало е била с нищожен радиус и голяма плътност. Вследствие на избухването си (този акт по-късно е означен като “Големия взрив”) Вселената започва да разширява своите размери, като това продължава и до ден днешен. Гамов и неговите сътрудници успяват да пресметнат, че при непрекъснатото намаляване на първоначалната изключително висока температура, тя трябва да е достигнала в сегашната епоха до температура на лъчението около 5К.
     През 1964г. Арно Пензиас и Робърт Уилсън откриват необясним радиошум, който веднага се интерпретира като лъчението, предсказано от Гамов. Това остатъчно радиоизлъчване се нарича космически микровълнов фон (КМФ). Регистрира се в диапазона 3мм. – 50см. и е с температура 2,7К.
    Стандартният космологичен модел на Големия взрив описва еволюцията на Вселена, която още при самото си раждане е била монотонна (еднородна и изотропна). Но, ако в миналото не е имало никакви флуктуации (отклонения), т.е. при едно идеално хомогенно разпределение на материята, не е възможно развитието на каквито и да било характерни небесни структури. Яков Зелдович и неговите сътрудници разработват така наречената адиабатна теория за произхода на галактиките, според която още в ранните ери от възникването на света са се появили нееднородности. Те са представлявали пертурбации (смущения) в плътността вследствие на акустични вълни. Предполага се, че благодарение на тях са се формирали специфични образувания “питки” (от рус. блины) – дисковидни обекти, които са дали началото на галактическите струпвания.
      През ноември 1989 г. космическата агенция на САЩ – NASA изстреля изкуственият спътник COBE (COsmic Background Explorer – Космически Фонов Изследовател). Той имаше за цел не само да регистрира микровълновото фоново лъчение, но и да търси флуктуации в него – Т/Т, където Т е температурата на това лъчение. Спътникът COBE най-после успя да регистрира отдавна търсените флуктуации от порядъка на Т/Т10-5. Счита се, че те потвърждават теоретичните предположения за създаването на нееднородности, които впоследствие са довели до образуването на едромащабните структури във Вселената – свръхкуповете и куповете от галактики.
     Според общата теория на относителността, ако средната плътност на веществото и енергията (приема се, че са равномерно разпределени във Вселената) е по-голяма от дадена критична стойност, пространството се изкривява до такава степен, че се затваря в себе си. Траекториите, изминавани от всички тела (от частиците до галактиките) и дори светлинните лъчи се завъртат и всичко остава в рамките на една вселена, която има положителна кривина на пространството – фиг. 2а). Ако плътността е по-малка от критичната, вселената е изкривена наопаки (все едно нейната “повърхност” е огъната навън), т.е. има отрицателна кривина – фиг. 2б). При плътност точно равна на критичната, уравненията на ОТО ще ни покажат, че пространството е плоско, т.е. няма кривина – фиг. 2в). В първият случай говорим за затворена, във вторият – за отворена, а в третият – за плоска вселена.

        Фиг.2 За да ни бъде по-лесно да разберем нещата нека приемем, че пространството вместо с три, е с две измерения. Тогава то се оприличава на някаква повърхност, която може да се изкривява. В такъв случай трябва да си представим галактиките като напълно плоски ципи (т.е. без дебелина), разположени върху него. Така получаваме двумерни аналози на трите вселени на Фридман: а) Затворена вселена, която съответства на повърхността на сфера. Тук две успоредни прави се пресичат. б) Отворена вселена с огъната навън повърхност. В нея успоредните прави се раздалечават. в) Плоска вселена, за която е в сила евклидовата геометрия. Тоест успоредните прави запазват разстоянието помежду си.

