Пол Хэлперн - Коллайдер

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк придумал математическое решение парадокса черного тела. Взамен классической картины, в которой энергия волны меняется пропорционально ее яркости, он предложил считать, что световая энергия приходит в виде отдельных порций, квантов («квантум» по-гречески «порция»). Причем энергия в каждом кванте пропорциональна частоте. Коэффициент пропорциональности сегодня называется постоянной Планка. Идея Планка, фактически означавшая перераспределение энергии в низкие частоты, позволяла избежать ультрафиолетовой катастрофы.

Пять лет спустя Эйнштейн применил эту идею о квантах к явлению, получившему название фотоэлектрического эффекта, или просто фотоэффекта. Фотоэффект имеет место, когда свет падает на металл, выбивая из последнего электроны (отрицательно заряженные частицы). Эйнштейн показал, что световую энергию электроны получают в виде отдельных квантов. То есть свет иногда ведет себя как частица, а не как волна. Эта теория стала одним из первых робких шагов к полной квантовой теории материи и энергии. Специальную теорию относительности, работы по фотоэффекту и эквивалентности массы и энергии - все это Эйнштейн опубликовал в 1905 г., который стал для него, как говорят, «годом чудес» [8].

Вскоре русско-немецкий математик Герман Минковский придал специальной теории относительности изящную форму. Приняв время за четвертое измерение, вдобавок к пространственным (длине, ширине и высоте), он заметил, что запись теории Эйнштейна значительно упрощается. Положив конец розни между пространством и временем, Минковский провозгласил рождение четырехмерного «пространства-времени».

Эйнштейн быстро понял, что новоиспеченное пространство-время может сослужить хорошую службу при создании новой теории гравитации. Хотя Эйнштейн признавал успехи ньютоновской теории всемирного тяготения, ему хотелось объяснить гравитацию в чисто локальных терминах, в терминах геометрии самого пространства-времени. Взяв за основу факт независимости ускорения свободного падения от массы тела, Эйнштейн сформулировал так называемый принцип эквивалентности, который гласит: покоящиеся и свободно падающие системы отсчета физически неразличимы. От этой отправной точки он пришел к тому, что соотнес между собой гравитационные эффекты в заданной области пространства-времени с геометрией этой области. Материя, предположил Эйнштейн, прогибает пространство-время, и это искривление заставляет тела двигаться по изогнутым траекториям. Например, Солнце исказило пространство-время вокруг себя, поэтому Земле не остается ничего иного, как двигаться по эллиптической орбите. Получается, источником силы тяготения являются не эфемерные канаты, а кривизна пространства-времени. Свое элегантное объяснение сил тяготения - общую теорию относительности - Эйнштейн опубликовал в 1915 г.

Проиллюстрируем общерелятивистскую связь между материей и искривлениями пространства на простом примере. Представим себе пространство-время в виде матраса. Если на нем ничего не лежит, поверхность идеально ровная. Тут приползает ленивец и решает на этом матрасе прикорнуть. Когда он ложится, матрас под ним проседает. Поэтому, если у ленивца с собой есть еще детеныш, из-за неровной поверхности отпрыск будет скатываться к своему родителю. Так же и Солнце прогибает «матрас» пространства-времени в Солнечной системе, и все планеты, оказавшиеся поблизости, неизбежно двигаются по искривленным орбитам.

У общей теории относительности есть еще одно удивительное свойство - она проливает свет на происхождение Вселенной. Вкупе с астрономическими наблюдениями она предсказывает, что у времени было начало, причем в этот момент космос находился в невероятно горячем и плотном состоянии. За миллиарды лет пространство расширилось и из крошечной области превратилось в огромный контейнер, вмещающий в себя свыше миллиарда галактик, от миллиардов до сотен миллиардов звезд в каждой. [9]

Эйнштейн не ожидал, что его теория вместо статической даст расширяющуюся Вселенную. Подставив в свои уравнения более-менее разумное распределение материи, он с удивлением увидел, что получающаяся геометрия оказывается неустойчивой: начинает расширяться или сжиматься от малейшего толчка. Так карточный домик рассыпается от любого ветерка. Что-то не то, подумал Эйнштейн, уверенный в неподвижности космоса в больших масштабах. Чтобы спасти свою теорию от неустойчивых решений, он добавил в уравнение дополнительное слагаемое, космологическую постоянную (или лямбда-член). Она могла служить своего рода «антигравитацией», не дающей материи скучиваться на больших масштабах.

Пришел 1929 г., год неожиданного открытия американского астронома Эдвина Хаббла. Из наблюдений, проведенных в обсерватории Маунт-Вильсон в Южной Калифорнии, следовало, что все остальные галактики во Вселенной, кроме разве что самых близких к Млечному Пути, от нас удаляются. То есть мы воочию видим расширение пространства. Обратив этот процесс назад в прошлое, ученые пришли к потрясающему выводу: когда-то Вселенная была гораздо меньше, чем сейчас. Эту гипотезу окрестили гипотезой Большого взрыва.

Когда Эйнштейн осознал значение открытия Хаббла, он отказался от космологического члена, назвав его своим «величайшим заблуждением». В итоге в науку вошла модель нестационарной Вселенной. Ее создатель русский математик и метеоролог Александр Фридман показал, что дальнейшее поведение Вселенной зависит от ее плотности. Если плотность больше или равна критической, расширение будет продолжаться, а если меньше, то сменится сжатием. Сравнительно недавние наблюдения указывают, однако, на то, что Вселенная расширяется, кроме всего прочего, ускоренно. Поэтому многие теоретики предложили вернуть космологическую постоянную, чтобы объяснить всемирное ускорение.

Сегодня благодаря подробным измерениям реликтового излучения, оставшегося от Большого взрыва, ученые в целом понимают, как развивалась ранняя Вселенная и как рождалась ее структура. Это излучение было испущено первыми образовавшимися атомами, а затем охладилось вместе с расширением Вселенной. Поэтому оно дает мгновенный снимок юной Вселенной, показывает, какие области были плотнее, а какие - разреженнее. Теоретические достижения Эйнштейна плюс современные астрономические данные открыли нам окно в прошлое. На сегодняшний день ученые могут уверенно рассуждать о том, что происходило спустя считанные секунды от начала времен.

Отвечая на фундаментальные вопросы об устройстве космоса, наука до сих пор шла семимильными шагами. Нашими всеобъемлющими знаниями о компонентах материи, фундаментальных силах и о строении Вселенной мы обязаны недюжинным успехам химии, физики, астрономии и смежных дисциплин. Но наша любознательность не оставляет нам иного выбора, кроме как попытаться перевести стрелки времени еще ближе к моменту рождения Вселенной - к одной триллионной секунды после Большого взрыва - и понять первопринципы, стоящие за всем сущим.