Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

График, изображенный на рис. 8.2, показывает, что Вселенная де Ситтера не имеет ни начала, ни конца. Линия под верхушкой конуса соответствует бесконечно сужающемуся диаметру конуса, если двигаться в отрицательную сторону по оси времени. Однако, как мы вскоре увидим, позднее было доказано, что инфляционное расширение Вселенной должно было иметь начальную точку, хотя этому моменту мог предшествовать процесс сжатия.

Эйнштейн был недоволен решением де Ситтера. Кроме того, Вселенная не пуста{122}. Де Ситтер предполагал, что его решение, возможно, хорошо работает в некотором приближении в случае, если плотность вещества мала. Как мы вскоре узнаем, он был недалек от истины. Судя по данным измерений плотности энергии и массы, наша Вселенная всего на 26% состоит из вещества и пренебрежимо малого количества излучения. (В главе 10 мы выясним, где и каким образом ученые проводят границу между веществом и излучением.)

Вселенная Фридмана

В 1922 году российский физик и математик Александр Фридман доказал, что пространство и время могут заключать в себе не только статическое, но и динамическое многообразие. Я не буду приводить здесь его оригинальную формулировку, а вместо этого изложу современную общепринятую трактовку идеи Фридмана.

В 1929 году американский физик Говард Робертсон написал ключевую работу по этой теме — «Основы релятивистской космологии», где ввел понятие метрики Робертсона — Уокера, также полученной Артуром Уокером в 1935 году, которая определяет все возможные линейные элементы четырехмерного пространства-времени для однородной изотропной Вселенной. Он доказал, что решения Эйнштейна и де Ситтера — единственно возможные статические решения и что уравнения Фридмана работают для всех динамических моделей{123}.

Из гравитационного уравнения Эйнштейна Фридман вывел два новых уравнения, описывающих, как Вселенная может развиваться с течением времени{124}. При условии однородности и изотропности Вселенной уравнения Фридмана позволяют рассчитать зависимость от времени величины a(t), называемой в метрике Робертсона — Уокера масштабным фактором, который описывает расширение или сжатие пространства.

Идею Фридмана зачастую наглядно объясняют на примере надувающегося воздушного шара. Нарисуйте две точки на поверхности частично надутого шарика. Если надуть его сильнее, точки отодвинутся друг от друга, если сдуть — сблизятся. В модели Фридмана двухмерная поверхность трехмерного шарика аналогична трехмерному пространству в четырехмерном пространстве-времени Минковского.

Фридман обнаружил три основных возможных сценария космической эволюции, зависящих от значения коэффициента кривизны k, определяющего общую геометрию трехмерного пространства. Если k = 0, пространство плоское, то есть в нем действует евклидова геометрия. Если k = +1, Вселенная замкнута и представляет собой неевклидово пространство с положительной кривизной, подобное поверхности трехмерной сферы. Если k = -1, Вселенная представляет собой открытый трехмерный гиперболоид, кривизна пространства имеет отрицательное значение и пространство напоминает по форме седло. Любой из этих вариантов можно рассмотреть с точки зрения суммы внутренних углов треугольника: 180° для k = 0, больше чем 180° для k = +1, меньше чем 180° для k = -1.

Частные решения уравнений Фридмана зависят от природы вещества во Вселенной, а также значений k и космологической постоянной L.

Эйнштейн не приветствовал появление модели Фридмана. Он считал, что нашел в его работе математическую ошибку. Правда позднее признал, что с математической точки зрения работа корректна, однако «не имеет физического смысла». К сожалению, Фридман не смог продолжить свою работу, поскольку умер в 1925 году в возрасте всего лишь 37 лет. В одной недавней статье говорится, что его вклад в космологию не до конца понят и часто подается превратно{125}. Возможно, Фридман умер, так и не успев осознать его, поскольку он не связывал свои расчеты с астрономическими наблюдениями.