      Ако Вселената е затворена, постепенно ще забавя разширяването си, докато в един миг спре. После ще започне да се свива, като увеличава все повече скоростта си, колабирайки към началната си точка. След това може да последва нов период на избухване, разширение и колапс и т.н. За един такъв кръговрат ще са необходими около сто милиарда години. Ричард Толман през 30-те години на двадесети век предлага най-известния модел на циклична вселена. Той обаче разбира, че тя ще има начало и край във времето, поради нарастването на ентропията.[4]
     В случай, че Вселената е отворена или плоска, тя ще се разширява безкрайно. Галактиките ще се раздалечават все повече една от друга без обаче да увеличават обема и да променят структурата си за един период от около сто хиляди милиарда години.[5] После всички светила ще изгаснат, т.е. ще завършат пътя си като бели джуджета, неутронни звезди и черни дупки. Ще се разпаднат галактическите струпвания, куповете и дори асоциациите. Накрая, след близо 10116 години, всичкото вещество ще се превърне в лъчение и неутрино.[6]

      Инфлационна космология 

   Класическата теория на Големия взрив обаче не е в състояние да се справи с редица предизвикателства, които се изправят пред нея. Към края на 1979 г. Алън Гут и Хенри Тай в една своя статия разработват т. нар. инфлационна космология, която отстранява някои от трудностите, стоящи пред стандартния модел.[7] Според тях, малко след началото, енергията на Вселената се носела от инфлатонно поле с отрицателно налягане. Благодарение на него за период около 10-35 секунди било предизвикано грандиозно избухване и Вселената се раздула експоненциално повече от 1030 пъти (все едно детско балонче за миг да добие размери, значително превишаващи тези на Млечния път).[8] Полето постепенно освобождавало съдържащата се в него енергия под формата на почти еднородно море от частици и лъчение, като по-нататък нещата се развили според конвенционалния сценарий (виж табл. 1).


Време след Големия взрив
Събитие
Години преди нашето време
0
Голям взрив (сингулярност)[9].
13,7 млрд. год.
10-35 до 10-33 сек.
Инфлационна ера.

10-33 сек.
Кварк – глуонна плазма.

10-5 сек.
Кварките се свързват в протони и неутрони.

10-3 сек.
Синтезиране на водородни и хелиеви атоми.

1 до 3 мин.
Образуване на леките елементи до бор.

370 хил. год.
Вселената става прозрачна. Излъчва се КМФ.

200-500 млн. год.
Раждане на първите звезди и протогалактики.
13,5-13,2 млрд. год.
3,3 млрд. год.
Формиране на зрели галактики, квазари и на най-старите звезди в Млечния път.
10,4 млрд. год.
8,1 млрд. год.
Появява се Слънчевата система, включително Земята.
5,6 млрд. год.
Табл. 1

    На първо място, инфлацията разрешава проблема за космическия хоризонт (сферата от най-далечните области, с които можем да обменяме светлинна информация за времето след взрива). Нека да си припомним, че температурата на микровълновото фоново лъчение е еднаква във всички посоки с фантастична точност (по-добра от една хилядна от градуса). Загадка е как области, от единия и другия край на космоса, които не са могли да взаимодействат помежду си, имат почти една и съща температура? Решението е, че в самото начало Вселената трябва да се е разширявала достатъчно бавно, за да може в голяма част от нея да бъде установена еднаква температура, а после импозантното раздуване разпръснало близките области надалеч (фиг. 3).

     Фиг.3 При инфлация Вселената е по-малка веднага след Големия взрив, но значителна по-обширна в днешно време.

