Стівен Вільям Хокінг - Коротка історія часу

геодезичних у часопросторі. Те, що простір викривлений, знов-таки означає, що світло більше не шириться в ньому прямолінійно. Загальна теорія відносності передбачає, що світлові промені згинатимуться в гравітаційних полях. Наприклад, світлові конуси точок поблизу Сонця будуть трохи загнуті досередини під дією маси Сонця. Це означає, що світло від далекої зорі, яке проходить поблизу Сонця, відхилятиметься на невеличкий кут, і спостерігач на Землі бачитиме цю зорю в іншому місці (рис. 2.8). Певна річ, якби світло від зорі завжди проходило біля Сонця, ми не змогли б сказати, чи то відхиляється світло, чи то зірка і справді там, де ми її бачимо. Але через те, що Земля обертається навколо Сонця, різні зорі опиняються за ним, і їхнє світло відхиляється. Отже, вони змінюють своє видиме положення відносно інших зірок. Зазвичай цей ефект дуже важко помітити, бо сонцеве світло не дає бачити зір, що з’являються на небосхилі поблизу Сонця. Однак така можливість з’являється під час сонцевого затемнення, коли Місяць затуляє собою сонцеве світло. 1915 року, в самісінький розпал Першої світової війни, годі було перевірити Айнштайнове передбачення щодо відхилення світла. І тільки 1919 року в Західній Африці британська експедиція, спостерігаючи затемнення, підтвердила, що світло справді відхиляється від Сонця, як і передбачала теорія. Те, що британські науковці довели правильність німецької теорії, було сприйняте як великий повоєнний акт примирення між двома країнами. Але, хоч це й видається іронічним, подальша експертиза фотографій, зроблених під час цієї експедиції, виявила помилки такого ж рівня, як і сам ефект, що його намагалися виміряти. Вимірювання, що їх зробили англійці, були або щасливим збігом обставин, або (і таке часто трапляється в науці) випадком, коли дістають те, що хочуть дістати. Щоправда, відхилення світла точно підтвердила згодом низка інших спостережень.

Рис. 2.8.

Ще одне передбачення загальної теорії відносності полягає в тому, що поблизу такого масивного тіла, як Земля, час спливає повільніше. Це можна пояснити зв’язком між енергією світла і його частотою (тобто числом хвиль світла за секунду): що більша енергія, то вища частота. Світло, поширюючись угору в гравітаційному полі Землі, втрачає енергію, і тому його частота зменшується. (Це означає, що проміжок часу між двома сусідніми гребенями хвилі збільшується.)[10] Спостерігачеві, який перебуває на висоті, здаватиметься, що внизу все відбувається повільніше. Це передбачення перевірили 1962 року за допомогою двох дуже точних годинників, установлених на верхній і нижній частині водогінної вежі. Виявилося, що годинник, ближчий до поверхні Землі, іде повільніше, а це цілком узгоджується з загальною теорією відносності. З огляду на появу надточних систем навігації, що діють на основі сигналів від супутників, різниця в ході годинників на різних висотах має тепер велике практичне значення. Якщо знехтувати передбачення загальної теорії відносності, то хиба в розрахунках положення може становити кілька миль!

Ньютонові закони руху поклали край ідеї абсолютного положення в просторі. Теорія відносності звільнила нас від абсолютного часу. Розгляньмо пару близнюків. Припустімо, що один з них пішов жити на верховину гори, а другий лишився на рівні моря. Тоді перший близнюк старішатиме швидше, тож якби вони знову зустрілися, він був би старший за іншого. Щоправда, різниця у віці буде дуже мала, проте вона була б набагато більша, якби один з близнюків пустився в довгу подорож на космічному кораблі зі швидкістю, близькою до світлової. Коли б він повернувся, то був би набагато молодший від того, що лишився на Землі. Це так званий парадокс близнюків, однак парадокс для того, хто підсвідомо сприймає ідею абсолютного часу. В теорії відносності немає ніякого унікального абсолютного часу. Замість цього кожна людина має свої особисті міри часу, які залежать від того, де вона перебуває і як рухається.

До 1915 року вважали, що час і простір — це незмінна арена, на яку все, що відбувається там, аж ніяк не впливає. Так було і в спеціяльній теорії відносності. Тіла рухалися, сили притягали й відштовхували, а час і простір просто тривають і не зазнають впливу. Було природно думати, що простір і час вічні.

Однак у загальній теорії відносності ситуація зовсім інша. Час і простір тепер динамічні величини: рух тіла чи дія сили змінює кривину часу й простору, а структура часопростору і собі впливає на те, як рухаються тіла і діють сили. Час і простір не тільки впливають, а й самі зазнають впливу від усього, що відбувається у Всесвіті. Як без уявлень про час і простір годі вести мову про події у Всесвіті, так і в загальній теорії відносності безглуздо говорити про час і простір за межами Всесвіту.

У подальші десятиріччя таке нове розуміння часу й простору мало перевернути наші уявлення про Всесвіт. Давню ідею про майже незмінний Всесвіт, що, можливо, існував завжди й існуватиме вічно, заступили уявлення про динамічний, розширний Всесвіт, що, найпевніше, виник у скінченний час у минулому й дійде краю в скінченний час у майбутньому. Цим революційним поглядам присвячено дальший розділ. Вони стали вихідним пунктом моєї роботи в галузі теоретичної фізики. Ми з Роджером Пенроузом показали, що, згідно із загальною теорією відносності Айнштайна, Всесвіт повинен мати початок і, можливо, кінець.

Розділ 3   РОЗШИРНИЙ ВСЕСВІТ

Якщо в ясну, безмісячну ніч поглянути на небо, то найяскравішими об’єктами, певно, будуть планети Венера, Юпітер, Марс та Сатурн. Також буде видно велику кількість зір, подібних до нашого Сонця, але набагато віддаленіших. Насправді деякі з цих зафіксованих зір, як виявляється, через рух Землі навколо Сонця трохи змінюють своє положення відносно одна одної, тож фактично вони зовсім не зафіксовані! Це тому, що вони відносно близько до нас. Земля обертається навколо Сонця, і ми бачимо їх з різних положень на тлі віддаленіших зір. Тому ми в змозі безпосередньо виміряти відстані до цих зір; і що вони ближчі, то більше видається, що вони рухаються. Найближча від Землі зоря, Проксима Кентавра, розташована на відстані близько чотирьох світлових років (її світлу знадобиться приблизно 4 роки, щоб досягти Землі), або близько 23 мільйонів мільйонів миль. Більшість інших зір, яких видно простим оком, перебувають у межах кількох сотень світлових років від нас. Наше Сонце, наприклад, на відстані лише 8 світлових хвилин! Видимі зірки розкидані по всьому нічному небу, але особливо зосереджені в одній смузі, яку ми називаємо Чумацьким Шляхом. Далекого 1750 року деякі астрономи припускали, що виникнення Чумацького Шляху можна пояснити тим, що більшість видимих зір