Вселенная Леметра

Практически единственным ученым тех лет, которому, похоже, удалось уловить зарождающуюся связь между математической космологией и примечательными данными наблюдений, появившимися в одно и то же время, был бельгийский священник-иезуит и физик Жорж Леметр. В 1927 году Леметр опубликовал статью на французском языке под названием «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей» (Un Univers homogene de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nebuleuses extra-galactiques){126}. В этой статье он доказал, что из уравнения Эйнштейна следует расширение Вселенной и это объясняет красное смещение галактик. Леметр не цитировал Фридмана и не упоминал другие космологические решения, поскольку его интересовало только описание явлений, наблюдаемых в то время. Формулировка Леметра теперь известна как решение Фридмана — Леметра.

Однако работа Леметра, написанная на французском и опубликованная в малоизвестном журнале, который мало кто читал, несколько лет ожидала своего признания. Сам Леметр не занимался ее продвижением, хотя и послал копию Эддингтону, который ничего не ответил.

Только спустя 6 месяцев после выхода статьи Леметру удалось встретиться с Эйнштейном в брюссельском парке. Эйнштейн приехал на один из исторических Сольвеевских конгрессов, регулярно проходивших в Брюсселе. Пятый конгресс, прошедший в 1927 году, стал легендой, его посетили все сколько-нибудь значимые физики тех времен (Эйнштейн, Бор, Планк, Шрёдингер, Гейзенберг, Борн, Паули, Дирак, Лоренц, Перрен, де Бройль, Резерфорд, Джинс, Пуанкаре, Бриллюэн и др.), и именно там начался великий спор о квантовой механике между Эйнштейном и Бором, продлившийся годы{127}. Семнадцать участников конференции из 29 стали лауреатами Нобелевской премии[11] (астрономы в конгрессе не участвовали).

Итак, Леметр, также бывший в списке приглашенных, встретив Эйнштейна в парке, коротко изложил ему свою модель, на что тот ответил: «Ваши расчеты верны, но вы отвратительно понимаете физику»{128}.

Закон Хаббла

Тем временем Хаббл и его талантливый и педантичный ассистент Милтон Хьюмасон (1891–1972) продолжали усердно трудиться. Ни тот ни другой особенно не разбирались в общей теории относительности. В чем они знали толк, так это в наблюдениях за небом. Хьюмасон на тот момент имел восемь классов образования (в итоге он стал доктором наук) и учился проводить астрономические наблюдения после того, как пригонял в обсерваторию обозы снабжения, запряженные мулами. По поручению Хаббла Хьюмасон проводил долгие скучные ночи возле 100-дюймового телескопа, снимая на высокой выдержке спектрограммы плохо различимых галактик{129}. В докомпьютерную эру наблюдателю приходилось сидеть на холоде, в открытой кабине, находящейся высоко, около фокальной точки телескопа, рассматривая изучаемый объект через окуляр и постоянно вручную подстраивая зеркало телескопа в соответствии с вращением Земли таким образом, чтобы объект все время находился в прицеле телескопа.

В 1929 году Хаббл опубликовал в официальном журнале Национальной Академии наук США Proceedings of the National Academy of Sciences эпохальную статью, озаглавленную «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей» (A Relation between Distanceand Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae){130}. Принцип, предложенный им в этой статье, стал известен как закон Хаббла: лучевая скорость галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее. Хьюмасон тоже не остался в стороне. Незадолго до выхода статьи Хаббла он опубликовал свою работу, в которой сообщал о том, что эллиптическая галактика NGC 7619 удаляется от Земли со скоростью 3779 км/с. Эта скорость была в два раза больше, чем самая высокая скорость, измеренная прежде, и примерно в 100 раз больше, чем скорость вращения Земли вокруг Солнца{131}.

В работе Хаббла приведен график (рис. 8.3), отображающий зависимость между лучевыми скоростями галактик и расстояниями до них. Хотя разброс точек велик, явно просматривается тенденция: более удаленные туманности движутся быстрее, чего следует ожидать, если Вселенная расширяется. Это не было большим сюрпризом: другие ученые уже подмечали такую закономерность. Однако у Хаббла имелись убедительные доказательства. Что касается выстраивания точек по прямой линии, на рисунке это видно плохо, но на основании имевшихся данных эта тенденция четко прослеживалась.