Read the book: «Маленькая книга о Большом взрыве»

Посвящается моим учителям и коллегам, которые научили меня большему, чем знали сами

Tony Rothman

A little book about the Big Bang

Published by arrangement with Harvard University Press via Alexander Korzhenevski Agency (Russia)

Научное редактированиеМильды Соколовой

© By the President and Fellows of Harvard College, 2022

© Перевод на русский язык, Узбеков А. А., 2024

© Издание на русском языке. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2025

КоЛибри^®

* * *

Космология – наука о рождении, эволюции и возможном будущем нашей Вселенной, о формах материи и энергии, заполняющих космическое пространство и влияющих на его динамику. Космос бесконечно огромен, и в его пространственно-временных просторах существуют многочисленные физические явления, условия для реализации которых еще долгое время будут недостижимы в земных лабораториях. Поэтому, изучая космическое пространство, изучая Вселенную, мы не только удивляемся новым астрофизическим объектам и явлениям, но и открываем новые фундаментальные законы физики, подтверждением чего являются Нобелевские премии (только в начале этого века за работы по космологии уже присуждено три).

Космос сколь прекрасен, столь и загадочен и всегда вызывал интерес не только у ученых, но и у всех на свете, пытающихся осознать устройство нашего мира, поэтому рассказы о космосе, об эволюции Вселенной занимают одно из ключевых мест в научно-популярной литературе. Вот и «Маленькая книга о Большом взрыве» – еще одна попытка простым языком объяснить сложные вещи современной космологической картины мира. По мере продвижения к Большому взрыву Тони Ротман доходит до инфляционных теорий, описывающих самые ранние моменты рождения Вселенной. При этом приближение к точке сингулярности Большого взрыва требует создания теории квантовой гравитации, объединяющей общую теорию относительности с квантовой механикой. На этом пути возникают и такие новые концепции, как мультивселенная и множественность миров. Все это демонстрирует не только то, как сильно за последнее столетие мы продвинулись в понимании и описании Вселенной, но и то, что по мере более детального изучения космоса перед нами открываются его новые загадки и его новая глубина.

Александр Владимирович Иванчик,

зав. сектором теоретической астрофизики ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, зав. кафедрой физики космоса Академического университета им. Ж. И. Алфёрова,

д.ф.-м.н., чл.—корр. РАН

Введение
Почему существует что-то, а не ничто?

Эта маленькая книга посвящена величайшему из возможных явлений – Большому взрыву. И речь не о популярном сериале – речь о космологии. По утверждению космологов, эта наука занимается изучением структуры и эволюции Вселенной в целом, хотя в последние сто лет о ней все чаще говорят как о дисциплине, изучающей именно ранние периоды развития Вселенной. В таком виде она подразумевает исследование происхождения галактик, анализ легчайших химических элементов, наблюдение за тепловым излучением, пронизывающим весь космос, а также изучение необычных явлений, которые мы не способны наблюдать невооруженным глазом: темной материи и темной энергии. Итак, космология – это наука о возникновении и развитии Вселенной начиная с первых лет и даже долей секунд; история формирования первых элементарных частиц. Космология – теория Большого взрыва.

Космологию любят сравнивать с точкой, в которой физика сходится с философией. В определенной степени это утверждение верно – и в некотором смысле неизбежно. Если задуматься, любая наука представляет собой постановку вопросов и дальнейший поиск ответов. Если в поиске ответов нам удается зайти достаточно далеко, вопросы исчезают сами собой. Это особенно актуально для космологии: как только речь заходит о теории Большого взрыва, первое, что хочет спросить человек, далекий от этой науки (то есть большинство людей): что же предшествовало Большому взрыву? Это вполне естественный и справедливый вопрос, но ответа на него нет и, скорее всего, так и не появится при жизни автора. Как бы то ни было, моя задача – изложить вопросы, возникающие как у специалистов, так и у людей, не знакомых с этой наукой, и постараться ответить на них со всей доступной для меня простотой. Поскольку эта книга предназначена прежде всего для тех, кто интересуется наукой, но не имеет научного образования и достаточных познаний в математике, мои коллеги могут упрекнуть ее в отсутствии строгости и полноты. Тем не менее моя цель не охватить данную область знаний во всех мельчайших деталях, а скорее прояснить лишь некоторую ее часть.

Поэтому я постарался свести специальную терминологию к минимуму, и хотя обилие цифр, приведенных в книге, удовлетворит любого читателя, все уравнения в ней не сложнее обыкновенных линейных, прочие же вычисления можно найти в сносках. Книга предполагает способность читателя понимать элементарные графики, а также его желание следовать за логикой более подробной аргументации. С другой стороны, я вынужден согласиться с одним из бесчисленных афоризмов, приписываемых, но никогда в реальности не принадлежавших Эйнштейну: «Нужно смотреть на вещи по возможности просто, но не слишком просто»¹. С годами я убедился, что все можно упростить лишь до определенного уровня, и для космологии, в силу ее глубоко математической природы, это наблюдение тоже, как правило, справедливо. Поэтому я не буду пытаться объяснять математику через доступные физические понятия, если это не представляется мне возможным.

Несмотря на отсутствие в этой книге чего бы то ни было, напоминающего реальную математику, я постараюсь убедить вас в том, что современная космология представляет собой невероятную структуру с крепким, как скала, фундаментом, достойным вашего доверия. Каждая глава в своей основе опирается на предыдущую, поэтому книгу лучше читать с самого начала. Если же вы хотите получить из нее лишь краткую выжимку, ваше терпение в один момент просто иссякнет.

Как уже было сказано, космология поднимает перед нами глубинные вопросы, и я постараюсь не избегать их, говоря о понятийных основах современной теории Большого взрыва. Как сказал один мудрый наставник, «если ты задаешь глупые вопросы, ты чувствуешь себя глупым, но если ты не задаешь глупые вопросы, ты остаешься глупым». Таким образом, по мере чтения вы будете чаще задавать вопросы, чем получать ответы. В итоге, пытаясь объять необъятное, вы довольно скоро перейдете от первичного вопроса «Что было до Большого взрыва?» – к финальному: «Почему существует что-то, а не ничто?» Учитывая, что люди бились над ним тысячелетиями, но так и не пришли к единому мнению, не стоит пытаться дать на него ответ.

Серьезно: если вы зададите тот же вопрос любому порядочному космологу, единственным ответом, на который вы можете рассчитывать, будет «я не знаю».

Лучше спросите его, имеют ли все эти уравнения на доске из сериала какой-то смысл? На это он сможет точно сказать: «Да, имеют». Я по личному опыту знаю, что космология и косметика – далеко не одно и то же, и к поверхностным вопросам космологи подготовлены достаточно плохо.

