Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

Ознакомительная версия.

Эйнштейн нередко указывал на различие между двумя проявлениями Бога, которые часто путают в спорах о религии. С одной стороны – это персональный Бог, тот Бог, который отвечает на молитвы, раздвигает воды и совершает чудеса. Это библейский Бог, Бог вмешательства. С другой стороны – Бог, в которого верил Эйнштейн, – Бог Спинозы, тот Бог, что создал простые и элегантные законы, управляющие Вселенной.

Даже находясь в самом центре медийного тайфуна, Эйнштейн чудесным образом никогда не терял сосредоточенности и направлял свои усилия на постижение этих законов Вселенной. Во время трансатлантических путешествий или долгих железнодорожных переездов ему хватало дисциплины, чтобы отвлечься от внешних раздражителей и сосредоточиться на работе. В этот период Эйнштейна больше всего поражала способность его уравнений разрешать, ни много ни мало, устройство самой Вселенной.

Было ли у Вселенной начало? Будет ли у нее конец? Есть ли у Вселенной пределы? Задумавшись о том, что может его теория рассказать о космосе, Эйнштейн, как до него Ньютон, столкнулся с теми же вопросами, которые не одну сотню лет волновали физиков.

В 1692 г., через 5 лет после завершения работы над «Математическими началами натуральной философии», Ньютон получил письмо от пастора Ричарда Бентли, очень его встревожившее. Бентли указывал, что если гравитация может только притягивать, но не отталкивать, то любая группа звезд схлопнется в конечном итоге. Это простое, но убедительное наблюдение озадачивало, поскольку Вселенная казалась достаточно стабильной, и тем не менее универсальная гравитация Ньютона должна была рано или поздно привести к коллапсу всю Вселенную! Бентли выделил ключевую проблему, стоящую перед любой космологической системой, в которой гравитация – это сила притяжения: конечная Вселенная должна обязательно быть нестабильной и динамичной.

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.

Ознакомительная версия.