Гравитационная декларация





Часто говорят, что Эйнштейн пал духом — якобы он вернулся к своим записям и в отчаянии принялся корёжить уравнения общей теории относительности, пытаясь привести их в согласие с идеей однородной и неизменной вселенной. Это правда лишь отчасти. Эйнштейн действительно изменил свои уравнения так, чтобы они подкрепили его убеждённость в статичности космоса, однако эти изменения были минимальными и совершенно здравыми.

Чтобы получить представление о его математических шагах, вспомните, как выглядит бланк вашей налоговой декларации. Есть строки, в которые вы вписываете какие-то числа, а есть строки, остающиеся пустыми. С математической точки зрения незаполненная строка означает, что денежная сумма равна нулю, но психологически она подразумевает нечто большее. Она говорит о том, что вы проигнорировали эту строку, поскольку решили, что она не имеет отношения к вашей финансовой ситуации.

Если формулы общей теории относительности оформить наподобие налоговой декларации, получится бланк из трёх строк. Одна строка будет описывать геометрию пространства-времени — его искривления и скрученности, которые являются воплощением гравитации. Вторая строка будет описывать распределение материи в пространстве, то есть источник гравитации — причину появления этих искривлений и скрученностей. В итоге десятилетних напряжённых исследований Эйнштейн сформулировал математическое описание этих двух характеристик и тем самым с величайшим тщанием заполнил две строки нашего бланка. Однако полная бухгалтерия общей теории относительности требует наличия третьей строки — строки, которая опирается абсолютно на тот же математический фундамент, что и первые две, но имеет более тонкий физический смысл. Когда пространство и время, прежде лишь снабжавшие нас языком для описания того, где и когда происходят те или иные события, благодаря общей теория относительности стали активными участниками космического действа, они превратились в физические сущности с собственными важными свойствами. Третья строка налогового бланка общей теории относительности измеряет одно из этих свойств пространства-времени, имеющее отношение к гравитации, — количество энергии, «зашитой» в саму ткань пространства. Точно так же как каждый кубический метр воды содержит в себе определённое количество энергии, характеризуемое температурой воды, каждый кубический метр пространства содержит в себе определённое количество энергии, характеризуемое числом из третьей строки. В своей статье, излагающей общую теорию относительности, Эйнштейн не рассматривал эту строку. С математической точки зрения это то же самое, что поставить там нуль, но, как и в случае незаполненной строки в налоговой декларации, похоже, он просто проигнорировал её.

Когда выяснилось, что общая теория относительности несовместима со статической картиной вселенной, Эйнштейн вернулся к математическим выкладкам и на этот раз обратил более пристальное внимание на третью строку. Он осознал, что нет никаких наблюдений и экспериментальных данных, которые оправдывали бы её обнуление, и увидел, что у этой строки есть весьма примечательный физический смысл.

Если вместо нуля поставить в третью строку положительное число, снабдив пространственную ткань однородной постоянной энергией, то (по причинам, которые я объясню в следующей главе) каждая область пространства будет отталкиваться от всех остальных, порождая то, что большинство физиков считали невозможным, — отталкивающую гравитацию. Более того, Эйнштейн обнаружил, что если тщательно подобрать число, размещённое в третьей строке, отталкивающая гравитационная сила, возникающая во всём космическом пространстве, будет точно уравновешивать притягивающую гравитационную силу, которую порождает материя, наполняющая пространство, и тем самым вернёт к жизни статичную модель вселенной. Вселенная станет неизменной — подобно парящему в небе воздушному шару, который не поднимается и не падает.

Эту величину, вставленную в третью строку, Эйнштейн назвал космологическим членом, или космологической постоянной; этот шаг позволил ему вздохнуть с облегчением — по крайней мере отчасти. Если бы космологическая постоянная для вселенной имела подходящее значение — то есть если бы пространство обладало правильным количеством собственной энергии, — его теория гравитации оказалась бы в согласии с преобладавшим в то время убеждением о неизменности вселенной на больших расстояниях. Он не мог объяснить, почему пространство должно заключать в себе именно то количество энергии, которое нужно, чтобы обеспечить равновесие, но ему по крайней мере удалось показать, что общая теория относительности, дополненная космологической постоянной нужной величины, приводит к той картине космоса, в которую верил он сам и которую ожидали увидеть другие.[2]

Первородный атом

Леметр, подошедший к Эйнштейну на Сольвеевском конгрессе 1927 года в Брюсселе, выпадал из этой картины: из его результата следовало, что общая теория относительности стала лоном новой космологической парадигмы, согласно которой пространство расширяется. Эйнштейн не так давно одолел математику в схватке за статичную вселенную, отмёл сходные заявления Фридмана, и теперь у него попросту не было достаточного запаса терпения, чтобы ещё раз возвращаться к идее о расширяющемся космосе. Он поставил Леметру в вину слепое следование математическим выкладкам и готовность принять «чудовищные физические выводы», очевидно являвшиеся абсурдом.

