Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной
За редкими исключениями, время все ставит на свои места. Космологи склонны подчеркивать тот факт, что Эйнштейн, вводя космологическую постоянную, упустил великолепную возможность сделать гениальный прогноз. Если бы он решил придерживаться своих уравнений в их первоначальном виде, то за десять с лишним лет до Хаббла предсказал бы, что Вселенная либо сжимается, либо расширяется. Это, конечно, так. Однако, как я постараюсь доказать в следующей главе, к столь же значительному прогнозу могло привести и состоявшееся введение космологической постоянной.
Читателю, наверное, интересно, как Эйнштейну удалось ввести в свои уравнения новый член, обозначающий силу отталкивания, и при этом не исказить весьма успешные объяснения нескольких сложных феноменов, которые предлагала общая теория относительности. Например, общая теория относительности объясняет, почему орбита планеты Меркурий при каждом облете Солнца чуть-чуть меняется. Разумеется, Эйнштейн понимал, в чем тут трудности, и, дабы избежать нежелательных последствий, откорректировал уравнения[383] так, чтобы всемирное отталкивание возрастало пропорционально расстоянию. То есть в масштабах солнечной системы всемирное отталкивание совсем не ощущалось, однако на больших дистанциях космологических масштабов влияло все больше и больше. В результате все экспериментальные подтверждения общей теории относительности, основанные на измерениях, охватывающих сравнительно небольшие расстояния, оставались в силе.
Однако когда Эйнштейн решил, что космологическая постоянная и в самом деле обосновывает статичность Вселенной, то совершил одну довольно-таки неожиданную и необъяснимую ошибку. Хотя его поправки формально допускали статическое решение уравнений, такое решение описывало состояние неустойчивого равновесия – примерно как карандаш, стоящий на острие, или мяч на вершине холма: стоит чуть-чуть нарушить состояние покоя, как возникнут силы, которые сдвинут систему еще дальше от равновесия. Понять, в чем дело, можно и без хитроумных математических выкладок. Сила отталкивания возрастает с расстоянием, а обычная сила гравитационного притяжения с расстоянием слабеет. Следовательно, хотя можно найти такую плотность массы, при которой две силы в точности уравновешивают друг друга, любое небольшое возмущение в виде, скажем, легкого расширения увеличит силу отталкивания и уменьшит силу притяжения – и в результате расширение ускорится. Подобным же образом мельчайшее сжатие приведет к полному схлопыванию.
Первым на эту ошибку указал в 1930 году Эддингтон[384], причем утверждал, что подметил ее Леметр. Однако к этому времени уже стал широко известен тот факт, что Вселенная расширяется, поэтому подобный недочет в модели статической Вселенной Эйнштейна никого не интересовал. Следует также добавить, что в первоначальной статье Эйнштейн не указал ни физический смысл космологической постоянной, ни ее точные характеристики. Мы еще вернемся в следующей главе и к этим загадочным обстоятельствам, и, конечно, к тому, откуда вообще может взяться гравитационная сила отталкивания.
Несмотря на эти вопросы без ответов, Эйнштейн был в целом доволен тем, что ему удалось (как он считал) сконструировать модель статической Вселенной – космос, который, с его точки зрения, соответствовал общепринятым астрономическим представлениям того времени. Поначалу космологическая постоянная нравилась ему еще по одной причине. Новая редакция первоначальных уравнений гравитационного поля, как ему казалось, приводит теорию в соответствие с некоторыми философскими принципами, на которые Эйнштейн опирался по пути к общей относительности. В частности, уравнения в первоначальном виде, без космологической постоянной, требовали так называемых «граничных условий» – так физики называют набор значений физических величин на бесконечных расстояниях. Это, видимо, не соответствовало, по словам Эйнштейна, «духу относительности». Концепция пространства-времени в общей теории относительности, в отличие от ньютоновой Вселенной, где пространство и время абсолютны, основана на принципе, что абсолютной системы координат не существует. Кроме того, Эйнштейн настаивал, что определять структуру пространства-времени должно распределение материи и энергии[385]. Например, Вселенная, где распределение материи постепенно сходит на нет, для этого не годится, поскольку в отсутствие массы или энергии определить пространство-время должным образом невозможно. Однако, к вящему огорчению Эйнштейна, первоначальные уравнения допускали решение в виде пустого пространства-времени. Поэтому Эйнштейн был рад обнаружить, что статическая Вселенная вообще не нуждается в пограничных условиях, поскольку она конечна и замкнута сама на себя, словно поверхность сферы: у нее вообще нет границ. Луч света в такой Вселенной возвращается к своему источнику, а затем начинает новый круг. В этом философском смысле Эйнштейн, как задолго до него Платон, всегда страшился открытых концов – того, что философ Вильгельм Гегель называл «дурной бесконечностью».
