Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Теоретические работы в Европе намного опередили наблюдения Хаббла, но в те времена научные новости путешествовали медленно, и между практическими астрономами и теоретиками, разрабатывавшими ту же проблему, контактов почти не было. Эйнштейн занялся космологией вскоре после того, как в 1916 году закончил работу над общей теорией относительности, однако его попытки применить теорию к процессам, происходящим во всей Вселенной, натолкнулись на трудности. Астрономы убедили его в том, что, несмотря на существование хаотического движения объектов во Вселенной, в среднем она стационарна, и Эйнштейн принял это как важную предпосылку своей теории. Однако, попытавшись решить соответствующие уравнения, он понял, что его Вселенная либо сжимается, либо расширяется. Следовало сделать её стабильной, и пришлось в уравнения ввести константу. Поначалу Эйнштейн колебался, понимая, что это разрушит простоту и красоту уравнений. Но постепенно он смирился, утешаясь тем, что на уровне Вселенной всё происходит по-другому. Хотя его «космологический член» был важен для Вселенной в целом, применительно к обычным астрономическим объектам им можно было пренебречь.

Вселенная Эйнштейна имеет сферическую форму; луч света, движущийся в определённом направлении, описывает в ней огромный круг и возвращается назад, в ту точку, откуда вышел. Это разрешало загадку, которая годами не давала покоя астрономам: где конец Вселенной? А если у неё есть конец, то что находится по ту сторону? Во Вселенной Эйнштейна всё проще: у неё нет конца, но она замкнута. Это, к облегчению многих, означало, что размеры Вселенной конечны.

В том же 1917 году, когда Эйнштейн опубликовал свою работу по космологии, голландский астроном Биллем де Ситтер предложил другую космологическую теорию. За год до этого Эйнштейн послал де Ситтеру экземпляр своей статьи по общей теории относительности, которая произвела на голландца столь сильное впечатление, что он переслал её в Англию Эддингтону. Эддингтон также счёл статью весьма важной и способствовал её распространению.

Де Ситтер родился в Нидерландах в 1872 году. Окончив школу, он поступил в Гронингенский университет, где собирался изучать математику, но вскоре заинтересовался астрономией. Защитив диссертацию, он два года провёл в Кейптауне, наблюдая южное небо. Вернувшись в Европу, де Ситтер через несколько лет получил место профессора в Лейдене, а в 1919 году был назначен директором обсерватории.

Модель де Ситтера была, по меньшей мере, странной. Странность заключалась в её пустоте. «В конце концов, – любил повторять он, – реальная Вселенная почти пуста.» Другая странность состояла в том, что модель предсказывала красное смещение (возможно, это повлияло на взгляды Хаббла). Модель де Ситтера вызывала интерес учёных несколько лет, может быть, дольше, чем она того заслуживала. Хотя Эйнштейн и стал близким другом де Ситтера, эта теория ему не нравилась. Его не привлекала мысль о пустой Вселенной, а предсказание красного смещения сбивало с толку и казалось бессмысленным.

Де Ситтер сохранил в своей теории космологический член – как и Эйнштейн, он считал, что без него в стационарной Вселенной не обойтись. Позднее мы увидим, что модель де Ситтера не была стационарной. Нашлись, впрочем, учёные, которые предлагали отказаться от космологического члена. В Советском Союзе независимо от других учёных, занимавшихся теорией относительности, работал Александр Фридман. Большинство его работ имело прикладной характер: он был ассистентом на кафедре математики в Институте корпуса инженеров путей сообщения [ позднее Ленинградский институт инженеров железнодорожного транспорта. – Прим. перев. ], затем читал лекции в Горном институте. В своих работах по гидродинамике он применил тензорный анализ, вследствие чего и обратился к теории Эйнштейна, в которой использовался тот же метод.

Проанализировав космологическую теорию Эйнштейна (без космологического члена), Фридман обнаружил, что одна из больших величин в знаменателе стремится при определённых условиях к нулю, чего Эйнштейн не заметил. Тщательно проверив свою идею, он создал эволюционную теорию Вселенной, развивающейся во времени. Полученные результаты взволновали его, и он послал их Эйнштейну, но ответа не получил. Прошло несколько месяцев, и Фридман решил их опубликовать. Его статья появилась в 1922 году в немецком журнале «Zeitschrift fur Physik» и привлекла внимание Эйнштейна, который написал редактору короткое письмо с критикой статьи (он считал её ошибочной). В следующем номере журнала редактор опубликовал его возражения, но Фридман сразу увидел, что критика необоснованна, и продемонстрировал это. Эйнштейну пришлось взять свои слова обратно, что он и сделал в краткой записке с извинениями, но почему-то до конца эту теорию так и не принял.

Хотя статья Фридмана была опубликована в престижном журнале, она почти не привлекла к себе внимания. Тому есть две причины. Во-первых, в Европе результаты Слифера не были известны, а Хаббл ещё даже не начал заниматься этой проблемой, т.е. в сущности не было причин принимать эволюционную теорию. Во-вторых, на учёных могло повлиять мнение Эйнштейна, а ему не нравилась сама идея, ведь он считал Вселенную стационарной, и эволюционная модель казалась ему не стоящей внимания; сам он, чтобы как-то обойти такую модель, ввёл в свою теорию космологический член. Странно, впрочем, что Эйнштейн не привлёк к ней внимания учёных, когда подтвердилось расширение Вселенной, а следовательно, и правота Фридмана. Возможно, его смущало то, что он сам не нашёл такого решения, а может быть, он просто забыл об этой теории.

Два года спустя Фридман опубликовал вторую работу на ту же тему, а ещё через год, в 1925 году, учёный умер от тифа. Он так и не увидел плодов своего труда. Хотя теория его долгие годы была буквально погребена, в конце концов она привлекла к себе внимание научных кругов и теперь признана повсеместно.

По модели Фридмана возможны три типа Вселенных, каждая из которых имеет различную кривизну. Первый – это пространство с положительной кривизной (риманово), весьма похожее на предложенный Эйнштейном вариант – такая Вселенная сначала расширяется до определённого радиуса, а затем наступает сжатие. Во втором типе Вселенной пространство имеет отрицательную кривизну (как в геометрии Лобачевского), и такая Вселенная постоянно расширяется. Третий, промежуточный вариант – это плоская Вселенная с евклидовым пространством, такая Вселенная тоже постоянно расширяется. Какая из этих моделей реализуется, зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Если плотность больше определённого критического значения, то Вселенная имеет положительную кривизну и в конце концов коллапсирует, если же плотность ниже критической, то пространство имеет отрицательную кривизну и будет постоянно расширяться. Пока мы ещё точно не знаем, какова средняя плотность, и соответственно не представляем себе будущего Вселенной.