     На второ място, може да се намери обяснение за плоския характер на пространството. През 80-те години на ХХ век физиците отчитат, че средната плътността на веществото и енергията е много близка до критичната, като съответно пространството няма съществена кривина. Пресмятанията показват, че за да съвпаднат наблюденията с теорията една секунда след взрива плътността на материята трябва да е била в рамките на една милионна от милиардната от процента от критичната. Стандартният модел не разполага с валиден механизъм, който да го съгласува с измерванията. Тук отново идва на помощ инфлацията с обяснението, че при колосалното разширение всяка остатъчна кривина на пространството е напълно изгладена и Вселената е станала плоска.
     На трето място, даден е отговор на проблема с магнитните монополи (тежки елементарни частици, притежаващи само един магнитен полюс). Според класическият модел те трябва да са се образували в огромно количество в ранните етапи от развитието на мирозданието и сега да се намират в изобилие около нас. Но въпреки огромните и продължителни усилия на експериментаторите, все още не е намерен дори един-единствен магнитен монопол. Според изчисленията на А. Гут и Х. Тай тези частици могат да се раждат само в онзи свръх кратък интервал от време между началото на Вселената и момента на нейното раздуване. След като тя увеличила размерите си зашеметяващо число пъти, концентрацията на монополите намаляла също толкова пъти и затова техния брой в съвременния свят е нищожен.
     Инфлационната космология обяснява в общи линии и строежа на Вселената. Според учените квантовите флуктуации на инфлатонното поле водят до образуването на нееднородности в малък мащаб, които отговарят за появата на концентрираните структури като звезди, галактики, купове и т.н. Друг триумф на теорията са предвижданията й за изменението на температурата на реликтовото лъчение от една точка на небето към друга, които забележително съвпадат с данните от базираните на спътници телескопи. Наблюденията на астрономите за относителните количества на разпръснатите из космоса леки елементи (водород, хелий, деутерий и литий), също почти се припокриват с изчисленията за процесите довели през първите няколко минути до синтезирането на техните ядра. Инфлацията предопределя и възможно най-ниското количество ентропия при стартирането на Вселената, което създава стрелата на времето и по-нататък е от решаващо значение за съществуването на живота. (Някои модели допускат наличието на огромен брой вселени, така че нашата е като песъчинка сред огромната шир на космическата пустиня.)

       Тъмната страна на Вселената

      Както отбелязахме, според измерванията и теорията пространството около нас е плоско. Но многобройните астрономически проучвания говорят, че наблюдаваното количество вещество и енергия в космоса осигуряват само 4 % от критичната плътност. Тогава откъде да намерим останалите 96%? От десетилетия обаче се трупат свидетелства, че Вселената притежава съществена тъмна страна. Още през 30-те години на ХХ век Фриц Цвики и Синклер Смит стигат до извода, че в някои галактични струпвания има несветеща материя, чиято допълнителна гравитация запазва куповете в единство. По-късните работи на Кент Форд, Вера Рубин и нейните сътрудници потвърждават, че и много от галактиките трябва да са потопени в кълбо от невидимо вещество, за да могат да задържат звездите си. Последните изчисления показват, че тъмната материя осигурява някъде около 23% от критичната плътност, но тя не може да се състои от протони и неутрони, а само от такива частици, които безпрепятствено преминават през плътна среда (неутрино, различни екзотични обекти и пр.).
   Неотдавнашни експерименти дават сериозни доказателства за наличието на маса у неутриното, но според сметките то е твърде леко за целта. Друго обещаващо предложение включва предвижданите в теорията на струните суперсиметрични частици с големи маси, особено фотино, зино и хигсино. От известно време редица научни колективи със специално проектирани детектори усилено търсят следи от масивни слабо взаимодействащи частици тъмна материя. Не трябва обаче да забравяме, че за тях Земята е “прозрачна” – затова нищо чудно, че още не са регистрирани. Все пак физиците се надяват, че не след дълго в сегашните или бъдещите ускорители ще бъде установена тяхната природа.[10]
   През 1998 г. две групи астрономи, едната под ръководството на Саул Пърлмутър от Националната лаборатория “Лорънс” в Бъркли, а другата оглавявана от Брайън Шмит от Австралийския национален университет, съобщиха за сензационно откритие. При наблюдение на свръхнови от тип Іа, намиращи се в галактики на различни разстояния от Земята, двата екипа стигат до съвсем неочаквано заключение: разширението на Вселената не само, че не се забавя (както предвижда теорията), а напротив – нараства.[11] Учените правят извода, че установеното от тях ускоряващо се разширение се дължи на тъмна енергия, която добавя точно липсващите 73% от критичната плътност (фиг. 4).

    Фиг.4 Еволюция на Вселената според инфлационната космология. През първите 7 млрд. години скоростта на разширяване се забавя, а след това постепенно започва да нараства, от което физиците предполагат наличието на т. нар. тъмна енергия.

