Теорія відносності та будову Всесвіту

Якийсь газетний репортер одного разу попросив Ейнштейна висловити теорію відносності в одній більш-менш зрозумілій фразі. І отримав відповідь: «Раніше вважали, що якби зі Всесвіту зникла вся матері , то простір і час збереглися б; теорія відносності стверджує, що разом з матерією зникли б також простір і час». Є матерія – є форми її буття: простір і час. Змінилася матерія – змінилися простір і час. Породжені матерією, вони як би деформуються, викривляються нею. І в кожній точці тим значніше, чим вище там щільність речовини.

Наочно уявити собі це далеко не просто. Важка гиря, що продавлює стіл, – річ зрозуміла. Але спробуйте усвідомити, як гиря «прогинає» простір і час! Важко роз’яснити це з граничною ясністю. Допомагають лише аналогії.

Не лякаючись грубості порівняння, можна сказати: як людина, що вкладаючись в ліжко, проминає простирадло, так і будь-яке матеріальне тіло деформує простір-час. Виходить, що у різних матеріальних тіл простір і час неоднакові. А єдиного «плоского» простору, так само як абсолютного, всюди однаково поточного часу, в природі просто не існує.

Своєрідним поглядам теорії відносності на простір, час, матерію судилося зіграти чималу роль в космології. І першу спробу застосувати теорію відносності до всього Всесвіту зробив сам Ейнштейн. Він задався метою з’ясувати, наскільки сильно матеріальні тіла нашого Всесвіту викривляють світ. Для обчислень треба було знати, як розподілена матерія в просторі всього світу. Ніхто цього не знав, звичайно. Довелося піти на якесь розумне припущення. І Ейнштейн висунув найпростішу думку: він припустив, що матерія заповнює Всесвіт рівномірно, без згущувань і порожнеч, немов суцільний, всюди однаковий кисіль.

Не думайте, що Ейнштейн забув про атоми, зірки і галактики – ці всюдисущі «грудки» матерії. Ні, він просто уявив собі, що починаючи з якихось велетенських величезних обсягів, «зернистість» матерії стає несуттєвою. Щільність речовини Всесвіту робиться однаковою при ще більшому збільшенні цих обсягів, адже і звичайний журавлинний кисіль, як відомо, не безперервний, а складається з молекул і атомів. Але ми сприймаємо його як суцільну рідину. Подібно до цього зірки і галактики – щось на зразок атомів вселенського киселю – «космологічного субстрату».

Таким припущенням Ейнштейн значно полегшив свою задачу. У досить великих масштабах світ можна було вважати володіючим всюди постійною кривизною. Але обчислити її виявилося все ж нелегко. Задумане рішення ніяк не виходило. Не вдавалося знайти незмінного «радіуса кривизни» світового простору. Всесвіт виходив якийсь хиткий.

СВІТ, СТИСНЕНИЙ В ГРУДКУ

Дивлячись на видиму незмінність зоряного Всесвіту, Ейнштейн прагнув саме її відобразити в рішенні. І заради цього він, зрештою, зважився на не зовсім виправданий вчинок: злегка видозмінив свої рівняння, ввівши в них особливий «космологічний член».

Фізично така добавка означала визнання якихось невідомих науці сил відштовхування, що існують поряд з тяжінням і зростаючих із збільшенням відстані між тілами. Цікаво, що ці сили не повинні залежати від мас тіл. Вони однакові і для зірок і для порошинок.

А математично космологічний член послужив засобом для «зміцнення» рішення. Такою ціною Ейнштейну вдалося вивести зі своїх рівнянь більш-менш міцний, постійний світ. Але світ цей вийшов … кінцевим, його викривлений простір – замкнутим. Те, що відкидалося фізикою Ньютона, отримало твердження в теорії відносності.

