Теории возникновения вселенной эйнштейна

Как образовалась Вселенная

Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.

Определение Вселенной

Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.

Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все».

В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.

Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной.

Теории происхождения Вселенной

Креационизм: все создал Господь Бог

Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.

Например, Альберт Эйнштейн говорил:

«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им.»

Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)

Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.

Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.

Теория Большого взрыв

Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.

Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.

Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Два этих явления — самые весомые доводы в пользу правильности теории.

Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Модель расширяющейся Вселенной

Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.

Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.

Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.

Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.

Теория эволюции крупномасштабных структур

Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.

Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.

Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория».

Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.

В последнее время верность теории поставлена под вопрос.

Теория струн

Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.

Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.

Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.

Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.

Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде

Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные.

Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.

Теория Ли Смолина

Эта теория достаточно известна и предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.

Эволюция Вселенной

Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.

Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).

Что было до появления Вселенной

Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?

Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».

В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.

Теория Мультивселенной

Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.

Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.

Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)

В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.

Теория белых и черных дыр

Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.

Большой скачок

Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.

Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.

Теория циклической Вселенной

Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.

Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.

Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной

Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:

Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.

Видео

Источник

Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной
Сборник, 2017

Откуда мы знаем, как зародилась и развивалась Вселенная? Как появилась теория, определившая современные представления о пространстве и времени? Как понять концепцию относительности? Можно ли найти в черных дырах другие вселенные? Почему темная энергия «толкается»? В этой книге собраны лучшие статьи ведущих авторов журнала New Scientist. Здесь вы найдете описание современной физической картины мира и интервью с самыми известными физиками, в которых они ответят на самые неожиданные вопросы.

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Истоки теории относительности

В 1915 году в голове клерка из швейцарского патентного бюро родилась идея, которая перевернула наши представления о пространстве и времени. Этим клерком был Альберт Эйнштейн (1879–1955), а идея, которую он выдвинул, называется общей теорией относительности. Эта глава описывает путь, пройденный автором и приведший его к судьбоносному открытию.

Относительно краткая история

Во-первых, следует пояснить с самого начала: Эйнштейн не был одиноким гением. Его вклад в науку колоссален, но он появился не на пустом месте.

Эта история началась тогда, когда шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) создал теорию, в которой сумел объединить казавшиеся ранее разнородными физические понятия. В 1860-е годы ему удалось собрать воедино различные теории магнитного и электрического поля и описать их с помощью единой системы уравнений. Не менее замечательным оказалось следующее предсказание Максвелла: объединившись, электрические и магнитные поля образуют волну, которая распространяется со скоростью света. К концу XIX столетия становится ясно, что это далеко не случайность: ведь сам свет состоит из таких «электромагнитных волн».

Удивительно, но из уравнений следовало, что волны всегда распространяются с одной и той же скоростью, независимо от того, находится ли в движении их источник. Более того, ваша скорость как наблюдателя тоже не имела значения. В этом было что-то неправильное. Если я бросаю предмет вперед из движущегося экипажа, он должен лететь быстрее, чем если бы я его бросил, стоя на месте. Почему свет должен быть исключением?

Исходя из этой логики, ученые начали проводить исследования, ставившие своей целью найти изменения скорости света. Самым известным стал эксперимент, проведенный в 1887 году американскими физиками Альбертом Майкельсоном (1852–1931) и Эдвардом Морли (1838–1923). Они пытались наблюдать изменения скорости света по мере того, как Земля вращается вокруг оси и вокруг Солнца. Луч света расщеплялся на два пучка, которые посылались вдоль двух направлений под прямым углом друг к другу. Физики хотели обнаружить небольшую разницу во времени прохождения пучков света вдоль этих направлений. Ведь установка была по-разному ориентирована по отношению к движению Земли. Но, несмотря на всю скрупулезность и тщательность измерений, результат был одним и тем же: скорость света оставалась неизменной.

