Мичио Каку
Паралелни светове (4)

2
Парадоксалната вселена

„Ако бях свидетел на сътворението, щях да дам някои идеи за по-добро подреждане на вселената.“

Алфонсо Мъдрия

„Проклета слънчева система! Лоша светлина, прекалено отдалечени планети, напаст от комети, неустойчива структура. Аз самият бих могъл да направя далеч по-добра (вселена).“

Лорд Джефри

В комедията „Както ви харесва“ Шекспир написал безсмъртните думи:

Да, този свят е сцена,

където всички хора са актьори

и всеки има миг, във който трябва

да влезе и излезе…^[1]

През Средновековието светът наистина е бил сцена, но малка и статична, състояща се от миниатюрна плоска Земя, около която небесните тела мистериозно се движели по съвършените си орбити. На кометите се гледало като на поличби, вещаещи смъртта на владетели. Когато през 1066 г. над Англия се появила голямата опашата звезда, тя ужасила саксонските воини на крал Харолд, който бързо претърпял загуба от напредващите победоносни сили на Уилям Завоевателя, с което се поставило началото на съвременна Англия.

Същата комета се появила отново над Англия през 1682 г. и пак предизвикала страхопочитание и ужас в Европа. Сякаш всички — от обикновените селяни до кралете — били омагьосани от неканения посетител, появил се изневиделица в небесата. Откъде идва тази комета? Какво прави и какво означава появата й?

Един богат джентълмен и астроном аматьор на име Едмънд Халей толкова се заинтригувал от кометата, че потърсил мнението на един от най-великите учени по онова време — Исак Нютон. Когато го запитал каква сила управлява движението на кометата, Нютон спокойно му обяснил, че тя се движи по елипса вследствие на закона за обратната квадратна сила (т.е., ускорението на кометата е обратнопропорционално на квадрата на разстоянието й до Слънцето). Всъщност, обяснил Нютон, той бил наблюдавал кометата с изобретения от него телескоп (рефлектора, използван и до днес от астрономите по цял свят) и курсът й се подчинявал стриктно на закона на гравитацията, който открил двадесет години по-рано.

Халей бил шокиран. „Но откъде знаете това?“, запитал той. „Ами, изчислих го“^[2] — отвърнал Нютон. И в най-смелите си мечти Халей не очаквал да чуе, че тайната на небесните тела, мъчеща човечеството от зората на съществуването му, можела да се обясни с новия закон за гравитацията.

Потресен от това епохално откритие, Халей щедро предложил да финансира публикуването на новата теория. През 1687 г., благодарение на финансовата и морална подкрепа на Халей, Нютон издал своите Philosophiae Naturalis Principia Mathematica („Математически принципи на натурфилософията“), определян и като един от най-важните трудове на всички времена. Само с един замах учените, тънещи в неведение за законите на Слънчевата система, получили средство да предсказват с абсолютна точност движението на небесните тела.

Влиянието на Principia, било толкова силно в модните салони и кралските дворове в Европа, че поетът Александър Поуп написал:

Природата и нейните закони са скрити в тъма,

Но рече Бог — Да бъде Нютон! — и стана светлина.

(Халей разбирал, че ако орбитата на кометата е елипса, то може да се изчисли кога тя отново ще се появи над Лондон. Той се разровил в старите сведения и открил, че кометите от 1531, 1607 и 1682 г. са всъщност едно и също небесно тяло. Кометата, изиграла такава кардинална роля за създаването на съвременна Англия през 1066 г., била виждана от хората през цялата писана история. Неин наблюдател бил дори Юлий Цезар. Халей предсказал, че тя ще се появи отново през 1758 г., много след като двамата с Нютон нямало да бъдат между живите. Когато кометата наистина се появила точно по разписанието за Коледа на въпросната година, тя била кръстена на името на Халей.)

Нютон открил закона за всеобщото притегляне двадесет години по-рано, когато бил принуден да се оттегли в провинциалното си имение в Улсторп — Кембридж бил затворен заради избухналата чумна епидемия. Той с умиление си спомня как веднъж по време на разходка видял падаща ябълка. Това го накарало да си зададе въпроса — щом ябълката пада, дали не прави същото и Луната? Със замаха на гений Нютон разбрал, че ябълките, Луната и планетите се подчиняват на един и същ закон за всеобщото привличане и падат според закона за обратната квадратна сила. Когато открил, че математиката на XVII в. е твърде примитивна, за да опише този закон, той изобретил нов дял от нея — математически анализ, с чиято помощ да определи движението на падащите ябълки и луни.

В Principia Нютон описал и законите на механиката — законите на движението, които определят траекториите на всички земни и небесни тела. Тези закони са в основата при проектирането на машини, овладяването на мощта на парата и създаването на локомотивите, които на свой ред помогнали да се отъпче пътят на индустриалната революция и появата на модерната цивилизация. Днес всеки небостъргач, всеки мост и всяка ракета се конструират, като се вземат предвид Нютоновите закони.

Нютон ни е оставил не само вечните закони на движението — той преобърнал светогледа, давайки ни радикално нова картина на вселената, в която загадъчните закони, управляващи небесните тела, са идентични със законите, действащи и на Земята. Сцената на живота престанала да бъде заобиколена от ужасяващи небесни поличби. Същите правила, които важали за актьорите, били в сила и за декорите.

