Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

Тем не менее, несмотря на возрастающий успех ОТО, в течение лет после того, как он впервые применил свою теорию к наиболее огромной из всех проблем – к пониманию всей вселенной, – Эйнштейн абсолютно отказался принять ответ, который возник из математики. Перед работами Фридмана и Леметра, обсуждавшимися в Главе 8, Эйнштейн тоже осознал, что уравнения ОТО показывают, что вселенная не может быть статической; ткань пространства может растягиваться или она может сокращаться, но она не может сохранять фиксированный размер. Это наводило на мысль, что вселенная могла иметь определенное начало, когда ткань была максимально сжата, и может даже иметь определенный конец. Эйнштейн упрямо отказывался от этих следствий ОТО, поскольку он и некоторые другие "знали", что вселенная бесконечна и на самом большом из всех масштабов фиксированна и неизменна. Так что, несмотря на красоту и успешность ОТО, Эйнштейн открыл еще раз свою записную книжку и попытался внести модификацию в уравнения, которые бы позволили вселенной соответствовать доминирующему предубеждению. Это долго у него не получалось. В 1917 он добился цели путем введения нового члена в уравнения ОТО: космологической постоянной.[4]

Стратегию Эйнштейна по введению этой модификации нетрудно понять. Гравитационная сила между любыми двумя объектами, являются ли они бейсбольными мячами, планетами, звездами, кометами или чем хотите, является притягивающей, и в итоге гравитация постоянно действует так, чтобы сдвинуть объекты в направлении друг к другу. Гравитационное притяжение между Землей и танцором, прыгающим вверх, заставляет танцора замедлиться, достигнуть максимальной высоты, а затем направиться назад вниз. Если хореограф захотел бы статической конфигурации, в которой танцор повис бы в воздухе, то должна была бы быть отталкивающая сила между танцором и Землей, которая в точности уравновесила бы их гравитационное притяжение: статическая конфигурация может возникнуть только тогда, когда имеется совершенное взаимоуничтожение между притяжением и отталкиванием. Эйнштейн осознал, что в точности такие же рассуждения применимы ко всей вселенной. В точности на том же основании, что притяжение от гравитации действует тем слабее, чем выше танцор, оно также действует слабее с расширением пространства. И точно так же, как танцор не может достичь статики – он не может парить на фиксированной высоте – пространство не может "парить" с фиксированным всеобщим размером – без дополнительного наличия некоторого вида балансирующей отталкивательной силы. Эйнштейн ввел космологическую константу потому, что он нашел, что с этим новым членом, включенным в уравнения, гравитация может обеспечить именно такую отталкивательную силу.

Но какую физику представляет этот математический член? Что такое космологическая константа, из чего она сделана и как она управляется, действуя против обычной притягивательной гравитации и оказывая отталкивательное воздействие? Ну, современное прочтение работы Эйнштейна – той, что восходит к Леметру, – интерпретирует космологическую константу как экзотическую форму энергии, которая однородно и равномерно заполняет все пространство. Я говорю "экзотическую", поскольку анализ Эйнштейна не определяет, откуда эта энергия может произойти, как мы скоро увидим, математическое описание, которому она подчиняется, гарантирует, что она не может состоять из чего-либо привычного вроде протонов, нейтронов, электронов или фотонов. Физики сегодня привлекают фразы вроде "энергия самого пространства" или "темная энергия", когда обсуждают смысл эйнштейновской космологической константы, поскольку, если есть космологическая постоянная, пространство должно быть заполнено прозрачным, аморфным чем-то, что вы не можете видеть непосредственно; пространство, заполненное космологической константой будет все еще выглядеть темным. (Это соотносится со старым понятием эфира и с новым понятием Хиггсова поля, которое приобретает ненулевую величину во всем пространстве. Последнее сходство является более чем всего лишь случайным совпадением, поскольку имеется важная связь между космологической константой и Хиггсовыми полями, к которой мы скоро подойдем). Но даже без точного определения происхождения или идентификации космологической константы Эйнштейн оказался в состоянии выработать ее гравитационные следствия и ответ, который он нашел, оказался выдающимся.

