Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Кристиансен Йостейн Рисер

В статье 1917 года Эйнштейн говорит, что его теория, похоже, не допускает статичности Вселенной: Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Как мы обсуждали ранее, проблема заключалась в том, что нерасширяющаяся Вселенная рано или поздно начнет сжиматься из-за своих же гравитационных сил. Чем-то похоже на камень, который не может вечно висеть в воздухе и все равно начнет падать. И не забывайте, что все это происходило за десятилетие до открытия Хабблом расширяющейся Вселенной. На тот момент в науке господствовала теория статической Вселенной, то есть остающейся неизменной с течением времени. Конечно, звезды и галактики немного движутся, но по большому счету видимая Вселенная никогда не менялась. Эйнштейн тоже был привязан к этой идее вечной статичной Вселенной и не мог смириться с тем, что общая теория относительности не допускает этого. В этот момент, точнее в 1917 году, Эйнштейну выпал уникальный шанс сделать предположение, которое еще сильнее

укрепило бы его положение на астрофизическом Олимпе: он мог бы предсказать, что Вселенная расширяется (или сжимается) до того, как были проведены соответствующие наблюдения. Но тут Эйнштейн — человек, совершивший научную революцию, — потерпел поражение именно потому, что поддался укоренившимся предрассудкам о том, каким «должен» быть мир. У ученого не хватило решимости отказаться от собственного заблуждения в статичности Вселенной.

^{В 1917 году Эйнштейн почувствовал необходимость ввести космологическую постоянную в свои уравнения, чтобы избежать коллапса Вселенной. Тогда ему было 37 лет. Здесь же мы видим пожилого, слегка расстроенного Эйнштейна, который рассказывает о своей «величайшей ошибке», параллельно вписывая Л в уравнение.}

Чтобы решить эту проблему, ученый ввел в свое уравнение гравитационного поля новый элемент — он добавил Л (лямбду), то есть космологическую постоянную.

(По правде говоря, Эйнштейн обозначил космологическую постоянную буквой X (прописная греческая лямбда), а не Л (заглавная буква), хотя сегодня более распространено второе обозначение. Впрочем, суть космологической постоянной от этого не меняется.)

Формально говоря, никаких проблем с вводом постоянной нет. С математической точки зрения теория стала чуть более «уродливой», но ведь не в красоте счастье. Ввод космологической постоянной не изменит предсказания об орбите Меркурия или искривлении звездного света Солнцем, однако сыграет важную роль при рассмотрении Вселенной как единого целого: Л «отвечает» за отталкивающую гравитацию. Эйнштейн предполагал, что Л должна быть достаточно большой, чтобы компенсировать тенденцию Вселенной к сжатию. Чтобы Вселенная оставалась неподвижной, требовалось уравновесить силу отталкивания Л и силу притяжения. Получилось подогнанное под ситуацию решение, позволившее связать теорию и господствующее мировоззрение.

Но главная проблема космологической постоянной заключалась совсем не в уродливости теории. Как выяснилось впоследствии, обеспечить статическую Вселенную не в силах и она. Но почему нет? Да потому, что Вселенная, в которой сила притяжения уравновешивается отталкивающей Л, будет неустойчивой. Ситуация похожа на попытку сохранить равновесие и не дать бильярдному шару упасть с острия иголки. Понятное дело, в чистой теории возможно поместить шар так, чтобы он в равновесии лежал на игле, вот только на практике это невыполнимо. Едва заметный толчок — и всё, конструкция разрушена. То же самое происходило с равновесием во Вселенной Эйнштейна. Если такую Вселенную слегка подтолкнуть к расширению, космологическая постоянная сама запустит все больше и больше ускоряющееся расширение Вселенной. А если толкнуть ее к сжатию, то она начнет сжиматься все быстрее и быстрее, пока совсем не схлопнется. То, что Вселенная должна вечно балансировать на острие космической иголки, уж точно не является физически приемлемым решением. Позднее, когда расширение Вселенной уже было открыто, Эйнштейн признал введение космологической постоянной своей «величайшей ошибкой».

(Предполагаемое высказывание Эйнштейна, в котором он признал Л своей величайшей ошибкой («biggest blunder»), пошло от физика Георгия Гамова (в посмертно опубликованной автобиографии «Му world line»). Однако следует отметить, что Гамов вряд ли является наиболее достоверным свидетелем по истории физики, и сомнительно, что Эйнштейн когда-либо говорил это. Несомненно, Эйнштейн несколько раз выражал сожаление по поводу введения Л.)

И раз Вселенной больше не требовалось быть статичной, то и потребность в отталкивающих силах космологической постоянной отпала. Поэтому о лямбде в астрономической среде на долгие годы забыли почти все. Похвальное исключение — трое норвежских астрономов: Ян Эрик Сольхейм, Рольф Ста- белл и Шур Рефсдал. Еще в 1960-х они изучали расширяющуюся Вселенную с космологической постоянной. Но пришли 1990-е годы, а вместе с ними возобновилась и потребность в отталкивающей гравитации. Тогда-то космологическая постоянная и ожила вновь. А «величайшая ошибка» Эйнштейна сегодня является неотъемлемой частью наших стандартных представлений о Вселенной.