Упрёк со стороны столь уважаемой фигуры стал для Леметра серьёзным ударом — но ненадолго. В 1929 году, используя крупнейший в мире на тот момент телескоп в обсерватории Маунт-Вилсон, американский астроном Эдвин Хаббл получил убедительные свидетельства в пользу того, что все далёкие галактики двигаются прочь от Млечного Пути. Фотоны, которые изучал Хаббл, проделали долгий путь к Земле, неся с собой ясное сообщение: вселенная не статична — она расширяется. Фундамент, который Эйнштейн подвёл под космологическую постоянную, обрушился. Модель Большого взрыва, описывавшая космос, который начал расширяться из чрезвычайно плотного состояния и продолжает делать это по сей день, обрела широкую известность как научный сценария творения.[3]

Леметр и Фридман были реабилитированы. Фридман снискал репутацию учёного, который первым исследовал решения, описывающие расширяющуюся вселенную, а Леметр стал известен как исследователь, который независимо получил эти решения и выстроил на их основе ясные космологические сценарии. Их работа была признана триумфом математического подхода к изучению космоса. Эйнштейна, напротив, оставили досадовать на то, что он вообще решил взяться за третью строку налогового бланка общей теории относительности. Если бы над ним не довлело ничем не подкреплённое убеждение в статичности вселенной, он бы не ввёл в свои уравнения космологическую постоянную и сумел бы предсказать расширение вселенной за десять с лишним лет до того, как его обнаружили экспериментально.

Однако история космологической постоянной была далека от завершения.

Модели и данные

В космологической модели Большого взрыва есть один момент, который представляется весьма существенным. Эта модель даёт нам не один космологический сценарий, а целый их набор; все они подразумевают расширение вселенной, но отличаются общей формой пространства и, в числе прочего, расходятся в ответе на вопрос о том, является ли всё пространство в целом конечным или же бесконечным. Поскольку последнее различие оказывается жизненно важным для размышлений о параллельных мирах, я опишу имеющиеся возможности подробнее.

Космологический принцип — предполагаемая однородность космоса — налагает ограничения на геометрию пространства, поскольку большинство геометрических форм недостаточно однородны, чтобы подойти под эти требования: они вспучиваются в одном месте, уплощаются в другом и скручиваются в третьем. Однако из космологического принципа не следует единственность формы трёх измерений нашего пространства — он лишь проводит жёсткий отбор среди кандидатов, ограничивая имеющиеся возможности. Наглядно представить возможные варианты — непростая задача даже для профессионала, однако нам поможет тот факт, что ситуация в двух измерениях, которую мы можем изобразить без труда, является математически точным аналогом трёхмерной картины.

Для начала рассмотрим с этой целью идеально круглый бильярдный шар. Его поверхность двумерна (положение точки на его поверхности, как и на поверхности Земли, мы можем задать двумя фрагментами данных — скажем, широтой и долготой, — а именно это мы и подразумеваем, когда говорим, что форма двумерна) и совершенно однородна в том смысле, что любое место на ней неотличимо от остальных. Математики называют поверхность бильярдного шара двумерной сферой и говорят, что она имеет постоянную положительную кривизну. «Положительность» здесь означает, грубо говоря, что ваше отражение в сферическом зеркале будет выглядеть раздувшимся наружу, а «постоянность» — что любая сторона сферы будет одинаково искажать отражение.

Теперь представим себе идеально гладкий стол. Поверхность стола, как и поверхность бильярдного шара, однородна (или почти однородна). Если бы вы были муравьём, гуляющим по столу, вашему взору открывался бы один и тот же вид, где бы вы ни находились — при условии, что это далеко от края стола. Впрочем, восстановить полную однородность не так уж трудно: мы просто должны вообразить стол без краёв. Сделать это можно двумя путями. Представьте себе стол, который бесконечно тянется влево, вправо, вперёд и назад. Это не совсем обычный стол — его поверхность бесконечна, — но упасть с него нельзя, а значит, мы достигли поставленной цели — убрали края. Альтернативный вариант — поверхность, имитирующая старую компьютерную игру: когда мистер Пакман исчезает за левым краем, он немедленно появляется у правого края; когда он уходит за край экрана снизу, он тут же возникает сверху. Ни один обычный стол не обладает таким свойством, но это вполне осязаемая геометрическая фигура, называемая двумерным тором. В примечаниях я обсуждаю эту фигуру более полно,{8} здесь же стоит подчеркнуть только две её характеристики: подобно бесконечному столу, экран компьютерной игры однороден и не имеет краёв. Границы являются кажущимися: мистер Пакман может пересечь их и при этом остаться в игре.

