Уолтер Айзексон - Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная

В далеком 1917 году, когда Эйнштейн анализировал свою “космологическую модель”, являющуюся следствием общей теории относительности, большинство астрономов считали, что Вселенная состоит только из Млечного Пути, где в пустом пространстве дрейфуют сотни миллиардов звезд. Более того, Вселенная, заполненная звездами, казалась вполне стабильной – не расширяющейся и не стягивающейся к центру.

Это заставило Эйнштейна добавить к полевым уравнениям космологическую постоянную, ответственную за “отталкивающую” силу. Эта сила должна была противостоять гравитационному притяжению, которое, если звезды, обладая достаточно большим импульсом, не будут удаляться друг от друга, собрала бы их в одном месте.

Затем начиная с 1924 года ряд поразительных открытий были сделаны Эдвином Хабблом, ярким, обаятельным астрономом, работавшим на 100-дюймовом телескопе в обсерватории Маунт-Вилсон в горах вблизи Пасадены, Калифорния. Сначала он обнаружил, что небольшое облако, известное как туманность Андромеды, является на самом деле другой галактикой примерно такого же размера, как наша, а расстояние до нее близко к миллиону световых лет (теперь мы знаем, что оно примерно в два раза больше). Затем Хабблу удалось наити по крайней мере два десятка расположенных еще дальше галактик (теперь считается, что их больше 100 миллардов).

Затем Хаббл сделал еще более удивительное открытие. Измеряя красное смещение в спектре звезд (для волн света это аналог эффекта Доплера для звуковых волн), он понял, что галактики удаляются от нас. Было по меньшей мере два возможных объяснения, почему далекие звезды кажутся нам разбегающимися, – это так, поскольку i) мы являемся центром Вселенной (со времен Коперника в такое могут поверить только малые дети); 2) меняется метрика всей Вселенной. Последнее означает, что все растягивается во всех направлениях, так что все галактики отдаляются друг от друга.

Когда Хаббл подтвердил, что скорость разлета галактик пропорциональна расстоянию до них, стало ясно: правильно второе объяснение. Те галактики, расстояние до которых в два раза больше, двигаются с вдвое большей скоростью, те, которые в три раза дальше, удаляются втрое быстрее.

Один из возможных способов представить себе это таков. Нанесем на поверхность воздушного шара сетку из точек, находящихся на расстоянии одного дюйма друг от друга. Предположим, что мы надуваем шар и его поверхность становится в два раза больше исходных размеров. Теперь точки находятся на расстоянии двух дюймов друг от друга. Значит, при расширении точки, разделенные изначально расстоянием в один дюйм, окажутся на расстоянии 2 дюймов друг от друга. За то же время точки, изначально находившиеся на расстоянии 2 дюймов, разойдутся еще на 2 дюйма, если расстояние между ними было 3 дюйма, к нему добавятся еще 3 дюйма, а точки, находившиеся на расстоянии 10 дюймов друг от друга, разойдутся еще на 10 дюймов. Чем больше было изначально расстояние между точками, тем быстрее они удаляются от избранной нами точки. И это будет справедливо для любой точки на поверхности шара.

Это простой способ объяснить, что не галактики разбегаются от нас, а, наоборот, вся метрика пространства, или структура космоса, расширяется. В трехмерном случае наглядно это можно представить себе так: вообразите поднимающийся в духовке пирог из дрожжевого теста с вкрапленными в него изюминками.

В январе 1931 года, во время второго визита в Америку, Эйнштейн решил посетить Маунт-Вилсон и сам все посмотреть, благо это было легко: обсерватория находится на горе над Калтехом, где гостил Эйнштейн. На взятой напрокат машине “пайес-эрроу” они поднялись по извилистой дороге. На вершине их встречал уже старый и больной Альберт Майкельсон, прославившийся попыткой обнаружить “эфирный ветер”.

Был солнечный день, Эйнштейн был оживлен и возился с настройкой телескопа и другими приборами. Эльза приехала с ними. Ей объяснили, что эти инструменты используются для определения размеров и формы вселенной. Говорят, она на это ответила: “Ну, мой муж может сделать это на обороте старого конверта” 49.

В прессе свидетельства расширения вселенной подавались как вызов теории Эйнштейна. Эта научная драма захватила публику. “Большие звездные скопления, – начиналось сообщение Associated Press, – разбегаются от Земли со скоростью 7300 миль в секунду, что создает проблемы д-ру Альберту Эйнштейну” 50.

Но Эйнштейн приветствовал поступающие известия. “В обсерватории Маунт-Вилсон работают замечательные люди, – написал он Бессо. – Недавно они обнаружили, что спиральные туманности распределены примерно однородно в пространстве. Для них наблюдается сильный эффект Допплера, пропорциональный расстоянию до них. Это легко получить из общей теории относительности, если не учитывать “космологический” член”.

Другими словами, космологическая постоянная, которую против собственного желания ему пришлось выдумать, чтобы сделать Вселенную статической, оказалась явно ненужной, поскольку на самом деле вселенная расширяется. “Захватывающая история”, – радостно сообщил Эйнштейн Бессо 51. (Как показал Эддингтон, космологический член, скорее всего, не работал бы, даже если бы Вселенная оказалась статической. Дело в том, что для статической Вселенной необходим очень точный баланс. Любое небольшое возмущение делает Вселенную либо расширяющейся, либо сжимающейся.)

Конечно, было бы необыкновенно увлекательно, если бы, доверившись своим уравнениям, Эйнштейн объявил сразу, что согласно предсказаниям общей теории относительности вселенная расширяется. Если бы он поступил именно так, воздействие экспериментов Хаббла, подтверждающих такое расширение, было бы еще более сильным, чем подтверждение Эддингтоном за десять лет до того предсказанного Эйнштейном изгибания световых лучей гравитацией солнца. Большой взрыв могли бы назвать взрывом Эйнштейна. И это осталось бы и в истории, и в сознании людей как одно из самых невероятных теоретических открытий современной физики 52.

А так Эйнштейн просто получил удовольствие, отказавшись от космологической постоянной, которая ему никогда и не нравилась 53. В новое издание своей популярной книги о теории относительности, вышедшее в 1931 году, он добавил приложение, где объяснил, почему член, введенный им в полевые уравнения, оказался, к счастью, не нужен 54. “Когда я обсуждал космологические проблемы с Эйнштейном, – вспоминал позднее Георгий Гамов, – он заметил, что введение космологического члена было самой грубой ошибкой, сделанной им за всю жизнь” 55.

На самом деле просчеты Эйнштейна часто вызывали больший интерес, чем триумфальные успехи менее значимых ученых. Просто исключить этот член из полевых уравнений было трудно. “К сожалению, – говорит лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг, – нелегко было просто отбросить космологическую постоянную, поскольку все, что дает вклад в плотность энергии вакуума, ведет себя как космологическая постоянная” 56. Оказалось, что космологическую постоянную нелегко было отбросить не только в то время. Она и сегодня нужна космологам, использующим ее, чтобы объяснить ускорение расширения вселенной 57.