Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

В гладиаторских боях между моделями Вселенных председательствовал Филипп Джеймс (Джим) Пиблс, научный профессор из Принстонского университета имени Альберта Эйнштейна. Высокий, стройный мужчина с лицом, как будто списанным с портретов Модильяни, Пиблс был джентльменом до мозга костей и вежливо выступал в роли арбитра. Тщательно следя за тем, чтобы дискуссия оставалась в рамках заданной тематики, он иногда с почти детской радостью хихикал над летящими с обеих сторон насмешками и комментариями. Конференция «Critical Dialogues» отчасти была организована как празднование его шестидесятилетнего юбилея. Вполне уместный подарок. Ведь три предыдущих десятилетия Пиблс был основным творцом теории крупномасштабной Вселенной, которая легла в основу современной космологии.

В начале 1970-х Джим Пиблс опубликовал небольшую книгу под названием «Физическая космология» — краткое изложение лекций, которые он читал аспирантам в Принстоне в 1969 году. На них присутствовал Джон Уиллер, писал конспекты и, если верить Пиблсу, практически вынудил его опубликовать лекции. Во введении Пиблс кратко упоминает космологическую константу, говоря, что «постоянная Л [греческая заглавная буква «лямбда», которая является математическим обозначением космологической константы] в конспектах встречается редко». С точки зрения Пиблса, она представляла собой ненужное усложнение, «маленький некрасивый секрет» космологии. Все знали, что математически эта константа допустима, но так как она делала физику слишком странной и трудной, ее предпочитали не замечать. И вот теперь, четверть века спустя, вопреки неодобрению большинства коллег Пиблса, космологическую константу пытались вернуть назад. И делали это чрезвычайно настойчиво.

Когда в 1958 году только что получивший диплом инженера в университете Манитобы Джим Пиблс прибыл в Принстон, он обнаружил, что Джон Уиллер со своей группой работает над проблемой черных дыр и конечного состояния. В Принстоне Уиллер был не единственным приверженцем общей теории относительности; там же работал Роберт Дикке. Дикке, как и Уиллер, в середине 1950-х понял, в каком отчаянном положении находилась теория Эйнштейна. Практически никто не ставил экспериментов для ее проверки. Он создал в Принстоне собственную группу, в которой общая теория относительности обсуждалась и, что куда важнее, измерялась и тестировалась. «Довольно быстро моя профессиональная жизнь стала вращаться вокруг Боба, и я начал заниматься восхитительными вещами», — говорит Пиблс. Он присоединился к группе Дикке еще в аспирантуре и после ее завершения сконцентрировался на экспериментах в области гравитационной физики. В Принстоне он провел следующие пятьдесят лет своей жизни.

В 1960-е, по воспоминаниям Пиблса, космология все еще была «скромной дисциплиной, — дисциплиной, продвижением которой занимались два или три человека». Он считал, что «дисциплина, продвигаемая двумя-тремя учеными, находится в бедственном положении». Мало кто активно работал в этой области, исследований практически не проводилось. Пиблса такая ситуация более чем устраивала. Она давала возможность не спеша заняться решением захвативших его воображение проблем, двигаясь в собственном темпе. После получения докторской степени по квантовой физике Пиблс посвятил себя развитию космологии. Начал он с объекта, который коллеги по Принстону называли «первичным огненным шаром», пытаясь понять, что происходило с атомами и ядрами на ранней стадии развития Вселенной, когда она была горячей и плотной. Он работал как настоящий мастер: закрылся в кабинете и покрывал страницу за страницей уравнениями, медленно продвигаясь в вычислениях вперед и совершенствуя свой подход.

Руководитель Пиблса имел другой взгляд на вещи. Как вспоминает Пиблс: «Для него физика, без всякого сомнения, была теорией, но теорией, которая в ближайшем будущем должна быть проверена экспериментально», поэтому Дикке заставил свою группу искать оставшееся от первичного огненного шара реликтовое излучение. Они разработали новый вид детектора, при помощи которого можно было сканировать небо с крыш зданий, но излучения не обнаружили. В один из вторников в конце 1964 года Дикке сидел со своей группой в офисе, проводя еженедельное собрание, и вдруг зазвонил телефон. После короткого разговора, положив трубку, Дикке сказал: «Нас обскакали». Ему звонил Арно Пензиас, чтобы сообщить, что вместе с Робертом Вильсоном из лабораторий Белла они, похоже, обнаружили признак реликтового излучения. За месяцы работы группа Дикке подтвердила результат, полученный в лабораториях Белла, но было слишком поздно: Нобелевская премия досталась Пензиасу и Вильсону.

