Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Помимо геопозиционирования, общая теория относительности выдержала и другие проверки. Ранее в книге мы коснулись двух из них — гравитационного линзирования и движения перигелия Меркурия. Оба этих явления использовались в качестве первых тестов, в которых теории Ньютона и Эйнштейна давали разные результаты. В обоих случаях теория Эйнштейна доказала свое превосходство. Применив свою теорию при расчете орбиты Меркурия, Эйнштейн самостоятельно убедился в собственной правоте.

Испытания с помощью гравитационного линзирования были проведены лишь в 1919 году, после публикации работы. В те времена у нас еще не имелось ни знаний, ни оборудования для наблюдения гравитационного линзирования от скоплений галактик. Однако Эйнштейн рассчитал, насколько свет далеких звезд будет отклоняться, проходя очень близко к Солнцу. Свет отклоняется из-за гравитационных сил Солнца. Или, выражаясь в терминах общей теории относительности, свет будет двигаться через пространство-время, искривленное массой Солнца. По теории Ньютона тоже можно рассчитать такое отклонение света, но отклонение, предсказанное теорией относительности, больше.

Проблема, конечно, заключается в том, что наблюдать звезды в непосредственной близости от Солнца, как правило, невозможно. Поэтому наблюдения проводились во время полного солнечного затмения 1919 года. В момент затмения Луна перекрывает весь солнечный диск и становится настолько темно, что можно наблюдать звезды, в том числе и крайне близкие к Солнцу, а затем — понаблюдать, как меняется видимое положение звезд на небе без влияния Солнца.

Британский астроном Артур Эддингтон возглавил экспедицию на африканский остров Принсипи — одно из немногих мест, где полное солнечное затмение 1919 года было прекрасно видно с суши. Осуществить достаточно точные измерения оказалось задачей не из легких, но к результатам Эддингтона было не придраться, и их даже представили позже в том же году на собрании Королевского общества в Лондоне. Теория Эйнштейна подтвердилась. То, что старая теория Ньютона, похоже, вот-вот уступит место чему-то новому и более совершенному, не осталось незамеченным. На следующий день после заявления Эддингтона британская газета «Таймс» заявила: «РЕВОЛЮЦИЯ В НАУКЕ — НОВАЯ ТЕОРИЯ ВСЕЛЕННОЙ — ОТКАЗ ОТ ИДЕЙ НЬЮТОНА».

Конечно, к заголовкам британских газет в качестве научных доказательств следует относиться с осторожностью. Но благодаря наблюдениям Эддингтона теория относительности совершила решительный прорыв и стала основной теорией гравитации. Позже теория прошла ряд тестов, показавших, что она описывает гравитацию намного лучше, чем теория Ньютона. Космологическая постоянная

Сформулировав общую теорию относительности, Эйнштейн первым делом применил ее к целой Вселенной, а в 1917 году опубликовал статью «Вопросы космологии и общая теория относительности». Как вы помните, уравнения Эйнштейна не особо простые — так не слишком ли самонадеянно пытаться объяснить ими целую Вселенную? Возможно, что и нет. Эйнштейн сделал серьезное обобщающее предположение, которое используется и по сей день: он предположил, что вся Вселенная абсолютно однородна, то есть одинакова повсюду. Если не вдаваться в детали, то эта идея может показаться откровенно абсурдной. Но если взглянуть чуть шире, в этом предположении вырисовывается определенная логика. Стоит нам перейти к большим масштабам, и становится очевидно, что скопления галактик распределены во Вселенной довольно однородно.

В статье 1917 года Эйнштейн говорит, что его теория, похоже, не допускает статичности Вселенной: Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Как мы обсуждали ранее, проблема заключалась в том, что нерасширяющаяся Вселенная рано или поздно начнет сжиматься из-за своих же гравитационных сил. Чем-то похоже на камень, который не может вечно висеть в воздухе и все равно начнет падать. И не забывайте, что все это происходило за десятилетие до открытия Хабблом расширяющейся Вселенной. На тот момент в науке господствовала теория статической Вселенной, то есть остающейся неизменной с течением времени. Конечно, звезды и галактики немного движутся, но по большому счету видимая Вселенная никогда не менялась. Эйнштейн тоже был привязан к этой идее вечной статичной Вселенной и не мог смириться с тем, что общая теория относительности не допускает этого. В этот момент, точнее в 1917 году, Эйнштейну выпал уникальный шанс сделать предположение, которое еще сильнее укрепило бы его положение на астрофизическом Олимпе: он мог бы предсказать, что Вселенная расширяется (или сжимается) до того, как были проведены соответствующие наблюдения. Но тут Эйнштейн — человек, совершивший научную революцию, — потерпел поражение именно потому, что поддался укоренившимся предрассудкам о том, каким «должен» быть мир. У ученого не хватило решимости отказаться от собственного заблуждения в статичности Вселенной.

^{В 1917 году Эйнштейн почувствовал необходимость ввести космологическую постоянную в свои уравнения, чтобы избежать коллапса Вселенной. Тогда ему было 37 лет. Здесь же мы видим пожилого, слегка расстроенного Эйнштейна, который рассказывает о своей «величайшей ошибке», параллельно вписывая Л в уравнение.}

Чтобы решить эту проблему, ученый ввел в свое уравнение гравитационного поля новый элемент — он добавил Л (лямбду), то есть космологическую постоянную.

(По правде говоря, Эйнштейн обозначил космологическую постоянную буквой X (прописная греческая лямбда), а не Л (заглавная буква), хотя сегодня более распространено второе обозначение. Впрочем, суть космологической постоянной от этого не меняется.)

