Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Связь материи и геометрии, выражаемая уравнениями Эйнштейна, открывает огромное поле возможностей для управления мирами. Можно взять какое-то распределение материи и посмотреть, какое пространство-время оно для себя создаст. Делают это буквально так: выбирают таблицу энергии-движения-сил, руководствуясь соображениями о той или иной системе (например, Вселенной) – о том, как в ней распределены энергия, количество движения, давления и натяжения. После этого предлагается решить уравнения Эйнштейна – т. е. найти такие абвгдежзик, что построенная из них кривизна, уложенная в Специальную упаковку, обеспечит выполнение всех десяти уравнений. Это не очень просто, потому что кривизна сложно выражается через абвгдежзик. Часто, руководствуясь соображениями о «примерно возможной» реальности, мы придумываем некоторый общий вид распределения материи с определенными свойствами, оставляя какие-то подробности этого распределения нефиксированными, чтобы их доопределить из уравнений. Хорошие уравнения при этом подталкивают в сторону правильного нового знания, и с уравнениями Эйнштейна именно так и случилось. Они открыли нам расширяющуюся Вселенную, черные дыры и гравитационные волны.
*****Конструктор вселенных. Пыль, распределенная в пространстве с некоторой плотностью, имеет вполне конкретную таблицу энергии-движения-сил. Оказалось особенно интересно узнать, какой может быть геометрия пространства-времени, если в нем содержится только пыль.
Рис. 7.6. Этапы столкновения и смешивания Млечного Пути и Андромеды: ожидаемый вид ночного неба с Земли
Пыль?
Обыденные слова, сделавшиеся научными терминами, начинают в новом качестве выражать нечто вполне определенное, но часто далекое от первоначального житейского смысла. Пыль в данном случае включает в себя межзвездный газ, собственно межзвездную пыль, а также (!) звезды и галактики заодно с темной материей. Слово «пыль» используется просто потому, что все это вещество крайне слабо сопротивляется своему сжатию на «самых космических» масштабах: сближающимся галактикам не становится тесно настолько, чтобы они начали расталкиваться; наоборот, они порой «смешиваются» (рис. 7.6). Технически пыль – это распределение материи, не создающее давления (кстати, если бы бытовая пыль сопротивлялась уже небольшому сжатию, конструкция пылесосов определенно была бы иной); всю «пыль» во Вселенной называют еще холодной материей, что включает и холодную темную материю[137].
В уравнения Эйнштейна надо внедрить информацию о том, как вся эта пыль наполняет Вселенную – какая у нее таблица энергии-движения-сил во всех точках пространства. Главный предмет нашего интереса тогда – что происходит с пространством и не чужой нам пылью с течением времени. Глядя в телескоп, мы вообще-то видим, что вещество в космосе собрано в комки. За пределами нашей планеты – относительная пустота; в Солнечной системе много пустоты, но есть и разные другие комки (начиная с самого Солнца); по пути к ближайшим звездам – еще больше пустоты; преодолевая ее и добираясь до все более далеких звезд, мы обнаруживаем скопление вещества размером около 100 000 световых лет в поперечнике – галактику Млечный Путь, вокруг которой – еще больше пустоты (вещества между галактиками в общей сложности много, но это потому, что расстояния большие; плотность же его крайне мала). Еще дальше обнаруживается Местная группа галактик с характерным размером 3 000 000 световых лет, и скопление Девы (30 000 000 световых лет), и еще скопления размерами до 300 000 000 световых лет, и еще пустоты. Но это все сейчас неважно, потому что на еще больших масштабах, где галактики выглядят как мельчайшие частицы этой пыли, Вселенная заполнена веществом примерно равномерно, а кроме того, одинакова по всем направлениям[138]. В результате в таблице энергии-движения-сил остается только одно число – средняя плотность вещества ρ, она же, с точностью до умножения на c2, – энергия на единицу объема На месте давления и касательных натяжений стоят нули именно потому, что «пыль»; на месте количества движения тоже нули, потому что в наблюдаемой Вселенной нет сколько-нибудь больших частей, движущихся относительно других ее частей со скоростями, сравнимыми со скоростью света.
Правая часть уравнений Эйнштейна, представляющая материю, получилась совсем простая: там одно число на все, что есть во Вселенной. Теперь уравнения должны сказать, в какой геометрии (в каком пространстве-времени) эта материя способна жить. Уравнения Эйнштейна оказываются средством необычайной силы, потому что, пользуясь ими, мы всерьез намерены узнать про что-то вроде «формы Вселенной», а также про то, что со Вселенной было раньше и что будет в будущем. Проблема с тем, что при этом получится, есть, потому что пыль сама себя притягивает. Возникает очень насущный вопрос: почему же она не обрушивается сама на себя? Почему под действием собственного притяжения она не собирается в один комок?
Предполагаемая «одинаковость» пыли по всей Вселенной требует, чтобы и пространство было одинаковым во всех точках и по всем направлениям. Для выражения этого нужно специальным образом настроить Агента: из всех букв абвгдежзик «живой» остается только одна, и метрика пространства-времени для Вселенной в целом принимает вид За все происходящее с пространством-временем здесь отвечает одна-единственная буква a, про которую требуется выяснить, как она зависит от времени[139].
Эйнштейн задался проблемой «построения Вселенной» вскоре после создания своих уравнений – после того, как объяснил с их помощью поворот орбиты Меркурия, но до того, как «проснулся знаменитым» после измерения угла отклонения света Солнцем. Научные представления о Вселенной в тот момент включали в себя идею, что на большом масштабе она не только одинакова в пространстве, но и неизменна во времени. Однако только что придуманные им уравнения не хотели возвращать такого решения, тем самым вроде бы противореча реальности, и их автор оказался перед сложным выбором. Желая получить из своих уравнений неизменную Вселенную, Эйнштейн (вот уж действительно на правах автора) воспользовался тем, что его уравнения допускают одну модификацию: в левую, геометрическую часть можно добавить еще одно слагаемое, причем не сложно устроенное, как те, что там уже есть, а просто метрику, умноженную на произвольное число Λ (лямбда; в русском алфавите эта же буква стала называться «эль», но, глядя на лямбду, об этом никогда не вспоминают). Слово «можно» здесь – это практически научный термин: оно означает, что добавление слагаемого с лямбдой не нарушает главные принципы, на основе которых гравитация описывается как геометрия; это
