Приключения Мистера Томпкинса

— Кажется, я начинаю понимать, — задумчиво произнес мистер Томпкинс. — Вы хотите сказать, что седловидная поверхность бесконечная, хотя и искривленная.

— Вот именно! — одобрительно кивнул профессор. — Седловидная поверхность простирается во все стороны до бесконечности и нигде не замыкается. Разумеется, в моем примере с седловидным перевалом поверхность перестает быть поверхностью отрицательной кривизны, как только вы спускаетесь с гор, и переходит в искривленную поверхность земного шара с положительной кривизной. Но, разумеется, ничто не мешает вам вообразить поверхность, сохраняющую повсюду отрицательную кривизну.

— Но какое отношение имеет все это к искривленному трехмерному пространству?

— Самое непосредственное. Представьте себе, что какие-то ваши объекты равномерно распределены по всему пространству. Под равномерным я понимаю такое распределение, при котором расстояние между любыми соседними объектами всегда одно и то же. Предположим, что вы подсчитываете число объектов, расположенных не далее того или иного расстояния от вас. Если это число растет как квадрат расстояния, то пространство плоское. Если же число объектов растет медленнее или быстрее, то пространство обладает соответственно положительной или отрицательной кривизной.

— Значит, в случае пространства положительной кривизны объем, заключенный в пределах данного расстояния, меньше, а в случае пространства отрицательной кривизны — больше, чем в случае плоского пространства? — с удивлением спросил мистер Томпкинс.

— Вот именно! — улыбнулся профессор. — Я вижу, что теперь вы поняли меня правильно. Чтобы определить знак кривизны той огромной Вселенной, в которой мы живем, необходимо лишь производить такие подсчеты удаленных объектов. Большие туманности, о которых вы, возможно, слышали, рассеяны равномерно в космическом пространстве, и их можно наблюдать вплоть до расстояний в несколько миллионов световых лет. Для исследования кривизны Вселенной это очень удобные объекты.

— И получается, что наша Вселенная конечна и замкнута?

— Видите ли, — ответил профессор, — в действительности эта проблема все еще не решена. В своих работах по космологии Эйнштейн утверждал, что наша Вселенная имеет конечные размеры, замкнута и не изменяется во времени. Однако в более поздней работе русского математика Ал. Фридмана было показано, что фундаментальные уравнения Эйнштейна допускают такую возможность, как расширение или сжатие Вселенной на более позднем этапе развития. Это математическое заключение было подтверждено американским астрономом Э. Хабблом, который, используя стодюймовый телескоп обсерватории Маунт Вилсон, обнаружил, что галактики разлетаются, т.е. наша Вселенная расширяется. Существует, однако, все еще нерешенная проблема относительно того, будет ли это расширение продолжаться неограниченно или радиус Вселенной достигнет своего максимального значения, после чего в отдаленном будущем расширение сменится сжатием. Ответ на этот вопрос могут дать только более подробные астрономические наблюдения.

Пока профессор говорил, вокруг стали происходить весьма необычные изменения: один конец коридора сжался и стал крохотным, сдавив всю стоявшую там мебель, зато другой конец расширился и продолжал увеличиваться в размерах, хотя уже сейчас, как показалось мистеру Томпкинсу, он мог вместить всю Вселенную. Ужасная мысль пронеслась в голове мистера Томпкинса: что если кусочек пространства с пляжем, где мисс Мод рисовала свои этюды, оторвался от основной части Вселенной? — Тогда, — подумал мистер Томпкинс, — я никогда не увижу ее снова!

Мистер Томпкинс бросился к выходу. Последнее, что он услышал, был голос профессора, кричавшего ему вслед:

— Осторожнее! Квантовая постоянная также сходит с ума!

Когда мистер Томпкинс достиг пляжа, ему показалось, что он переполнен. Тысячи девушек носились по всем направлениям, создавая дикую неразбериху.

