Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - читать онлайн книгу. Автор: Митио Каку cтр.№ 27

Обдумав этот тревожный вопрос, Ньютон написал Бентли ответное письмо, в котором утверждал, что Вселенная, чтобы избежать коллапса, должна состоять из бесконечного однородного набора звезд. В таком случае каждая звезда испытывает равное притяжение во всех направлениях, поэтому Вселенная может быть стабильной, даже если гравитация является исключительно силой притяжения. Ньютон писал: «Если бы вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, то оно никогда не смогло бы собраться в единую массу… а именно так могли сформироваться Солнце и неподвижные звезды».

Но если принять такой постулат, возникала другая, еще более глубокая задача, известная как «парадокс Ольберса», или фотометрический парадокс. По существу, это очень простой вопрос: «Почему ночью небо темное?» Если Вселенная в самом деле бесконечна, статична и однородна, то, куда бы мы ни посмотрели, наш взгляд должен был бы видеть в этой точке звезду. Таким образом, в наши глаза со всех направлений должно было бы приходить бесконечное количество звездного света и ночное небо было бы ярким, а не темным. Получается, что, если Вселенная однородна и конечна, она должна схлопнуться, а если бесконечна, то небеса в любое время суток должны гореть огнем!

Через двести с лишним лет после Ньютона Эйнштейн столкнулся с теми же проблемами, но в завуалированной форме. В 1915 г. Вселенная представлялась довольно уютным местом и состояла, как считалось, из одной-единственной статичной галактики под названием Млечный Путь. Эта светлая полоса через все небо содержит миллиарды звезд. Однако Эйнштейн, начав решать свои уравнения, обнаружил кое-что неожиданное и тревожное, когда представил звезды и пылевые облака в виде однородного газа, заполняющего Вселенную. К ужасу своему, он увидел, что такая Вселенная динамична и предпочитает расширяться или сжиматься, но никогда не бывает стабильной. Более того, очень скоро он обнаружил, что тонет в трясине космологических вопросов, столетиями ставивших в тупик философов и физиков, подобных Ньютону. Конечная Вселенная не может оставаться стабильной под действием гравитации.

Столкнувшись, как до него Ньютон, с динамической – сжимающейся или расширяющейся – Вселенной, Эйнштейн пока не был готов отказаться от господствующей картины вечной статичной Вселенной. Эйнштейн-революционер был еще недостаточно революционен, чтобы принять тот факт, что Вселенная расширяется или же имеет начало. Он предложил достаточно слабое решение. В 1917 г. ввел в свои уравнения своеобразный «подгоночный член» – «космологическую константу». Этот коэффициент постулировал существование отталкивающей антигравитации, уравновешивающей силу гравитационного притяжения. Так одним росчерком пера Эйнштейн сделал Вселенную статичной.

Чтобы такой фокус стал возможным, он предположил, что общая ковариантность – ведущий математический принцип, лежащий в основе общей теории относительности, – допускает существование двух возможных общековариантных объектов: кривизны Риччи (которая образует фундамент общей теории относительности) и объема пространства-времени. Именно поэтому в его уравнения можно было добавить второй член, не нарушающий общей ковариантности и пропорциональный объему Вселенной. Иными словами, космологическая константа приписывала энергию пустому пространству. Эта антигравитационная составляющая, известная сегодня как темная энергия, представляет собой энергию чистого вакуума. Она способна расталкивать галактики или стягивать их воедино. Величину космологической константы Эйнштейн подобрал такую, чтобы она в точности компенсировала сжатие, вызванное гравитацией так, чтобы Вселенная в целом стала статичной. Ему это не нравилось, поскольку попахивало математическим надувательством, но выбора, если он хотел сохранить статическую Вселенную, у него не было. (Прошло еще 80 лет, прежде чем астрономы обнаружили наконец свидетельства существования космологической константы; в настоящее время она считается основным источником энергии во Вселенной.)

В последующие годы, когда ученые начали находить другие решения уравнений Эйнштейна, загадка лишь усложнилась. В 1917 г. голландский физик Виллем де Ситтер заметил, что уравнения Эйнштейна обладают одним странным свойством: Вселенная, вообще лишенная всякого вещества, расширяется! Все, что было для этого необходимо, – космологическая константа – энергия вакуума, которая, собственно, и должна была обеспечивать существование такой Вселенной. Это встревожило Эйнштейна – ведь он, как Мах до него, все еще верил, что природа пространства-времени должна определяться вещественным содержанием Вселенной. Но здесь фигурировала Вселенная, которая расширялась вообще без всякого вещества, и для этого ей достаточно было одной только темной энергии.

Последние радикальные шаги в этом направлении сделали советский математик Александр Фридман в 1922 г. и бельгийский священник Жорж Леметр в 1927 г.; они показали, что расширяющаяся Вселенная получается из уравнений Эйнштейна естественным образом. Фридман получил решение уравнений Эйнштейна, начинавшееся с гомогенной изотропной Вселенной, радиус которой то увеличивается, то уменьшается. (К несчастью, Фридман умер в 1925 г. в Ленинграде от тифа, не успев завершить работу.) В картине Фридмана – Леметра в зависимости от начальной плотности Вселенной существуют три возможных решения. Если плотность Вселенной больше определенной критической величины, то ее расширение со временем будет остановлено гравитацией, и Вселенная начнет сжиматься. (Критическая плотность примерно соответствует десяти атомам водорода на кубический метр.) В такой Вселенной общая кривизна положительна (напомним, что положительную кривизну имеет, к примеру, сфера). Если плотность меньше критической величины, то силы гравитации окажется недостаточно, чтобы остановить расширение Вселенной, и она будет расширяться до бесконечности. (В конце концов, Вселенная остынет почти до абсолютного нуля; это явление известно как «большое замерзание».) Кривизна такой Вселенной отрицательна (отрицательную кривизну имеют, к примеру, седловидная поверхность или рожок). Наконец, существует возможность того, что плотность Вселенной окажется в точности равна критической (при этом она тоже будет бесконечно расширяться). В этой Вселенной кривизна равна нулю, то есть она плоская. Получается, что судьбу Вселенной, в принципе, можно определить, просто измерив ее среднюю плотность.

Новые решения сбивали с толку, поскольку теперь в наличии имелось по крайней мере три космологические модели, описывающие развитие Вселенной (Эйнштейна, де Ситтера и Фридмана – Леметра). Вопрос пребывал в подвешенном состоянии до 1929 г., пока его не разрешил астроном Эдвин Хаббл, чем потряс основы астрономии. Он первым начал разрушать теорию Вселенной с одной-единственной Галактикой, продемонстрировав существование других галактик далеко за пределами Млечного Пути [22] . Вселенная, вместо уютного сообщества из сотни миллиардов звезд, собранных в одну Галактику, теперь содержала миллиарды галактик с миллиардами звезд в каждой. Всего за один год «население» Вселенной испытало поистине взрывной рост. Хаббл обнаружил, что потенциально во Вселенной существуют миллиарды иных галактик, из которых ближайшей к нам является галактика в созвездии Андромеды на расстоянии около 2 млн световых лет от Земли. (Надо сказать, что слово «галактика» происходит от греческого слова «молоко»; греки считали, что Млечный Путь – это молоко, пролитое богами на ночное небо.)