* * *

Поскольку книга рассчитана на усредненного читателя, я буду прибегать к аналогиям чаще, чем к уравнениям. Конечно, у такого подхода тоже есть свои риски. Рано или поздно любая аналогия рушится, ведь аналогия, как и теория, представляет собой лишь модель реальности, а не саму реальность. Например, говоря о Большом взрыве, космологи любят объяснять некоторые свойства расширяющейся Вселенной, приводя в пример воздушные шарики, хотя такое сравнение не является идеальным, ведь Вселенная – это не шар. Таким образом, прибегая к аналогиям, важнее всего понимать, чем именно они отличаются от реальности.

Я уже несколько раз использовал слово «теория» в своих объяснениях. Позвольте мне уточнить, что, когда ученый использует этот термин, он вкладывает в него не тот смысл, к которому мы привыкли. Мы часто слышим по радио, что у прокурора есть своя теория насчет того, как было совершено преступление, а у адвоката есть теория, что прокурор – сумасшедший. Как правило, это не теории, а гипотезы, не подкрепленные доказательствами, а ситуации, в которых они возникают, изменяются так быстро, что подтвердить или опровергнуть их становится невозможно.

Напротив, физическая теория – это сеть глубоко связанных между собой идей и прогнозов, подкрепленных доказательной базой в виде математических вычислений, наблюдений и экспериментов. Именно ее имеют в виду космологи, когда говорят о теории Большого взрыва. Элементы этой теории изучаются на протяжении уже почти ста лет, и некоторые космологи замечают, что их дисциплина все больше походит на инженерию, а не на фундаментальные исследования. В общем, современной космологии можно верить.

* * *

Но ключевое различие между космологией и другими науками никуда не исчезло: для исследований у нас есть лишь одна-единственная наблюдаемая Вселенная. Суть подавляющего большинства наук состоит в проведении эксперимента и его неоднократном повторении. Например, чтобы протестировать вакцину, производитель лекарств раз за разом испытывает ее на большом количестве подопытных, и если полученные им результаты не подтверждаются работой других ученых из других стран, вакцина отвергается как ненадежная. Космологи же (по крайней мере, пока) не имеют возможности проводить эксперименты в других вселенных и, следовательно, не могут с уверенностью говорить о том, как бы выглядела наша с вами Вселенная в тех или иных обстоятельствах.

И хотя космологи не могут объяснить нам всего, они в то же время говорят куда больше, чем ничего. Когда мы сталкиваемся с задачей изучения Вселенной как единого целого (а именно в этот момент мы оказываемся перед лицом главных вопросов), наличие лишь одной Вселенной для исследования оказывается вполне преодолимым препятствием, справиться с которым нам помогают данные и наблюдения, собранные нашими близкими коллегами – астрономами, традиционно занимающимися изучением поведения планет, звезд и галактик при помощи телескопов, расположенных на Земле или околоземной орбите. Конечно, астрономы – все существа совершенно земные, ведь еще ни один космический корабль или телескоп не смог добраться ни до ближайшей звезды, ни уж тем более галактики, а значит, мы по-прежнему не можем проводить эксперименты над астрономическими объектами². Но в основе астрономической науки лежит один важный принцип: фундаментальные законы физики одинаковы во всей Вселенной. Астрофизики – близкие коллеги космологов и астрономов – используют эти законы, чтобы расшифровывать поведение звезд и галактик. Поскольку пока нет возможности отправлять космические зонды в дальние уголки Вселенной, мы (по крайней мере, до тех пор, пока жива наша цивилизация) полагаемся на свет и иные источники информации, сообщающие о том, что там происходит. На самом деле один из величайших триумфов науки состоит именно в том, как много мы смогли узнать о космосе, не сходя с места и опираясь лишь на знание того, что законы природы в известном нам виде действуют повсюду. И все же вопрос, до какой степени законы физики применимы ко всей Вселенной, пока остается открытым.

В настоящее время космологи пытаются реконструировать эволюцию Вселенной, используя тот же подход, что астрономы и астрофизики: при помощи компьютера или простого листа бумаги мы применяем математические формулировки известных нам законов физики, чтобы построить модель изучаемой нами системы, а затем проверяем, соответствуют ли вычисления полученным наблюдениям. Такой системой может быть как скопление галактик, так и вся Вселенная. Если выстроенная нами модель согласуется с данными наблюдений, мы идем пить пиво. Если нет – ищем математические ошибки. Если математических ошибок не обнаружено, мы ищем ошибки концептуальные, а если модель и после этого не согласуется с наблюдениями, добавляем в нее новые явления и в том случае, если они улучшают результат, просим наших коллег-наблюдателей приступить к их поиску.

Ученый обязан стремиться избегать добавления новых сущностей для объяснения тех или иных явлений, пока не исчерпаны возможности существующей теории. А уж размышляя о первых мгновениях после Большого взрыва, хм…

* * *

Размышляя о самых первых мгновениях, последовавших за Большим взрывом и возникновением Вселенной, читатель может задаться вопросом, где именно астрономия и астрофизика уступают место космологии. Правда в том, что четких границ здесь нет. Как правило, ученый, занимающийся исследованиями в одной из этих трех областей, и в остальных двух будет разбираться неплохо. Разница между ними по большей части вмасштабах. Астрономы и астрофизики традиционно изучают поведение звезд, планет и галактик. Не так давно они обратили внимание на скопления и сверхскопления галактик. Космологи, в свою очередь, наблюдают самую широкую картину из возможных: они пытаются понять, как область, размерами напоминающая сверхскопление, стала похожа на Вселенную в том виде, в каком мы ее знаем.

Несмотря на то что поведение галактик обусловлено теми же законами физики, что и поведение звезд, эта книга не рассказывает ни о галактиках, ни о звездах, ни о планетах. Также в ней почти не затрагивается тема черных дыр, ведь, при всей своей увлекательности, с космологической точки зрения они слишком малы, чтобы на них останавливаться.

Для любого космолога крайне важно и полезно учитывать наличие разных астрономических масштабов, поэтому на протяжении всей книги я буду использовать стандартную астрономическую практику: обозначать расстояния в единицах измерения времени, требующегося свету, чтобы пройти эти расстояния.

Вы наверняка знаете, что свету требуется около восьми минут, чтобы пройти путь от Солнца до Земли. Округлим до десяти. Таким образом, мы можем сказать, что Земля находится на расстоянии примерно десяти световых минут от Солнца. Аналогично световой год – это расстояние, которое свет преодолевает за один год. Астрономы никогда не переводят световые годы в мили или километры, а значит, и вам не стоит. Лучше постарайтесь приучить себя к мысли, что масштабы во Вселенной могут быть очень разными.

