Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Теперь Эйнштейн мог переходить к поиску тех решений уравнений своей космологической теории, которые описывали бы мир с определенными им характеристиками.

Однако он очень скоро выяснил нечто, что внушало ему сильное беспокойство: теория не допускает подобных решений. Причина была очень проста: массы, распределенные по Вселенной, отказывались оставаться в покое и отчаянно стремились друг к другу под действием собственного гравитирования.

Из постоянства скорости света вытекает знаменитый парадокс близнецов теории относительности. Время в быстро движущейся системе отсчета замедляет свой ход по сравнению с покоящейся системой. Из этого следует, что космонавт, совершивший полет с околосветовой скоростью, вернувшись на Землю, окажется моложе своего брата-близнеца, все время остававшегося на Земле.

Это обстоятельство сильно озадачивало и сбивало Эйнштейна с толку. Наконец он решил, что уравнения ОТО следует модифицировать так, чтобы они допускали существование статической Вселенной. Не нарушая общей структуры теории, Эйнштейн включил в свои уравнения дополнительный член, но не дал ему никакого особого названия и никак его не интерпретировал. Это добавление (которое по смыслу уравнений ОТО оказывалось неким «гравитационным отталкиванием») просто уравновешивало гравитационное притяжение масс так, чтобы Вселенная в целом оставалась стационарной. Из своих уравнений Эйнштейн вывел, что такой баланс достигается, когда новая постоянная равняется половине плотности энергии вещества во Вселенной.

Поразительным следствием модифицированных уравнений было то, что пространство статической вселенной должно быть искривленным и замыкаться само на себя подобно поверхности сферы. Космический корабль, движущийся прямо вперед в такой замкнутой вселенной, в конце концов, вернулся бы в исходную точку. Это замкнутое пространство называется трехмерной сферой. Ее объем конечен, хотя у нее нет границы.

Эйнштейн описал свою замкнутую модель Вселенной в статье, опубликованной в 1917 году. Он признавал, что у него нет наблюдательных подтверждений ненулевого значения космологической постоянной. Единственной целью ее введения было спасение статической картины мира.

Забегая немного вперед, скажем, что более десяти лет спустя, когда расширение Вселенной было уже открыто, Эйнштейн называл идею введения в уравнения ОТО новой постоянной величайшей ошибкой в свой жизни. Это странное гравитационное отталкивание почти на полвека исчезает с переднего края физических исследований, но возвращение его окажется поистине триумфальным.

О, этот Фридман!

«Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной», — когда-то сказал еще один великий физик, датчанин Нильс Бор. Безумность как критерий истинности! Однако для того, чтобы генерировать, а тем более отстаивать подобные идеи, требуется немалая научная смелость и даже дерзость.

В 1913 году Александру Фридману было двадцать пять. Он работал ассистентом на кафедре математики в Институте корпуса инженеров путей сообщения (позднее — Санкт-Петербургский институт инженеров железнодорожного транспорта) и читал лекции в Горном институте. Большинство его работ имело прикладной характер. В одном из своих исследований по гидродинамике он применил тензорный анализ, и поэтому обратился к теории Эйнштейна, в которой использовался тот же метод.

Из статей Эйнштейна Фридман знал, что без космологической постоянной теория не имеет статических решений, однако заинтересовался тем, какие варианты решений все же возможны. И вот тут он совершил радикальный шаг, обессмертивший его имя. Вслед за Эйнштейном Фридман предположил, что Вселенная однородна, изотропна и замкнута, то есть имеет геометрию трехмерной сферы. Но при этом отбросил условие статичности: позволил Вселенной двигаться. Размеры пространства и плотность вещества, по его допущению, могли изменяться во времени. Как только этот вариант был просчитан, Фридман обнаружил, что уравнения Эйнштейна имеют решение. Это решение соответствует неплоской — сферической Вселенной, которая начинается с точки, расширяется до некоторого максимального размера, а потом вновь сжимается в точку! В начальный момент (который мы теперь называем Большим Взрывом) все вещество Вселенной упаковано в единственную точку, в которой плотность вещества бесконечна. Она убывает, пока Вселенная расширяется, и растет, когда та сжимается обратно, чтобы опять стать бесконечной в момент, когда Вселенная вновь становится точкой.

