Что такое пространство?

Пространство – это физическая сущность

Как многие глубокие вопросы, вопрос о природе пространства сначала кажется простым. Но если вы бросите вызов своей интуиции и вновь обдумаете вопрос, вы увидите, что ясный ответ на него найти тяжело.

Большинство людей представляют себе пространство, как пустоту, в которой всё происходит – как большой пустой склад, или театральную сцену, на которой разворачиваются события Вселенной. В этом смысле, пространство – отсутствие вещей. Это пустота, ждущая заполнения, как, например, «Я оставил место под десерт» или «Я нашёл отличное место для парковки».

Экспонат А: пространство

Если следовать этому представлению, тогда пространство может существовать само по себе, без заполняющей его материи. К примеру, если представить, что во Вселенной существует конечное количество материи, вы можете представить, что вы полетели так далеко, что достигли точки, за которой вообще нет материи, и вся материя осталась позади. Перед вами раскинулся бы чистый и пустой космос, а за ним пространство может простираться до бесконечности. С этой точки зрения, пространство – это бесконечная пустота.

— Космос, должно быть, очень одинок

Может ли существовать такая штука?

Такое представление о пространстве кажется разумным и вроде бы соответствует нашему опыту. Но один из уроков истории состоит в том, что каждый раз, когда мы считаем что-либо очевидно верным (Земля плоская, поедание большого количества печенек, продаваемых девочками-скаутами, полезно), мы должны настроиться на скептический лад и заново изучить это понятие. Более того, мы должны рассмотреть и абсолютно другие объяснения того же самого опыта. Может быть, мы не подумали о каких-то теориях. Может быть, существуют связанные с этой теории, где наш опыт по поводу вселенной – всего лишь один из странных примеров. Иногда самым тяжёлым оказывается определение наших допущений, особенно когда они кажутся естественными и простыми.

В нашем случае есть и другие разумно выглядящие идеи того, чем может быть пространство. Что, если пространство не может существовать без материи – что, если это не что иное, как взаимоотношение между частями материи? С этой точки зрения чистого пустого пространства не бывает, поскольку идея о пространстве, простирающемся за пределы последней частички материи, не имеет смысла. К примеру, нельзя измерить расстояние между двумя частицами, если у вас нет частиц. Концепция пространства закончится, когда не будет определяющих его частиц. А что появится после этого? Не пустое пространство.

Экспонат Б: пространство

Это странное и контринтуитивное представление о пространстве, особенно учитывая то, что мы никогда не встречались с концепцией не-пространства. Но странность никогда не была препятствием для физики, так что не отвергайте эту возможность.

Какое пространство у нас?

Какое из упомянутых представлений о пространстве правильное? Похоже ли пространство на бесконечную пустоту, ждущую, пока её заполнят? Или оно существует только в контексте материи?

Оказывается, что наука вполне уверена в том, что пространство не описывается ни одной из них. Пространство – явно не пустота, и явно не простое взаимоотношение частиц материи. Мы знаем это, поскольку наблюдали поведение пространства, не укладывающееся ни в одну из этих идей. Мы наблюдали, как пространство искривляется, идёт рябью и расширяется.

В этот момент ваш мозг должен сказать: «Чтаааааааа?..»

Если вы не отвлекались от чтения, вас должны были удивить такие фразы, как «искривление пространства» и «расширение пространства». Что они могут означать? Какой в них смысл? Если пространство – это идея, она не может искривляться или расширяться, как нельзя его порубить на кубики и пожарить с кориандром (кроме как в Калифорнии, где с кориандром можно сделать всё, что угодно). Если пространство – это наша линейка, измеряющая местоположение вещей, как мы можем измерить искривление или расширение пространства?

Отличные вопросы! Причина, по которой идея искривления пространства сбивает с толку, в том, что большинство из нас растёт с представлением о пространстве, как о невидимом заднике, на фоне которого всё происходит. Возможно, вы представляете пространство, как театральную сцену, упомянутую ранее, с жёсткими деревянными планками в качестве пола и с жёсткими стенами по сторонам. И, возможно, вы представляете, что ничто во Вселенной не способно изгибать эту сцену, поскольку эта абстрактная конструкция не является частью Вселенной, а является тем, что содержит Вселенную.