Парадоксът на Бентли

Principia представлява необичайно амбициозен труд и именно поради това породил първите объркващи парадокси, свързани с устройството на вселената. Ако светът е сцена, то колко голяма е тя? Има ли край или е безгранична? Този въпрос бил стар като човечеството. Дори римският философ Лукреций се вълнувал от него. „Вселената е безкрайна във всяка посока — пише той. — Ако не бе така, тя би трябвало да има някакви граници. Ясно е обаче, че такива не може да има, освен ако не съществува нещо друго, което да я ограничава… Във всички посоки — наляво и надясно, нагоре и надолу — вселената е безгранична.“^[3]

Теорията на Нютон разкрива също и парадоксите, присъщи на всяка теория за крайна или безкрайна вселена. Най-простите въпроси водели до същинско тресавище от противоречия. Още докато бил на върха на славата, получена с излизането на Principia, Нютон открил, че неговата теория за всеобщото привличане неизбежно е изпълнена с парадокси. През 1692 г. един духовник — преподобният Ричард Бентли — написал на Нютон обезкуражително просто, но поразително писмо. Тъй като гравитацията винаги привлича телата, а не ги отблъсква, писал Бентли, това означава, че всяка група звезди би трябвало да се сгромоляса сама върху себе си. Ако вселената беше крайна, то вместо да бъде вечно и статично, нощното небе щеше да представлява същински хаос от сблъскващи се звезди, които в крайна сметка ще образуват една огромна свръхзвезда. Но Бентли също така посочил, че ако вселената е безкрайна, тогава упражняваната върху всяко тяло сила, която го дърпа в една или друга посока, също ще бъде безкрайна и следователно звездите би трябвало да бъдат разкъсани от огнени катаклизми.

На пръв поглед изглеждало, че Бентли е поставил Нютон в шах. Вселената е или крайна (и се срутва в едно огромно огнено кълбо), или безкрайна (при което всички звезди би трябвало да се разлетят на парчета). И двете възможности били истинска катастрофа за новопоявилата се теория. Този проблем за първи път в историята разкрил неуловимите, но присъщи парадокси, изпълващи всяка теория за гравитацията, когато тя бъде приложена към вселената като цяло.

След като внимателно обмислил въпроса, Нютон написал в отговора си, че е намерил вратичка за заобикаляне на проблема. Лично той предпочитал идеята за безкрайната вселена, която обаче не е напълно еднородна. Така, ако една звезда се притегля в една посока от безброй звезди, упражняваната върху нея сила ще бъде анулирана от същото притегляне на други звезди, намиращи се в противоположно на първите местоположение. Всички сили се уравновесявали във всички посоки, при което се получава статична вселена. Следователно, ако гравитацията означава винаги привличане, то единственото решение на парадокса на Бентли е да имаме една еднородна и безкрайна вселена.

Нютон наистина намерил вратичка, за да контрира аргументите на Бентли, но бил достатъчно умен, за да си дава сметка за слабите места в собствения си отговор. В едно писмо той признава, че макар и технически да е вярно, решението му е доста нестабилно. Еднородната, но безкрайна вселена на Нютон прилича на кула от карти — стабилна на пръв поглед, но готова да рухне и при най-малкото сътресение. Може да се изчисли, че ако само една звезда се отклони съвсем мъничко от мястото си, това ще доведе до верижна реакция и звездните купове моментално ще започнат да се сриват. Слабият момент в отговора на Нютон бил да прибегне до намесата на „божествена сила“, която не позволявала на картонената си кула да се срути. „Нужно е непрекъснато чудо, за да не могат слънцето и неподвижните звезди да се сгромолясат една върху друга от силата на привличането“^[4], пише той.

За Нютон вселената била като огромен часовник, навит в зората на времето от Бог и работещ непрекъснато, подчинявайки се на трите закона на динамиката без намесата на създателя си. От време на време обаче се налага самият Бог да се намесва и да променя мъничко това-онова, за да предпази вселената от разрушаване. (С други думи, Бог трябва понякога да се намесва, за да попречи на декора на сцената да се срути върху актьорите.)

Парадоксът на Олбърс

Нютон осъзнавал, че за всяка безкрайна вселена е характерен един още по-голям парадокс. Парадоксът на Олбърс започва с въпроса защо през нощта небето е черно. Още по времето на Йоханес Кеплер астрономите разбрали, че ако вселената е еднородна и безкрайна, то накъдето и да погледнете, задължително ще видите светлината на безброй звезди. Рано или късно погледът ни ще попадне върху неизброимо много звезди във всяка посока и така ще възприеме безкрайно количество звездна светлина. Следователно нощното небе би трябвало буквално да пламти! Фактът, че нощното небе е черно, а не бяло, от векове е бил неясен и труден за разбиране парадокс.

Подобно на парадокса на Бентли, парадоксът на Олбърс е заблуждаващо прост, но това не му пречи да разстройва живота на не едно поколение философи и астрономи. И двата парадокса зависят от постановката, че в една безкрайна вселена силата на гравитацията и светлинните лъчи се прибавят, за да дадат в крайна сметка безсмислени резултати. През вековете са били давани не един или два неверни отговора на тези парадокси. Самият Кеплер бил толкова объркан от парадокса, че му се наложило да постулира, че вселената е крайна, затворена в черупка и следователно в нея има само крайно количество звезди, чиято светлина достига очите ни.

Объркването около този парадокс е толкова голямо, че едно проучване от 1987 г. показа, че в цели 70 процента от учебниците по астрономия не му се дава точно обяснение.