В 1895 году голландский математик Хендрик Лоренц (1853–1928) предложил свое объяснение постоянства скорости света. Он разработал ряд правил, которые связывают увиденное наблюдателем, находящимся в движении, с тем, что он должен видеть в состоянии покоя (см. главу 2). В этих правилах он ввел понятие некоего «фиктивного» времени: если вы двигаетесь с высокой скоростью, вам надлежит использовать именно это время, которое будет отличаться от времени, отсчитанного нормальными часами. Благодаря этому математическому трюку все становится на свои места, и скорость света оказывается одинаковой для всех.

Пятью годами позже французский ученый Анри Пуанкаре (1854–1912) написал статью «Измерение времени», в которой оспаривал наше непреклонное отношение ко времени. Если Лоренц представлял искривление времени просто как математический трюк, то Пуанкаре (не ссылаясь явно на Лоренца) показал, что в будущем, по-видимому, придется отказаться от концепции единства физического времени. Этот своеобразный философский прорыв помог в дальнейшем Эйнштейну сформулировать свою теорию относительности.

С философской точки зрения второй побуждающий импульс для творчества Эйнштейна исходил от австрийского физика и философа Эрнста Маха (1838–1916). В своей книге «Механика. Историко-критический очерк ее развития» (1883) Мах утверждал, что мы никогда не должны говорить об абсолютном движении тела; мы можем говорить только о его движении относительно чего-либо.

Итак, почва для Эйнштейна была готова. В статье «Об электродинамике движущихся тел» он выдвинул два предположения:

1. Законы физики остаются одинаковыми в любой системе отсчета, движущейся с постоянной скоростью.

2. Мы должны со всей серьезностью относиться к уравнениям Максвелла — любой луч света движется в любой такой системе отсчета с одинаковой скоростью.

Альберт Эйнштейн родился на юго-западе Германии в городе Ульме 14 марта 1879 года. Он был вторым ребенком в семье Германа Эйнштейна, основателя электрической инженерной компании, и его жены Паулины. Семья, которая происходила из евреев-ашкеназов, не соблюдавших религиозные ритуалы, вскоре переехала в Мюнхен, где Альберт и пошел в школу.

В возрасте 17 лет Эйнштейн поступил в швейцарскую Федеральную политехническую школу в Цюрихе, чтобы получить диплом преподавателя физики и математики. Здесь же он познакомился со своей сокурсницей Милевой Марич, на которой женился в 1903 году. Из переписки супругов, обнаруженной в 1987 году, следует, что еще до официальной регистрации брака, в 1902 году, у них родилась дочь. Судьба этой девочки неизвестна: может быть, она была удочерена третьими лицами либо умерла в младенчестве. Позднее у супругов родились два сына, Ганс и Эдуард. Но семейная жизнь не удалась, и в 1919 году супруги развелись, после чего Альберт Эйнштейн женился на своей кузине Эльзе Лёвенталь, урожденной Эйнштейн.

После окончания высшего учебного заведения Эйнштейн провел два года в неудачных поисках преподавательской работы и, в конце концов, поступил на работу в Швейцарское патентное бюро. Именно здесь, в свободное время, он сделал свои первые открытия и написал замечательную серию статей в знаменательный для него 1905 год (см. «Чудесный год» в главе 2). Все его труды привели к тому, что в 1908 году он был назначен преподавателем в Бернском университете в Швейцарии. Довольно скоро Эйнштейн получил должность профессора в Цюрихском университете. К 1914 году он уже являлся профессором Берлинского университета. Без малого два десятка лет Эйнштейн работал в этом университете. Затем политическая ситуация в Германии изменилась, нацистские власти стали преследовать евреев, запрещая им занимать преподавательские должности в университетах. В 1933 году Эйнштейн отказался от гражданства Германии и уехал в Америку. Он получил работу в Институте перспективных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) и работал там до пенсии.

Эйнштейн знаменит не только своими замечательными научными открытиями. Он был страстным любителем музыки, пацифистом, борцом за права человека и сторонником сионизма. Он умер от аневризмы в 1955 году в возрасте 76 лет. Место, где развеян его прах, неизвестно. Мозг ученого был сохранен (см. далее в этой главе).