Расстояние от Земли до ближайшей звезды за пределами Солнечной системы – четыре световых года.

Диаметр нашей галактики – Млечного Пути – около ста тысяч световых лет.

Расстояние между скоплениями галактик – миллионы световых лет.

Размер сверхскопления галактик – сотни миллионов световых лет.

Размер наблюдаемой Вселенной – более миллиарда световых лет.

* * *

Таковы в общем виде масштабы, с которыми мы будем работать в этой книге.

Кто-то еще хочет получить от меня совет по поводу теней и туши для ресниц? Сомневаюсь.

1
Гравитация, тыквы и космология

Космология – это наука о том, как гравитация определяет эволюцию всей Вселенной. Следовательно, чтобы разобраться в космологии, мы должны разобраться в гравитации.

Гравитация – самое слабое из известных человеку природных взаимодействий. Взаимодействие же с точки зрения физики – это всего лишь отталкивание или притяжение, оказываемые на объект. Здесь нет никаких подводных камней. Одна из главных причин, по которым физику принято считать самой фундаментальной наукой, заключается в том, что именно представители этой области доказали: в природе существует лишь четыре фундаментальные силы. Одна из них, называемаясильным взаимодействием и действующая в ядре атома, является самой мощной и удерживает вместе элементарные частицы. Любое атомное ядро состоит из нейронов и протонов, и если бы не сила, которая их связывает, электрическое отталкивание, возникающее между положительно заряженными протонами, заставило бы его разлететься на части. Энергия, связанная с сильным взаимодействием, высвобождается, например, в момент ядерного взрыва. Однако этот тип силы действует только в атомном ядре, которое, в масштабах космологии, чрезвычайно мало.

Вторая фундаментальная сила – этослабое взаимодействие. В миллиарды раз более слабая, она управляет некоторыми формами радиоактивного распада. Например, она определяет скорость распада трития, тяжелого изотопа водорода, который после распада превращается в изотоп гелия. Как и сильное, слабое взаимодействие работает лишь в пределах атомного ядра, незначительного в масштабах космологии.

Наиболее важными в нашей повседневной жизни являются электрическое и магнитное поля, представляющие собой две стороныэлектромагнитного взаимодействия. Оно работает во всех химических соединениях и движет всеми электромагнитными устройствами – тостерами, смартфонами и вообще всем, что давно стало привычной частью нашей жизни. Несмотря на то что электромагнитное взаимодействие является основой современной цивилизации, для его создания требуется электрический заряд, а поскольку такие астрономические тела, как планеты, его не имеют, они не могут оказывать друг на друга электрическое и магнитное воздействие.

Все объекты оказывают друг на другагравитационное воздействие. Тем не менее сама гравитация (четвертая сила) слаба по сравнению с другими видами взаимодействия – тот факт, что гравитационное притяжение всей Земли не может сдвинуть с места даже магнит на холодильнике, показывает, насколько гравитационная сила слабее по сравнению с электромагнитной. Физики склонны считать, что гравитационное притяжение между двумя ядрами водорода, протонами, примерно на тридцать шесть порядков величины³ меньше, чем электрическое отталкивание между ними. Инженеры, к примеру, вообще не учитывают гравитацию, разрабатывая электрические приборы.

И все же, поскольку ядерные силы действуют только в пределах атомного ядра, а астрономические тела электрически нейтральны, получается, что судьба Вселенной в руках самой слабой из всех сил в природе.

* * *

Современная теория гравитации представляет собой общую теорию относительности Эйнштейна, которую часто и справедливо называют самой красивой научной теорией.

На первый взгляд может показаться, что общая теория относительности – это всего лишь доработка теории тяготения Ньютона, разработанной последним почти четыреста лет назад. Вся теория состоит из одного уравнения, объясняющего, каким образом сила гравитации между двумя объектами зависит от их масс и расстояния, которое их разделяет. Нам даже не нужно записывать это уравнение, чтобы понять его смысл: зная массы объектов и расстояние между ними, мы можем точно определить силу гравитации, действующую между ними⁴.

Выше я уже говорил, что сила в физике – это на самом деле отталкивание или притяжение. Она заставляет объект менять свою скорость, или, другими словами, ускоряться. Если пианино движется, ускоряясь и замедляясь, на него действует сила. Если скорость движения пианино неизменна, оно не находится под действием силы.

Согласно теории Ньютона, если мы знаем, какие силы действуют на объект, мы можем вычислить величину его ускорения и таким образом спрогнозировать его поведение в будущем. Это значит, что если бы нам были известны массы всех звезд во Вселенной и актуальные расстояния между ними, мы бы знали все как о ее прошлом, так и о ее будущем. Именно поэтому Вселенную Ньютона часто сравнивают с часовым механизмом. По большей части это сравнение справедливо.

* * *

Ньютоновская теория тяготения так хорошо показала себя в стандартных условиях работы, что в течение еще двух столетий астрономы были уверены, будто она может объяснить абсолютно все перемещения, наблюдаемые в Солнечной системе. Лишь к середине XIX века они начали догадываться, что могли заблуждаться. Как и все планеты, Меркурий движется вокруг Солнца по эллиптической орбите. В случае если бы Меркурий и Солнце были единственными небесными телами в Солнечной системе, точка, в которой расстояние между ними минимально, называемаяперигелием, всегда оставалась бы неподвижной. Но астрономы заметили, что перигелию свойственно постепенно менять свое местоположение. Результаты расчетов показали, что в значительной степени эти перемещения вызваны гравитационным притяжением со стороны других планет Солнечной системы, однако это не объясняло всего смещения. И это загадочное отклонение ученые пытались объяснить в течение почти полувека, выдвигая самые разные теории.

Когда в начале XX века Эйнштейн начал разрабатывать общую теорию относительности, смещение перигелия Меркурия было единственным наблюдаемым доказательством (помимо теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла), подтверждающим, что теория тяготения Ньютона может оказаться неполноценной.

Начнем с того, что теория Ньютона – это теориячастиц и сил. Представьте себе две тыквы на грядке. Мы можем считать их двумя телами, притягивающими друг друга сквозь грядки. Земля и Луна – такие же тела: они тоже притягивают друг друга в результате воздействия на них гравитации, но уже в космосе. Ни в том, ни в другом случае теория Ньютона не объясняет, как сила передается от одного тела к другому. По этой причине ньютоновскую гравитацию часто называют теорией действия на расстоянии (во времена Ньютона словом «действие» называли силу).

Не менее важно и то, что гравитационная сила, очевидно, передается от одного объекта к другому мгновенно. Таким образом, если бы Солнце исчезло, планеты к нему больше бы ничто не привязывало и они бы в тот же миг отправились дрейфовать в космосе.

