Вселенная и чашка чая

Эйнштейн вдохнул жизнь в пространство-время. Он бросил вызов тысячелетней интуиции, основанной на повседневном опыте и считавшей пространство и время лишь неизменной декорацией спектакля. Кто бы мог вообразить, что пространство-время способно скручиваться и изгибаться, становясь невидимым балетмейстером космического движения? Эйнштейн представил себе этот революционный танец, а наблюдения подтвердили его правоту. Но вскоре он сам был сбит с толку старыми, хотя и безосновательными предубеждениями.

В течение года после публикации своей общей теории относительности Эйнштейн изучал её применение к самому масштабному объекту — космосу в целом. Может показаться, что это ошеломительная задача, однако искусство теоретической физики состоит в упрощении ужасающе сложных вещей таким образом, чтобы сделать их поддающимися анализу, сохранив при этом важные физические черты. Это искусство игнорирования. Посредством так называемого космологического принципа Эйнштейн выстроил упрощённый теоретический каркас, который лёг в основу теоретической космологии как науки и искусства.

Космологический принцип состоит в утверждении, что вселенная, рассматриваемая на больших масштабах, предстанет перед наблюдателем однородной. Представьте себе чашку с чаем. На микроскопическом уровне чай в значительной степени неоднороден: здесь молекулы H2O, тут немного пустого пространства, там чуть-чуть молекул полифенола и танина, ещё пустое пространство и так далее. Но на макроскопическом уровне, доступном невооружённому глазу, мы увидим однородный красно-коричневый напиток. Эйнштейн был убеждён в том, что Вселенная в этом смысле напоминает чашку чая. Те отклонения, которые мы видим, — Земля здесь, потом немного пустого пространства, Луна там, ещё немного пространства, за ним Венера, Меркурий, ещё клочки пустоты, а дальше Солнце, — всё это мелкомасштабные неоднородности. Он предположил, что в космологических масштабах этими отклонениями можно пренебречь, потому что, как и ваш чай, в среднем они образуют нечто однородное.

Во времена Эйнштейна свидетельства в поддержку космологического принципа были в лучшем случае призрачными (а вопрос о других галактиках ещё даже не стоял), но им руководило мощное интуитивное чувство, говорившее, что в космосе нет какого-либо особого выделенного места. Он ощущал, что в среднем любая область вселенной должна быть равноправной с другими и иметь в значительной степени идентичные общие физические свойства. За прошедшие годы астрономические наблюдения дали нам большое количество данных, подтверждающих космологический принцип — но только если рассматривать пространство в масштабах по крайней мере сотен миллионов световых лет (это примерно тысячекратная длина Млечного Пути). Если вы возьмёте коробку, каждая сторона которой имеет длину сто миллионов световых лет, и бросите её где-нибудь тут, возьмёте другую такую же коробку и оставите её где-нибудь там (скажем, в миллиарде световых лет отсюда), а затем измерите средние значения общих физических характеристик внутри каждой коробки — среднее число галактик, среднее количество материи, среднюю температуру и так далее, — вы увидите, что эти коробки трудно отличить друг от друга. Короче говоря, если вы видели один кусок космоса размером сто миллионов световых лет, то вы видели их все.

Такая однородность критически необходима, чтобы можно было применить уравнения общей теории относительности к вселенной в целом. Чтобы понять, почему это так, вообразите прекрасный, ровный, гладкий пляж и представьте себе, что я прошу вас описать его свойство в малом масштабе — то есть по сути свойства каждой-каждой песчинки. Вы воспротивитесь: задача слишком объёмна. Но если я попрошу описать только общие черты пляжа (такие, как средний вес песка на кубический метр, средняя отражательная способность поверхности в расчёте на квадратный метр и тому подобное), задача станет реально выполнимой. И выполнимой её делает именно однородность пляжа. Измерьте средний вес, температуру, отражательную способность песка где-нибудь в одном месте — и готово. Измерения в других местах дадут по существу такие же результаты. То же верно и для однородной вселенной. Описать каждую планету, звезду и галактику — задача безнадёжная, но дать усреднённое описание свойств однородного космоса — цель несравнимо более простая, и с появлением общей теории относительности она стала вполне достижимой.