     Все още не е изяснено и каква е тази тъмна енергия, която отблъсква галактиките, т.е. играе ролята на космологичната константа, предвидена от Айнщайн, само че с много по-голяма стойност. Едни въвеждат ново инфлатонно поле, причиняващо значително по-умерен тласък навън, който обаче трае не частица от секундата, а милиарди години. Други не са убедени, че данните показват ускоряване и чакат да бъдат извършени по-точни проучвания. Затова учените от лабораторията “Лорънс” в Бъркли са предложили да бъде изведен нов спътников телескоп, способен да измери двадесет пъти повече свръхнови от изследваните в досегашните наземни наблюдения. Той не само ще може да потвърди резултата, че 73% от Вселената е тъмна енергия, но би трябвало да установи и нейната природа. Проектът е наречен SNAP (Super Nova/Acceleration Probe – Сонда Свръхнови/Ускорение). Има и такива, които смятат, че данните могат да се обяснят, ако силата на гравитацията се отклонява от обичайното поведение, когато става дума за извънредно големи разстояния, от космичен мащаб.
     По съвместен проект на NASA и Принстънския университет през 2001г. беше изведен в орбита спътникът WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – Сонда за Микровълнова Анизотропия “Уилкинсън”), който измери реликтовото лъчение с около 40 пъти по-голяма точност и разделителна способност от COBE. В началото на 2003г. са анализирани резултатите от него и благодарение на потока от най-точни данни полето от космологични предположения беше прочистено. Като единствени претенденти останаха инфлацията (в многобройните й варианти) и цикличният модел на Стайнхарт-Турок (виж 4 и 7 заб.). Последният предвижда ускорителното разширение на пространството, докато при инфлацията то изглежда като нескопосана добавка. Ако обаче ускоряването на галактиките не бъде потвърдено, инфлационният модел може да оцелее, но тогава отново ще възникне загадката около недостигащите 73% от енергийния бюджет на Вселената.
      През месец май 2009г. Европейската Космическа Агенция изведе на орбита обсерваторията „Хершел” заедно с телескопа “Планк”, който има 10 пъти по-добра разделителна способност от WMAP. Планира се и друг спътников експеримент – CMBPol (Cosmic Microwave Background Polarization experiment – Експеримент за Поляризацията на Космическия Микровълнов Фон). Според редица инфлационни модели, гравитационните вълни от Големия взрив трябва да са оставили отпечатък върху поляризацията на реликтовото лъчение. Затова тези спътници няма просто да отчитат отклоненията в температурата му, но ще измерват и неговата поляризация (средната посока на спиновете на регистрираните микровълнови фотони). Тук нещата стоят точно обратно, т.е. при засичане на първични гравитационни вълни ще се изключи цикличния подход, а ще се потвърди инфлационния апарат.
   В следващите десетина години се очаква да се внесе яснота дали някой от досега предлаганите космологични модели трябва да бъде предпочетен или ще се наложи да се разработват други варианти за раждането на света.

      Като следваме етапите, отразени в таблицата ще изтъкнем само някои от по-основните недостатъци на стандартния сценарий.[12]
    Сингуларното начало изисква от космологията строго решение, което инфлацията не е в състояние да даде, защото все още няма добра интеграция в теорията на струните и затова не е част от сливането на квантовата механика и общата теория на относителността.
     Никой не може да каже откъде по-нататък се появява инфлатонно поле, с подходяща форма на потенциалната енергия за възникване на инфлацията. Не знаем и точните параметри на избухването – кога се случва, колко време трае, какво количество енергия преобразува в частици и лъчение и пр. Затова няма как да се избегне и впечатлението, че физиците просто нагласяват своите концепции, така че да съвпаднат с астрономическите наблюдения.
     Според теорията, първичната Вселена била съставена изцяло от лъчение с висока енергия, създаващо спонтанно частици и античастици. Някъде около една микросекунда след взрива температурата спаднала под 1013К. Кварките и антикварките намалили скоростта си и били залавяни от силното взаимодействие, което ги слепвало в групи по три – образуващи съответно бариони и антибариони. Според статистическите закони обаче броят им задължително трябва да е бил еднакъв и неизбежните удари между тях са щели да водят до пълна анихилация. Енергията на получаващото се лъчение постепенно ще се е разреждала при разширяването на Вселената, поради което не биха се раждали нови двойки частици. Т.е. в днешно време изобщо не би могло да съществува вещество.
     Някой обаче е решил, че през онази епоха, незнайно защо се е получил дисбаланс – на всеки милиард антибариони се падали милиард и един бариони. След като големият фойерверк свършил, оцелелите бариони се превърнали в протони и неутрони, от които впоследствие били изградени всички атомни ядра.[13]
   Най-фундаменталните проблеми на теорията обаче се отнасят до невероятно сложното построение на атомите, звездите и космическите системи. (На тях ще се спрем в следващите глави на книгата.) Затова не бива да ни учудва мнението на критиците, че макар да решава някои второстепенни въпроси, съвременната хипотеза за “Големия взрив”, всъщност не може да намери задоволително обяснение за произхода на Вселената.

