Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

их легко можно было избежать, выбрав другую систему. И Эйнштейн был вынужден признать, что существует решение его уравнений поля с космологической постоянной без материи, даже если он по-прежнему не считал, что они существуют в реальности.

Однако модель Виллема де Ситтера не является космологической выдумкой, как всегда думал Эйнштейн, физики работают с ней и по сей день. Уже опубликованы тысячи научных статей. С одной стороны, эта модель является простейшим космологическим решением общей теории относительности для поля с постоянной кривизной. А с другой стороны, она в удивительно хорошем приближении описывает как отдаленное будущее нашей Вселенной, так и самые первые мгновения ее существования.

Модель мира, свободного от материи, описанная Виллемом де Ситтером, имеет форму гиперболоида[110]. Это доказывало, что между пространством-временем и материей, а также энергией нет обязательной связи, и опровергало мнение Эйнштейна о невозможности «пустого» пространства-времени. Мир Де Ситтера меняется: то сжимается, то снова расширяется. Между двумя тестовыми частицами в нем не будет сохраняться в течение длительного времени постоянное расстояние.

Упущенная возможность

Но модели мира Эйнштейна не суждено было просуществовать долго. Ей противоречили астрономические наблюдения. Решение Эйнштейна не подразумевало устойчивость мира – и это несмотря на введение космологической константы. Эйнштейн не смог избежать недостатков модели Ньютона. Это доказал в 1930 году британский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон.

Он показал, что искривленная вселенная Эйнштейна очень чувствительна к малейшим возмущениям – кашель или дуновение ветра вывели бы ее из равновесия и заставили бы сколлапсировать или разлететься на части. И модель мира де Ситтера, вопреки первому предположению, тоже оказалась неустойчивой.

Сейчас это знает каждый космолог: Вселенная не является чем-то вечным и неизменным. Но эту непостоянную Вселенную описывали другие космологи: Александр Фридман[111] (с 1922 г.), Жорж Леметр[112] (с 1925 г.) и Говард П. Робертсон[113] (с 1928 г.). Задолго до того, как появились астрофизические доказательства этого, их исследования показали, что наша Вселенная – ее материя, энергия, а также пространство-время – должна была выйти из чрезвычайно плотного состояния и с тех пор расширяется. Это начальное состояние позже было названо Большим взрывом.

Виллем де Ситтер также не предполагал, что Вселенная расширяется. И это несмотря на то, что он сформулировал свою модель не только в неподвижных, но и в более поздних динамических координатах. И хотя де Ситтер обсуждал первые измерения спектров галактик еще в 1917 году, ему не хватило данных, чтобы сделать правильные выводы. Только в 1924 году астроном Эдвин Хаббл[114] из обсерватории Маунт-Вилсон окончательно доказал, что туманности на небе – например, знаменитая туманность в созвездии Андромеды – это не части Млечного Пути, а отдельные звездные системы. А затем, в 1929 году, он понял, что галактики удаляются друг от друга, а Вселенная расширяется, и объяснил это, сославшись на модель мира де Ситтера.

Космос состоит из миллиардов широко разбросанных галактик и гигантских пустых пространств между ними. Земля – это пылинка на окраине обычной спиральной галактики Млечный Путь.

Виллем де Ситтер смог снова заняться космологией только в 1930-х годах. До этого он расширял Лейденскую обсерваторию и долгое время был президентом Международного астрономического союза. Поэтому Эддингтон назвал его человеком, который открыл Вселенную и забыл о ней. Познакомившись с результатами измерений Хаббла, де Ситтер, как и Эйнштейн, быстро – не позднее 1931 года – принял модель расширения Вселенной.

Пространство расширяется, и галактики удаляются друг от друга – подобно точкам на поверхности надуваемого воздушного шара. Эйнштейн и де Ситтер создали простейшую модель этой динамической космологии в 1932 году.

У этой истории было две концовки. Во-первых, в 1933 году космолог (и священник) Жорж Леметр нашел нечто общее между моделями Эйнштейна и де Ситтера: Вселенная могла перейти из состояния покоя к расширению, подчиняясь все той же космологической константе  λ. Во-вторых, Эйнштейн и де Ситтер совместно создали простейшую модель расширяющейся Вселенной в 1932 году, включая первые астрономические оценки – без глобальной кривизны и  λ.

Эта модель была очень популярна в космологии до 1998 года. Затем астрономы обнаружили, что пространство расширяется с ускорением в течение миллиардов лет, – и теперь небольшое положительное значение космологической постоянной является лучшим и самым простым объяснением.

Как Эйнштейн свалял дурака

Если уже нет статического мира, теперь пришла очередь отказа от космологической константы.

Так Эйнштейн разочарованно написал Герману Вейлю уже 23 мая 1923 года, после провала первой модели мироздания. Теперь космологическая константа казалась ему необязательной.

После открытий «убегания» почти всех галактик вокруг Эдвином Хабблом Эйнштейн окончательно поверил, что может обойтись без  λ. В 1931 году он писал в «Трудах» Прусской академии наук:

Это показывает, что статическое решение не является стабильным, даже несмотря на результаты наблюдений Хаббла. В этих условиях необходимо поставить перед собой вопрос, не лучше ли обойтись без константы  λ.

В том же 1931 году, по словам физика Джорджа Гамова[115], Эйнштейн даже сказал, что «свалял дурака», решив, что в его уравнениях необходима  λ. Оглядываясь назад, можно сказать, что Эйнштейн «свалял дурака» дважды. Во-первых, он поспешил отказаться от космологической постоянной, которая на самом деле является неотъемлемой частью его уравнений, как было доказано позже. Во-вторых, он мог бы сделать грандиозное предсказание о расширении пространства, оно было доказано только двенадцать лет спустя.

На самом деле как астрономы поняли в 1998 году, космос расширяется все быстрее и быстрее в течение примерно шести миллиардов лет. Причина этого ускоренного расширения до сих пор неясна. Некоторые физики даже считают, что из-за нее требуется модификация общей теории относительности для больших расстояний. Но самое простое объяснение – и оно не противоречит всем данным астрономических наблюдений на сегодняшний день – это небольшое положительное значение космологической постоянной Эйнштейна!

Шест Эйнштейна

1. Какую новую идею подарил Эйнштейн космологии?

◻ а. Бесконечную неограниченную Вселенную

◻ б. Конечную, но безграничную Вселенную

◻ в. Конечную и ограниченную Вселенную

2. Для чего нужна была Эйнштейну космологическая постоянная?

◻ а. Чтобы объяснить ускоренное расширение Вселенной

◻ б. Чтобы Вселенная сохранялась статичной

◻ в. Чтобы описать строение Млечного Пути

3. Какое