Математики говорят, что бесконечный стол и экран компьютерной игры — это поверхности постоянной нулевой кривизны. Слово «нулевая» говорит о том, что и зеркальный стол, и зеркальный компьютерный экран отразят вас без искажений, а слово «постоянная», как и прежде, означает, что ваше отражение будет выглядеть одинаково вне зависимости от того, напротив какой точки поверхности вы встанете. Разница между этими двумя формами проявляется только в глобальной перспективе. Если вы отправитесь в поездку по бесконечному столу, сохраняя постоянное направление, вы не вернётесь домой никогда; на экране компьютерной игры вы можете объехать всю фигуру и вернуться в пункт отправления, ни разу не повернув руль.

Наконец, ломтик картофельных чипсов «Принглс», если его бесконечно продолжить во все стороны (это несколько труднее изобразить), даёт представление об ещё одной однородной фигуре, про которую математики говорят, что она имеет постоянную отрицательную кривизну. Это означает, что ваше отражение в любой точке зеркальной чипсины будет выглядеть сжатым внутрь.

К счастью, эти описания двумерных однородных фигур без усилий расширяются на интересующий нас случай трёхмерного космического пространства. Положительная, отрицательная или нулевая кривизна — однородное раздувание, однородное сжатие или отсутствие искажений — с тем же успехом характеризуют трёхмерные однородные формы. В действительности нам повезло дважды, поскольку хотя трёхмерные формы очень трудно изобразить (представляя себе форму, наше сознание помещает её в некое окружение — аэроплан в пространстве, планета в пространстве, — но когда дело доходит до пространства, нет никакого окружения, в котором содержалось бы само пространство), трёхмерные однородные формы являются столь точными математическими аналогами своих двумерных родственников, что мы ничего не потеряем, когда станем делать то же, что делает большинство физиков, — мысленно использовать двумерные примеры.

В приведённой ниже таблице я перечислил возможные варианты формы пространства, подчеркнув, что одни из них имеют конечную протяжённость (сфера, экран компьютерной игры), а другие — бесконечную (бесконечный стол и бесконечная чипсина). Таблица 2.1 не является полной. Существуют другие возможные формы, которые носят загадочные названия вроде бинарного тетраэдрального пространства и додекаэдрального пространства Пуанкаре, также имеющие однородную кривизну; я не включил их сюда, поскольку их сложнее наглядно изобразить с помощью повседневных предметов. Они могут быть построены, если подходящим образом нарезать и скомпоновать уже знакомые пространства из нашего списка, так что табл. 2.1 в действительности даёт вполне представительную выборку. Однако все эти подробности второстепенны для нашего ключевого вывода: требование однородности космоса, отражённое в формулировке космологического принципа, существенным образом ограничивает набор возможных форм вселенной. Одни из этих форм имеют бесконечную пространственную протяжённость, другие — нет.{9}

Таблица 2.1. Возможные варианты формы космического пространства, которые находятся в согласии с космологическим принципом — допущением о том, что любое положение во вселенной эквивалентно любому другому

Форма Кривизна Протяжённость
Сфера Положительная Конечная
Поверхность стола Нулевая («плоская») Бесконечная
Экран компьютерной игры Нулевая («плоская») Конечная
Ломтик чипсов «Принглс» Отрицательная Бесконечная

Наша Вселенная

Расширение пространства, обнаруженное математическим путём Леметром и Фридманом, применимо к любой вселенной, имеющей одну из вышеперечисленных форм. В случае положительной кривизны можно воспользоваться двумерной аналогией и представить себе, как растягивается поверхность воздушного шарика по мере того, как его надувают воздухом. Для нулевой кривизны подходит образ плоского резинового коврика, который равномерно тянут во всех направлениях. В случае отрицательной кривизны вообразите растягиваемую резиновую чипсину. Если галактики представить себе как равномерно разбросанные блёстки на любой из этих поверхностей, расширение пространства приведёт к тому, что отдельные блёстки-галактики будут отодвигаться друг от друга — в точности как в той картине разбегания галактик, которую наблюдал Хаббл в 1929 году.