На първо място, бихме могли да се опитаме да разрешим парадокса на Олбърс, като приемем, че звездната светлина се поглъща от облаците прах в междузвездното пространство. Именно такъв отговор дал самият Хайнрих Вилхелм Олбърс през 1823 г., когато за първи път ясно постулирал парадокса. „Какъв късмет, че Земята не получава цялата светлина от всяка точка на небесния свод! — пише той. — И все пак, при такава невъобразима яркост и топлина, възлизаща на 90 000 пъти повече от онази, която получаваме сега, Всемогъщият лесно би сътворил същества, способни да оцелеят при такива крайни условия.“^[5] Олбърс предположил, че животът на Земята е възможен единствено благодарение на това, че междузвездният прах поглъща огромната топлина. Например огненият център на нашата собствена галактика, който би трябвало да доминира над всичко останало в нощното небе, всъщност е скрит от прашни облаци. Ако погледнем към съзвездието Стрелец, където се намира центърът на Млечния път, вместо огромно огнено кълбо ще видим черно петно.

Но прашните облаци не са в състояние да обяснят парадокса на Олбърс. След безкраен период от време те ще погълнат светлината от безброй звезди и в крайна сметка ще започнат да светят. Така дори те би трябвало да блестят в нощното небе.

Освен това може да се предположи, че колкото по-далеч се намира някоя звезда, толкова по-слаба е светлината й. Това е вярно, но и то не може да бъде посочено като отговор. Ако погледнем в определен участък от небето, ще видим, че най-отдалечените звезди са наистина слаби, но освен това колкото по-надалеч гледате, толкова повече звезди виждате. Тези два ефекта би трябвало се анулират в една еднородна вселена и небето през нощта би трябвало да е бяло. (Това е така, защото интензивността на звездната светлина намалява на квадрат от разстоянието до нея, но това се компенсира от факта, че броят на звездите се увеличава на квадрат с увеличаването на разстоянието.)

Колкото и да е странно, първият човек в историята, успял да разреши парадокса, е американският писател фантаст и мистик Едгар Алън По, който от дълги години се интересувал от астрономия. Малко преди смъртта си той публикувал много от наблюденията си, събрани в една разхвърляна философска поема, озаглавена „Еврика — поема в проза“. В един забележителен откъс той пише:

„Ако звездите следваха безкрай една след друга, то небето щеше да е изпълнено с равномерно сияние, също като Млечния път — тъй като нямаше да има абсолютно нито една точка по цялото небе, която да не е заета от звезда. Следователно единственото положение при това състояние на нещата, при което можем да разберем пустите пространства, откривани от телескопите ни накъдето и да ги обърнем, ще бъде да предположим, че невидимият фон [се] намира толкова далеч, че светлината от него все още не е успяла да достигне до нас.“^[6]

Без да има никакви доказателства, По заключил, че идеята е „прекалено прекрасна, за да няма зрънце Истина в нея“.

Точно това становище е ключът към верния отговор. Вселената не е безкрайно стара. Сътворение е имало. Количеството светлина, достигащо до очите ни, е крайно. Светлината от най-далечните звезди все още не е имала време да стигне до нас. Космологът Едуард Харисън, който първи открил, че именно По е решил парадокса на Олбърс, написал: „Когато за първи път прочетох думите на По, бях поразен — как е възможно един поет, който в най-добрия случай може да се нарече учен-аматьор, да е намерил точното обяснение преди цели 140 години, а в същото време в колежите да продължава да се преподава погрешното обяснение?“^[7]

През 1901 г. шотландският физик лорд Келвин също открил правилния отговор. Той разбрал, че когато наблюдаваме нощното небе, ние го виждаме такова, каквото е било в миналото, а не в момента — макар и огромна по земните стандарти, скоростта на светлината (299 792,5 км/сек) е все пак крайна и й е нужно време, за да измине разстоянието от отдалечените звезди до нас. Келвин изчислил, че за да бъде нощното небе напълно бяло, вселената би трябвало да се простира на стотици трилиони светлинни години. Но тъй като тя не е толкова стара, небето остава черно. (Има и още една причина за това — продължителността на живота на звездите, която се измерва с милиарди години.)

В последно време стана възможно верността на решението на По да се провери експериментално благодарение на спътници като телескопа „Хъбъл“. На свой ред тези мощни съоръжения ни позволяват да отговорим на един въпрос, който задават дори децата — къде се намира най-далечната звезда? И какво има отвъд нея? За да отговорят на тези въпроси, астрономите програмирали телескопа „Хъбъл“ да изпълни историческа мисия — да направи снимка на най-отдалечената точка от вселената. За да улови изключително слабите излъчвания от най-затънтените кътчета на космоса, телескопът трябвало да извърши безпрецедентна задача — да се насочи към точно определена точка недалеч от съзвездието Орион в продължение на няколкостотин часа, което означава да запази идеално положението си в продължение на 400 обиколки около Земята. Проектът бил толкова труден, че се провеждал повече от четири месеца.

През 2004 г. бе публикувана една зашеметяваща снимка, която стана новина номер едно в целия свят. На нея се виждаха 10 000 новородени галактики, образуващи се от хаоса на самия Голям взрив. „Може би виждаме края на началото“, заяви Антон Кьокемойер от научния институт „Космически телескоп“. На снимката се вижда бъркотия от слабо светещи галактики, намиращи се на повече от 13 милиарда светлинни години от Земята — с други думи, на светлината от тях са й били необходими над 13 милиарда години, за да достигне Земята. Тъй като възрастта на вселената е едва 13,7 години, това означава, че тези галактики са се образували приблизително половин милиард години след сътворението, когато от първичната „супа“ от газове, останали след Големия взрив, започнали да се образуват първите звезди и галактики. „Хъбъл ни отвежда на един хвърлей от самия Голям взрив“^[8], посочи астрономът Масимо Стивавели от същия институт.

