Часть II
Тайны Вселенной
Путешествие по той Вселенной, какой мы ее знаем сегодня, и по истории современной астрономии и радиоастрономии: революция, спровоцированная теорией относительности, рождение звезд и черных дыр, тайна квазаров, расширяющаяся Вселенная и Большой взрыв
Солнце – это самое яркое светило на нашем небе, а размер Солнечной системы – фундаментальная мера космических расстояний, используемая в астрономии для измерения расстояний в нашей Вселенной. Мы измеряем расстояния в Солнечной системе в интервалах времени, за которые его проходит свет, то есть в световых секундах до Луны, световых минутах до Солнца и световых часах до планет на внешних орбитах. Но и в нашей повседневной жизни мы используем свет для измерения самых разных расстояний, даже не подозревая об этом. До 1966 года все единицы длины соотносились с Международным эталоном метра. Это был платиново-иридиевый стержень, который хранился в Париже и служил стандартной мерой расстояний. Международный эталон метра равнялся длине одной десятимиллионной доли четверти окружности Земли, измеренной от Северного полюса до экватора вдоль меридиана, проходящего через Париж (так что неудивительно, что британцы до сих пор так и не ввели у себя метрическую систему). Сегодня эталон метра определяется через скорость света и равен точному расстоянию, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. Почему в знаменателе такое некрасивое число? Ну, это понятно: длина эталона должна быть такой же, как у парижского международного эталона метра, но теперь этот эталон уже не ущемляет ничье национальное достоинство. Тот, кто использует измерительную рулетку, в действительности измеряет интервалы времени прохождения света.
3
Самая счастливая мысль в жизни Эйнштейна
Поскольку свет – это электромагнитные колебания, мы также используем его для хронометрирования. Свет реально стал основной мерой всех вещей, и в этом утверждении кроется глубокая истина. Эйнштейн как‐то спросил себя: а что было бы, если бы свет всегда двигался с одной и той же скоростью, независимо от того, как быстро движемся мы сами? Подобное предположение оказалось способно перевернуть с ног на голову все наши представления о неизменном и абсолютном пространстве.
Но как свет может всегда двигаться с одной и той же скоростью? Представим себе муравья, ползущего внутри быстро движущейся спортивной машины: он движется быстрее, чем муравей, просто ползущий по асфальту, поскольку к скорости муравья добавляется скорость автомобиля. Так разве не должно происходить то же самое со светом? Нет, не должно, потому что свет – это не муравей, не машина, не мяч и не ракета. Свет – это чистая энергия, у света нет инертной массы. Материя может быть ускорена, только если к ней приложена сила и ей передана энергия, причем чем материя легче, тем легче ей разогнаться. Муравья разогнать легче, чем машину. Свет же настолько “легкий”, что вам даже не нужно его толкать, он полетит сам по себе. Вот почему в пустом пространстве он всегда движется с максимальной скоростью, а именно – со скоростью света, равной почти точно миллиарду километров в час.
Ничто не может двигаться быстрее света, потому что ничто не может быть менее инертным. Даже изменение гравитации и создаваемые в результате этого гравитационные волны могут распространяться только со скоростью света. Это свойство, которое вначале было установлено лишь для света, на самом деле относится и к скорости распространения взаимодействий, определяющих возникновение причинно-следственных связей между событиями. Говоря о “свете”, мы часто неявно включаем в рассмотрение другие процессы, в которых информация передается с помощью “безмассовых” волн.
Но что‐то же наверняка должно измениться, когда вы движетесь относительно света? Да, должно, сказал Эйнштейн. Меняются время и пространство. Но разве пространство и время не существуют независимо от всего остального? Ответ: нет. В отличие от энергии и материи, пространство и время – сугубо абстрактные величины, которые мы используем для описания мира. Мы не можем потрогать пространство или время, и они становятся физическими реальностями только тогда, когда их измеряют[36], а измерения в конечном итоге всегда делаются с помощью света или светоподобных волн. Если и есть нечто по‐настоящему реальное в космосе и на Земле, то это свет. С его помощью не только делаются измерения – он вообще определяет пространство и время.
36
Это скорее философский вопрос. Cовершенно пустое пространство, в котором энтропия равна нулю, не развивается, так что и время там измерять незачем. Полностью пустое пространство без материи и энергии вакуума – это ничто в самом прямом смысле слова, и физикам сказать о нем нечего, хотя в математике этот вопрос и рассматривается.