Теория относительности и устройство Вселенной

Некий газетный репортер однажды попросил Эйнштейна выразить теорию относительности в одной более или менее понятной фразе. И получил ответ: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Есть материя — есть формы ее бытия: пространство и время. Изменилась материя — изменились пространство и время. Порожденные материей, они как бы деформируются, искривляются ею. И в каждой точке тем значительнее, чем выше там плотность вещества.

Наглядно представить себе это далеко не просто. Тяжелая гиря, продавливающая стол, — вещь понятная. Но попробуйте уяснить, как гиря «прогибает» пространство и время! Трудно разъяснить это с предельной ясностью. Помогают лишь аналогии.

Не страшась грубости сравнения, можно сказать: как человек, укладывающийся в постель, проминает простыню, так и любое материальное тело деформирует пространство-время. Получается, что у разных материальных тел пространство и время неодинаковы. А единого «плоского» пространства, так же как абсолютного, всюду одинаково текущего времени, в природе просто не существует.

Своеобразным взглядам теории относительности на пространство, время, материю суждено было сыграть немалую роль в космологии. И первую попытку применить теорию относительности ко всей Вселенной сделал сам Эйнштейн. Он задался целью выяснить, насколько сильно материальные тела нашей Вселенной искривляют мир. Для вычислений надо было знать, как распределена материя в пространстве всего мира. Никто этого не знал, конечно. Пришлось пойти на какое-то разумное допущение. И Эйнштейн выдвинул наипростейшую мысль: он предположил, что материя заполняет Вселенную равномерно, без сгущений и пустот, словно сплошной, всюду одинаковый кисель.

Не думайте, что Эйнштейн позабыл об атомах, звездах и галактиках — этих вездесущих «комках» материи. Нет, он просто представил себе, что начиная с каких-то исполински громадных объемов, «зернистость» материи становится несущественной. Плотность вещества Вселенной делается одинаковой при еще большем увеличении этих объемов, ведь и обыкновенный клюквенный кисель, как известно, не непрерывен, а состоит из молекул и атомов. Но мы воспринимаем его как сплошную жижу. Подобно этому звезды и галактики — нечто вроде атомов всезаполняющего вселенского киселя — «космологического субстрата».

Таким предположением Эйнштейн значительно облегчил свою задачу. В достаточно больших масштабах мир можно было считать обладающим повсюду постоянной кривизной. Но вычислить ее оказалось все же нелегко. Задуманное решение никак не получалось. Не удавалось найти неизменного «радиуса кривизны» мирового пространства. Вселенная выходила какой-то зыбкой.

МИР, СЖАТЫЙ В КОМОК

Глядя на видимую неизменность звездной Вселенной, Эйнштейн стремился именно ее отразить в решении. И ради этого он, в конце концов, решился на не совсем оправданный поступок: слегка видоизменил свои уравнения, введя в них особый «космологический член».

Физически такая добавка означала признание каких-то неведомых науке сил отталкивания, существующих наряду с тяготением и возрастающих с увеличением расстояния между взаимодействующими телами. Любопытно, что эти силы не должны зависеть от масс тел. Они одинаковы и для звезд и для пылинок.

А математически космологический член послужил средством для «укрепления» решения. Такой ценой Эйнштейну удалось вывести из своих уравнений более или менее прочный, постоянный мир. Но мир этот вышел… конечным, его искривленное пространство — замкнутым. То, что отвергалось физикой Ньютона, получило утверждение в теории относительности.

Так Эйнштейн вычислил «радиус» мира, рассчитал максимально возможное в нем расстояние. Брошенный камень, двигаясь по инерции, не мог бы покрыть больший путь, чем «вокруг» эйнштейновской вселенной, ибо, в конце концов, прилетел бы в точку броска. Финиш совпал бы со стартом. Нигде в этом мире не было бы границ, каких-то обрывков пространства, за которые, следуя совету Лукреция Кара, удалось бы «бросить копье». Мир Эйнштейна не знал пределов, как нет их у поверхности шара. Но подобно тому, как законно говорить о величине шаровой поверхности, можно было вычислять объем и массу эйнштейновской вселенной.

И раз уж дело дошло до «взвешивания» мироздания, стал доступен и подсчет «всех» его звезд. Звезд тут и в самом деле должна была получиться «горсть» — хотя и очень большая, но конечная. А значит, и света в этом мире не бесконечно много. В эйнштейновской вселенной ночная тьма стала явлением вполне объясненным. Вот вам второе ее истолкование.

Как видите, Эйнштейн обвинил мироздание в конечности. Обвинение было составлено тонко и обоснованно. Столь аргументированной космологической гипотезы до тех пор не бывало. И она довольно быстро завоевала приверженцев. Число сторонников эйнштейновской космологии росло.

Появились несколько измененные решения уравнений Эйнштейна, отвечающие иным формам и состояниям Вселенной. Но опять и опять речь шла о замкнутом мире. Однако прошли годы, и настало время сомнений.

Анализ теоретического мира Эйнштейна выявил в нем несуразности. Даже «укрепленный» допущением неведомых сил отталкивания, он оказался крайне неустойчивым — вроде тарелки на острие ножа. Любое нарушение вывело бы его из равновесия, и он разрушился бы, распался, чудовищно нарушая физические законы. Космологический член, введенный в уравнения Эйнштейна, внушал недоверие и по другим соображениям. Ведь именно это формальное дополнение сжало мир в «комок». А соответствует ли оно физической реальности? Законно ли оно? Вот если бы решить уравнения Эйнштейна в общем виде — обойтись без космологического члена! Это была заветная мечта космологов.

И она осуществилась благодаря труду петербургского математика Александра Александровича Фридмана. В 1922 году Фридман начал публиковать работы, в которых поставил проблему шире, чем творец теории относительности. Эйнштейн приписывал мирозданию статичность. Фридман же отбросил это представление. Пусть мир движется! Это право и обязанность всего материального. Но как познать это движение? Ведь оно должно происходить во времени, а Вселенная лишена абсолютного, всюду одинакового времени. Ученый нашел выход. Он решил изучить мир как бы «изнутри» — исследовать его с точки зрения наблюдателей, движущихся вместе с веществом Вселенной и потому неподвижных относительно своих космических окрестностей.

Это была блестящая идея. В космологию удалось условно ввести единое время, причем без всякого конфликта с принципами Эйнштейна. Ведь и здесь речь шла об относительном времени, характерном лишь для определенной системы отсчета — для так называемых сопутствующих координат. При такой постановке решать уравнения Эйнштейна можно было и без космологического члена. И Фридман по-своему решил уравнения Эйнштейна.

К каким же выводам он пришел? К поразительным! Ученый выяснил, что о незыблемой замкнутости мира говорить нельзя. Кривизна мира не может быть постоянной. На самом деле она непрерывно уменьшается. Вместе с кривизной становится меньше и меньше плотность вещества Вселенной. Материя разлетается во все стороны.

Ну, скажете вы, этого-то нельзя было бы не заметить. Верно. И астрономы, познакомившись с теоретическим выводом Фридмана, решили проверить, нет ли ему подтверждения в прямых наблюдениях неба. Но об этом опять таки уже читайте в нашей следующей статье.

Автор: Глеб Анфилов.