Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Космологическая постоянная ввела в физический лексикон представление об отталкивающей гравитационной силе, которая пропорциональна расстоянию и действует независимо от обычного гравитационного притяжения между массами. Первым о том, как бы действовала подобная сила [426], задумался Ньютон – как и о многих других физических понятиях. В своих прославленных «Началах» (вышедших в свет в 1687 году) он помимо обычной силы тяжести говорил и о силе, которая «возрастает прямо пропорционально расстоянию». Ньютону удалось показать, что при рассмотрении силы подобного типа, как и в случае силы тяжести, можно считать, что масса сферических тел сосредоточена в их центре. А вот чего ему не удалось – так это до конца решить задачу о взаимодействии этих двух сил в тандеме. Пожалуй, Ньютон отнесся бы к этому сценарию более внимательно, если бы понял, что закон гравитации трудно применить к Вселенной в целом, или если бы всерьез задумался об этом факте. Если попытаться вычислить гравитационную силу в любой точке космоса бесконечной протяженности и равномерной плотности, никакого определенного значения не получится [427]. Это примерно как вычислять сумму бесконечной последовательности 1–1+1–1+1–1… – результат зависит от того, где остановиться.

Ближе к концу XIX столетия некоторые физики [428]искали выход из этого сложного положения. Они предлагали различные решения – от небольших уточнений к закону всемирного тяготения Ньютона до введения более экзотических концепций вроде отрицательных масс. Вездесущий лорд Кельвин, например, предположил, что эфир – субстанция, пронизывающая, по тогдашним представлениям, все пространство – вообще не подвержен гравитации (см. эпиграф к этой главе). Впоследствии кульминацией всех этих изысканий стала общая теория относительности Эйнштейна, а затем – добавление в его уравнение космологической постоянной. Однако, как мы уже видели, в дальнейшем Эйнштейн отказался от лямбда-члена, и на несколько десятилетий космологическая постоянная, если не считать краткого возвращения в рамках стационарной модели Хойла, в сущности, была изгнана из теоретической физики. В конце шестидесятых астрономические наблюдения подарили ей новую жизнь, и феникс восстал из пепла. Астрономы сочли, что наблюдаемое число квазаров, возникших в эпоху примерно 10 миллиардов лет назад, избыточно. Эту повышенную плотность можно было бы объяснить тем, что размеры Вселенной почему-то на некоторое время перестали меняться [429]и оставались на уровне примерно в треть нынешних. И в самом деле, несколько астрофизиков показали, что подобное космическое «простаивание» допустимо в рамках модели Леметра, поскольку она (благодаря задействованной в ней космологической постоянной) предполагала квазистатическую стадию инертности. И хотя эта модель оказалась недолговечной, она все же привлекла внимание к одной потенциальной интерпретации космологической постоянной: возможно, лямбда-член – это плотность энергии пустого пространства. Эта идея настолько фундаментальна и головоломна, что заслуживает особого объяснения.

Математические уравнения по определению представляют собой выражения или суждения, утверждающие равенство двух величин. Например, самое знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc 2отражает тот факт, что энергия, связанная с данной массой (слева от знака равенства) равна произведению этой массы и квадрата скорости света (справа от знака равенства). Первоначально уравнение общей относительности Эйнштейна имело следующую форму: в левой части у него был член, описывающий искривление пространства, а в правой – член, определяющий распределение массы и энергии (умноженный на Ньютонову постоянную, обозначающую величину силы тяготения). Это было яркое проявление сущности общей теории относительности: материя и энергия (правая сторона) определяют геометрию пространства-времени (левая сторона), которая есть выражение гравитации. Введя космологическую постоянную, Эйнштейн добавил ее в левую сторону [430](умноженную на величину, определяющую расстояния), поскольку считал, что это еще одно геометрическое свойство пространства-времени. Однако если переместить этот член в правую сторону [431], он обретает совершенно новый физический смысл. Он больше не определяет геометрию, а становится частью вселенского энергетического бюджета. Однако свойства этой новой формы энергии существенно отличаются от свойств энергии, которую связывают с материей и излучением, причем отличий этих два. Во-первых, хотя плотность вещества (и обычного, и так называемого «темного», которое не испускает света) при расширении Вселенной уменьшается, плотность энергии, соответствующей космологической постоянной, вечно остается постоянной . Но и этого мало: новая форма энергии обладает отрицательным давлением!

Отрицательное давление засасывает, как болото. Буквально: положительное давление, например, давление, которое оказывает сжатый обычный газ, выталкивает наружу. А отрицательное давление не выталкивает наружу, а засасывает внутрь. Как выяснилось, это очень важное свойство, поскольку в общей теории относительности давление служит источником гравитации, как масса и энергия: оно обладает собственной силой гравитации. Более того, положительное давление генерирует силу притяжения, а отрицательное давление создает гравитационную силу отталкивания (Ньютон, наверное, в гробу перевернулся).

Именно на это качество космологической постоянной Эйнштейн и опирался, когда пытался сделать Вселенную статической. Базовая симметрия общей теории относительности, согласно которой законы природы должны в разных системах отсчета приводить к одинаковым результатам, предполагает, что обладать плотностью энергии, которая не уменьшается с расширением, может только вакуум – буквально пустое пространство. И правда, ведь плотность пустоты уже не может уменьшаться, ей некуда! Однако энергия вакуума – это как-то странно. Откуда у пустого пространства может взяться энергия? Разве пустое пространство – это не «ничто»?

В диковинном мире квантовой механики – нет. Когда входишь в субатомное царство, вакуум далеко не ничто. В сущности, это толчея виртуальных (то есть непосредственно не наблюдаемых) пар частиц и античастиц, которые то и дело возникают и исчезают за ничтожно малые промежутки времени. А следовательно, даже пустое пространство обладает плотностью энергии, чему сопутствует то, что оно служит источником гравитации. Это совсем не та физическая интерпретация [432], которую первоначально предлагал Эйнштейн. Он считал космологическую постоянную потенциальным свойством пространства-времени и полагал, что она описывает Вселенную в самом крупном масштабе. Отождествление космологической постоянной с энергией пустого пространства, пусть и с математической точки зрения, тесно связывает ее с мельчайшим субатомным масштабом. То есть замечание, которое сделал Маккри в 1971 году – что значение космологической постоянной, возможно, удастся определить средствами других областей физики помимо общей теории относительности, уже ставшей классической, – оказалось подлинно провидческим. Должен отметить, что и сам Эйнштейн сделал одну интересную попытку связать космологическую постоянную с элементарными частицами. В 1919 году он предпринял [433], можно сказать, первую вылазку в область связи между гравитацией и электромагнетизмом, и предположил, что электрически заряженные частицы, вероятно, связывает воедино сила гравитации. Это подвело его к тому, чтобы наложить на значение космологической постоянной электромагнитные ограничения. Однако об этом Эйнштейн сообщил лишь в коротенькой заметке [434]в 1927 году и больше к этой теме не возвращался.