* * *

А теперь попробуйте представить тыквы не на грядке, а плавающими в пруду. Очевидно, что это уже совсем другая картина. Вода в пруду состоит из огромного количества молекул, но они настолько крохотные, что мы можем ими пренебречь. Это позволяет нам допустить, что в каждой отдельно взятой точке вода имеет определенные плотность и давление. Плотность и давление – «массовые» величины, не имеющие никакого отношения к отдельным частицам. Таковы характеристики так называемогополя. Воздух в комнате или эластичную поверхность батута можно рассматривать как «поле». Во многом оно также напоминает рой пчел.

Сравнение с полем отлично демонстрирует естественный механизм взаимодействия. Когда тыквы, плавая в пруду, сталкиваются друг с другом, от них расходятся небольшие волны. Эти волны представляют собой локальные возмущения поля, распространяющиеся с определенной скоростью. А ньютоновская гравитация кажется нам силой, каким-то образом практически мгновенно пронзающей безграничное пространство.

«Позвольте возразить! – скажете вы учтиво. – Но гравитация между Землей и Луной не сопровождается какими-то волнами!» Это правда. Все аналогии в один момент рушатся. Но когда мы говорим о постоянной гравитации, существующей между телами, совсем не важно, представляем мы себе силы или поля. Главное, что поля существуют, и если вы хоть раз пробовали рассыпать железную стружку по листу бумаги, положенному на магнит, то могли наблюдать форму магнитного поля достаточно непосредственно. Вообще, концепция поля настолько всеобъемлюща, что абсолютно любая современная теория фундаментальной физики является в конечном счете теорией поля. Без нее было бы практически невозможно описать электромагнитные и гравитационные волны.

Конечно, изучив законы, управляющие поведением электрических и магнитных полей, Максвелл показал, что эти поля могут распространяться в вакууме космоса в виде электромагнитной волны, движущейся со скоростью 3×10⁸ м/с. Тогда, в 1865 году, его особенно поразило, что полученное число почти соответствовало скорости света, которая к тому времени уже была точно измерена. По его словам, последнее наблюдение заставляет нас сделать вывод, что сам свет также является электромагнитной волной, движущейся не бесконечно быстро, а с конечной скоростью 3×10⁸ м/с. Спустя несколько десятилетий исследование Максвелла было подтверждено открытием радиоволн и стало величайшим триумфом в мире физики XIX века.

В начале XX века было выдвинуто несколько теорий гравитации, основанных на электромагнитной теории Максвелла, но все они были отвергнуты, поскольку поведение гравитации и электромагнетизма не полностью идентично. Эйнштейн был первым, кто понял разницу между ними, и, следовательно, первым, кто правильно понял гравитацию. Но чтобы оценить, как теория, которую сам он назвал общей теорией относительности, описывает гравитационное поле, нужно сперва разобраться в том, что ей предшествовало и служило отправной точкой – специальной теорией относительности.

Что относительно, а что нет?

2
Специальная теория относительности

Еще в 1820-х годах естествоиспытатели поняли, что электричество и магнетизм тесно связаны между собой: электрический ток создает магнитные поля, и наоборот. Этот процесс детально описывает электромагнитная теория Максвелла. Специальная теория относительности Эйнштейна, в свою очередь, показывает, что электричество и магнетизм не просто связаны, но еще и являются двумя сторонами одного и того же явления. Эти наблюдения привели Эйнштейна к выводу, что физика Ньютона должна быть преобразована.

Однако Эйнштейн никогда бы не согласился с распространенным выражением «все относительно». По сути, практически все направления физики изучают движение, а основной вопрос, который ставит перед нами идея относительности, звучит так: «Что меняется вместе с движением объекта, а что остается неизменным?» Что-то меняется, а что-то – нет, и мы вполне могли бы называть теорию относительности теорией абсолютов, что фактически и было предложено.

Главный абсолют в относительности – это скорость света. Когда Максвелл сделал открытие, что электромагнитные волны преодолевают пространство в вакууме со скоростью 3×10⁸ м/с, всех поразило, что цифра, которую сегодня принято обозначать буквой c, буквально выпрыгнула из его уравнения.

Когда мы измеряем скорость поезда или бейсбольного мяча, мы всегда делаем это относительно какого-то другого объекта. Например, если мы стоим в поле и говорим, что поезд движется на восток со скоростью 100 км/ч, мы приводим эту цифру, учитывая положение поезда относительно Земли. Но если мы наблюдаем за поездом из машины, двигаясь, как и поезд, на восток, но со скоростью 75 км/ч, нам кажется, что поезд движется со скоростью всего 25 км/ч. Это происходит потому, что измеряемая скорость зависит от системы отсчета: грубо говоря, от местоположения точки, из которой мы наблюдаем за движением объекта, то есть непосредственно от места, где мы находимся.

Результаты исследований Максвелла оказались весьма странными: они показывали, чтоc = 3×10⁸ м/с, но ничего не говорили о том, относительно какого объекта высчитана эта скорость. Сам Максвелл говорил, что его электромагнитные волны распространяются через светоносный эфир. Если водяные волны расходятся по воде, а звуковые – по воздуху, вполне естественно было предположить, что у световых волн тоже есть среда распространения. Светоносный эфир, каким его видел Максвелл, пронизывал весь космос и обеспечивал абсолютный стандарт покоя. Если вы сидите в поезде, вы пребываете в состоянии покоя относительно поезда, поезд же пребывает в движении относительно Земли, а Земля, в свою очередь, пребывает в движении относительно эфира. Меркурий тоже имеет свою скорость относительно эфира, и вы можете сравнить скорость Земли и Меркурия, сказав, что у каждой из этих планет есть своя скорость относительно эфира. Таким образом, Максвелл утверждал, что скорость света относительно эфира равна 3×10⁸ м/с.

К сожалению, обычные вычисления наделили и без того загадочный эфир еще более странными свойствами. Получалось, например, что поскольку эфир должен быть в сто раз более разреженным, чем воздух, он в то же время в тысячу раз жестче алмаза. Кроме того, все попытки обнаружить его провалились.

* * *

В 1905 году Эйнштейн взял быка за рога и объявил эфир несуществующим. Впрочем, он согласился с выводом Максвелла, что скорость света,c, является постоянной и должна восприниматься как закон природы. Так родилась специальная теория относительности Эйнштейна. В ее основу легли два постулата.

Первый: абсолютного движения не существует. Эта аксиома, позаимствованная Эйнштейном у Галилея, гласит, что никакие эксперименты, проведенные над поездом, не помогут понять, находится ли он в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью. Любое измерение параметров движения производится относительно системы отсчета, и ни одна из них не может превалировать над другими.