Несколько коротких страниц статьи Эйнштейна, как рог изобилия, вместили в себя все те постулаты, которые мы сейчас называем специальной теорией относительности. Многие данные были известны и ранее, но теперь они были собраны вместе и получили ясную физическую интерпретацию. Стало ясно, например, что замедление времени вполне реально: находящиеся в движении часы действительно должны запаздывать. Возможно, благодаря крепкому фундаменту, заложенному Лоренцем и Пуанкаре, специальная теория относительности Эйнштейна, предложенная им в 1905 году, не вызвала больших возражений. Конечно, она не произвела такого фурора, как последующая за ней общая теория относительности, для создания которой потребовалось еще более десятка лет.

Первый результат в этом направлении был получен польско-немецким математиком Германом Минковским (1864–1909), но он оказался малоутешительным. Минковский предложил лаконичное объяснение специальной теории относительности, соединив воедино пространство и время. События, разворачивающиеся в пространстве и времени, можно представить в виде карты: нижняя часть карты — это далекое прошлое, верхняя — отдаленное будущее, а слева и справа располагаются самые различные места в пространстве. Минковский понимал, что движение происходит по различным направлениям пространства-времени: вместо того, чтобы двигаться строго вверх, вы отклоняетесь то влево, то вправо. Математически это очень похоже на вращение, когда часть вашего пространства заменяется временем, а часть вашего времени — пространством. Такая абстрактная картина правильно, в стройной и логичной манере, приводит к результатам специальной теории относительности.

Но Эйнштейн понимал, что специальная теория относительности имеет ограничения. Она корректно связывает различные системы координат только в том случае, если они движутся с постоянными скоростями. Эйнштейна также беспокоила роль гравитации. Наилучшей теорией гравитации на тот момент была теория всемирного тяготения Ньютона. Ньютон, как и Максвелл, стремился к объединению различных явлений: он показал, что та же сила, которая удерживает нас на поверхности Земли, удерживает и Луну от бегства в космическое пространство и заставляет Землю кружить вокруг Солнца. Эта теория работает прекрасно, но подразумевает наличие мгновенной притягивающей силы, подобно тому, как присутствие Земли у нас под ногами означает, что к нам с ее стороны приложена сила. В каждый момент времени мы чувствуем притяжение всех галактик, рассеянных в космосе. Такие представления не уживаются со специальной теорией относительности, в которой ничто не может распространяться мгновенно; чтобы уладить противоречия, приходится предположить, что скорость движения тел, а также их взаимодействия, не должна превышать скорость света.

Первую попытку внедрить гравитацию в свою теорию Эйнштейн предпринял в 1907 году, сформулировав так называемый принцип эквивалентности. Он указал на то, что при падении мы как будто находимся в мире без гравитации. Окружающие нас предметы, находящиеся одновременно с нами в состоянии падения, будут казаться неподвижными, потому что падают с такой же скоростью. Именно это и происходит на Международной космической станции: то, что космонавты находятся в невесомости, вовсе не означает, что на них не действует поле притяжения Земли; просто космическая станция все время падает на Землю вместе с космонавтами. (Другое дело, что она никогда не упадет на нашу планету, так как одновременно двигается с высокой скоростью в горизонтальном направлении.)

Гению Эйнштейна, вдохновленному философскими воззрениями Маха, хватило смелости утверждать, что любой эксперимент, выполненный, например, в условиях космической станции, покажет такой же результат, как и при полном отсутствии гравитации. Это и есть принцип эквивалентности.

Самое любопытное, что теория гравитации Эйнштейна вытекала из глубоких размышлений о ситуациях, в которых сама сила, о которой идет речь, просто-напросто исчезает. Поэтому неудивительно, что потребовалось привлечь основательный математический аппарат, чтобы превратить идею в теорию, способную выдвинуть осмысленные предсказания. В 1913 году Эйнштейн в своих изысканиях взял на вооружение идею Минковского о пространстве-времени. Эйнштейн обнаружил, что верная картина движения объектов в гравитационном поле получится, если предположить, что пространство-время искривлено, а объекты пытаются проложить себе кратчайший путь через это искривленное пространство-время. Но понять, что заставляет пространство-время искривляться, он не мог.