Формально говоря, никаких проблем с вводом постоянной нет. С математической точки зрения теория стала чуть более «уродливой», но ведь не в красоте счастье. Ввод космологической постоянной не изменит предсказания об орбите Меркурия или искривлении звездного света Солнцем, однако сыграет важную роль при рассмотрении Вселенной как единого целого: Л «отвечает» за отталкивающую гравитацию. Эйнштейн предполагал, что Л должна быть достаточно большой, чтобы компенсировать тенденцию Вселенной к сжатию. Чтобы Вселенная оставалась неподвижной, требовалось уравновесить силу отталкивания Л и силу притяжения. Получилось подогнанное под ситуацию решение, позволившее связать теорию и господствующее мировоззрение.

Но главная проблема космологической постоянной заключалась совсем не в уродливости теории. Как выяснилось впоследствии, обеспечить статическую Вселенную не в силах и она. Но почему нет? Да потому, что Вселенная, в которой сила притяжения уравновешивается отталкивающей Л, будет неустойчивой. Ситуация похожа на попытку сохранить равновесие и не дать бильярдному шару упасть с острия иголки. Понятное дело, в чистой теории возможно поместить шар так, чтобы он в равновесии лежал на игле, вот только на практике это невыполнимо. Едва заметный толчок — и всё, конструкция разрушена. То же самое происходило с равновесием во Вселенной Эйнштейна. Если такую Вселенную слегка подтолкнуть к расширению, космологическая постоянная сама запустит все больше и больше ускоряющееся расширение Вселенной. А если толкнуть ее к сжатию, то она начнет сжиматься все быстрее и быстрее, пока совсем не схлопнется. То, что Вселенная должна вечно балансировать на острие космической иголки, уж точно не является физически приемлемым решением. Позднее, когда расширение Вселенной уже было открыто, Эйнштейн признал введение космологической постоянной своей «величайшей ошибкой».

(Предполагаемое высказывание Эйнштейна, в котором он признал Л своей величайшей ошибкой («biggest blunder»), пошло от физика Георгия Гамова (в посмертно опубликованной автобиографии «Му world line»). Однако следует отметить, что Гамов вряд ли является наиболее достоверным свидетелем по истории физики, и сомнительно, что Эйнштейн когда-либо говорил это. Несомненно, Эйнштейн несколько раз выражал сожаление по поводу введения Л.)

И раз Вселенной больше не требовалось быть статичной, то и потребность в отталкивающих силах космологической постоянной отпала. Поэтому о лямбде в астрономической среде на долгие годы забыли почти все. Похвальное исключение — трое норвежских астрономов: Ян Эрик Сольхейм, Рольф Ста- белл и Шур Рефсдал. Еще в 1960-х они изучали расширяющуюся Вселенную с космологической постоянной. Но пришли 1990-е годы, а вместе с ними возобновилась и потребность в отталкивающей гравитации. Тогда-то космологическая постоянная и ожила вновь. А «величайшая ошибка» Эйнштейна сегодня является неотъемлемой частью наших стандартных представлений о Вселенной. Доминирование Л во Вселенной

Если вы снова посмотрите на математическое выражение, которое Эйнштейн записывает на доске, то заметите, что он пишет Л (лямбда-член) слева от знака равенства. Как мы помним, левая часть уравнения описывает геометрию пространства-времени. Поместив космологическую постоянную слева, ученый наделил ее физическими свойствами: он считал, что Л вносит свой вклад в искажение пространства-времени. Но все, кто проходил уравнения в школе, знают, что любой член можно запросто перенести из одной части уравнения в другую, главное — не забыть поменять знак на противоположный. Сегодня принято писать Л в правой части уравнения вместе со всем содержимым Вселенной. Эта простейшая математическая манипуляция с уравнениями гравитационного поля дает нам новую интерпретацию Л. Сейчас большинство людей смотрит на Л как на нечто присутствующее во Вселенной. Это такой же компонент, как и обычная материя, темная материя, излучение и другие ингредиенты, скрытые в несколько загадочном символе Т в правой части уравнений.

Если космологическая постоянная — это один из компонентов Вселенной, то как же она себя ведет? Понятное дело, она постоянна. На первый взгляд, впечатляет не особо. Но космологическая постоянная впечатляет потому, что постоянна именно плотность Л-вещества. Несмотря на расширение Вселенной, плотность остается неизменной. Объясню это на примере норвежских гор.

Представьте себе большой грузовик, который едет в гору, чтобы выпустить овец на летнее пастбище. В грузовике стоит сотня обычных овец и одна — особая, назовем ее Л-овцой. Животных выпускают наружу, и они начинают разбегаться. Понятное дело, что внутри машины им было тесновато, а сейчас они начали разбредаться по более просторной площади. По мере распределения стада плотность обычных овец уменьшается, и вскоре они находятся в нескольких метрах друг от друга. А чем в это время занимается та причудливая Л-овца? Она тоже отошла от грузового автомобиля, но, отдаляясь, не перестает делиться, создавая своих Л-клонов. Стадо распространяется по горам все дальше, а Л-овца постоянно делится на новых особей. Плотность Л овец постоянна, несмотря на расширение пространства. В грузовике в стаде преобладали обычные овцы. Однако по мере увеличения территории плотность обычных овец уменьшается, а вот Л-овцы сохранили ту же плотность. Через некоторое время Л овец становится больше, чем обычных. Те, кто составлял незначительное меньшинство, вскоре начинают преобладать. А все из-за постоянной плотности Л-овец.