(из книги Парадокс. Девять великих загадок физики. Профессор Джим Аль-Халили)
В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал величайшую из своих работ. Но это не было его знаменитое уравнение, E = mc2, не было это и его работой о природе света. Речь идёт о теории, известной как общая теория относительности, и в ней он описал, как гравитация влияет на пространство и время. В школе мы изучаем определение гравитации, данное Исааком Ньютоном: это невидимая сила, которая притягивает объекты друг к другу. Разумеется, это в целом правильно и мы всю жизнь живем под воздействием гравитационного притяжения нашей планеты удерживающего нас на ее поверхности. Закон всемирного тяготения Ньютона также объясняет почему Луна вращается вокруг Земли и как ее сила притяжения влияет на приливы и отливы, почему Земля вращается вокруг Солнца, подтверждая тем самым гелиоцентрическую модель Солнечной системы Коперника. Именно расчетами на основании ньютоновского закона всемирного тяготения пользовались ученые НАСА, когда отправляли миссии «Аполлон» на Луну. У нас нет никаких сомнений, что этот универсальный закон работает. Однако его точность не абсолютна.
Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию совершенно другим и намного более точным образом. Она гласит, что гравитация – это не сила, подобная невидимой натянутой резинке, притягивающей всю материю друг к другу, а скорее это мера деформации самого пространства вокруг любого объекта, имеющего массу. Что ж, в случае, если у вас нет специального образования в области физики, эти слова, без сомнения, мало значат для вас. Не беспокойтесь, говорят, что, когда Эйнштейн впервые опубликовал свою теорию, в мире нашлось всего двое ученых, кроме него, кто понял ее. К настоящему моменту теорию испытали и проверили настолько сурово, что не остается практически никаких сомнений в ее истинности.
Поскольку наша Вселенная, по сути, представляет собой пространство, наполненное веществом, и это вещество управляется преимущественно гравитацией, Эйнштейн и остальные быстро поняли, что общую теорию относительности, должно быть, можно применить для описания свойств нашей Вселенной в целом. Но вскоре Эйнштейн столкнулся с серьёзной проблемой. Если в данный момент времени все галактики во Вселенной не подвижны по отношению друг к другу и Вселенная имеет конечную протяжённость, взаимное гравитационное притяжение заставит их соединиться друг с другом, что приведет в конечном итоге к коллапсу Вселенной. В то время общепринятым было мнение, что Вселенная (на уровне галактики и дальше) статична и неизменна. Мысль о развивающейся, динамичной и изменяющейся Вселенной в очень больших масштабах казалась одновременно чуждой и ненужной. Поэтому, когда уравнения общей теории относительности показали, что Вселенная должна сжиматься, Эйнштейн решил, вместо того, чтобы коренным образом пересмотреть ее, просто внес небольшие поправки. Он рассуждал, что для того, чтобы уравновесить притяжение гравитации, должна существовать противопоставляющая ей антигравитационная сила, известная как космическая сила отталкивания, которая уравновесит гравитационное притяжение, удержит галактики на расстоянии друг от друга и поддержит стабильность Вселенной. Предложение Эйнштейна было, по сути, математической уловкой, призванной примирить общую теорию относительности с доминирующей моделью статичной Вселенной.
Однако затем случилось нечто неожиданное. В 1922 году русский космолог Александр Фридман пришел к несколько иному выводу. Что, если Эйнштейн ошибался и не существует антигравитационной силы, удерживающей Вселенную в сбалансированном и стабильном состоянии? Он понимал, что это не обязательно должно значить, что она неизбежно сколапсирует под воздействием гравитации. Это может также означать, что во Вселенной происходит обратный процесс – она расширяется. Но как такое возможно? Ведь при отсутствии космической силы отталкивания Вселенная должна сжиматься, а не расти? Ну что ж, вот так.
Представьте себе, что некоторое событие в самом начале заставило Вселенную расширяться – это мог быть взрыв. Гравитационное притяжение всей материи во Вселенной будет замедлять такое расширение. Следовательно, если не существует космической силы отталкивания, способной уравновешивать гравитационное притяжение, и если Вселенная в самом начале своей жизни расширялась (по какой-то причине), то к настоящему времени она должна либо расширяться, либо сжиматься. Но что невозможно, так это стабильное состояние: равновесие между расширением и коллапсом. Это неустойчивый вариант.