Так Ейнштейн обчислив «радіус» світу, розрахував максимально можливу в ньому відстань. Кинутий камінь, рухаючись за інерцією, не міг би покрити більший шлях, ніж «навколо» ейнштейнівський всесвіт, бо, зрештою, прилетів би в точку кидка. Фініш збігся б зі стартом. Ніде в цьому світі не було б меж, якихось уривків простору, за які, слідуючи пораді Лукреція Кара, вдалося б «кинути спис». Світ Ейнштейна не знав меж, як немає їх у поверхні кулі. Але подібно до того, як законно говорити про величину кульової поверхні, можна було обчислювати об’єм і масу ейнштейнівського всесвіту.

І раз вже справа дійшла до «зважування» світобудови, став доступним і підрахунок «всіх» його зірок. Зірок тут і справді повинна була вийти «жменя» – хоча й дуже велика, але кінцева. А значить, і світла в цьому світі не нескінченно багато. У ейнштейнівському всесвіті нічна темрява стала явищем цілком поясненим. Ось вам друге її тлумачення.

Як бачите, Ейнштейн звинуватив світобудову в конечності. Звинувачення було складено тонко й обґрунтовано. Настільки аргументованої космологічної гіпотези доти не бувало. І вона досить швидко завоювала прихильників. Число прихильників ейнштейнівської космології росло.

З’явилися дещо змінені рішення рівнянь Ейнштейна, відповідальні іншим формам і станам Всесвіту. Але знову і знову йшлося про замкнутий світ. Однак минули роки, і настав час сумнівів.

Аналіз теоретичного світу Ейнштейна виявив в ньому недоладності. Навіть «укріплений» допущенням невідомих сил відштовхування, він виявився вкрай нестійким – начебто тарілки на вістрі ножа. Будь-яке порушення вивело б його з рівноваги, і він зруйнувався б, розпався, жахливо порушуючи фізичні закони. Космологічний член, введений в рівняння Ейнштейна, вселяв недовіру і з інших міркувань. Адже саме цей формальний додаток стиснув світ в «грудку». А чи відповідає воно фізичної реальності? Чи законно воно? От якщо б вирішити рівняння Ейнштейна в загальному вигляді – обійтися без космологічного члена! Це була заповітна мрія космологів.

І вона здійснилася завдяки праці петербурзького математика Олександра Олександровича Фрідмана. У 1922 році Фрідман почав публікувати роботи, в яких поставив проблему ширше, ніж творець теорії відносності. Ейнштейн приписував світобудові статичність. Фрідман ж відкинув це подання. Нехай світ рухається! Це право і обов’язок всього матеріального. Але як пізнати цей рух? Адже він має відбуватися в часі, а Всесвіт позбавлений абсолютного, всюди однакового часу. Вчений знайшов вихід. Він вирішив вивчити світ як би «зсередини» – дослідити його з точки зору спостерігачів, що рухаються разом з речовиною Всесвіту і тому нерухомих щодо своїх космічних околиць.

Це була блискуча ідея. У космологію вдалося умовно ввести єдиний час, причому без всякого конфлікту з принципами Ейнштейна. Адже і тут мова йшла про відносний час, характерний лише для певної системи відліку – для так званих супутніх координат. При такій постановці розв’язувати рівняння Ейнштейна можна було і без космологічного члена. І Фрідман по-своєму вирішив рівняння Ейнштейна.

До яких же висновків він прийшов? До вражаючих! Вчений з’ясував, що про непорушну замкнутість світу говорити не можна. Кривизна світу не може бути постійною. Насправді вона безперервно зменшується. Разом з кривизною стає менше і менше щільність речовини Всесвіту. Матерія розлітається в усі сторони.

Ну, скажете ви, цього-то не можна було б не помітити. Вірно. І астрономи, познайомившись з теоретичним висновком Фрідмана, вирішили перевірити, чи немає йому підтвердження в прямих спостереженнях неба. Але про це знову таки вже читайте в нашій наступній статті.

Автор: Гліб Анфілов.