Второй постулат гласит, что для любого наблюдателя в любой точке наблюдения скорость света (с) в вакууме равна 3×10⁸ м/с.

Здесь нам потребуется парочка терминологических комментариев. Первый постулат известен какпринцип относительности (сам Эйнштейн никогда не называл свою теорию теорией относительности, так что название закрепилось за ней уже в последующие годы). Специальной же он назвал ее потому, что она рассматривала движение с постоянной скоростью. Движение с ускорением в этой теории Эйнштейн не рассматривал и предполагал, что система отсчета тоже неподвижна или движется с постоянной скоростью. Теория относительности диктует относительность движения.

Второй принцип, кажущийся простым, все меняет. Идея о том, что величина скорости света неизменна и не зависит от системы отсчета, полностью противоречит физике Ньютона. Если бы свет двигался так же, как машина, несущаяся по шоссе, его скорость зависела бы от системы отсчета наблюдателя, которым в физике выступает любой человек или инструмент, выполняющий измерение.

* * *

Принцип постоянства скорости света также показал, что скорость и время больше не могут рассматриваться отдельно друг от друга, как прежде. Не так сложно понять почему. Представьте себе часы в виде мячика, подпрыгивающего вверх-вниз в поезде, как показано на верхней картинке на рис. 1.

Рис. 1

Борис, находящийся в поезде, видит, как мячик прыгает вверх-вниз, и может установить, что путь от пола до потолка и обратно он проходит за одну секунду. В то же время Наташа, наблюдая за поездом с земли, как показано на нижней картинке, видит, как поезд движется слева направо со скоростьюv. Как и Борис, она видит, что мячик совершает путь до потолка и обратно за одну секунду, но относительно земли траектория его движения имеет форму треугольника, поэтому он движется еще и вперед.

Кроме того, для Наташи мячик движетсябыстрее. Его скорость движения по вертикали для них с Борисом одинакова, но Наташа также видит, как он движется вперед со скоростью поезда. Благодаря этой дополнительной скорости мячик в глазах Наташи проходит большее расстояние, чем в глазах Бориса, но делает это за один и тот же период времени, так что одна секунда Наташи равна одной секунде Бориса. Ведь в физике Ньютона время универсально.

Не менее революционным открытием Эйнштейна было то, что свет состоит из частиц, которые последние сто лет принято называтьфотонами. Если мячик в нашем примере – это фотон, то, в соответствии со вторым принципом теории относительности, оба наблюдателя будут видеть его движущимся с одной и той же скоростью. Но поскольку наблюдателю снаружи кажется, что фотон должен преодолевать большее расстояние, движение мяча до потолка и обратно также должно занять больше времени. Таким образом, одна секунда, отмеренная Наташей, будет длиться дольше секунды, отмеренной Борисом внутри поезда. Разница же будет зависеть от скорости поезда и, следовательно, от того, как далеко он продвинется в пространстве за одну секунду.

Этот простой мысленный эксперимент показывает, что пространство и время больше не могут измеряться независимо друг от друга. Эйнштейн максимально точно показал, как они связаны, но для наших целей эти детали не являются обязательными. Важнее то, что с появлением понятия относительности физики больше не рассматривают пространство и время по отдельности; вместо этого они говорят о четырехмерномпространстве-времени, в котором расстояния измеряются в пространстве и времени одновременно.

Хотя концепция пространства-времени является неотъемлемой частью специальной теории относительности, принадлежит она не Эйнштейну. Ни в одной из своих ранних работ по теории относительности он не называет время четвертым измерением. Первым о необходимости этой концепции заговорил французский математик Анри Пуанкаре, а развил его первым немецкий математик Герман Минковский. Эйнштейн даже высказывался против пространственно-временной концепции, называя ее «излишне заумной», хотя в итоге она сыграла крайне важную роль в формулировании общей теории относительности.

* * *

Специальная теория относительности повлекла за собой и другие революционные последствия. Например, понимание того, что скорость света служит пределом скорости в природе, ни одно тело не может двигаться быстрее скорости света. Благодаря ей мы также узнали, что с ростом скорости объекта увеличивается его масса. Следовательно, масса движущегося тела начинает стремиться к бесконечности, когда скорость тела стремится к скорости света – и это одна из причин, по которым ничто не может двигаться быстрее, чем свет.

Другим последствием специальной теории стало бессмертное уравнение ЭйнштейнаE = mc², согласно которому энергия тела равна его массе, помноженной на квадрат скорости света. По определению, свет проходит один (1) световой год за один год, а значит, в данной системе единиц измерения c (скорость света) равняется 1, и, следовательно, уравнение Эйнштейна можно сократить до E = m. С появлением понятия относительности физики начали рассматривать энергию и массу как проявления одного и того же свойства материи, поэтому «плотность массы» и «плотность энергии» стали для них, как и для нас в этой книге, взаимозаменяемыми понятиями.

Вопреки расхожему мнению, Эйнштейн не был первым, кто доказал связь между массой и энергией. Кроме того – пусть это прозвучит как святотатство, – он так и не смог убедительно доказать равенствоE = mc². Рассматривая этот вопрос в своей знаменитой работе, он допустил ошибку, которую затем безуспешно пытался исправить в последующих исследованиях. Как бы там ни было, его труды, сыгравшие центральную роль в объяснении работы атомной бомбы и атомных реакций на Солнце, определенно выдержали испытание временем.

Что же ускользнуло от специальной теории относительности?

3
Общая теория относительности как основа космологии

По сути, современная космология в основном и представляет собой применение общей теории относительности Эйнштейна ко всей Вселенной в целом. Сегодня эта теория является если не самой, то одной из наиболее проверенных научных теорий в истории: ей не противоречит ни один эксперимент или наблюдение, и среди космологов больше не осталось сомнений в том, что она прекрасно описывает нашу Вселенную.

В то время как математическая составляющая общей теории относительности довольно сложна, ее базовые концепции вполне доступны. Поэтому прежде, чем обратиться к космосу, нам стоит разобраться в том, как общая теория относительности преобразовалась в теорию гравитации в известном нам виде, а также в том, как она формирует наши представления о пространстве и времени.

Поскольку почти вся физика сводится к движению, необходимо уделить внимание еще одному фундаментальному понятию: изменению скорости или, другими словами, ускорению⁵. Когда Эйнштейн разрабатывал специальную теорию относительности, он говорил об объектах, движущихся с постоянной скоростью; его теория не учитывала ускорение, а поскольку ускорения не бывает без силы, она также не учитывала и ее.

С целью распространить специальную теорию относительности на движение с ускорением он и создал общую теорию относительности. Зачастую – и справедливо – общая теория относительности именуется самой красивой теорией, ведь, несмотря на сложные уравнения, ее общее построение и возможности прогнозирования берут начало в двух простых, но чрезвычайно глубоких тезисах.