Продемонстрируем это на простом примере. Представьте шар, лежащий на гладкой поверхности, поставленной под углом: если его положить на середину этой поверхности, он в любом случае скатится вниз. Но если мы смотрим видеозапись, на которой показывают этот шар на наклонной поверхности, и кто-то нажимает на паузу в тот момент, когда шар находится на середине пути вверх (или вниз), мы попросим кого-то сказать, что произойдет с шаром дальше (когда мы снова включим видео), то подумав, человек скажет, что шар покатится либо вверх (соответствует расширяющейся Вселенной), либо вниз (соответствует сжимающейся Вселенной), но определённо не останется на месте. Разумеется, единственный вариант, при котором шар может покатиться вверх, — это если мы сознательно толкнём его в данном направлении. В таком случае его движение по наклонной поверхности будет все время замедляться – и в конечном итоге он остановится и покатиться назад.
Никто, даже Эйнштейн, не был готов поверить в теорию Фридмана, пока не будут найдены эмпирические доказательства ее пользу. Это случилось спустя несколько лет. Первым, кто доказал, что за пределами Млечного Пути существуют другие галактики, был астроном Эдвин Хаббл. До тех пор считалось, что маленькие светящиеся пятнышки, которые можно увидеть в телескоп, — это облака пыли (называются небулами), находящиеся в пределах нашей Галактики. Благодаря своему мощном телескопу Хаббл обнаружил, что они слишком далеки, чтобы быть частью Млечного Пути, следовательно, должны представлять собой полноценные галактики. Еще бóльшее значение имело его наблюдение, показавшее, что наиболее удаленные из этих галактик летят прочь от нас на скорости, зависящей от расстояния до них. Такая картина, похоже, наблюдалась везде, куда бы он не направил свой телескоп. Так Хаббл доказал, что идея Фридмана о расширяющейся Вселенной была верной.
Хаббл верно рассудил, что поскольку Вселенная расширяется, то в прошлом она должна была быть меньше. Следовательно, если мы вернемся назад во времени достаточно далеко, то достигнем момента, когда все галактики наслаивались друг на друга и во Вселенной было довольно-таки тесно. По мере продвижения все дальше назад во времени материя будет становиться все более сжатой, пока мы не достигнем момента рождения Вселенной – величайшего взрыва, который мы теперь называем Большим (этот термин впервые использовал астрофизик Фред Хойл в 1950-е годы).
Стоит отметить одно распространенное заблуждение, касающееся расширения Вселенной. Оно заключается в том, что все остальные галактики будто бы разлетаются в стороны от нашей. Это не так. На самом деле само пространство между галактиками расширяется. Нелишне упомянуть еще один интересный факт: наша ближайшая соседка Андромеда приближается к нам! Согласно текущей оценке скорости расширения Вселенной, она должна удаляться от нас на скорости 50 км/с. Вместо этого она движется к нам со скоростью 300 км/с! Причина заключается в том, что, как и звезды в галактиках, сами галактики распределены во Вселенной неравномерно. Хаббл наблюдал скорее очень далекие галактики, удаляющиеся от нас, нежели движение тех галактик, которые образуют нашу местную группу.
На скорости, с которой сближаются наша галактика и Андромеда, можно совершить кругосветное путешествие за две минуты или преодолеть расстояние от Земли до Солнца за неделю. На самом деле траектория движения этих галактик в конечном итоге приведет их к столкновению, однако, при текущей скорости пройдет несколько миллиардов лет, прежде чем галактики сольются.
Еще один момент, который нужно упомянуть, рассказывая о расширении Вселенной, заключается в том, что скорость ее расширения увеличивается. Похоже, помимо того, что гравитация не замедляет расширение, что-то еще более сильное заставляет галактики разбегаться друг от друга с нарастающей скоростью. Оказывается, здесь действует некая мистическая сила антигравитации, за неимением лучшего определения названная темной энергией. То есть идея Эйнштейна о силе космического отталкивания оказалась вовсе не безумной, но теперь вместо того, чтобы поддерживать стабильное состояние Вселенной, похоже, эта сила растягивает Вселенную в стороны.