Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев

Вселенная однородна и изотропна.

Кроме того, в основе теории лежало второе предположение — об изотропности Вселенной. Слово «изотропность» означает, что все направления во Вселенной равноправны. В ней нет таких направлений, которые чем-то отличаются от других — например, чтобы в одном из направлений нарастала плотность вещества, а в других — нет.

Космологическая модель Эйнштейна описывала однородную и изотропную Вселенную.

Для того чтобы его теория описывала стационарную Вселенную, Эйнштейн добавил в свои уравнения дополнительное слагаемое. Он обозначил его заглавной греческой буквой «лямбда» (Λ) и назвал космологической постоянной. Эта величина должна была компенсировать воздействие гравитационного парадокса и противодействовать сжатию Вселенной, которое прямо следовало из его уравнений.

Что это такое, какой физический смысл имеет космологическая постоянная и что это за сила, которая должна действовать как антигравитация, Эйнштейн не знал. Вселенная казалась ему стационарной (не сжимающейся и не расширяющейся), поскольку не было фактов, говоривших, что это не так. Зато фактом являлось то, что звезды в Галактике и сами галактики находятся на огромных расстояниях друг от друга и кажутся[35] неподвижными.

Эйнштейн ввел в свои уравнения космологическую постоянную, надеясь на то что в будущем удастся выяснить ее сущность. В том, что какая-то сущность есть, Эйнштейн не сомневался: что-то же должно препятствовать сжатию всего вещества Вселенной под действием его (вещества) тяготения.

Надо упомянуть еще одну важную деталь картины мира Эйнштейна образца 1917 года. Вселенная Эйнштейна не бесконечна: она имеет конечный объем. Но означает ли это, что наблюдатель на звездолете, двигаясь по прямой, однажды должен упереться в стенку (например, кирпичную) с красивой надписью «конец Вселенной»? Этого не произошло бы. По представлениям Эйнштейна, пространство нашей Вселенной искрив­лено и замкнуто само на себя. Звездолет, летя вперед и вперед, ­однажды должен попасть в ту же точку, откуда он вылетел, только с обратной стороны. Из-за кривизны пространства геодезическая линия, которая кажется нам прямой, немного искривляется и в конечном итоге замыкается. Ситуация аналогична кругосветному путешествию по поверхности Земли: мы движемся вперед и вперед по поверхности, которая кажется нам плоской, и попадаем в ту же точку, откуда начали свой путь. Замечательно, что в обоих случаях нет никакого «края света».

Это тоже был новый элемент картины мира. По Эйнштейну, Вселенная только кажется бесконечной: она, безусловно, огромна, но ее объем конечен (а значит, велико, но не бесконечно количество галактик). Аналогично конечна поверхность Земли — никакой границы у нее нет, но есть вполне определенная площадь, которую можно выразить, например, в квадратных километрах. Точно так же в принципе можно выразить и общий объем Вселенной (например, в кубических километрах) в рамках такой модели. Правда, данных для этого нет: кривизну пространства Вселенной до сих пор не удалось установить. Если она (кривизна) и существует, то очень мала (иначе мы бы ее уже определили). А это значит, что Вселенная либо имеет громадный объем, либо (при нулевой кривизне) все-таки бесконечна.

Новая теория, описывающая мир, по-видимому, произвела сильное впечатление на российского математика и геофизика, которого звали Александр Александрович Фридман (1888–1925).

Фридман — представитель петербургской математической школы, которую некогда основал знаменитый математик Леонард Эйлер. Учителем Фридмана был замечательный русский ученый Владимир Алек­сеевич Стеклов, имя которого носит нынешний ­Математический институт Российской академии наук (РАН).

Фридман проанализировал теорию относительности и показал (привел математические доказательства), что уравнения Эйнштейна на самом деле описывают не только частный случай статической (не изменяющейся) Вселенной, но и крайне интересные случаи динамичной Вселенной. Из уравнений следует, что Вселенная может расширяться и сжиматься как единое целое!

Научная статья Фридмана называлась «О кривизне пространства». Он написал ее в голодном послереволюционном Петрограде в мае 1922 года и отправил в авторитетное немецкое научное издание «Физический журнал» (Zeitschrift für Physik), где статья была опубликована в том же году.

Уравнения Эйнштейна (если убрать космологическую постоянную) описывают несколько удивительных вариантов устройства Вселенной, обнаруженных Фридманом.

По горизонтальной оси отложено время, по вертикальной оси — расстояние между галактиками. Представим себе, что какая-то сила в момент времени, обозначенный цифрой 0, придала начальные скорости сгусткам материи (например, галактикам), они разлетаются, и расстояние между ними со временем увеличивается.

Дальше происходящее зависит от средней плотности материи во Вселенной. Если плотность (количество массы в единице объема) велика (больше не­коего критического значения) — разлет галактик должен происходить все медленнее из-за притяжения между ними. Можно себе представить, что все галактики связаны между собой резиновыми жгутами, которые препятствуют разлету. Галактики движутся все медленнее и однажды остановятся. Этому моменту соответствует верхняя точка кривой 1 на графике выше. Ситуация напоминает полет брошенного вверх камня, который не может преодолеть притяжение Земли, летит вверх с замедлением и останавливается на мгновение, после чего начинает с ускорением падать обратно на Землю. Точно так же галактики начинают падать друг на друга — сближаться с ускорением под воздействием собственного притяжения и в конце концов должны столкнуться, образовав единый ком вещества.

Если средняя плотность материи во Вселенной равна некой критической величине, разлет галактик нико­гда не остановится — тяготение не сможет справиться с инерцией начального толчка. По мере того как галактики будут оказываться все дальше друга от друга, сила притяжения между ними будет ослабевать, и график все больше будет походить на прямую (кривая 2).

Ну и наконец, если средняя плотность материи во Вселенной окажется меньше критической, разлет, как и во втором случае, будет продолжаться бесконечно, и расстояние между галактиками будет неограниченно увеличиваться (кривая 3 на графике). В этом смысле результат развития по вариантам 2 и 3 одинаков — Вселенная оказывается «открытой», и разлет галактик в такой Вселенной может продолжаться бесконечно. Различается для кривых 2 и 3 только кривизна пространства Вселенной (для случая 2 кривизна равна нулю, и такое пространство можно назвать плоским).

Замечательно то, что во всех случаях Вселенная не оказывается стационарной: расстояние между галактиками либо растет, либо уменьшается со временем, но не остается постоянным, как предполагалось в стационарном варианте модели Эйнштейна с космологической постоянной.

Это был сильный и неожиданный результат.

Впервые в современной истории всерьез обсуждался вариант нестационарной (либо расширяющейся, либо сжимающейся) Вселенной[36], который не был придуман — он следовал из математических уравнений, строившихся на основе известных законов природы!

Но наблюдения свидетельствовали, что галактики находятся на огромных расстояниях друг от друга, — как минимум это миллионы световых лет. По-видимому, можно было предложить два варианта, как это могло случиться. Либо