Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

В 1960-е, по воспоминаниям Пиблса, космология все еще была «скромной дисциплиной, — дисциплиной, продвижением которой занимались два или три человека». Он считал, что «дисциплина, продвигаемая двумя-тремя учеными, находится в бедственном положении». Мало кто активно работал в этой области, исследований практически не проводилось. Пиблса такая ситуация более чем устраивала. Она давала возможность не спеша заняться решением захвативших его воображение проблем, двигаясь в собственном темпе. После получения докторской степени по квантовой физике Пиблс посвятил себя развитию космологии. Начал он с объекта, который коллеги по Принстону называли «первичным огненным шаром», пытаясь понять, что происходило с атомами и ядрами на ранней стадии развития Вселенной, когда она была горячей и плотной. Он работал как настоящий мастер: закрылся в кабинете и покрывал страницу за страницей уравнениями, медленно продвигаясь в вычислениях вперед и совершенствуя свой подход.

Руководитель Пиблса имел другой взгляд на вещи. Как вспоминает Пиблс: «Для него физика, без всякого сомнения, была теорией, но теорией, которая в ближайшем будущем должна быть проверена экспериментально», поэтому Дикке заставил свою группу искать оставшееся от первичного огненного шара реликтовое излучение. Они разработали новый вид детектора, при помощи которого можно было сканировать небо с крыш зданий, но излучения не обнаружили. В один из вторников в конце 1964 года Дикке сидел со своей группой в офисе, проводя еженедельное собрание, и вдруг зазвонил телефон. После короткого разговора, положив трубку, Дикке сказал: «Нас обскакали». Ему звонил Арно Пензиас, чтобы сообщить, что вместе с Робертом Вильсоном из лабораторий Белла они, похоже, обнаружили признак реликтового излучения. За месяцы работы группа Дикке подтвердила результат, полученный в лабораториях Белла, но было слишком поздно: Нобелевская премия досталась Пензиасу и Вильсону.

С точки зрения Пиблса, с рисуемой учебниками физики в 1960-х годах картиной космоса было что-то не так. В то время обсуждались две совершенно разные темы. С одной стороны, история и эволюция Вселенной, рассказанная Фридманом и Леметром. Они объясняли, как менялись пространство, время и материя в самом крупном из возможных масштабов. На другой чаше весов находились объекты интереса астрономов — галактики и галактические скопления. Эти галактики были частью Вселенной, но их наличие казалось почти несущественным и не связанным с фундаментальным расширением и структурой Вселенной. Они напоминали яркие цветные световые завитушки, нарисованные на пространстве-времени. Разумеется, галактики давали много информации о Вселенной, например о скорости ее расширения или о количестве содержащейся в ней материи. Но глядя на небо, Пиблс ощущал, что галактикам следует отвести больше места, — он был убежден, что они должны играть ключевую роль в эволюции и крупномасштабной структуре Вселенной, с этим же должно быть связно и их происхождение. Галактики, все эти великолепные пятна света, газ и звезды, задним числом брошенные в пространство-время, не могли появиться из ничего. Значит, галактики должны были играть некую роль в общей теории относительности Эйнштейна. Вопрос был в том, какую. Для Пиблса это была идеальная задача: сложная открытая проблема, которой практически никто не хотел заниматься.

Роль гравитации в формировании отдельных галактик очевидна. Совокупность материи сжимается под действием собственной силы тяжести. Если материи достаточно много, ее кинетической энергии хватает на то, чтобы остановить сжатие в определенной точке, в которой итоговый конгломерат превращается в управляемую собственной силой тяжести галактику. Намного менее понятной для Пиблса была связь гравитационных эффектов при формировании отдельной галактики с ролью гравитации при расширении Вселенной. На эту связь указывал аббат Леметр. Задумывался о механизме формирования галактик в расширяющейся Вселенной и русский теоретик Георгий Гамов. Но ни один из них не смог подтвердить свои гипотезы соответствующими вычислениями. В 1946 году один из учеников Ландау, Евгений Лившиц, взял уравнения Эйнштейна и попытался связать происходящее в масштабе Вселенной с происходящим в намного меньшем масштабе отдельных галактик. Его результат дал представление о том, каким образом могла бы возникать крупномасштабная структура Вселенной: небольшая рябь в пространстве-времени начинает развиваться и расти в соответствии с его уравнениями, и в областях высокой кривизны формируются и группируются галактики, образуя крупные структуры, которые мы можем наблюдать в наши дни.

Работая над поведением атомов и света в изначальной Вселенной, Пиблс понял, что новые данные способны объяснить механизм формирования галактик после Большого взрыва. Приблизительно оценив возраст Вселенной, плотность атомов и температуру реликтового излучения, Пиблс обнаружил, что масса сколлапсировавших структур, таких как Млечный Путь, могла бы составлять от миллиарда до сотен тысяч миллиардов масс Солнца. Как ранее предположил Гамов, Вселенная на ранних стадиях развития казалась идеальным для возникновения галактик местом.

В своих попытках детально понять процесс формирования галактик Пиблс был не одинок. Аспирант из Гарварда Джозеф Силк утверждал, что коллапсирующие сгустки, в конечном счете сформировавшие галактики, должны были оставить свой след в первичном огненном шаре — слабую мешанину горячих и холодных областей в недавно открытом Пензиасом и Вильсоном реликтовом излучении. Результатам Силка вторили Райнер Сакс и его студент Артур Вольфе в Остине, обнаружившие, что даже в самом большом масштабе на реликтовое излучение будет влиять гравитационное сжатие всей материи во Вселенной. К аналогичному заключению пришла и группа Якова Зельдовича в Советском Союзе. Они показали, что по пульсациям реликтового излучения, сохранившегося с момента, когда возраст Вселенной насчитывал всего несколько сотен тысяч лет, можно смоделировать первые мгновения, приведшие к формированию галактик. Такими вот разными и несогласованными путями физическая космология Гамова и Пиблса начала приносить свои первые плоды.

Пиблс хотел объяснить расширение Вселенной — горячее начало, первичный огненный шар, атомы, гравитационный коллапс — в терминах базового учебника физики, скомбинировав общую теорию относительности с термодинамикой и законами распространения света. Вместе с Джер Ю, своим аспирантом из Гонконга, он написал полный набор уравнений, позволяющих проследить за эволюцией Вселенной от первых моментов после Большого взрыва до наших дней. Вселенная Пиблса начиналась с однородного горячего состояния, в котором практически отсутствовали импульсы, возмущающие изначальную смесь газа и света. Но по мере своего развития эти возмущения наталкивались на давление со стороны беспорядочной липкой плазмы, состоящей из свободных электронов и протонов. Вселенная шла волнами, как поверхность пруда, пока электроны и протоны не объединились друг с другом, сформировав водород и гелий. После этого наступила следующая стадия: атомы и молекулы стали собираться в группы, сжимаясь под действием силы тяжести, образуя рассеянные по пространству-времени крупицы массы и света. Это были возникшие после Большого взрыва галактики и галактические скопления.