С точки зрения Пиблса, с рисуемой учебниками физики в 1960-х годах картиной космоса было что-то не так. В то время обсуждались две совершенно разные темы. С одной стороны, история и эволюция Вселенной, рассказанная Фридманом и Леметром. Они объясняли, как менялись пространство, время и материя в самом крупном из возможных масштабов. На другой чаше весов находились объекты интереса астрономов — галактики и галактические скопления. Эти галактики были частью Вселенной, но их наличие казалось почти несущественным и не связанным с фундаментальным расширением и структурой Вселенной. Они напоминали яркие цветные световые завитушки, нарисованные на пространстве-времени. Разумеется, галактики давали много информации о Вселенной, например о скорости ее расширения или о количестве содержащейся в ней материи. Но глядя на небо, Пиблс ощущал, что галактикам следует отвести больше места, — он был убежден, что они должны играть ключевую роль в эволюции и крупномасштабной структуре Вселенной, с этим же должно быть связно и их происхождение. Галактики, все эти великолепные пятна света, газ и звезды, задним числом брошенные в пространство-время, не могли появиться из ничего. Значит, галактики должны были играть некую роль в общей теории относительности Эйнштейна. Вопрос был в том, какую. Для Пиблса это была идеальная задача: сложная открытая проблема, которой практически никто не хотел заниматься.

Роль гравитации в формировании отдельных галактик очевидна. Совокупность материи сжимается под действием собственной силы тяжести. Если материи достаточно много, ее кинетической энергии хватает на то, чтобы остановить сжатие в определенной точке, в которой итоговый конгломерат превращается в управляемую собственной силой тяжести галактику. Намного менее понятной для Пиблса была связь гравитационных эффектов при формировании отдельной галактики с ролью гравитации при расширении Вселенной. На эту связь указывал аббат Леметр. Задумывался о механизме формирования галактик в расширяющейся Вселенной и русский теоретик Георгий Гамов. Но ни один из них не смог подтвердить свои гипотезы соответствующими вычислениями. В 1946 году один из учеников Ландау, Евгений Лившиц, взял уравнения Эйнштейна и попытался связать происходящее в масштабе Вселенной с происходящим в намного меньшем масштабе отдельных галактик. Его результат дал представление о том, каким образом могла бы возникать крупномасштабная структура Вселенной: небольшая рябь в пространстве-времени начинает развиваться и расти в соответствии с его уравнениями, и в областях высокой кривизны формируются и группируются галактики, образуя крупные структуры, которые мы можем наблюдать в наши дни.

Работая над поведением атомов и света в изначальной Вселенной, Пиблс понял, что новые данные способны объяснить механизм формирования галактик после Большого взрыва. Приблизительно оценив возраст Вселенной, плотность атомов и температуру реликтового излучения, Пиблс обнаружил, что масса сколлапсировавших структур, таких как Млечный Путь, могла бы составлять от миллиарда до сотен тысяч миллиардов масс Солнца. Как ранее предположил Гамов, Вселенная на ранних стадиях развития казалась идеальным для возникновения галактик местом.

В своих попытках детально понять процесс формирования галактик Пиблс был не одинок. Аспирант из Гарварда Джозеф Силк утверждал, что коллапсирующие сгустки, в конечном счете сформировавшие галактики, должны были оставить свой след в первичном огненном шаре — слабую мешанину горячих и холодных областей в недавно открытом Пензиасом и Вильсоном реликтовом излучении. Результатам Силка вторили Райнер Сакс и его студент Артур Вольфе в Остине, обнаружившие, что даже в самом большом масштабе на реликтовое излучение будет влиять гравитационное сжатие всей материи во Вселенной. К аналогичному заключению пришла и группа Якова Зельдовича в Советском Союзе. Они показали, что по пульсациям реликтового излучения, сохранившегося с момента, когда возраст Вселенной насчитывал всего несколько сотен тысяч лет, можно смоделировать первые мгновения, приведшие к формированию галактик. Такими вот разными и несогласованными путями физическая космология Гамова и Пиблса начала приносить свои первые плоды.