Это убедительная космологическая заготовка, но для её полного завершения и определения надо выяснить, какая из описанных форм соответствует нашей Вселенной. Мы можем определить форму знакомых нам объектов — бублика, бейсбольного мяча, куска льда, — взяв их в руки и повертев так и сяк. Проблема в том, что сделать то же самое со вселенной мы не в состоянии, поэтому определять её форму мы вынуждены косвенными методами. Уравнения общей теории относительности подсказывают нам математическую стратегию. Они говорят, что кривизна пространства сводится к единственной наблюдаемой величине — к пространственной плотности материи (более точно — материи и энергии). Если материи много, тяготение заставляет пространство сворачиваться на себя, порождая сферическую форму. Если материи мало, пространство чувствует себя свободно и разворачивается подобно ломтику чипсов «Принглс». А если пространство содержит некое точно определённое количество материи, то его кривизна равна нулю.[4]

Уравнения общей теории относительности также приводят к точному численному критерию, разделяющему данные три возможности. Математические выкладки показывают, что «определённое количество материи» — так называемая критическая плотность, составляет на сегодняшний день примерно 2 × 10−29 грамма на кубический сантиметр, что соответствует примерно шести атомам водорода в одном кубическом метре, или, в более привычных образах, — одной дождевой капле в объёме, равном объёму земного шара.[5] Если оглядеться вокруг, легко может показаться, что плотность вещества во вселенной превышает критическую, но такой вывод будет поспешным. При вычислении критической плотности исходят из того, что вещество равномерно распределено в пространстве. Поэтому надо представить, что атомы, из которых состоят Земля, Луна, Солнце и всё остальное, равномерно распределены по космосу. Тогда весь вопрос сводится к тому, будет ли каждый кубический метр весить больше или меньше шести атомов водорода.

В силу важности космологических следствий, связанных со средней плотностью материи во вселенной, астрономы в течение десятилетий пытались измерить её величину. Метод измерений, которым они пользовались, идейно прост. С помощью мощных телескопов астрономы тщательно обследовали большие области пространства и суммировали массы всех видимых звёзд, а также массу остального материала, наличие которого они могли предполагать, изучая движение звёзд и галактик. До недавнего времени все проведённые наблюдения указывали на то, что величина средней плотности не очень велика, примерно 27 процентов от критической плотности, что соответствует двум атомам водорода на кубический метр. В свою очередь, это означало бы, что вселенная имеет отрицательную кривизну.

Однако позже, в конце 90-х годов прошлого столетия, произошло нечто экстраординарное. На основе некоторых великолепных наблюдений, которые будут рассмотрены в главе 6, и их анализа астрономы осознали, что из подсчёта постоянно упускался некоторый существенный вклад: диффузная энергия, которая, по-видимому, равномерным образом распределена во всём пространстве. Эти данные потрясли всех. Энергия, наполняющая пространство? Звучит как космологическая постоянная, которую, как мы видели, восемьдесят лет назад ввёл Эйнштейн, и от которой, как хорошо известно, он позже сам отказался. Возродили ли современные наблюдения космологическую постоянную?

До сих пор у нас нет полной уверенности на этот счёт. Даже сейчас, спустя десятилетие после первоначальных наблюдений, астрономам всё ещё предстоит выяснить, является ли такая однородная энергия неизменной, или её величина в заданной области пространства изменяется со временем. Космологическая постоянная, как следует из самого её названия (и как следует из математической сути, так как это единственное фиксированное число в гравитационной налоговой декларации), должна быть неизменной. Для описания общего случая, если энергия может изменяться, а также чтобы подчеркнуть факт отсутствия у данной энергии излучения (это объясняет, почему её не могли обнаружить так долго), астрономы ввели новый термин: тёмная энергия. При этом прилагательное «тёмный» не менее хорошо характеризует и наше текущее понимание. Никто не в силах объяснить происхождение тёмной энергии, её фундаментальный состав или свойства — эти вопросы активно исследуются в настоящее время, и мы вернёмся к ним в последующих главах.

Несмотря на многие нерешённые вопросы, детальные наблюдения на орбитальном телескопе «Хаббл» и в наземных обсерваториях позволили определиться с количеством тёмной энергии, заполняющей пространство в настоящее время. Полученное значение отличается от когда-то предложенного Эйнштейном (он постулировал значение, приводящее к статичной вселенной, а наша Вселенная расширяется). Удивительно не это, а то, что согласно этим измерениям тёмная энергия в пространстве составляет примерно 73 процента от критической плотности. Добавив их к уже измеренным астрономами 27 процентам, мы получим ровно 100 процентов критической плотности, что и есть то самое определённое количество энергии и материи, приводящее ко вселенной с нулевой пространственной кривизной.

Итак, современные данные говорят в пользу постоянно расширяющейся вселенной, форма которой похожа на трёхмерный вариант бесконечной поверхности стола или конечный экран игровой приставки.





Читайте также:
Пример оформления методической разработки: Методическая разработка - разновидность учебно-методического издания в помощь...
Определение понятия «общество: Понятие «общество» употребляется в узком и широком...
Решебник для электронной тетради по информатике 9 класс: С помощью этого документа вы сможете узнать, как...
Своеобразие родной литературы: Толстой Л.Н. «Два товарища». Приёмы создания характеров и ситуаций...

Рекомендуемые страницы:



Вам нужно быстро и легко написать вашу работу? Тогда вам сюда...

Поиск по сайту

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-03-30 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:

Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.015 с.