Читать книгу "Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда - Нил Деграсс Тайсон"

Однако в случае теории относительности, основные принципы этой теории требуют, чтобы все происходило точь-в-точь как предсказано. В сущности, может показаться, будто Эйнштейн выстроил карточный домик: два-три простых постулата держат на себе всю структуру. Более того, когда Эйнштейн в 1931 году узнал о существовании книги «Сто авторов против Эйнштейна» (R. Israel, E. Ruckhaber, R. Weinmann, et al. «Hundert Autoren Gegen Einstein», Leipzig: R. Voigtlanders Verlag, 1931), он заметил: «Если бы я ошибся, хватило бы и одного».

Так были посеяны семена одного из самых удивительных ляпсусов в истории науки. В новые формулы гравитации, выведенные Эйнштейном, входила так называемая «космологическая постоянная», которую он обозначил заглавной греческой буквой «лямбда» – λ. Наличие этого члена уравнения с математической точки зрения было не обязательно, но допустимо, и добавленная в уравнения Эйнштейна космологическая постоянная позволяла получить в качестве решения статическую Вселенную.

В те времена никто и представить себе не мог, что Вселенная не просто существует, а еще и что-то делает. Поэтому единственная роль λ сводилась к противодействию гравитации в рамках модели Эйнштейна: космологическая постоянная удерживала Вселенную в равновесии и сопротивлялась естественному стремлению гравитации слепить все в один массивный ком. В этом смысле Эйнштейн изобрел Вселенную, которая не сжимается и не расширяется, что соответствовало преобладавшим в его время представлениям.

Подобно мячику на вершине холма, которому достаточно легчайшего толчка, чтобы скатиться в ту или другую сторону, или карандашу, стоящему на острие, Вселенная Эйнштейна пребывала в шатком равновесии между расширением и полным коллапсом.

В дальнейшем русский физик Александр Фридман математически доказал, что Вселенная Эйнштейна хоть и сбалансирована, однако не стабильна. Подобно мячику на вершине холма, которому достаточно легчайшего толчка, чтобы скатиться в ту или другую сторону, или карандашу, стоящему на острие, Вселенная Эйнштейна пребывала в шатком равновесии между расширением и полным коллапсом. Более того, теория Эйнштейна была новой, а если даешь чему-то название, это не обязательно существует на самом деле, так что Эйнштейн и сам понимал, что его «лямбда» как сила отрицательного тяготения не имела соответствия в физической Вселенной.

* * *

Общая теория относительности Эйнштейна радикально отличалась от всех предыдущих представлений о гравитационном притяжении. Эйнштейна не удовлетворяла мысль Исаака Ньютона, что гравитация непостижимым образом действует на расстоянии (она и самому Ньютону не нравилась). Поэтому в ОТО гравитация считается реакцией массы на местное искривление пространства и времени, вызванное какой-то другой массой или энергетическим полем. Иначе говоря, концентрация массы вызывает искажения (вроде ямок) на ткани пространства-времени. Эти искажения ведут движущиеся массы по так называемым геодезическим кривым, которые в наших глазах выглядят как искривленные траектории, которые мы называем орбитами. Мудреным словом «геодезическая» математики обозначают кратчайшее расстояние между двумя точками на кривой поверхности, то есть в нашем случае это кратчайшее расстояние между двумя точками искривленной четырехмерной ткани пространства-времени. Пожалуй, изящнее всех сформулировал основную мысль Эйнштейна американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер: «Вещество диктует пространству, как искривляться, пространство диктует веществу, как двигаться». Кстати, на старших курсах я ходил на спецкурс Джона Уилера по общей теории относительности (и познакомился там со своей будущей женой), где он частенько это повторял.

В целом общая теория относительности описывает две разновидности гравитации. Одна прекрасно нам знакома – это сила тяготения между подброшенным мячиком и Землей или между Солнцем и планетами. А еще ОТО предсказала другую разновидность – загадочное антигравитационное давление, связанное с вакуумом самого пространства-времени. Лямбда оберегала истинность представлений самого Эйнштейна и всех до единого физиков его времени: статус-кво статической Вселенной – нестабильную статическую Вселенную. А считать нестабильность естественным состоянием физической системы – это нарушение научного кредо. Нельзя утверждать, что целая Вселенная – это какой-то частный случай, почему-то уравновесившийся на веки вечные. В истории науки еще не бывало ничего, что вело бы себя подобным образом, такого не дают ни наблюдения, ни вычисления, ни воображение. Так что статическая Вселенная не имела надежного прецедента.

Прошло 13 лет, и в 1929 году американский астрофизик Эдвин Хаббл открыл, что Вселенная нестационарна. Он обнаружил – и подтвердил убедительными данными – что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется от Млечного Пути. То есть Вселенная расширяется. Тогда Эйнштейн, которого с самого начала смущала космологическая постоянная, не имевшая соответствий среди сил природы, и который огорчился, что сам упустил возможность предсказать расширение Вселенной, отмёл идею лямбды, назвав ее «величайшей ошибкой» в своей жизни.

Удалив лямбду из своей формулы, он приписал ей значение ноль: ведь если, предположим, A = B + C, а потом узнаешь, что A = 10 и B = 10, получается, что A по-прежнему равно B плюс C, только C равно 0 и поэтому не нужно в этом уравнении.

Но это был еще не конец. Теоретики десятилетиями то и дело извлекали лямбду из чулана и вертели так и этак, представляя себе, как бы выглядели их гипотезы во Вселенной, где есть космологическая постоянная. Прошло 69 лет, и ученые эксгумировали лямбду в последний раз. В начале 1998 года две конкурирующие группы астрофизиков сделали громкие заявления. Одну из этих групп возглавлял Сол Перлмуттер из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли в штате Калифорния, а вторую – Брайан Шмидт из обсерваторий Маунт-Стромло и Сайдинг-Спринг в Австралии, неподалеку от Канберры, и Адам Рисс из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе в штате Мэриленд. Десятки самых далеких сверхновых – это разновидность взрывающихся звезд – оказались заметно тусклее, чем можно было ожидать, исходя из хорошо изученных закономерностей их поведения. Получилось, что либо далекие сверхновые ведут себя иначе, чем близкие, либо они находятся на 15 % дальше, чем предсказывали общепринятые космологические модели. А значит, они разбегаются с ускорением, и «естественное» объяснение этому явлению известно только одно – эйнштейновская лямбда, космологическая постоянная.

И когда астрофизики смахнули с нее пыль и подставили обратно в первоначальные уравнения Эйнштейна, оказалось, что они теперь описывают ту Вселенную, которую мы наблюдаем.

* * *

Сверхновые, которые изучали Перлмуттер и Шмидт, оправдали свое участие в исследованиях на все сто. Каждая из них взрывалась одинаково – с небольшими отклонениями, – сжигала одно и то же количество топлива, высвобождала одно и то же исполинское количество энергии за одно и то же время и достигала при этом одного и того же пика светимости. То есть они служили своего рода меркой, «стандартной свечой» для вычисления космических расстояний до галактик, в которых они взорвались, в самых дальних уголках Вселенной.