Из-за исчезающе малого размера и бесконечной плотности материи математические величины, фигурирующие в уравнениях Эйнштейна, становятся неопределенными, а пространство-время не может продолжаться за этими точками. Такие точки называют сингулярностями пространства-времени (слово «сингулярность», собственно, и означает особенность, инаковость).

Сферическую вселенную можно представлять расширяющимся и сжимающимся воздушным шаром. По мере расширения шара расстояния между любыми соседними точками или объектами на его поверхности (например, двумя галактиками) будут расти. Таким образом, наблюдатель в любой галактике видит, что остальные галактики разбегаются. Расширение постепенно замедляется гравитацией и, в конце концов, останавливается, сменяясь сжатием. В фазе сжатия расстояния между галактиками будут уменьшаться, и все наблюдатели увидят, что галактики приближаются к ним.

Заметим, что спрашивать, куда расширяется наш мир, просто не имеет смысла. Мы привязаны к поверхности шара и не представляем себе иного измерения (никакого «снаружи» и «внутри» сферы). Подобным образом для наблюдателя в замкнутой вселенной трехмерное сферическое пространство — это все существующее пространство, и вне его ничего нет.

Все это представлялось большинству ученых захватывающей и красивой, но все же чисто теоретической спекуляцией до тех пор, пока в 1929 году в далекой обсерватории Маунт-Вилсон в Америке, после нескольких лет напряженной работы, астроном Эдвин Хаббл не объявил свой потрясающий экспериментальный результат: Вселенная расширяется. Сами галактики не изменяются, но расстояние между ними линейно увеличивается со временем. Это означало, что галактики удаляются от нас, и чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. К 1931 году после тщательной проверки в этом больше не осталось сомнений: наблюдения Хаббла показали четкую зависимость между расстоянием до галактик и их скоростью.

Древние инки выделяли на небосводе и давали названия не только звездам и созвездиям, как это привычно нам. Они также именовали черные пятна в Млечном Пути. Среди названий таких межзвездных участков — Лама, Детеныш ламы, Пастух, Кондор, Куропатка, Жаба, Змея и Лиса.

Большой взрыв

Несмотря на изящество идеи Фридмана и высочайшую степень надежности ОТО, и даже невзирая на блестящее подтверждение факта разлета галактик Хабблом, физическое сообщество не торопилось принимать картину нестационарной, расширяющейся Вселенной, начавшейся в некоторой особой точке конечное время назад. Это притом, что против существования вечной и недвижной Вселенной в целом имелись весьма серьезные чисто физические аргументы, которые были известны давно. Но таковы уж были предписания самой классической системы мышления: движению и изменению могут быть подвержены отдельные вещи или даже части мира; однако мир как целое должен оставаться вечным и неизменным. Что можно еще сказать, если даже сам Эйнштейн, как мы уже знаем, стоял на подобных позициях!

Самой известной попыткой согласовать идею стационарной Вселенной с фридмановскими космологическими моделями была, без сомнений, теория стационарного состояния, выдвинутая в 1948 году в Кембриджском университете британским астрофизиком Фредом Хойлом и двумя австрийскими эмигрантами Германом Бонди и Томасом Голдом. Они настаивали, что в своих общих чертах Вселенная всегда остается неизменной, так что во всех местах и во все времена она выглядит более или менее одинаково. Но чтобы компенсировать расширение Вселенной (поскольку после открытия Хаббла в этом нельзя было сомневаться!), Хойл с коллегами постулировал, что вещество постоянно создается из вакуума. Это вещество заполняет пустоты, открывающиеся между удаляющимися галактиками, так что на их месте могут формироваться новые. Конечно, не было никаких подтверждений спонтанного рождения материи, и Хойл, Бонди и Голд это признавали. Однако требуемый теорией темп ее возникновения был всего несколько атомов на кубический сантиметр в столетие, так что не было и наблюдений, свидетельствующих об обратном. Защищая свою теорию, Хойл с коллегами говорили, что непрерывное возникновение материи ничуть не более сомнительно, чем одномоментное рождение всей материи в Большом взрыве.