Чтобы понять его, вам надо познакомиться с одной особенностью ОТО, которую мы сейчас обсудим. В ньютоновском подходе к гравитации сила притяжения между двумя объектами зависела только от двух вещей: их масс и расстояния между ними. Чем более массивны объекты и чем ближе они друг к другу, тем больше гравитационное притяжение, которое они оказывают друг на друга. Ситуация в ОТО почти такая же, исключая то, что уравнения Эйнштейна показывают, что ньютоновская концентрация только на массе была слишком ограниченной. В соответствии с ОТО не просто масса (и расстояние) объектов дает вклад в силу гравитационного поля. Энергия и давление также дают вклад. Это важно, поэтому потратим минуту, чтобы посмотреть, что это означает.

Представьте, что сейчас двадцать пятое столетие и вы были заключены в Замок Разумов, новейший эксперимент Департамента коррекции, предназначенный для попыток исправления преступников из "белых воротничков", основанного на их собственных способностях. Каждому осужденному дается загадка, и они могут возвратить свою свободу, только решив ее. Парень в соседней от вас камере разгадывает, почему повторные испытания на острове Джиллиан дали удивительный возврат в двадцать второе столетие и стали с тех пор наиболее популярным шоу, так что он, вероятно, будет называть Замок домом еще некоторое время. Ваша загадка проще. Вам даны два идентичных твердых золотых куба – они одинакового размера, и каждый сделан из точно одинакового количества золота. Ваша задача – найти способ сделать измерение весов кубов различным, когда они остаются на фиксированном, совершенно точном расстоянии от Земли, при одном условии: вам нельзя изменять количество материи в каждом кубе, так что их нельзя рубить, разбивать, паять, царапать и т.д. Если бы вы поставили эту загадку перед Ньютоном, он бы немедленно заявил, что она не имеет решения. В соответствии с законами Ньютона одинаковые количества золота переводятся в одинаковые массы. А поскольку каждый куб останется на том же самом фиксированном расстоянии, земное гравитационное притяжение их будет идентичным. Ньютон пришел бы к заключению, что два куба должны показывать одинаковый вес без всяких если, и, или но.

Однако, с вашими институтскими знаниями ОТО двадцать пятого века вы разглядите способ. ОТО показывает, что сила гравитационного притяжения между двумя объектами зависит не только от их масс (и расстояния между ними), но также любых и всех дополнительных вкладов в полную энергию каждого объекта. А мы ничего не говорили о температуре золотых кубов. Температура измеряет, как быстро в среднем атомы золота, из которых состоит каждый куб, двигаются туда и сюда – то есть, она измеряет, насколько энергичны атомы (она отражает их кинетическую энергию). Поэтому, вы осознаете, что если вы нагреете один куб, его атомы будут более энергичными, так что его вес будет на йоту больше, чем у более холодного куба.[5] Этого факта Ньютон не знал (увеличение температуры на 10 градусов Цельсия приведет к увеличению веса куба из одного фунта золота примерно на миллионную от миллиардной доли фунта, так что эффект исчезающе мал), и с этим решением вы освободитесь из Замка.

Ну, почти. Поскольку ваше преступление было особенно тяжким, в последнюю минуту перед вашим освобождением коллегия приняла решение, что вы должны решить вторую загадку. Вам даны две одинаковые старые игрушки Джек-в-ящике. И ваша новая задача – найти способ сделать так, чтобы каждая имела различный вес. Но в этот раз вам не только запрещено изменять количество массы каждого объекта, вам также необходимо поддерживать оба объекта при точно одинаковой температуре. Еще раз, если эту загадку дать Ньютону, он немедленно бы сдался на жизнь в Замке. Поскольку игрушки имеют одинаковые массы, он бы пришел к выводу, что их веса идентичны, так что загадка неразрешима. Но еще раз, ваши знания ОТО дают спасение: у одной из игрушек вы сожмете упругого, тесно сдавленного Джека под закрытую крышку, в то время как в другой игрушке вы оставите Джека в его развернутом состоянии. Почему? Ну, сжатая пружина имеет больше энергии, чем не сжатая; вы затратили энергию, чтобы сдавить пружину и вы можете видеть подтверждение вашей работы, поскольку сжатая пружина оказывает давление, заставляя крышку игрушки слабо деформироваться наружу. И опять, в соответствии с Эйнштейном, любая дополнительная энергия затрагивает гравитацию, вызывая дополнительный вес. Таким образом, закрытый Джек-в-ящике со сжатой пружиной, оказывая давление наружу, весит чуточку больше, чем открытый Джек-в-ящике с его развернутой пружиной. Это то решение, которое могло бы спасти Ньютона, а вместе с ним и вас, наконец добившись возвращения свободы.