На этих порах Эйнштейн начал сражение с математикой. В 1915 году в течение нескольких месяцев он вел бурную переписку со многими учеными, в особенности с немецким математиком Давидом Гильбертом (1862–1943). Работы Эйнштейна и Гильберта были настолько взаимосвязаны, что трудно точно сказать, кто из них первым создал уравнения гравитационного поля. Но, вне всякого сомнения, Эйнштейн был движущей силой в этом процессе. В конце концов, в ноябре 1915 года, в своей общей теории относительности он смог описать, как пространство-время искривляется под действием массы, энергии и давления:

Великий смысл заключается в этих нескольких символах. В течение шести месяцев после создания уравнений поля Эйнштейн написал статьи о гравитационных волнах. Это произошло за сто лет до того, как эти волны были непосредственно обнаружены (см. главу 4). Существование черных дыр также было предсказано вскоре после опубликования общей теории относительности (см. главу 3).

Другие последствия заставили себя ждать гораздо дольше. В 1949 году австрийско-американский математик и философ Курт Гёдель (1906–1978) предпринял атаку на теорию относительности. Любитель абсурдов, Гёдель сумел показать, что общая теория относительности разрешает совершать путешествия в прошлое. Подобное предположение является проклятием для физиков: ведь если мы можем вернуться в наше собственное прошлое, то что удержит нас от того, чтобы изменить его? Каждый любитель научной фантастики скажет вам, что ни к чему хорошему это не приведет.

Рассуждения Гёделя предполагали, что вся Вселенная вращается, что с нашей сегодняшней точки зрения не соответствует действительности. Однако в 1988 году физики Майк Моррис и Кип Торн открыли еще одну возможность для путешествий во времени. Они показали, что кротовые норы — кратчайшие пути из одной части пространства-времени в другие — могут в принципе быть открыты, если грядущая цивилизация овладеет новым экзотическим типом энергии. Стоит однажды распахнуть эти норы, как по ним можно будет со свистом проноситься сквозь пространство и время. Хотя такие перспективы кажутся весьма отдаленными, уравнения Эйнштейна вполне допускают путешествия во времени, и это провоцирует многочисленные горячие дискуссии среди физиков.

В то же время обширная нива науки остается еще не вспаханной. Только недавно появилась возможность решать уравнения Эйнштейна на компьютерах, и это открыло путь к исследованию странного поведения черных дыр и других экзотических объектов. Прибавьте сюда еще и открытие гравитационных волн. И теперь мы можем вплотную заняться теорией и ее приложениями — чем, впрочем, мы уже и занимаемся сотню лет. Но мы не должны забывать, что вся ширь теории относительности является заслугой не только гения Эйнштейна, но и его предшественников, современников и множества других людей, которые пытались понять, что все это означает.

«Наиболее ярким и захватывающим пропагандистом идей Эйнштейна всегда был сам Эйнштейн».

Стивен Хокинг. «Самая упрямая иллюзия» (A Stubbornly Persistent Illusion, 2008)

В 2010 году в Иерусалиме, в Израильской академии естественных и гуманитарных наук, впервые во всей полноте была представлена оригинальная рукопись Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности».

Эйнштейн написал свою 46-страничную статью в 1916 году, а через три года после этого наблюдение солнечного затмения предоставило первое убедительное подтверждение общей теории относительности. В статье говорилось о возможной проверке теории, а также предсказывалось поведение перигелия орбиты Меркурия, которое до появления общей теории относительности считалось аномальным. В статье также обсуждался вопрос о возможности создания всеобъемлющей теории материи с помощью объединения теорий электромагнитного и гравитационного поля.