     Как се съгласуват данните от космологичната картина на света с разказа в началото на книгата Битие?
    Микровълновото фоново лъчение най-вероятно е остатък от онази светлина огряла космическите простори през първия ден от сътворението. Нейният произход не е свързан със Слънцето и звездите, защото те са били създадени едва на четвъртия ден. Затова е възможно флуктуациите в реликтовия фон да се дължат именно на внезапната поява на всички небесни тела (според ОТО гравитацията влияе на електромагнитните вълни). Ако приемем, че червеното отместване в спектрите на галактиките действително се дължи на разбягването им, то не е задължително да екстраполираме нещата назад във времето до една точка. Вселената може да е създадена с нейната пространствена структура, като е придадено ускорение на галактиките, което да противостои на общата притегателна сила, стремяща се да събере веществото.[14] Изобщо най-доброто обяснение за фината настройка на всемира си остава разбирането, че Бог е нагласил оптимално всички параметри на Вселената, така че в нея да може да съществува човекът.

БЕЛЕЖКИ:
[1] Космологията е наука за устройството, произхода и развитието на Вселената. Тя се занимава не само с проблемите, свързани с образуването на небесните системи (планетни, звездни, галактични и пр.), но и с въпросите относно пространство-времето – кривина, изменяемост, разширение и т.н.
[2] Подобни идеи за йерархични (островни) вселени са предлагани още от Имануил Кант (1755) и Йохан Ламберт (1760).
[3] През 1918 г. страсбургският астроном Карл Вилхелм Вирц измерва систематично червено отместване на някои “мъглявини” и го нарича K-корекция. Пет години по-късно (1923), като изследва цефеиди, Едуин Хъбъл доказва, че “спиралните мъглявини”, в които те се намират всъщност са галактики извън нашия Млечен път. По-нататък – 1929 г., на базата на своите наблюдения от обсерваторията Маунт Уилсън, Хъбъл представя емпирични данни, че галактиките се раздалечават във всички посоки и пръв изказва предположения за възрастта и скоростта на разширение на Вселената.
[4] Някои физици смятат, че ако в първите моменти вселената не е монотонна, а преминава през хаотично състояние, тя всеки път ще се ражда различна и би могла да осцилира (пулсира) дори безброй пъти.
    В началото на ХХІ век Пол Стайнхарт и Нийл Турок, в рамките на теорията на струните, разработват едно радикално въплъщение на цикличната космология, този път с плоска вселена. Те изказват предположението, че нашият свят е трибрана, която през няколко трилиона години се сблъсква с друга успоредна вселена – трибрана. “Взривът” от удара дава началото на всеки нов космологичен цикъл.
[5] Естествено възниква въпросът няма ли раздуващото се пространство да увеличи разстоянията между звездите в галактиките, между градивните частици на телата и дори между протоните, неутроните и електроните в атомите? Отговорът е “не”. Гравитационното, електромагнитното и ядреното взаимодействия, които държат събрани тези структури, са много по-големи от разтеглящата сила на пространството, затова и никой от посочените обекти не се уголемява. Само в свръхгалактичен мащаб разширяването на пространството кара галактиките да се разбягват, защото (поради голямата отдалеченост) силите на привличане между тях са сравнително малки.
[6] През 1975 г. Стивън Хокинг установи, че дори една черна дупка трябва да излъчва електромагнитни вълни и неутрино, в резултат на което тя постепенно се “изпарява”.