— По-моему, прямая

К сожалению, тут ваше представление ошибается. Чтобы понять смысл общей теории относительности и размышлять о современных теориях пространства, вам необходимо расстаться с идеей пространства как абстрактной сцены и принять её физическую сущность. Вам нужно представить, что у пространства есть свойства и поведение, и что оно реагирует на материю Вселенной. Его можно ущипнуть, сжать, и даже заполнить кориандром.

К этому времени ваш мозг уже должен подавать сигналы тревоги, связанные с бессмысленностью происходящего: «Что за #@#$?!?!» Это понятно. Но держитесь, поскольку реальное сумасшествие ещё впереди. К концу повествования ваши сигналы тревоги выдохнутся. Но нам нужно аккуратно раскрыть эти концепции, чтобы понять идеи и оценить по-настоящему странные и основные загадки пространства, остающиеся неразгаданными.

Космическое желе – и вы в нём плаваете

Как пространство может быть физическим объектом, способным идти рябью или изгибаться, и что это означает?

Это означает, что вместо того, чтобы представлять собой нечто вроде пустой комнаты, пространство больше похоже на огромный кусок густого желе. Обычно предметы могут двигаться в желе без проблем, как мы можем двигаться в комнате, заполненной воздухом, не замечая частиц воздуха. Но в определённых условиях это желе может искривляться, изменяя процесс прохождения предметов через него. Оно также может сжиматься и идти волнами, изменяя форму вещей, находящихся внутри него.

Экспонат В: пространство

Это желе (назовём его «пространственное желе») не будет идеальной аналогией природе пространства (желе существует в пространстве, но мы не знаем, существует ли пространство внутри чего-либо ещё), но она поможет вам представить, что пространство, в котором вы находитесь сейчас, не обязательно фиксированное и абстрактное. Вы находитесь в определённой среде, и эта среда может растягиваться или дрожать или искажаться так, что вы можете этого и не ощущать.

Возможно, сквозь вас только что прошла волна пространства. Или же вас сейчас растягивает в странном направлении, а вы и не знаете. До недавнего времени мы даже не замечали, что желе вообще как-то ведёт себя, кроме того, что просто находится на своём месте и никуда не девается, почему мы и путали его с пустотой.

Так что же может делать это пространственное желе? Оказывается, много чего странного.

Во-первых, пространство может расширяться. Давайте хорошенько подумаем о том, что означает расширение пространства. Оно означает, что предметы отдаляются друг от друга, не двигаясь при этом относительно желе. В нашей аналогии представьте, что вы находитесь в желе, и внезапно желе начинает расти и расширяться. Если вы сидите напротив другого человека, этот человек теперь находится дальше от вас, при том, что вы оба не двигались относительно желе.

— Мне кажется, мы отдаляемся друг от друга

Откуда мы знаем, что желе расширилось? Не расширится ли и линейка, которой мы измеряем желе? Пространство между атомами линейки расширилось бы и растянуло их в стороны. Если бы линейка была сделана из очень мягкой ириски, она бы расширилась. Но если ваша линейка твёрдая, все её атомы крепко держатся друг за дружку (при помощи электромагнитных сил), и линейка остаётся той же длины, благодаря чему вы замечаете появление дополнительного пространства.

А о расширении пространства мы знаем, потому что видим его расширение – так была открыта тёмная энергия. Мы знаем, что в ранней Вселенной пространство расширялось с шокирующими скоростями, и что подобное расширение происходит и сегодня.

Также мы знаем, что пространство может изгибаться. Наше желе можно сжимать и деформировать, будто ириску. Мы знаем это из общей теории относительности Эйнштейна, где описано, что гравитация суть искривление пространства. Когда у предмета есть масса, она заставляет окружающее пространство искажаться и менять форму.

Когда пространство меняет форму, предметы уже не движутся сквозь него так, как вы могли бы представить. Вместо того, чтобы двигаться по прямой, бейсбольный мяч, проходящий через кучу искривлённого желе, искривится вместе с ним. Если желе сильно искривлено чем-то тяжёлым, типа мяча для боулинга, бейсбольный мяч может даже начать двигаться вокруг него – так, как Луна двигается вокруг Земли, или Земля вокруг Солнца.