* * *

Начнем с того, что Эйнштейн называл самой удачной мыслью в своей жизни. Еще со времен Галилея было известно, что при отсутствии значительного сопротивления воздуха все предметы падают на землю с одинаковым ускорением. Это и есть то самое ускорение свободного падения, обычно обозначаемое буквойg. Вблизи земной поверхности gсоставляет 9,8 м/с², но этот показатель важен скорее для инженеров. Для физиков же важнее, что g не зависит от массы и материала падающего объекта. Другими словами, в условиях вакуума золотые слитки, арбузы и птичьи перья будут падать с одинаковой скоростью.

Представьте, что мы оказались в лифте, у которого оборвался трос; поскольку и мы, и лифт будем падать с одинаковым ускорением (g), мы в момент падения будем чувствовать себя в невесомости: наши ноги перестанут упираться в пол или весы, которые мы случайно прихватили с собой как раз на такой случай.

В небольшом замкнутом пространстве состояние свободного падения неотличимо от отсутствия гравитации.

Именно такие условия можно наблюдать на Международной космической станции: астронавты и космонавты падают на Землю с той же скоростью⁶, что и станция, и за счет этого чувствуют себя невесомыми. Приводя в пример более знакомую ситуацию, можно вспомнить, что происходит с нами в лифте, который набирает скорость, поднимаясь вверх: мы чувствуем, будто наш вес увеличивается, и поэтому нам кажется, что сила гравитации возрастает.

Эйнштейн обобщил все эти наблюдения в виде закона природы, который он назвалпринципом эквивалентности.

Ни один эксперимент, если проводить его в достаточно маленьком замкнутом пространстве, не позволит отличить равномерное ускорение от однородного гравитационного поля.

Другими словами, если в лифте нет окон, вы не сможете определить, что именно ускоряет его движение: то ли это возросла сила, с которой его тянет трос, то ли это масса Земли, внезапно увеличившись, повлекла за собой рост гравитации. Точно так же, если трос лифта оборвется, вы не сможете понять: падаете ли вы на землю с ускорением, равнымg, или Земля под вами просто внезапно исчезла. Получается, что в отдельно взятом пространстве ускорение и гравитационное поле⁷ эквивалентны.

Подобные наблюдения и привели Эйнштейна к мысли, что расширение специальной теории относительности с учетом ускорения потребует разработки новой теории тяготения.

* * *

Теория гравитации Эйнштейна, обманчиво названная общей теорией относительности, изменила наше представление о пространстве и времени даже в большей степени, чем специальная теория относительности. Уже один принцип эквивалентности требует, чтобы на разных высотах от поверхности Земли в ее гравитационном поле часы тикали с разной скоростью. Этот принцип подтверждается миллионы раз каждый день, и без него жизнь современного человека во многих ее аспектах была бы попросту невозможна.

Чтобы слегка обновить эксперимент, предложенный Эйнштейном, представьте себе космический корабль, набирающий скорость в пустом пространстве космоса. Наташа, находящаяся в верхней части корабля, и Борис, находящийся в нижней, пользуются одинаковыми телефонами. Приложение «Эквивалентность» на телефоне Наташи посылает на телефон Бориса сигналы в виде маленьких вспышек света. По Наташиному времени сигналы посылаются на телефон Бориса ежесекундно, но поскольку Борис, пока вспышки летят к нему, все быстрее движется вверх, он получает сообщения Наташи быстрее, чем если бы двигался на постоянной скорости. Борис видит сигналы через более короткие интервалы, чем они посылаются с телефона Наташи, и это заставляет его думать, что его часы идут быстрее, чем часы Наташи⁸. Если ускорение и гравитационное поле эквивалентны в космосе, значит, они должны быть эквивалентны и на Земле.

Система глобального позиционирования (GPS) полагается на повторяющиеся с определенной периодичностью сигналы, посылаемые созвездием спутников, расположенных на орбите Земли. Поскольку эти спутники движутся на большой скорости, их бортовые часы, согласно специальной теории относительности, идут медленнее, чем часы смартфонов на Земле; а общая теория относительности обуславливает их замедление слабым гравитационным воздействием на большом расстоянии от Земли. Расхождение, рассчитанное на основе общей теории относительности, вдвое больше, чем рассчитанное на основе специальной теории, однако оно в обоих случаях не превышает одной миллиардной доли секунды.

Свет на скорости 3×10⁸ м/с преодолевает около трети метра за одну миллиардную долю секунды. Это значит, что если GPS не будет делать поправку на относительные расхождения, то данные, которые он вам посылает, каждую секунду будут отставать от вашего реального местоположения примерно на 30 см. Из-за этого вы в течение всего нескольких минут полностью перестанете ориентироваться по GPS-навигатору и безнадежно заблудитесь.

Общая теория относительности гласит истину.

* * *

Кроме того, общая теория относительности описывает космос таким, каким Ньютон бы его никогда не узнал. Возможно, вы уже слышали о знаменитом законе инерции, который он позаимствовал у Галилея. Этот закон гласит, что каждому телу свойственно продолжать делать то, что оно уже делает. Выражаясь чуть более точно, если никакая сила не воздействует на объект, он продолжает двигаться равномерно по прямой. Гравитация же, напротив, заставляет объект двигаться по кривой траектории – например, когда вы бросаете мяч и он падает на землю. Мы только что видели, что гравитация исчезает в лифте, находящемся в свободном падении. В соответствии с законом инерции мячик, брошенный в таком лифте, продолжит двигаться по прямой в направлении броска, как на первой картинке на рис. 2.

Рис. 2

Эйнштейн установил, что свет ведет себя точно так же. Это значит, что, поскольку и в лифте, находящемся в свободном падении, и в лифте, движущемся с постоянной скоростью, никакие силы не действуют, свет в таких лифтах совершает движение по прямой, как на той же первой картинке. Но в случае лифта, поднимающегося вверх с ускорениемg, или просто над планетой, обладающей g-гравитационным полем, принцип эквивалентности требует, чтобы свет отклонялся от прямой траектории, причем в обоих случаях величина отклонения будет одинаковой, как показано на картинке посередине и справа.

Получается довольно странная картина: траектория пути объекта (прямая или кривая) зависит от точки отсчета, если выражаться в терминах предыдущей главы. Не менее странно то, что само существование гравитации, как кажется, тоже зависит от точки отсчета. И это правда.

Представьте себе здание из будущего: пусть его длина будет ненамного меньше диаметра самой Земли. На самом верху этого здания показатель ускорения свободного падения,g, будет значительно меньше, чем у его подножия, ведь это уже не то «небольшое замкнутое пространство», о котором мы говорили ранее.