Но това поражда въпроса какво има отвъд най-далечните галактики? Ако се вгледаме в тази забележителна фотография, ще открием, че между галактиките цари пълен мрак. Именно той е причината нощното небе да е черно. Той е крайният предел за светлината от далечните звезди. На свой ред обаче тази чернота е всъщност фоново микровълново лъчение. Така че окончателният отговор на въпроса защо нощното небе е черно гласи, че то всъщност изобщо не е такова. Ако очите ни бяха в състояние да виждат в микровълновия спектър, а не само видимата светлина, щяхме да виждаме в небето лъчението от самия Голям взрив. В известен смисъл лъчението от Големия взрив се появява всяка нощ. Ако очите ни можеха да улавят микровълни, щяхме да виждаме, че отвъд най-далечната звезда се намира самото сътворение.

Бунтовникът Айнщайн

Законите на Нютон действали толкова добре, че на науката й трябвали повече от два века, преди да предприеме следващата съдбовна стъпка с работата на Алберт Айнщайн. Айнщайн започнал кариерата си като най-малко вероятният кандидат за водач на революция от подобен мащаб. Завършилият през 1900 г. бакалавър от Политехническия институт в Цюрих се оказал без никакви изгледи да си намери работа. Кариерата му била спъвана от преподавателите му, които не харесвали непочтителния наперен студент, често внасящ суматоха по време на лекции и упражнения. Умолителните му, издаващи крайна потиснатост писма ясно показват дъното, до което е стигнал след завършването си. Самият той се смятал за пълен неудачник и мъчително финансово бреме за родителите си. В едно горчиво писмо той признава, че дори обмислял дали да не сложи край на живота си. „Нещастието на бедните ми родители, които от толкова години не са видели нито един радостен ден, ми тежи най-много… По-добре изобщо да ме няма на този свят“^[9], обезсърчено пише той.

В отчаянието си решил да се откаже от кариерата си и да постъпи на работа в една застрахователна компания. Станал дори детски учител, но влязъл в пререкания с работодателя си и бил изхвърлен. Когато приятелката му Милева Марич неочаквано забременяла, той с тъга разбрал, че детето им ще се роди извънбрачно, защото нямал средства да се ожени за нея. (Никой не знае какво е станало с дъщеря му Лизерал.) А дълбокият личен шок след внезапната смърт на баща му оставил в сърцето му белег, който така и не изчезнал до края на живота му. Баща му починал с убеждението, че синът му е неудачник.

Макар че 1901–1902 г. е може би най-лошият период от живота на Айнщайн, кариерата му била спасена от пълно съсипване благодарение на състудента му Марсел Гросман, който успял да използва връзките си и да го уреди на работа като нисш чиновник в Швейцарското патентно бюро в Берн.

Парадоксите на относителността

На пръв поглед Патентното бюро не било идеалното място за започване на най-голямата революция във физиката от времето на Нютон. След като бързо се справял с купчината заявления за патенти на бюрото си, Айнщайн се връщал към мечтите си от детство. Като малък му попаднала книгата „Популярно естествознание“ на Аарон Бернщайн — „труд, който прочетох на един дъх“, както си спомня по-късно Айнщайн. Бернщайн призовавал читателите да си представят как се носят със скоростта на електричеството по проводниците на телеграфа. Когато бил на шестнадесет, Айнщайн също си задавал подобен въпрос — как ли ще изглежда лъч светлина, ако човек може да се движи с неговата скорост? По-късно той си припомня: „От парадокса, с който се сблъсках на шестнадесетгодишна възраст, се появи следният принцип — ако преследвам лъч светлина със скорост c (скоростта на светлината във вакуум), би трябвало да го наблюдавам като пространствено трептящо магнитно поле. Но такова нещо като че ли не съществуваше според опита и уравненията на Максуел.“^[10] Като юноша Айнщайн смятал, че ако можем да се движим със скоростта на светлината, то тя ще ни изглежда замръзнала, подобно на неподвижна вълна. Никой обаче не е виждал замръзнала светлина, така че в представите му имало нещо много объркано.

В началото на XX в. два били основните стълба във физиката, върху които се крепяло всичко — теорията на Нютон за механиката и гравитацията и теорията на Максуел за светлината. През 60-те години на XIX в. шотландският физик Джеймс Кларк Максуел доказал, че светлината представлява трептящи електрически и магнитни полета, които непрекъснато преминават едно в друго. За свой най-голям потрес Айнщайн открил, че тези два стълба си противоречат и следователно единият от тях е неверен.

В уравненията на Максуел Айнщайн намерил решение на главоблъсканицата, която го тормозела цели десет години. Той открил нещо, което самият Максуел пропуснал — уравненията му показвали, че светлината се движи с постоянна скорост, независимо колко бързо се движи самият наблюдател. Скоростта на светлината c е една и съща във всички инерционни системи (т.е., системи, движещи се с постоянна скорост). Независимо дали сте неподвижни, возите се във влак или сте яхнали носеща се в космоса комета, светлинният лъч ще ви изпреварва с една и съща скорост. Колкото и бързо да се движите, никога няма да сте в състояние да изпреварите светлината.

Това неизбежно довело до цял куп парадокси. Представете си за момент, че някакъв астронавт се опитва да достигне скоростта на светлинния лъч. Космическият му кораб се ускорява, докато не започне да се движи рамо до рамо с лъча. За хипотетичния наблюдател на Земята ще изглежда, че астронавтът и лъчът се движат редом един до друг. Астронавтът обаче ще каже нещо напълно различно — че светлината го е изпреварила, сякаш корабът му се е намирал в покой.