В 1916 году Эйнштейн еще не знал о существовании двух других сил, которые также необходимо учитывать, — слабое и сильное ядерное взаимодействие. Но поднятый Эйнштейном вопрос был очень важным и остается открытым до сих пор. Легионы физиков пытаются дать ответ на аналогичный вопрос в процессе поиска пути объединения общей теории относительности и квантовой механики, чтобы создать окончательную теорию всего.

Что-то завораживающее есть в чтении строк, написанных самим Эйнштейном (оцифрованные версии этой и других его статей можно найти в Интернете). Его уникальный философский стиль временами обманчиво прост, полон познавательных мысленных экспериментов и всегда подвергает сомнению наши самые устоявшиеся взгляды на действительность. В 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике за его «заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Как теория Эйнштейна выглядит в свете практических испытаний?

Теория относительности часто рассматривается как торжество чистого интеллекта и как одна из наиболее элегантных фундаментальных физических теорий. Но элегантность и интеллект ничего не значат в физике, если не подтверждаются наблюдениями окружающей природы.

Теория гравитации Ньютона на протяжении 200 лет и более с честью выдерживала проверку практикой. В ее основе лежал закон всемирного тяготения: сила тяготения между любыми двумя телами пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон Ньютона позволял очень точно предсказывать движение планет в нашей Солнечной системе. Власть закона была так велика, что в 1846 году французский астроном Урбен Леверье (1811–1877) смог с его помощью предсказать существование планеты Нептун.

И только в одном случае теория Ньютона не смогла справиться с поставленной задачей. Леверье обнаружил, что орбита Меркурия слегка смещается по сравнению с предсказаниями теории Ньютона — меньше чем на одну сотую градуса за столетие. Это противоречие озадачивало ученых вплоть до 1916 года, когда Эйнштейн показал, что его общая теория относительности приводит именно к такому наблюдаемому смещению орбиты Меркурия. Общая теория относительности практически сразу прошла свое первое испытание.

Эйнштейн также предсказал, что массивный объект, такой как Солнце, должен искривлять путь света: по сути дела, искривленная геометрия пространства должна работать как линза, фокусируя свет (рис. 1.1). (Стоит отметить, что теория Ньютона также предсказывала искривление светового луча, но в два раза меньшее, чем в общей теории относительности.)

11 августа 1999 года небо над родным городом Эйнштейна, городом Ульмом в Германии, потемнело — Луна затмила Солнце. Это была достойная дань уважения человеку, который преобразил нашу картину мира, и достаточно удивительное событие. Дело в том, что полные солнечные затмения случаются где-нибудь на Земле каждые 18 месяцев. Но в любом отдельно взятом месте между последующими затмениями проходит примерно 350 лет. Каковы же были шансы, что величайший ученый двадцатого века удостоится чести быть отмеченным последним полным солнечным затмением тысячелетия? Но, наверное, нам не стоит слишком удивляться этому совпадению; для Эйнштейна затмения всегда были счастливыми.

Возьмем, к примеру, похожее полное затмение, происшедшее около ста лет тому назад и сыгравшее основополагающую роль в подтверждении правильности общей теории относительности Эйнштейна. Статьи Эйнштейна, контрабандой вывезенные из Германии во время Первой мировой войны, попали в Кембридж к британскому физику Артуру Эддингтону (1882–1944). Эддингтон понял, что полное солнечное затмение, которое должно было произойти 29 мая 1919 года над островом Принсипи у берегов Западной Африки, может предоставить золотую возможность для проверки одного из главных предсказаний общей теории относительности.

Рис. 1.1. Свет отклоняется искривленным пространством-временем

Экспедиция, возглавляемая Эддингтоном, прибыла на Принсипи и своевременно произвела фотосъемку затмения. Они хотели наблюдать Гиады — яркое звездное скопление — во время прохождения Солнца перед ним. Чтобы заслонить солнечный свет, Эддингтону требовалось полное солнечное затмение. Если теория Эйнштейна верна, то положения звезд скопления Гиады окажутся сдвинутыми примерно на 1/2000 градуса.