А теперь представьте, что будет, если в таком здании оборвутся два троса, поднимающие лифты: один – ближе к крыше, а другой – ближе к земле. Очевидно, что оба лифта будут падать с разным ускорением. Человек, бросивший мяч в лифте повыше, увидит, что он движется в направлении броска по прямой линии, и то же самое увидит человек, бросивший мяч в лифте, находящемся ближе к земле. Но тот, кто наблюдает за обоими мячами со стороны, скажет, что их траектория движения различается. Это различие отображено на центральной картинке на рис. 3. Сравните эти два броска с двумя другими, совершенными при таких же обстоятельствах, но в здании поменьше, где величинаg сохраняется в обеих точках здания: оба мяча движутся по одинаковым траекториям, которые никогда не пересекутся. В то же время, если мы бросим два мяча в высоком здании, лежащем на боку, они оба будут падать в направлении центра Земли, так что в итоге их траектории сойдутся, как на картинке справа.

Рис. 3

Это явление, когда тела, находящиеся рядом друг с другом, следуют по одинаковым траекториям, а тела, разделенные большим расстоянием, – по разным, лежит в основеприливов. Та сторона Земли, что находится ближе к Солнцу, подвержена воздействию гравитационного поля в большей степени, чем обратная ее сторона. Эта разница в воздействии сил приводит к растяжению Земли, формирующему знаменитый приливной горб⁹, а также к океанским приливам.

Как вы уже поняли, везде можно найти маленький лифт, внутри которого гравитация пропадает. Приливы возникают в поле нашего зрения, когда мы пытаемся рассмотреть ситуацию в глобальном масштабе, при этом на Земле они являются объективной реальностью. Выражаясь языком Ньютона, приливы – это очевидное и недвусмысленное проявление гравитации.

Современные космологи любят говорить о гравитации на языке геометрии. Все мы знаем, что две линии, проведенные параллельно друг другу на листе бумаги, никогда не пересекутся (это и есть знаменитый пятый постулат евклидовой геометрии). Специальная теория относительности так же проста: силы в ней не играют никакой роли, а потому объекты, движущиеся по параллельным траекториям, никогда не меняют своего маршрута. Специальная теория относительности – это теория плоского пространства-времени.

Напротив, на изогнутой поверхности две изначально параллельные линии могут в конце концов пересечься. К примеру, две линии долготы параллельны на экваторе Земли, но пересекаются в областях северного и южного полюсов, как показано на картинке слева на рис. 4. Обратите внимание, что общая сумма углов в треугольнике на картинке превышает 180° (сумма углов в основании треугольника уже равна 180), что является еще одним признаком кривизны поверхности. В то же время две параллельные линии, огибающие цилиндр на второй картинке, никогда не пересекутся, а значит, его поверхность не изогнута, несмотря на видимость.

Рис. 4

Непосредственной причиной таких пересечений как раз и является гравитация. Внутри одного лифта тела движутся параллельно друг другу, но те, что находятся на значительном расстоянии друг от друга, могут двигаться по траекториям, находящимся на изогнутых поверхностях, и поэтому могут в один момент пересечься. Некоторые физики утверждают, что геометрические фигуры – плохая аналогия для описания теории относительности. Однако геометрия общей теории относительности представляет собой как раз геометрию кривых поверхностей, разработанную Георгом Бернхардом Риманом и другими учеными в XIX веке, когда время начали рассматривать в качестве четвертого измерения. Геометрическая аналогия – это идеальная аналогия, ведь гравитация как раз и представляет собой искривление пространства, а точнее, пространства-времени.

Классическая теория тяготения Ньютона учит нас, что тела, обладающие массой, порождают силу тяготения, которая приводит в движение другие тела. Общая теория относительности, в свою очередь, говорит, что материя искривляет пространство-время и эта кривизна определяет движение всей остальной материи. Если в физике Ньютона силы действуют в пространстве, которое всегда остается плоским, то в физике Эйнштейна пространство-время обретает кривизну, постоянно меняя форму по мере того, как пропускает через себя материю. Общая теория относительности повлекла за собой настоящую революцию.

Завершив в 1915 году работу над своей теорией, Эйнштейн наконец смог объяснить смещение перигелия Меркурия. Поскольку Меркурий – самая близкая к Солнцу планета, пространство, в котором он находится, искривлено достаточно, чтобы расхождение его траектории с траекторией, рассчитанной по законам Ньютона, можно было измерить. В 1919 году в ходе знаменитой экспедиции, организованной для наблюдения за солнечным затмением и возглавлявшейся Артуром Эддингтоном, стало известно, что звездный свет отклоняется гравитационным полем Солнца – так, как и описывал этот процесс Эйнштейн. Век спустя общая теория относительности была признана одной из наиболее проверенных теорий в истории, и то, что нам больше не нужно учиться чтению топографических карт, прекрасно доказывает ее правильность.

* * *

Как и электромагнетизм, общая теория относительности представляет собой теорию поля и допускает распространение волн. Как уже было сказано в главе 1, общая теория относительности стала не первой теорией гравитационного поля, а Эйнштейн не был первым, кто догадался о существовании гравитационных волн. Более того, он даже отрицал их существование, а когда понял свою ошибку, поначалу описал их совершенно неправильно. Впрочем, Эйнштейн также был и первым человеком, сделавшим это верно.

Как и в теории электромагнетизма, где ускорение электрических зарядов производит электромагнитные световые или радиоволны, в общей теории относительности ускорение массы порождает гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. В отличие от световых, гравитационные волны не могут быть обнаружены при помощи простых телескопов: эти слабые приливные искажения, распространяющиеся сквозь пространство-время, заставляют сам измерительный прибор расширяться и сжиматься, точно так же как лунные приливы заставляют расширяться и сжиматься Землю. Из-за слабости гравитации гравитационные волны невообразимо трудно обнаружить, ведь в процессе измерения детектор сам растягивается или сжимается на величину, примерно равную одной десятитысячной диаметра протона. И все же, спустя более полувека попыток, свершилось долгожданное чудо: в 2016 году лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) объявила об открытии гравитационных волн. Волновые возмущения, возникающие из-за столкновения черных дыр в миллиарде световых лет от нас, полностью соответствовали прогнозам общей теории относительности. Пусть это открытие и довело до слез некоторых космологов, с ним в астрономии началась новая эпоха.

* * *

Вы уже, наверное, поняли, что общая теория относительности верна настолько, насколько это вообще возможно для научной теории. Она является частью того, что физики называютклассической теорией, то есть разделом физики, не учитывающим квантовую механику. Все же вполне вероятно, что вскоре нам понадобится создать квантовую теорию гравитации, которая позволит описать сингулярность Большого взрыва – достаточно скоро мы поговорим и о ней. За исключением сингулярности, общая теория относительности работает во всех возможных ситуациях, а потому космологи без лишних сомнений прибегают к ней при описании эволюции нашей Вселенной.