Въпросът, с който се сблъскал Айнщайн, бил как е възможно двама наблюдатели да имат толкова различни интерпретации на едно и също събитие? Според теорията на Нютон единият винаги може да достигне светлинния лъч, в света на Айнщайн — това било невъзможно. Той внезапно разбрал, че в самите основи на физиката съществува сериозна пукнатина. Айнщайн си спомня как през пролетта на 1905 г. „в главата му се разразила буря“. В един миг на просветление той най-сетне намерил решението — времето се движи с различна скорост в зависимост от скоростта, с която вие се движите. Всъщност колкото по-бързо се движи наблюдателят, толкова по-бавно се изнизват секундите. Времето не е абсолютно, както си е мислил Нютон. Според него времето тече еднакво в цялата вселена и една секунда на Земята се равнява на една секунда на Марс или Юпитер. Часовниците тиктакат в абсолютен синхрон във всяко кътче на вселената. За Айнщайн обаче часовниците на различни места отмерват различно време.

Айнщайн си дал сметка, че ако времето може да се променя в зависимост от скоростта, тогава ще се променят и други характеристики като дължина, материя и енергия. Той открил, че с увеличаването на скоростта разстоянията се свиват (понякога това се нарича свиване на Лоренц-Фицджералд^[11]). Също така, колкото по-бързо се движите, толкова повече се увеличава масата ви. (Всъщност, ако доближите скоростта на светлината, времето ще се забави и почти ще спре, разстоянията ще се свият до нула, а масата ви ще бъде безкрайна, което е абсурдно. Именно това е причината, поради която не можем да преодолеем скоростта на светлината — най-високата скорост във вселената.)

Както Нютон обединил земната физика с физиката на небесните тела, така Айнщайн обединил пространството и времето. Но той също така показал, че материята и енергията са също едно цяло и следователно могат да преминават една в друга. Щом едно тяло става по-тежко с нарастването на скоростта, това означава, че енергията на движението се трансформира в материя. Айнщайн изчислил какво количество енергия ще се превърне в материя и така извел прочутата си формула E = mc², което означава, че и най-малкото количество материя m се умножава по огромно число (скоростта на светлината, повдигната на квадрат), когато се превръща в енергия E. Така тайнственият източник на енергия на самите звезди се оказал превръщането на материята в енергия според уравнението, което буквално осветява вселената. Тайната на звездите можела да се изведе от простото твърдение, че скоростта на светлината е една и съща във всички инерционни системи.

Подобно на предшественика си Нютон, Айнщайн промени нашата гледна точка за сцената на живота. В Нютоновия свят всички актьори знаят точно колко е часът и как се измерват разстоянията. Скоростта на времето и размерите на сцената не се променяли никога. Теорията за относителността обаче ни дава много странна картина на пространството и времето. Във вселената на Айнщайн всички актьори имат часовници, които показват различно време. Това означава, че синхронизирането на всички часовници на сцената е невъзможно. Уговорката за репетиция на обяд означава различно нещо за всеки актьор. Странни неща стават и когато актьорите се носят по сцената. Колкото по-бързо се движат те, толкова по-бавно ще работят часовниците им и толкова по-тежки и сплескани ще стават телата им.

Трябвало да изминат години, преди прозрението на Айнщайн да бъде прието от научната общност. Но самият Айнщайн не стоял със скръстени ръце — той възнамерявал да приложи теорията си към самата гравитация. Разбирал колко трудна е задачата, която сам си бил поставил — да хвърли ръкавица на най-успешната теория по онова време. Авторът на квантовата теория Макс Планк го предупредил: „Като по-възрастен приятел трябва да ти кажа, че ако не успееш още от първия път, няма да ти повярват. Същото ще бъде дори и да успееш.“^[12]

Айнщайн разбирал, че теорията му противоречи на Нютоновата теория за гравитацията. Според нея гравитацията прекосявала моментално цялата вселена. Това обаче повдигало въпрос, който понякога задават дори децата — какво ще стане, ако Слънцето изчезне? Според Нютон цялата вселена моментално и по едно и също време ще бъде свидетел на изчезването му. Според специалната теория на относителността обаче това е невъзможно, тъй като изчезването на звездата се ограничава от скоростта на светлината. Според тази теория картината на изчезването на Слънцето ще се разпространи като сферична ударна гравитационна вълна, разширяваща се със скоростта на светлината. За наблюдателите извън вълната Слънцето ще продължава да свети, тъй като гравитацията все още не е достигнала до тях. Намиращите се във вътрешността на сферата обаче ще твърдят, че Слънцето е изчезнало. За да разреши проблема, Айнщайн предложил напълно различна картина на пространството и времето.

Силата като изкривяване на пространството

Нютон възприемал пространството и времето като огромна празна арена, на която се случват събитията според откритите от него закони на движението. Сцената била изпълнена с чудеса и загадки, но по същество била инертна и неподвижна, същински пасивен свидетел на танца на природата. Докато за Айнщайн самата сцена била неразривна и изключително важна част от живота. В неговата вселена пространството и времето не са статични, за каквито ги смятал Нютон, а динамични, изкривяващи и извиващи се по всевъзможни странни начини. Представете си, че сцената на живота е заместена от пружина, така че актьорите леко да потъват под собствената си тежест. При това положение става ясно, че арената е не по-малко важна от самите актьори.

Представете си топка за боулинг, поставена върху матрак. Сега пуснете едно топче да се движи по огънатата повърхност на матрака. То ще се движи по крива линия около топката за боулинг. Привърженик на Нютоновата теория, наблюдаващ движението от разстояние, ще заключи, че топката за боулинг оказва някаква загадъчна сила върху топчето и би могъл да каже, че топката за боулинг упражнява моментално притегляне, което кара топчето да се задвижи към центъра.

