Сергей Минаков - Таинственные явления природы и Вселенной

Альберт Эйнштейн был великим физиком. Великий физик отличается от обычного физика не просто эрудицией или компетентностью в математике (Эйнштейн, кстати, не был отличным математиком), а каким-то особым ви́дением и вкусом к глобальным, «общевселенским» вопросам. Эйнштейна мало интересовали «мелкие подробности» вроде положения и движения планет. Его теория гравитации — ОТО — дает возможность впервые в истории человеческого познания вести вполне научный разговор о Вселенной в целом! Можно сказать, что в рамках общей теории относительности открывается новый невиданный объект: «Вселенная как целое»! До сих пор в науке можно было рассматривать устройство тех или иных более или менее локальных областей мира. Но вопросы о мире как целом всегда отдавались на откуп философии, теологии или мифотворчества. Так было во времена Ньютона, во времена Галилея и ранее. Так было до Эйнштейна.

Конструируя с помощью ОТО теорию Вселенной в целом, Эйнштейн сделал три допущения. Первым было предположение о том, что материя распределена в космосе в среднем однородно. Конечно, во Вселенной существуют места, где концентрация звезд немного выше или ниже средней. Но в достаточно больших масштабах, как предполагал Эйнштейн, Вселенная с хорошей точностью может считаться однородной. Это, кстати, подразумевает, что наше положение в космосе ни в малейшей степени не является выделенным: все места во Вселенной более или менее одинаковы.

Эйнштейн также предположил, что Вселенная в среднем изотропна, то есть из любой точки она выглядит примерно одинаково во всех направлениях.

О третьем допущении нужно говорить особо. Оно состояло в том, что в среднем свойства Вселенной не меняются во времени. Иными словами, Вселенная статична или, как выражаются ученые, стационарна. Хотя у Эйнштейна не было наблюдательных подтверждений этого тезиса, картина вечной неизменной Вселенной казалась ему естественной и единственно возможной. Это было не физическое, а настоящее метафизическое допущение: просто представить дело как-нибудь иначе, что называется, «ум не поворачивался»! И в самом деле, какой же быть Вселенной в целом, как ни вечной, простирающейся без конца и края и неизменной?

Теперь Эйнштейн мог переходить к поиску тех решений уравнений своей космологической теории, которые описывали бы мир с определенными им характеристиками.

Однако он очень скоро выяснил нечто, что внушало ему сильное беспокойство: теория не допускает подобных решений. Причина была очень проста: массы, распределенные по Вселенной, отказывались оставаться в покое и отчаянно стремились друг к другу под действием собственного гравитирования.

Из постоянства скорости света вытекает знаменитый парадокс близнецов теории относительности. Время в быстро движущейся системе отсчета замедляет свой ход по сравнению с покоящейся системой. Из этого следует, что космонавт, совершивший полет с околосветовой скоростью, вернувшись на Землю, окажется моложе своего брата-близнеца, все время остававшегося на Земле.

Это обстоятельство сильно озадачивало и сбивало Эйнштейна с толку. Наконец он решил, что уравнения ОТО следует модифицировать так, чтобы они допускали существование статической Вселенной. Не нарушая общей структуры теории, Эйнштейн включил в свои уравнения дополнительный член, но не дал ему никакого особого названия и никак его не интерпретировал. Это добавление (которое по смыслу уравнений ОТО оказывалось неким «гравитационным отталкиванием») просто уравновешивало гравитационное притяжение масс так, чтобы Вселенная в целом оставалась стационарной. Из своих уравнений Эйнштейн вывел, что такой баланс достигается, когда новая постоянная равняется половине плотности энергии вещества во Вселенной.

Поразительным следствием модифицированных уравнений было то, что пространство статической вселенной должно быть искривленным и замыкаться само на себя подобно поверхности сферы. Космический корабль, движущийся прямо вперед в такой замкнутой вселенной, в конце концов, вернулся бы в исходную точку. Это замкнутое пространство называется трехмерной сферой. Ее объем конечен, хотя у нее нет границы.

Эйнштейн описал свою замкнутую модель Вселенной в статье, опубликованной в 1917 году. Он признавал, что у него нет наблюдательных подтверждений ненулевого значения космологической постоянной. Единственной целью ее введения было спасение статической картины мира.

Забегая немного вперед, скажем, что более десяти лет спустя, когда расширение Вселенной было уже открыто, Эйнштейн называл идею введения в уравнения ОТО новой постоянной величайшей ошибкой в свой жизни. Это странное гравитационное отталкивание почти на полвека исчезает с переднего края физических исследований, но возвращение его окажется поистине триумфальным.

«Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной», — когда-то сказал еще один великий физик, датчанин Нильс Бор. Безумность как критерий истинности! Однако для того, чтобы генерировать, а тем более отстаивать подобные идеи, требуется немалая научная смелость и даже дерзость.

В 1913 году Александру Фридману было двадцать пять. Он работал ассистентом на кафедре математики в Институте корпуса инженеров путей сообщения (позднее — Санкт-Петербургский институт инженеров железнодорожного транспорта) и читал лекции в Горном институте. Большинство его работ имело прикладной характер. В одном из своих исследований по гидродинамике он применил тензорный анализ, и поэтому обратился к теории Эйнштейна, в которой использовался тот же метод.

Из статей Эйнштейна Фридман знал, что без космологической постоянной теория не имеет статических решений, однако заинтересовался тем, какие варианты решений все же возможны. И вот тут он совершил радикальный шаг, обессмертивший его имя. Вслед за Эйнштейном Фридман предположил, что Вселенная однородна, изотропна и замкнута, то есть имеет геометрию трехмерной сферы. Но при этом отбросил условие статичности: позволил Вселенной двигаться. Размеры пространства и плотность вещества, по его допущению, могли изменяться во времени. Как только этот вариант был просчитан, Фридман обнаружил, что уравнения Эйнштейна имеют решение. Это решение соответствует неплоской — сферической Вселенной, которая начинается с точки, расширяется до некоторого максимального размера, а потом вновь сжимается в точку! В начальный момент (который мы теперь называем Большим Взрывом) все вещество Вселенной упаковано в единственную точку, в которой плотность вещества бесконечна. Она убывает, пока Вселенная расширяется, и растет, когда та сжимается обратно, чтобы опять стать бесконечной в момент, когда Вселенная вновь становится точкой.