Вот каким образом это происходит. Содержимое большого объёма пространства в целом характеризуется тем, как много «всякой всячины» содержит этот объём; более точно, речь идёт о плотности материи, а ещё точнее — о плотности материи и энергии в этом объёме. Уравнения общей теории относительности описывают, как эта плотность меняется с течением времени. Однако без привлечения космологического принципа эти уравнения безнадёжно сложны для анализа. Их десять, а поскольку каждое из них хитроумно связано с другими, то вместе они образуют весьма тугой математический гордиев узел. К счастью, Эйнштейн обнаружил, что в приложении к однородной вселенной математическая задача упрощается: набор из десяти уравнений становится избыточным и сводится по сути дела к одному уравнению. Космологический принцип позволяет разрубить гордиев узел, устранив математическую сложность и сведя анализ распределения материи и энергии в космосе к решению единственного уравнения (вы найдёте его в примечаниях).6

Не столь удачной, на взгляд Эйнштейна, оказалась другая находка: при изучении этого уравнения он обнаружил нечто неожиданное и для него неприемлемое. Среди учёных и философов того времени преобладала точка зрения, согласно которой в крупном масштабе вселенная не только однородна, но и неизменна. Подобно тому как быстрое движение молекул в вашем чае, будучи усреднённым, формирует жидкость, которая выглядит статичной, перемещения астрономических тел (такие как вращение планет по орбите вокруг Солнца и движение самого Солнца вокруг ядра галактики) при усреднении дают нам картину в целом неизменного космоса. Эйнштейн, который был приверженцем такого взгляда на космос, испытал ужас, когда обнаружил, что эта картина не стыкуется с уравнениями общей теории относительности. Математика указывала на то, что плотность материи и энергии не может оставаться неизменной с течением времени. Она либо растёт, либо уменьшается, но не может быть постоянной.

Хотя математические выкладки, ведущие к такому заключению, являются довольно изощрёнными, стоящая за ними физическая картина весьма проста. Представьте себе траекторию бейсбольного меча, летящего с основной базы к центру поля. Сперва он взмывает вверх, затем замедляется, достигает высшей точки и, наконец, летит вниз. Мяч не парит в воздухе, как воздушный шар, потому что гравитация, будучи силой притяжения и действуя в одном направлении, притягивает мяч к земной поверхности. Статическая ситуация — как ничья в перетягивании каната — требует действия равных и противоположно направленных сил, которые сводят друг друга на нет. В случае воздушного шара сила, направленная вверх и противодействующая силе притяжения, порождается давлением воздуха (воздушный шар наполнен гелием, который легче воздуха); на бейсбольный мяч над землёй не действует никакая сила, противоположная гравитации (на движущийся мяч воздействует сопротивление воздуха, но в статической ситуации оно не играет никакой роли), и потому мяч не может сохранять своё положение.

Эйнштейн обнаружил, что вселенная ведёт себя скорее как мяч, а не как воздушный шар. Поскольку нет никакой внешней силы, противодействующей гравитации, общая теория относительности показывает, что вселенная не может быть статичной. Ткань пространства или растягивается, или сжимается, но не может оставаться неизменной. Область пространства, которая сегодня имеет размер сто миллионов световых лет, завтра будет другого размера. Она или вырастет, и тогда плотность материи в ней станет ниже (то есть материя будет более свободно распределена по большему объёму), или сократится, и тогда плотность материи возрастёт (материя будет более тесно размещена в меньшем объёме).7

Эйнштейн был обескуражен. Согласно формулам общей теории относительности, вселенная в больших масштабах оказалась меняющейся, поскольку изменчивой была самая её основа — пространство. Картина вечного и статичного космоса, которую ожидал увидеть Эйнштейн, отсутствовала. Он, заложивший основы космологии как науки, был глубоко расстроен тем, куда привела его математика.