Это мы можем наблюдать невооружённым глазом! К примеру, свет искажает свой путь, проходя рядом с массивными объектами, например, нашим Солнцем или гигантскими комками тёмной материи. Если бы гравитация была просто силой, действующей между объектами с массой, она не смогла бы притягивать фотоны, не обладающие массой. Единственное, как можно объяснить искривление пути света – это искривление самого пространства.

Хитрый бросок по-эйнштейновски

Наконец, мы знаем, что пространство может идти волнами. Это не так уж и странно, учитывая, что мы знаем, что пространство может растягиваться и искривляться. Интересно то, что искривление и растяжение может распространяться по желе – и это называется гравитационной волной. Если вы совершите внезапное искривление пространства, оно распространится наружу как звуковая волна или как волна в жидкости. Такое поведение может происходить только, если у пространства есть определённая физическая природа, и оно не является простой абстрактной концепцией чистой пустоты.

Мы знаем, что эти волны реальны потому, что ОТО их предсказывает, и что мы их на самом деле зарегистрировали. Где-то во Вселенной две чёрных дыры бешено вращались в объятиях друг друга, и тем самым причиняли огромные возмущения пространства, распространяющиеся наружу. Используя очень чувствительное оборудование, мы обнаружили эти волны здесь, на Земле.

Эти волны можно представлять, как волны растягивающегося и сжимающегося пространства. При прохождении такой волны пространство сжимается в одном направлении и расширяется в другом.

Странное поведение, на которое способно пространство: расширяться, искривляться, волноваться, ходить колесом

Ну неу-желе это так и есть? Вы уверены?

Как ни безумно звучит идея о том, что пространство – это предмет, а не просто пустота, именно об этом и сообщает нам Вселенная через наше восприятие. Наши экспериментальные наблюдения чётко показывают, что расстояние между объектами в пространстве измеряется не на невидимом абстрактном заднике, а зависит от свойств пространственного желе, в котором все мы живём, едим печенье и режем кинзу.

Но если представление о пространстве, как о динамическом предмете с физическими свойствами, и может объяснить такие явления, как расширение и искривление пространство, оно в результате приводит нас к новым вопросам.

К примеру, у вас может появиться искушение сказать, что то, что мы называли пространством, теперь нужно называть физическим желе («физле»), но ведь это желе должно находиться в чём-то, что теперь мы снова можем назвать пространством. Это было бы очень хитро, но, насколько нам известно (а известно нам немного), желе не обязательно находиться в чём-то ещё. Когда желе искривляется и искажается, то это искажение меняет взаимодействие его частей – это не искажение желе по отношению к какой-то большей комнате, которую она заполняет.

Но только то, что нашему пространственному желе не обязательно находиться внутри чего-то ещё, не значит, что оно не находится внутри чего-то ещё. Возможно, то, что мы называем пространством, находится внутри большего «сверхпространства». Возможно, что это сверхпространство похоже на бесконечную пустоту – но нам это неизвестно.

Возможно ли, чтобы в каких-то частях Вселенной не было пространства? Иначе говоря, если пространство – желе, возможно ли, чтобы существовало и отсутствие желе, не-желе? Смысл этих концепций не совсем понятен, поскольку все наши физические законы подразумевают существование пространства – так какие законы могли бы работать вне пространства? Мы не знаем.

— Так что там снаружи желе?
— К со-желе-нию, неизвестно.

Новое представление о пространстве как о предмете появилось недавно, и мы находимся в самом начале понимания того, что есть пространство. В каком-то смысле мы пока связаны нашими интуитивными понятиями. Эти понятия хорошо работали, когда ранние мужчины и женщины охотились и собирали доисторическую кинзу, но нам нужно вырваться из оков этих концепций и понять, что пространство совсем не похоже на то, как мы себе его представляли.