Первый снимок Гиад Эддингтон сделал ночью в Оксфорде. Затем, 29 мая 1919 года, он сфотографировал Гиады на острове Принсипи во время солнечного затмения, когда скопление звезд находилось практически за Солнцем. Потребовалось много времени, чтобы обнаружить это отклонение света — смещение в положении звезд было очень маленьким. Но в сентябре 1919 года Эддингтон, в конце концов, заявил, что Эйнштейн был прав. Сравнив два измерения, Эддингтон обнаружил, что смещение оказалось в точности таким, каким его предсказывал Эйнштейн. Полученный результат сделал Эйнштейна международной знаменитостью.

Таким образом, Эйнштейну опять повезло. Достоверность результатов, полученных Эддингтоном, сегодня вызывает некоторые сомнения. Высказываются предположения, что эффект отклонения света на самом деле был слишком мал, и Эддингтон вряд ли мог его зафиксировать с большой точностью. И не будь он так увлечен теорией Эйнштейна, он вряд ли бы пришел к такому однозначному заключению так быстро.

С тех пор теория Эйнштейна не раз подвергалась многочисленным проверкам. Одно из предсказаний теории заключается в том, что луч света, выбираясь из искривленного пространства-времени возле массивного объекта, меняет свою длину волны, которая растягивается, т. е. свет «краснеет». В 1959 году американские физики Роберт Паунд (1919–2010) и Глен Ребка (1931–2015) измерили гравитационное красное смещение в своей лаборатории в Гарварде. Мы имеем достаточно много доказательств существования черных дыр (см. главу 3). А в 2016 году физикам из гравитационно-волновой обсерватории LIGO удалось обнаружить гравитационные волны (см. главу 4), перемещение искажений пространства-времени, которые Эйнштейн предсказал сто лет тому назад.

Когда Эйнштейн умер, патологоанатом, горя желанием открыть источник необычайного интеллекта Эйнштейна, извлек его мозг, анатомировал и сфотографировал его. Мозг ученого с самого начала вызвал некоторое разочарование: он был слегка меньше средних размеров. Однако за последние десятилетия изображения мозга Эйнштейна дали исследователям пищу для новых идей. Исследование 1999 года показало, что теменная доля головного мозга Эйнштейна — часть мозга, ответственная за математическое и пространственное мышление — оказалась на 15 % шире, чем у среднего мозга. Национальным музеем здоровья и медицины в Чикаго даже было разработано специальное приложение Einstein Brain Atlas (Атлас мозга Эйнштейна). В приложении представлены более 350 оцифрованных слайдов, которые помогут исследователям «углубиться» в серое вещество великого человека. Согласно статье, опубликованной в 2012 году в неврологическом журнале Brain, блестящий интеллект Эйнштейна может объясняться особенностями префронтальной коры его мозга, которая ответственна за речь, формирование представлений о будущих событиях и предугадывание их последствий. По сравнению с обычным мозгом, префронтальная кора мозга Эйнштейна значительно увеличена. Исследователи также заметили большой выступ на двигательной коре головного мозга, посчитав его следствием того, что Эйнштейн с детства начал играть на скрипке.

Некоторые срезы мозга пропали без вести. Не исключено, что когда-нибудь они найдутся на чердаках ваших дедушек.

Эйнштейн излагает свою специальную теорию относительности в статье «Об электродинамике движущихся тел».

Эйнштейн представляет в Прусской академии наук в Берлине свои уравнения гравитационного поля в общей теории относительности.

Эйнштейн использует общую теорию относительности для предсказания существования гравитационных волн, складок в пространстве-времени, возникающих в результате ускорения массивных тел.

Эйнштейн вводит дополнительный член в свои уравнения, космологическую постоянную, чтобы уравновесить силы притяжения и получить статичную Вселенную, которая бы не расширялась и не сжималась.

Артур Эддингтон наблюдает отклонения световых лучей под действием притяжения Солнца во время солнечного затмения на острове Принсипи — эффект гравитационной линзы, предсказанный Эйнштейном.