Наблюдаващият движението на топчето отблизо релативист е наясно, че не съществува никаква сила. Просто матракът е огънат и това кара топчето да се движи по крива линия. За този наблюдател няма притегляне, а само тласък, упражнено върху топчето от огънатото легло. Ако заместим топчето със Земята, топката за боулинг — със Слънцето, а матрака — с празното пространство, ще видим, че Земята се движи около Слънцето не заради притеглянето на гравитацията, а защото Слънцето изкривява пространството около нашата планета и това я принуждава да се движи в кръг.

Така Айнщайн стигнал до заключението, че гравитацията прилича по-скоро на тъкан, отколкото на невидима сила, действаща моментално през вселената. Ако тъканта внезапно се разтърси, ще се образуват вълни, които ще се разпространяват по нея с определена скорост. Това решава парадокса за изчезващото слънце. Ако гравитацията е страничен продукт на изкривяването на пространството и времето, то изчезването на Слънцето може да се сравни с внезапно махане на топката за боулинг от леглото. Когато матракът се изправи в първоначалното си положение, по повърхността му с определена скорост започват да се разпространяват вълни. Свеждайки по този начин гравитацията до изкривяване на пространството и времето, Айнщайн успява да примири гравитацията и относителността.

Представете си мравка, опитваща се да върви по намачкан лист хартия. Движенията й ще приличат на походката на пиян моряк, клатушкащ се наляво-надясно, докато се мъчи да преодолее пресечения терен. Естествено мравката би възразила, че не е пияна, а че й въздейства някаква неизвестна сила, която я кара да се олюлява във всички посоки. За нея празното пространство е изпълнено с мистериозни сили, които й пречат да върви по права линия. Ако обаче погледнем мравката отблизо ще видим, че не й въздействат никакви сили. Тя просто бива бутана от нагънатата хартия. Въздействащите върху нея сили са илюзия, причинена от изкривяването на самото пространство. „Тегленето“ е всъщност „тласкане“, създадено от движението през сгъвките. С други думи, гравитацията не тегли. По-точно е да се каже, че пространството тласка.

До 1915 г. Айнщайн най-сетне бил в състояние да завърши своята т.нар. „Обща теория на относителността“, превърнала се в основата, върху която стъпва цялата съвременна космология. В тази коренно различна картина на вселената гравитацията не е независима вездесъща сила, а резултат от изкривяването на пространството и времето. Теорията била толкова силна, че Айнщайн успял да я събере в едно-единствено уравнение с дължина един-два сантиметра. Според тази блестяща нова теория степента на изкривяване на пространството и времето се определя от съдържащото се в него количество материя и енергия. Представете си как хвърляте камък в езеро и се получават серия вълни, разпространяващи се концентрично от мястото на падането. Колкото по-голям е камъкът, толкова по-изкривена ще стане повърхността на езерото. Същото е и с останалите тела — колкото по-голяма е една звезда, толкова по-изкривено ще бъде пространството и времето около нея.

Раждането на космологията

Айнщайн се опитал да използва следната картина, за да опише вселената като цяло. Без да знае, той се сблъскал с парадокса на Бентли, формулиран векове по-рано. През 20-те години на XX в. най-добрите астрономически данни сочели, че вселената е еднородна и статична. Ето защо Айнщайн започнал с предположението, че тя е равномерно запълнена с прах и звезди. При такъв модел вселената може да се уподоби на голям балон или мехур. Ние живеем на повърхността му, а звездите и галактиките, които виждаме около себе си, могат да се сравнят с нарисувани по повърхността на балона точки.

Когато се опитал да реши уравненията си, за своя най-голяма изненада Айнщайн открил, че вселената става динамична. Така той се изправил пред проблема, идентифициран от Бентли повече от двеста години по-рано. Тъй като гравитацията винаги означава привличане, а не отблъскване, всеки краен брой звезди би трябвало да падне към един общ център в огнен катаклизъм. Това обаче противоречи на господстващото в началото на XX в. мнение, според което вселената е статична и еднородна.

Революционерът Айнщайн не можел да си представи, че вселената може да се намира в движение. Подобно на Нютон и безброй други учени, той вярвал в статичната вселена. Ето защо през 1917 г. Айнщайн бил принуден да въведе в теорията си един „изсмукал от пръстите“ фактор — нова сила, наречена „антигравитация“, която отблъсква звездите една от друга. Нарекъл я „космологична константа“ — грозното пате, което приличало на кръпка към теорията. По онова време Айнщайн използвал антигравитацията като точно противодействие на гравитационното привличане, с което се получава статична вселена. С други думи, вселената станала статична с „декрет“ — свиването й под въздействието на гравитацията се възпирало от действащата навън сила на тъмната материя. (В продължение на седем десетилетия, до направените през последните няколко години открития, на антигравитацията се гледаше едва ли не като на изтърсак.)

През 1917 г. холандският физик Вилем де Ситер намерил друго решение на теорията на Айнщайн, според което вселената била безкрайна, но напълно лишена от материя. Вместо нея във вакуума (космологичната константа) имало само енергия. Тази чиста антигравитационна сила била достатъчна, за да предизвика бързо и експоненциално разширяване на вселената. Дори при липсата на материя тъмната енергия била в състояние да създаде разширяваща се вселена.

Сега физиците се оказали пред дилема. Вселената на Айнщайн имала материя, но не и движение. Вселената на Де Ситер имала движение, но била лишена от материя. За Айнщайн космологичната константа била нужна, за да неутрализира притеглянето на гравитацията и да създаде статична вселена. За Де Ситер тя сама по себе си била достатъчна за получаването на разширяваща се вселена.