Напрямую об изогнутом пространстве

Если ваш мозг пока ещё не болит от всех этих желейных концепций искажения пространства, вот вам ещё одна загадка: пространство плоское или изогнутое (и если изогнутое, то в какую сторону?)

Вопросы безумные, но их вполне можно задать, приняв идею о податливом пространстве. Если пространство может изгибаться вокруг объектов с массой, может ли у него быть общая кривизна? Это как спросить, плоское ли наше желе: вы знаете, что его можно деформировать, нажав на какую-нибудь точку, но проседает ли оно в целом? Или же оно идеально прямое? О космосе можно задать такие же вопросы.

Ответы на эти вопросы очень серьёзно повлияют на наше представление о Вселенной. К примеру, если пространство плоское, это значит, что путешествуя в одну сторону, вы просто будете продолжать двигаться, возможно, бесконечно.

Но если пространство искривлено, тогда могут происходить другие интересные вещи. Если кривизна пространства положительная, тогда, путешествуя в одном направлении, вы сделаете петлю и вернётесь на то же самое место с другой стороны! Это полезная информация если вы, например, не любите, когда к вам подкрадываются сзади.

Самый долгий розыгрыш во Вселенной

Объяснять идею искривлённого пространства довольно сложно, поскольку наш мозг не очень хорошо приспособлен для визуализации подобных концепций. Да и зачем бы ему это понадобилось? Большая часть нашего повседневного опыта (избегание хищников или поиск ключей от машины) имеет дело с трёхмерным миров, выглядящим неподвижным (хотя, если бы нас атаковали инопланетяне, способные менять кривизну пространства, надеюсь, что и мы бы с этим справились).

Что означало бы для пространства наличие кривизны? Один из способов визуализации – претвориться, что мы живём в двумерном мире, пойманные на листочке бумаги. Это значит, что мы можем двигаться только в двух направлениях. Если этот листочек, на котором мы живём, лежит ровно, мы можем сказать, что наше пространство плоское.

Но если по какой-то причине он изогнут, мы говорим, что пространство изогнуто.

И бумага может быть изогнутой двумя способами. Она может быть выгнутой в одном направлении (положительная кривизна), или в разных, как седло или чипсы Принглз (это будет отрицательная кривизна, или нарушение диеты).

И вот, что здорово: если мы обнаружим, что пространство везде плоское, это будет означать, что лист бумаги (пространство) может продолжаться вечно. Но если мы обнаружим, что у пространства кривизна положительная, то существует только одна форма, у которой повсюду сохраняется положительная кривизна: сфера. Или, технически говоря, сфероид (к примеру, картошка). Это один способ, которым наша Вселенная может замыкаться на себя. Мы все можем жить в трёхмерном эквиваленте картошки, что означает, что вне зависимости от выбранного направления движения, в итоге вы вернётесь обратно.

В этом случае оказывается, что ответ на подобный вопрос у нас есть – пространство, судя по всему, «достаточно плоское», то есть, плоское с погрешностью в 0,4%. Учёные через два очень разных метода подсчитали, что кривизна пространства (по крайней мере, того, что мы видим), практически нулевая.

Какие это способы? Один из них – измерение треугольников. У кривизны есть интересное свойство – треугольники в искривлённом пространстве не подчиняются тем же правилам, что треугольники в плоском пространстве. Вернёмся к нашей аналогии с листом бумаги. Треугольник, нарисованный на плоском листе, будет отличаться от треугольника, нарисованного на искривлённой поверхности.

Учёные провели эксперимент, эквивалентный измерению треугольников в трёхмерном пространстве, изучив запечатлённое на изображении ранней Вселенной пространственное взаимоотношение разных её точек. Они обнаружили, что измеренные ими треугольники соответствуют плоскому пространству.

Другой способ, говорящий нам о том, что пространство плоское, заключается в изучении того, что и приводит к искривлению пространства: энергии во Вселенной. Согласно ОТО, во Вселенной есть определённое количество энергии (точнее, плотности энергии), заставляющее пространство искривляться в одном из направлений. Оказывается, что величина плотности энергии, которую мы можем измерить в нашей Вселенной, как раз соответствует тому, что пространство вообще не искривляется (с погрешностью в 0,4%).