— Как же я смогу найти мою Мод в этой толпе? — растерянно подумал мистер Томпкинс. Но приглядевшись, он заметил, что все девушки выглядели точно так же, как дочь профессора, и понял, что это необычайное сходство было игрой принципа неопределенности. В следующий момент волна аномально большой квантовой постоянной прошла, и перед мистером Томпкинсом на пляже оказалась мисс Мод с испуганным выражением в глазах.

— Ах, это вы! — вздохнула она с облегчением. — А мне показалось, что огромная толпа затопчет меня. Должно быть, я перегрелась на солнце и это мне померещилось. Подождите, пожалуйста, меня здесь, я только на минутку сбегаю в отель за шляпой.

— Нет-нет, мы не должны расставаться, — запротестовал мистер Томпкинс.

— Мне кажется, что скорость света также меняется. Вернувшись со шляпой, вы можете застать меня дряхлым стариком.

— Не говорите чепухи, — возразила девушка, но взяла мистера Томпкинса под руку. А на полпути к отелю новая волна неопределенности накрыла их, и мистер Томпкинс и его спутница оказались размазанными по всему берегу. Одновременно с окрестных холмов начала распространяться складка пространства, причудливо искажая очертания прибрежных скал и рыбацких домиков. Лучи Солнца, отраженные от интенсивного гравитационного поля, полностью исчезли за горизонтом, и мистер Томпкинс погрузился в кромешную тьму.

Прошла целая вечность, прежде чем столь милый его сердцу голос не привел его в чувство.

— О, я вижу мой папочка совсем усыпил вас своими разговорами о физике,

— прощебетала мисс Мод. — Не хотите ли вы пойти со мной поплавать? Вода сегодня просто великолепная.

Мистер Томпкинс подпрыгнул со своего легкого кресла, как на пружинах.

— Так это был только сон, — подумал он, когда они спускались к пляжу. — Или сон только теперь начинается?

Глава 4

Лекция профессора об искривленном пространстве, гравитации и вселенной

Леди и джентльмены!

Сегодня я намереваюсь рассмотреть проблему искривленного пространства и ее связь с явлениями гравитации. Не сомневаюсь, что каждый из вас без труда может представить себе искривленную линию (кривую) или искривленную поверхность, но при упоминании об искривленном трехмерном пространстве ваши лица вытягиваются и вы склонны думать, что это нечто весьма необычное и почти сверхъестественное. Почему искривленное пространство вызывает всеобщий «ужас»? Действительно ли понятие искривленного пространства труднее для понимания, чем понятие искривленной поверхности? Многие из вас, поразмыслив немного над этими вопросами, вероятно, скажут, что представить искривленное трехмерное пространство труднее по одной-единственной причине: мы не можем взглянуть на пространство «со стороны», как мы смотрим на искривленную поверхность шара, или, если обратиться к другому примеру, на такую особым образом изогнутую поверхность, как седло. Но те, кто так говорят, обрекают себя на незнание строго математического смысла кривизны, существенно отличающегося от общеупотребляемого значения этого слова. Мы, математики, называем поверхность искривленной, если свойства геометрических фигур, начерченных на ней, отличны от свойств фигур на плоскости, и измеряем кривизну отклонением от классических правил Евклида. Если вы начертите треугольник на плоском листе бумаги, то, как известно из элементарной геометрии, сумма его внутренних углов равна двум прямым. Вы можете изогнуть этот лист бумаги, придав ему форму цилиндра, конуса или какой-нибудь более сложной фигуры, но сумма углов начерченного на нем треугольника неизменно будет оставаться равной двум прямым углам.

Геометрия поверхности не меняется при этих деформациях и с точки зрения «внутренней» кривизны получающиеся поверхности (искривленные в обычном смысле) такие же плоские, как обычная плоскость. Но вы не можете наложить лист бумаги, не растягивая его, на поверхность сферы или седла, а если вы начертите треугольник на поверхности сферы (т.е. построите сферический треугольник), то простые теоремы евклидовой геометрии выполняться не будут. Например, треугольник, образованный северными половинами меридианов и заключенной между ними дугой экватора, имеет два прямых угла при основании и произвольный угол при вершине.