 

През 1919 г. два екипа потвърдили предположението на Айнщайн, че светлината от далечните звезди се отклонява, когато минава покрай Слънцето. Така изглежда, че в присъствието на Слънцето звездата се е преместила от обичайното си положение. Това се дължи на факта, че Слънцето изкривява пространството и времето около себе си. Следователно гравитацията не „тегли“, а по-скоро пространството „тласка“.

 

Накрая през 1921 г., докато Европа все още се мъчела да се изправи на крака от разрухата и опустошенията на Първата световна война, различни екипи от астрономи били разпратени из целия свят, за да проверят теорията на Айнщайн. Самият той предположил, че причиненото от Слънцето изкривяване на пространството и времето ще бъде достатъчно, за да отклони лъчите от звездите, минаващи близо до него. Звездната светлина би трябвало да се отклони покрай Слънцето по точен и поддаващ се на изчисляване начин — също както стъклото пречупва светлината. Но тъй като яркостта на Слънцето скрива всички звезди през деня, за да проведат експеримента си, учените трябвало да изчакат слънчево затъмнение.

Екипът под ръководството на британския астрофизик Артър Едингтън отплавал за остров Принципе в Гвинейския залив, за да установи отклоняването на звездната светлина покрай Слънцето по време на наближаващото затъмнение. Друг екип начело с Андрю Кромлин се установил в Собрал, Северна Бразилия. Събраните данни показвали, че средното отклонение на звездната светлина е 1,79 арксекунди, което потвърждавало предсказанието на Айнщайн за отклоняване от порядъка на 1,74 арксекунди (в рамките на грешките при експеримента). С други думи, светлината действително се отклонявала в близост до Слънцето. По-късно Едингтън споделил, че доказването на теорията на Айнщайн е най-великият момент в живота му.

На 6 ноември 1921 г., на съвместно заседание на Кралското дружество и Кралското астрономическо дружество в Лондон, Нобеловият лауреат и президент на Кралското дружество Дж. Дж. Томпсън тържествено оповестил, че това е „едно от най-големите постижения в историята на човешката мисъл. Не става дума за откриване на неизвестен остров, а на цял континент от нови научни идеи. Това е най-голямото откритие във връзка с гравитацията от времето, когато Нютон публикувал законите си“^[13].

(Казват, че по-късно някакъв журналист се обърнал към Едингтън с думите: „Твърди се, че само трима души в света разбират теорията на Айнщайн. Вие несъмнено сте един от тях.“ Едингтън премълчал, докато накрая негов колега му казал: „Не се правете на скромен, Едингтън.“ „В никакъв случай — свил рамене той. — Просто се чудех кой ли е третият.“)^[14]

На следващия ден лондонският „Таймс“ излязъл с бомбастичното заглавие „Революция в науката — Нова теория за вселената — Идеите на Нютон отхвърлени“. Това отбелязало момента, когато Айнщайн се превърнал в световна знаменитост и вестител от звездите.

Това разгласяване било толкова гръмко и отричането на Айнщайн от принципите на Нютон било тъй радикално, че предизвикало ответна реакция — редица видни физици и астрономи се обявили против теорията му. Начело на критиците застанал професорът по механика на небесните тела Чарлс Лейн Пур от Колумбийския университет, който отбелязал: „Имам чувството, че се скитам с Алиса из Страната на чудесата и пия чай с Лудия шапкар.“^[15]

Причината, поради която теорията на относителността влиза в противоречие със здравия разум, не е в това, че теорията е погрешна, а защото здравият ни разум не представлява реалността. Ние сме аномалията на вселената. Обитаваме едно необичайно място, в което температурите, плътността и скоростите са твърде умерени. В „реалната вселена“ обаче температурите могат да бъдат изпепеляващо високи в ядрата на звездите или смразяващо ниски в дълбокия космос, а субатомните частици профучават в пространството със скорости, близки до тази на светлината. С други думи нашият здрав разум се е развил в една крайно необичайна и странна част от вселената — Земята. Няма нищо чудно, че представите ни не отразяват същността на вселената. Проблемът не е в теорията на относителността, а в убеждението, че здравият ни разум представлява реалността.

Бъдещето на вселената

Макар и теорията на Айнщайн да е успешна при обясняването на астрономически феномени като отклоняването на звездната светлина около Слънцето и леко колебаещата се орбита на Меркурий, космологичните й следствия са доста объркващи. Тези въпроси до голяма степен бяха изяснени от руския физик Александър Фридман, открил най-общите и реалистични решения на уравненията на Айнщайн. Днес те се преподават в часовете по физика във всяко училище. (Фридман ги открил през 1922 г., но умрял през 1925 г. и трудът му останал в почти пълно забвение в продължение на години.)

Теорията на Айнщайн може да се представи като серия изключително сложни уравнения, за чието решаване често е нужен компютър. Фридман обаче приел, че вселената е динамична и въвел две опростяващи предпоставки (наречени космологичен принцип) — че вселената е изотропна (изглежда еднакво, независимо в коя посока гледаме) и хомогенна (еднородна, независимо в коя нейна точка се намираме).

Ако приемем тези опростяващи предпоставки, уравненията се съкращават. (Всъщност решенията на Айнщайн и Де Ситер са частни случаи на по-общото решение на Фридман.) Забележително е, че решението му зависи само от три параметъра:

1. H, означаващо скоростта на разширяване на вселената (Днес тази стойност се нарича константа на Хъбъл в чест на астронома, който измерил разширяването на вселената.);

2. Омега, означаваща средната плътност на материята във вселената, и

3. Ламбда — енергията, свързана с празното пространство, или тъмната енергия.