Как мы убедимся далее, реальная Вселенная почти что плоская. Другими словами, мы с вами живем в евклидовой Вселенной. Из-за этого современная космология зачастую довольствуется концепцией Ньютона, в то время как большая часть формального аппарата общей теории практически всегда оказывается излишней. И все же выводы теории относительности имеют ключевое значение. Вблизи таких объектов, как черные дыры, гравитационное поле может быть экстремально сильным, пространство-время заметно искажено, что требует применения всех постулатов общей теории относительности.

* * *

До сих пор, говоря об общей теории относительности, я не затрагивал второй его постулат. Название у него довольно нелепое, поэтому давайте просто назовем его «обобщенным» принципом относительности. Вы уже знаете, что специальная теория относительности рассматривала лишь движение с постоянной скоростью или, если быть точнее, лишь те системы отсчета, которые движутся с постоянной скоростью; Эйнштейн объявил, что законы природы в них во всех одинаковы. Работая уже над общей теорией относительности, он сказал, что нужно научиться описывать движение в любой возможной системе отсчета, и в том числе – в движущейся с ускорением.

Его заявление породило много глубоких и важных вопросов. Большинство из нас наверняка бывали в парке развлечений и помнят аттракцион, в котором кабинки вращаются по кругу и вокруг своей оси, как в центрифуге. Обычно мы говорим, чтоцентробежная сила придавливает нас к стенке кабинки, стремясь выбросить наружу. Так это ощущается внутри. Однако сторонний скептик-наблюдатель, стоящий на земле, заявил бы, что это только наше воображение. Если бы кабинка внезапно исчезла, мы бы полетели по прямой, в соответствии с законом инерции Ньютона. Центробежная сила, которую мы ощущаем, – вымысел, и на самом деле это стена кабины давит на нас, не давая из нее вылететь.

Этот вращающийся аттракцион тоже являетсяускоряющейся системой отсчета, и, как написано во многих учебниках, физику на примере таких систем изучать нельзя. Центробежная сила – плод нашего воображения, потому что на земле, не пребывающей в состоянии ускорения, она исчезает. И все же мы видели, как гравитация исчезает в падающем лифте, который в данном случае эквивалентен системе отсчета, движущейся без ускорения. Может, гравитация – тоже выдумка?

На этот вопрос возможен только один ответ: если мы доверяем общей теории относительности, то у нас нет иного выбора, как признать, что реальны либо гравитация, либо те самые вымышленные силы. Иного не дано.

* * *

Эта дилемма ставит перед нами еще более глубокий вопрос. Представьте, что мы сидим в поезде. Согласно специальной теории относительности, мы не можем определить, движется ли он с постоянной скоростью или находится в состоянии покоя. Тем не менее мы точно знаем, в какой момент он начинает ускоряться, – это происходит, когда движение поезда отталкивает нас к спинкам кресел.

Вопрос заключается в том, относительночего ускоряется поезд. Исаак Ньютон сказал бы, что ускорение происходит относительно абсолютного пространства – эфира, пребывающего в неизменном состоянии абсолютного покоя. Вводные курсы физики как бы разделяют его точку зрения и создают тем самым основу для иллюзорного существования эфира.

Значительное влияние на Эйнштейна и его общую теорию относительности оказали работы немецкого физика и философа Эрнста Маха, который был уверен, что абсолютное пространство – плод фантазии Ньютона. Если же обнаружить абсолютное пространство невозможно, остается говорить об ускорении только относительно других материальных объектов – например, звезд. Эту мысль Эйнштейн окрестил «принципом Маха».

На самом деле этот принцип был продемонстрирован еще в 1851 году в Париже, когда Леон Фуко подвесил к куполу Пантеона очень длинный маятник. В течение дня казалось, что плоскость, в которой раскачивался маятник, медленно вращается относительно пола Пантеона, но в реальности это Пантеон двигался вокруг маятника, который раскачивался в той же плоскости, но относительно звезд. Что же заставило маятник Фуко раскачиваться в плоскости, вращающейся относительно звезд? Может, система отсчета в виде звезд случайно совпала с абсолютным пространством? Для одних людей в этом нет никакой проблемы, для других это – одна из глубочайших тайн физики.

Эйнштейн намеревался встроить принцип Маха в общую теорию относительности. Во Вселенной, в которой исчезла бы вся материя, никто не смог бы обнаружить никакого ускорения. Насколько успешной оказалась попытка Эйнштейна, до сих пор остается предметом споров, но, чтобы раскрыть эту тему, нам бы понадобилась еще одна книга. Поэтому я предпочитаю на этом остановиться.

Как описывает Вселенную теория относительности?

4
Расширяющаяся Вселенная

Сегодня идея расширяющейся Вселенной пользуется такой популярностью, что уже успела укорениться в массовой культуре. Но что за ней стоит? Когда после любого публичного выступления на тему космологии слушатели начинают подниматься на сцену, первый их вопрос звучит так: «Если все остальные галактики от нас удаляются, означает ли это, что мы находимся в центре Вселенной?» Второй их вопрос: «Куда расширяется Вселенная?» Если уж совсем честно, иногда они следуют в обратном порядке. Так или иначе, эти вопросы довольно естественны, в то время как концепция расширяющейся Вселенной – нет.

Мы точно можем сказать, что она принадлежит не Эйнштейну: в 1916 году, когда он только опубликовал исследование, посвященное общей теории относительности, у науки еще не было никаких астрономических доказательств, что Вселенная расширяется. А когда Эйнштейн в том же году приступил к разработке первой современной модели космоса, он все еще полагал, что Вселенная статична. В течение следующего десятилетия астрономы приблизились к пониманию, что Вселенная расширяется, когда поняли, что звездные туманности находятся не в нашей галактике, как все думали раньше, а за пределами Млечного Пути; более того, стало понятно, что эти туманности от нас удаляются.

Теория расширяющейся Вселенной получила признание после 1929 года, когда Эдвин Хаббл представил свой знаменитый закон, утверждающий, что скорость удаления одной галактики от другой прямо пропорциональна расстоянию между ними. По причинам, которые, надеюсь, вскоре станут понятны, закон Хаббла также подразумевает, что галактики удаляются не только от Млечного Пути, но и друг от друга¹⁰.

Именно так астрономы понимают расширение Вселенной: все галактики отдаляются друг от друга. Это открытие стало важнейшим в истории космологии и легло в основу всей теории Большого взрыва, ведь если бы Вселенная не расширялась, Большого взрыва не было бы.