[7] Една година по-рано (1978) руските физици Генадий Чибисов и Андрей Линде стигат до идеята за инфлация, но при подробен анализ съзират, че тя страда от някои проблеми и затова не публикуват работата си. Днес теоретиците са предложили различни версии на инфлация – стара, нова, разширена, топла, хибридна, подпомогната, хаотична, хиперестествена, вечна и мн. др.
[8] Сравнението с балончето и Млечния път, е само за да добием представа колко голямо е числото 1030. Всъщност някои физици изчисляват, че е достатъчно раздуването да се е случило в зрънце с нищожни размери, например 10-27 см. В такъв случай диаметърът на Вселената след инфлационната ера ще е едва около 10 метра.
[9] Изразът “Големият взрив” се използва, за да обозначи събитие, случило се в самия момент нула, което е поставило началото на съществуването на Вселената. Но тъй като уравненията спират да действат малко преди момента нула, никой няма представа какво точно е било това събитие. За да получим по-ясен поглед към този етап е необходимо общата теория на относителността да се слее с квантовата механика. Много учени смятат, че един сравнително нов подход на име теория на струните може да постигне това обединение и да се справи с екстремните условия на невероятни горещина и плътност от най-ранните моменти на всемира.
[10] Построеният наскоро в Женева, Швейцария гигантски ускорител на елементарни частици, наречен Голям адронен колайдър (LHC – Large Hadron Collider), влезе в експлоатация 2008 г., но ще заработи с пълния си капацитет през 2010 г. Възлагат се големи надежди, че тази машина ще бъде достатъчно мощна, за да открие частиците суперпартньори, да разбули тайната около тъмната материя и да даде косвено потвърждение относно теорията на струните.
[11] Механизмът, водещ до образуването на тези свръхнови е следният: Малко, но плътно бяло джудже изсмуква вещество от повърхността на близка нормална звезда. Когато масата му достигне определена критична стойност (около 1,4 пъти тази на Слънцето), в него стартира верижна термоядрена реакция, при която джуджето се взривява като свъхнова от тип Іа. Тъй като критична маса е точно определена, действителната яркост на подобни експлозии е винаги почти една и съща. Поради това свръхновите от тип Іа се използват като стандартни свещи в астрономията, т.е. по наблюдаваната им яркост се определя разстоянието до тях.
[12] Понеже не описахме подробно цикличната космология няма как да изброим и възраженията относно нейните модели. Необходимо е да отбележим обаче, че последните също са твърде спекулативни и страдат от не по-малко значими проблеми.
[13] Руският физик Андрей Сахаров предполага, че при Големия взрив е имало нарушение на т. нар. СР-симетрия, което е довело до превес на материята. Но все още няма никакво теоретично обяснение за произхода на подобна аномалия. В космоса се откриват съвсем малки количества антиматерия (освен няколкото потока от нея близо до ядрото на Млечния път).
[14] Ако бяхме видели младия Адам да се разхожда из едемската градина, връщайки лентата назад, сигурно щяхме да помислим, че той преди е бил юноша, дете, бебе и е започнал развитието си от една оплодена яйцеклетка. Дарвин по подобен начин решил, че чинките от Галапагоските острови вероятно имат общ прародител, произхождащ от по-нисши животни, които на свой ред са еволюирали от още по-примитивни и пр. Така като се опитвал да проследи историята на организмите, накрая стигнал до основната протоклетка, зародила се в световния океан. Според Библията – Вселената, живите същества и човекът са били създадени в завършен вид. Тоест в научните теории е възможно ние, основавайки се на своя опит, да провеждаме една неправомерна екстраполация назад във времето до някаква начална точка, която в действителност никога не е съществувала.