Мнозина космолози посветили кариерата си на опити да открият точните стойности на трите величини. Неуловимото взаимодействие между трите константи определя бъдещото развитие на цялата вселена. Например, тъй като гравитацията привлича телата, плътността на вселената Омега действа като своеобразна спирачка, която забавя разширяването на вселената и променя някои от ефектите от разширяването след Големия взрив. Представете си, че хвърляте камък във въздуха. Обикновено силата на гравитацията е достатъчно голяма, за да промени посоката на движението му и да го накара да падне обратно на земята. Ако обаче хвърлите камъка достатъчно силно, той ще развие скорост, при която може да се освободи от земната и слънчевата гравитация и да отлети завинаги в дълбокия космос. Подобно на хвърления камък, вселената първоначално се разширява заради Големия взрив, но материята (Омега) действа като спирачка на това разширяване по същия начин, по който земната гравитация се явява спирачка за камъка.

Нека за момент приемем, че свързаната с празното пространство енергия Ламбда е равна на нула. Нека Омега бъде плътността на вселената, разделена на критичната плътност. (Критичната плътност на вселената е около 10 водородни атома на кубичен метър. Вселената е изключително пусто място — представете си, че откривате средно по един водороден атом в обема на три баскетболни топки.)

Ако стойността на Омега е по-малка от единица, според учените във вселената няма достатъчно материя, която да спре първоначалното разширяване от Големия взрив. (Също като хвърлянето на камък — ако масата на Земята не е достатъчно голяма, той в крайна сметка ще се озове в космоса.) В резултат на това вселената ще се разширява непрекъснато и накрая ще замръзне, тъй като температурите ще се доближат до абсолютната нула. (Това е принципът, по който работи хладилникът или климатичната инсталация. Когато газът се разширява, той се охлажда. Така например газът, циркулиращ в тръбите на вашия климатик, се разширява и охлажда тръбата, а заедно с нея — и помещението.)^[16]

Ако Омега е по-голяма от единица, тогава количеството материя във вселената е достатъчно и разширяването ще спре, след което ще започне свиване. (Да се върнем на аналогията с камъка — ако земната маса е достатъчно голяма, камъкът ще достигне до максималната височина, след което ще падне.) Със стремителното скъсяване на разстоянието между звездите и галактиките температурите ще започнат да се повишават. (Всеки, който някога е надувал гумите на колелото си, знае, че сгъстеният газ излъчва топлина. Механичното действие на напомпване на въздух се конвертира в топлинна енергия. По същия начин, свиването на вселената превръща гравитационната енергия в топлинна.) Накрая температурите ще станат толкова високи, че всички форми на живот ще загинат с приближаването на вселената към нейния огнен „Голям срив“. (Астрономът Кен Кросуел нарече процеса „от Сътворението до Кремацията“.)

 

Еволюцията на вселената има три възможности. Ако Омега е по-малка от единица (и Ламбда е нула), вселената ще се разширява вечно и ще замръзне. Ако Омега е по-голяма от единица, вселената отново ще се свие в себе си в един Голям срив. Ако Омега е равна на единица, тогава вселената е плоска и ще се разширява вечно. (Данните от _WMAP показаха, че стойността на Омега плюс Ламбда е единица, което означава, че вселената е плоска. Това твърдение е в съгласие с инфлационната теория.)_

 

Ако Омега е по-малка от единица (и Ламбда е нула), вселената е отворена и кривината й е отрицателна, подобно на седло. Успоредните линии никога не се пресичат, а сборът на ъглите в един триъгълник е по-малък от 180°.

 

Третата възможност е стойността на Омега да е точно единица. С други думи плътността на вселената се равнява на критичната плътност. Тогава вселената ще се намира между двете крайности, но въпреки това ще продължава да се разширява вечно. (Както ще видим, този сценарий се подкрепя от инфлационната теория.)

И накрая има възможност след Големия срив да последва нов Голям взрив и вселената да се появи отново. Това е т.нар. теория за пулсиращата вселена.

Фридман показал, че всеки един от тези сценарии определя изкривяването на пространството и времето. Ако Омега е по-малка от едно и вселената се разширява вечно, то безкрайно ще бъде не само времето, но и пространството. В такъв случай вселената е „отворена“, т.е. безкрайна и по отношение на пространството, и по отношение на времето. Когато изчислил кривината на такава вселена, Фридман открил, че тя е отрицателна. (Също като повърхността на седло или тромпет. Ако върху подобна повърхност живее буболечка, за нея успоредните линии никога няма да се пресичат и сборът на ъглите в един триъгълник ще е по-малък от 180°.)

Ако Омега е по-голяма от единица, тогава вселената в крайна сметка ще се свие в себе си. Времето и пространството са крайни. Според Фридман кривината на такава вселена е положителна (подобно на сфера). И накрая, ако Омега е равна на единица, пространството ще е плоско и между него и времето няма да има връзка.

 

Ако Омега е по-голяма от единица, вселената е затворена и кривината й е положителна като на сфера. Успоредните линии винаги ще се пресичат, а сборът на ъглите в триъгълника ще е по-голям от 180°.

 

Фридман не само предлага първия разбираем подход към космологичните уравнения на Айнщайн, но и ни дава най-реалистичното предположение за Страшния съд и съдбата на вселената — дали тя ще загине, скована в студ, ще се изпари в Големия срив или ще пулсира вечно. Отговорът зависи от критичните параметри — плътността на вселената и енергията на вакуума.

Но в картината на Фридман има голям пропуск. Ако вселената се разширява, това означава, че някога е имало начало. Теорията на Айнщайн не казва нищо за подобно начало. Липсващият досега елемент бил моментът на сътворението — Големият взрив. Но трима други учени ще ни дадат най-убедителната картина на раждането на вселената.