Я отдаю себе отчет, что представления об общей теории относительности у моих читателей, возможно, слегка покрылись пылью и нужно освежить их в памяти, поэтому приведу краткий обзор ее основных принципов.
Искривленное пространство-время
В своей специальной теории относительности Эйнштейн[386] отходит от ньютонова представления об абсолютном универсальном времени – том самом, которое отмеряют все часы на свете. Ньютон поставил себе цель представить абсолютное пространство и абсолютное время симметрично. Именно поэтому он утверждал: «Абсолютное, подлинное, математическое время само по себе, по природе своей течет равномерно, невзирая ни на какие внешние обстоятельства». А Эйнштейн сделал центральной темой специальной теории относительности постулат, согласно которому все наблюдатели измерят одинаковое значение скорости света независимо от того, в каком направлении двигаются, и за это пришлось заплатить: навеки связать пространство и время в одну неразрывную сущность под названием пространство-время. После этого было проведено множество экспериментов, которые подтвердили, что если два наблюдателя движутся друг относительно друга, то замеренные ими промежутки времени не совпадают. Уже совсем недавно, в 2010 году, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) сопоставили показания двух оптических атомных часов, соединенных оптоволокном, и пронаблюдали явление «замедления времени» при относительной скорости всего в 35 км/ч[387]!
Учитывая центральную роль света (в более широком смысле – электромагнитного излучения), специальная теория относительности была создана в точном соответствии с законами, описывающими электричество и магнетизм. И в самом деле, свою статью 1905 года, где излагалась эта теория, Эйнштейн озаглавил «Об электродинамике движущихся тел». Однако уже в 1907 году Эйнштейн обнаружил, что специальная теория относительности противоречит Ньютоновому всемирному тяготению. Сила тяготения по Ньютону действует мгновенно во всем пространстве. Из этого, в частности, следует, что когда наша галактика Млечный Путь столкнется с галактикой Андромеда (это случится через несколько миллиардов лет), изменение гравитационного поля из-за перераспределения массы почувствуется во всей Вселенной одновременно. Это будет явным противоречием специальной теории относительности, поскольку тогда получится, что информация способна перемещаться со скоростью больше скорости света, что специальная теория относительности категорически запрещает. Более того, само представление об одновременности во вселенском масштабе требует того самого универсального времени, которое специальная теория относительности старательно дезавуирует. Конечно, в 1907 году Эйнштейн не мог привести именно этот пример, однако принцип он понимал прекрасно. Чтобы преодолеть эти трудности, а в частности – добиться, чтобы его теория была применима к движению с ускорением, Эйнштейн ступил на довольно-таки извилистый путь, на котором его ждало много скользких мест – однако этот путь впоследствии привел его к общей теории относительности.
Многие и сейчас считают, что общая теория относительности – это самая изобретательная физическая теория за всю историю человечества. Знаменитый физик Ричард Фейнман как-то признался: «Никак не могу понять, как он до этого додумался». В основе теории лежит две тончайшие догадки[388]: (1) эквивалентность гравитации и ускорения и (2) новая роль пространства-времени, которое перестало быть пассивным зрителем и превратилось в главного героя в драме вселенской динамики. Прежде всего Эйнштейн задумался о том, какие ощущения испытывает человек в свободном падении в гравитационном поле Земли, и понял, что ускорение и гравитация, в сущности, неотличимы друг от друга. Если человек живет в закрытом лифте на Земле и этот лифт движется вверх с постоянным ускорением, человек может подумать, будто он живет в месте, где гравитация сильнее: напольные весы наверняка покажут больше его нормального веса. Подобным же образом астронавты в космическом корабле переживают состояние невесомости просто потому, что и они, и корабль движутся относительно Земли с одинаковым ускорением. В своей лекции, прочитанной в Киото в 1922 году, Эйнштейн рассказал, как ему в голову пришла эта мысль: «Я сидел на стуле в патентном бюро в Берне, и вдруг меня осенило: “В свободном падении человек не чувствует собственного веса”[389]. Я даже вздрогнул. Эта простая идея произвела на меня сильное впечатление. И подтолкнула к созданию теории гравитации». Вторая идея Эйнштейна состояла в том, чтобы взять Ньютонову гравитацию и перевернуть ее с ног на голову. Эйнштейн утверждал, что гравитация – это не какая-то загадочная сила, которая действует по всему пространству. Напротив, масса и энергия свертывают пространство-время так же, как человек, стоящий на трамплине, заставляет его провисать. Гравитацию Эйнштейн определял как искривление пространства-времени. То есть планеты движутся по самым коротким путям в пространстве-времени, искривленном под воздействием Солнца, точно так же как мячик для гольфа следует неровностям лужайки, а джип лавирует в дюнах пустыни Сахары. Свет тоже распространяется не прямолинейно, а изгибается в искривленных окрестностях крупных масс.