Доминирование Л во Вселенной

Если вы снова посмотрите на математическое выражение, которое Эйнштейн записывает на доске, то заметите, что он

пишет Л (лямбда-член) слева от знака равенства. Как мы помним, левая часть уравнения описывает геометрию пространства-времени. Поместив космологическую постоянную слева, ученый наделил ее физическими свойствами: он считал, что Л вносит свой вклад в искажение пространства-времени. Но все, кто проходил уравнения в школе, знают, что любой член можно запросто перенести из одной части уравнения в другую, главное — не забыть поменять знак на противоположный. Сегодня принято писать Л в правой части уравнения вместе со всем содержимым Вселенной. Эта простейшая математическая манипуляция с уравнениями гравитационного поля дает нам новую интерпретацию Л. Сейчас большинство людей смотрит на Л как на нечто присутствующее во Вселенной. Это такой же компонент, как и обычная материя, темная материя, излучение и другие ингредиенты, скрытые в несколько загадочном символе Т в правой части уравнений.

Если космологическая постоянная — это один из компонентов Вселенной, то как же она себя ведет? Понятное дело, она постоянна. На первый взгляд, впечатляет не особо. Но космологическая постоянная впечатляет потому, что постоянна именно плотность Л-вещества. Несмотря на расширение Вселенной, плотность остается неизменной. Объясню это на примере норвежских гор.

Представьте себе большой грузовик, который едет в гору, чтобы выпустить овец на летнее пастбище. В грузовике стоит сотня обычных овец и одна — особая, назовем ее Л-овцой. Животных выпускают наружу, и они начинают разбегаться. Понятное дело, что внутри машины им было тесновато, а сейчас они начали разбредаться по более просторной площади. По мере распределения стада плотность обычных овец уменьшается, и вскоре они находятся в нескольких метрах друг от друга. А чем в это время занимается та причудливая Л-овца? Она тоже отошла от грузового автомобиля, но, отдаляясь, не перестает делиться, создавая своих Л-клонов. Стадо распространяется по горам все дальше, а Л-овца постоянно делится на новых особей. Плотность Л овец постоянна, несмотря на расширение пространства. В грузовике в стаде преобладали обычные овцы. Однако по мере увеличения территории плотность обычных овец уменьшается, а вот Л-овцы сохранили ту же плотность. Через некоторое время Л овец становится больше, чем обычных. Те, кто составлял незначительное меньшинство, вскоре начинают преобладать. А все из-за постоянной плотности Л-овец.

Такие чудные свойства Л-овцы разделяют с космологической постоянной: при расширении Вселенной плотность ее вещества не меняется.

Считается, что во Вселенной сейчас примерно в три раза больше темной энергии, чем материи. Ранее в истории Вселенной плотность материи была больше, чем сегодня. Взять, к примеру, период образования реликтового излучения. Тогда в каждом кубическом метре Вселенной содержалось в среднем более чем в миллиард раз больше материи (как обычной, так и темной), чем сейчас. Но если темная энергия является космологической постоянной, то она всегда обладала одной и той же плотностью. Таким образом, в молодой Вселенной космологическая постоянная играла совершенно незначительную роль. Но Вселенная росла, материя становилась все тоньше и тоньше, и сегодня мы живем в мире, где доминирует космологическая постоянная.

Это также повлияло на скорость расширения Вселенной. В первое время после Большого взрыва Вселенная расширялась, но все медленнее и медленнее из-за влияния гравитации материи. Только когда Вселенной было около 10 миллиардов лет, космологическая постоянная стала доминировать над ее содержимым и расширение начало ускоряться. Следовательно, ускоряющееся расширение — относительно новое состояние в эволюции Вселенной. А какой будет следующая ступень? Вселенная продолжит расширяться все быстрее и быстрее, а космологическая постоянная будет доминировать все больше и больше. Поэтому, когда мы говорим, что Вселенная на 70 процентов состоит из темной энергии (которая, например, может быть космологической постоянной), это касается Вселенной в ее современном виде. Ведь пока космологическая постоянная обладает постоянной плотностью, плотность материи продолжит уменьшаться по мере расширения пространства. Несколько миллиардов лет назад процент темной энергии был ниже, а через несколько миллиардов лет этот процент станет выше.

Приведенные выше вычисления основываются на принятии темной энергии за космологическую постоянную. А так ли это на самом деле, никто с уверенностью сказать не может. Но пока космологическая постоянная неплохо встраивается в наши наблюдения, например, за сверхновыми звездами. Так что даже если темная энергия представляет собой нечто другое, то она все равно должна быть похожа на космологическую постоянную.

Чуть позже мы познакомимся с другими возможными формами темной энергии. Но для начала давайте потратим немного времени и разберемся с тем, что может представлять собой космологическая постоянная. Сами посудите, Л-овцы ведут себя и впрямь странно: если некая субстанция при распределении на большой территории не теряет плотности, это крайне необычно.