Знание-сила, 2007 № 08 (962)

Переход к ускоренной системе отсчета, своей в каждой точке пространства, есть локальное преобразование четырех координат, включая время. Оно приводит к искривлению всей геометрии четырехмерного пространства. Такая теория называется общей теорией относительности. Принцип эквивалентности Эйнштейна включает в себя как частный случай принцип инвариантности Галилея и служит его обобщением.

Для величины, отвечающей за кривизну пространства-времени, Эйнштейн предложил уравнение, руководствуясь только тем, чтобы «было хорошо», точнее, соображениями естественности, экономности и изящества. Это — уравнение для структуры пространства-времени, а всю существующую материю[* Материей в контексте общей теории относительности принято называть все поля и частицы помимо гравитационного поля. Этот термин не имеет отношения к философской категории «материя».], включая электромагнитное поле, Эйнштейн поместил в правую часть как источник кривизны и гравитации. Уравнение это выбито в камне на памятнике Эйнштейну в Вашингтоне недалеко от мемориала Линкольна. Не могу только припомнить, вместе с Лямбда-членом (космологической постоянной) или без него. Дело в том, что Эйнштейн колебался, надо ли включать этот член в уравнение — то, было, включал, то отказывался от него. Руководящий принцип красоты ничем не мог ему в этом выборе помочь. Ныне Лямбда-член составляет главную интригу в космологических сценариях.

В сказанном можно усмотреть, что время течет с разной скоростью в зависимости от гравитационного поля. Скажем, характерные частоты, на которых одни и те же атомы излучают электромагнитные волны, изменяются, если эти атомы находятся в сильных гравитационных полях звезд: другое время — другая частота. Выше уже говорилось о двух разных временах в поле черной дыры. Черная дыра в пространстве-времени — это сингулярное решение уравнений Эйнштейна без материи, найденное Шварцшильдом в 1916 году. Еще одно решение — решение Фридмана (1923), отвечающее расширяющейся Вселенной. Оно содержит космологическую сингулярность, ответственную за Большой Взрыв, с которой в модели Фридмана примерно 14 миллиардов лет тому назад начался мир.

В течение полувека, до возникновения в восьмидесятых годах инфляционной космологии, и еще потом по инерции лет двадцать, пока она не получила наблюдательного подтверждения и не овладела умами, считалось, что тем самым у времени есть начало. Более того, в предположении, что полная масса Вселенной меньше некоторого критического значения, время должно было бы иметь и конец, который должен был бы наступить после того, как, согласно решению Фридмана, расширение сменится неудержимым сжатием. Идея о существовании начала времени особенно пришлась ко двору современным христианским философам (точнее, почему-то только католического толка — вот кому советский физик Фридман ненароком угодил)[* Поразительно, с какой готовностью Церковь восприняла идею об эволюции Вселенной, имея в виду ее ожесточенное противостояние идее эволюции человека. А ведь согласно даже библейскому мифу, человек был создан из «праха», то есть из неживого, и, надо думать, этот процесс тоже не был одномоментным.].

В современной инфляционной космологии вопрос о начале и конце мира снимается. Еще до того, как расширяющееся фридмановское решение вступило в силу, — если двигаться назад во времени, то, не доходя (1/10 35) — той доли секунды до космологической сингулярности — существовала так называемая фаза раздувания, или инфляции. Эта фаза описывается решением де Ситтера уравнений Эйнштейна с Лямбда-членом, но в пустоте, без материи. Согласно этому решению, наш мир представлял собой четырехмерную поверхность постоянной кривизны, вложенную в пятимерное пространство. В мире де Ситтера все масштабы, а вместе с ними и размер Вселенной, растут с экспоненциальной скоростью. Та часть Вселенной размером 14 миллиардов световых лет, которую мы только в состоянии наблюдать из-за ограниченности скорости света, раздулась из некогда очень маленькой области. Так инфляционная космология отвечает на вопрос, почему видимая часть Вселенной в среднем, если не считать таких «мелочей», как звезды, галактики и их скопления, поразительно однородна в своих глобальных свойствах.

Вот к чему приводит включение Лямбда-члена. Если он просто задан, то отражает свойства пустого пространства, называемого вакуумом, и является источником, порождающим впоследствии всю материю. Так что «в начале было слово и это слово было»... уравнение Эйнштейна с Лямбда-членом. На этой базе строится сценарий рождения мира «из ничего», «from nothing». Как в «Алисе в Зазеркалье». Там есть такой диалог: «I see nobody. — What is he doing?» Можно в том же духе спросить себя, из чего состоит это «ничего», иначе говоря, есть ли материальное воплощение Лямбда-члена?

Так вот Лямбда-член имитирует материю или состояние вещества, в котором давление отрицательно и равно минус плотности энергии. Эта материя, названная, по-видимому, не очень удачно, темной энергией, антигравитирует, то есть состоящие из нее предметы гравитационно расталкиваются, а не притягиваются. Величайшим открытием, увенчавшим триумфальное шествие физики ХХ века, стало обнаружение в 1998 году этой темной энергии, которая и в нашу космологическую эпоху составляет 70% всей массы Вселенной. Антигравитация открыта уже девять лет, а до широкой публики это еще не дошло! Проявляется наличие темной энергии тем, что Вселенная расширяется, то есть галактики разбегаются, преодолевая ее отрицательное давление, быстрее, чем по закону Хаббла — наблюдаемым следствием решения Фридмана.

Быть может, Эйнштейну, доживи он до наших дней, понравилось бы рождение Вселенной «из ничего». Но в его время такого еще не было. Будучи неудовлетворен тем, что только гравитация порождается геометрией, он поставил своей целью найти универсальный принцип — единую идею — который бы позволил получить сразу все разнообразие остальных взаимодействий, и провел в бесплодных усилиях остаток жизни, самоустранившись от происходившего тогда бурного развития теории поля, порожденного его теорией относительности и квантовой механикой. В семидесятых, уже после его смерти, частично эта мечта воплотилась в создании объединенной теории сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий на основе калибровочных теорий поля.

Полный триумф единой теории поля был, как одно время казалось, достигнут на базе совершенно нового подхода, в котором вместо привычного нуль-мерного объекта — материальной точки, берется за основу двумерное образование, названное струной, описываемое координатами: одной пространственной и одним временем. Древние атомисты не додумывались до того, чтобы строить мир не из атомов-точек, а из струн, живущих собственной внутренней жизнью в своем двумерном мирке. Такая теория оказывается непротиворечивой, если только размерность пространства- времени, в котором живут поля и мы вместе с ними, равна десяти или одиннадцати. А нам-то нужно, чтобы было четыре. Поэтому лишние размерности было решено сворачивать в трубочки, шарики или бублики (торы) — это называется компактификация. Пока радиус трубочки или шарика мал, мы можем продолжать утешать себя мыслью, будто, как и в старое доброе время, продолжаем жить в пространстве-времени четырех измерений, хотя рано или поздно компактифицированные измерения проявят себя.