РАЗВИТИЕ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

РАЗВИТИЕ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

В 1916 г. великий физик Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности. Сегодня мы называем эту теорию теорией пространства, времени и тяготения. Она касается самых сокровенных основ мироздания. В ней впервые в математической форме был поставлен вопрос о том, как устроен мир, в котором мы живем, что представляет собой Вселенная? Эйнштейну удалось найти уравнения, которые описывают состояние Вселенной. Решив их, он получил много удивительных результатов.

Оказалось, например, что столь привычная для нас геометрия Эвклида не пригодна для огромных космических пространств. Геометрия Вселенной — это нёэвклидова геометрия, в которой сумма всех углов треугольника не равна 180 градусам и параллельные линии пересекаются, будучи продолженными достаточно далеко. Свойства пространства, его геометрия, оказались зависящими от находящихся в нем космических тел; гигантские звезды как бы искривляют пространство своими могучими силами тяготения и луч света, проходя вблизи от них, изгибает свою траекторию.

Найденные Эйнштейном решения не зависели от времени. Казалось бы, так и должно быть — ведь Вселенная, говоря словами одного из древнегреческих философов, «не создана никем из богов и никем из людей», она вечна, а это значит, что у нее нет ни конца, ни начала.

Авторитет Эйнштейна был так велик, а созданная им теория так сложна, что никому и в голову не приходило попробовать пойти дальше Эйнштейна по начертанному им пути. Физики и математики всего мира были абсолютно убеждены в том, что данные Эйнштейном стационарные (т. е. не зависящие от времени) решения его знаменитых уравнений гравитационного поля полностью исчерпывают всю проблему. Мир устроен так, как это показал Эйнштейн. Даже крупнейшие ученые, писавшие в те годы статьи и книги по общей теории относительности, стремились лишь к тому, чтобы разъяснить своим читателям неожиданные и парадоксальные следствия из этой теории. Едва успев появиться на свет, она уже стала классической, а ее создатель — бесспорным главой всех физиков мира.

Но в 1922 г. в фундаментальном немецком «Физическом журнале» появилась статья никому на Западе не известного советского физика А. Фридмана о новых решениях уравнений Эйнштейна. В этой работе, названной автором «О кривизне пространства», было показано, что основные уравнения общей теории относительности допускают еще два решения. И, как ни странно, оба они зависят от времени. Эти решения описывали необычную Вселенную, которая когда-то родилась! Фридман доказал, что вся Вселенная когда-то занимала ничтожный объем, в котором заключалась вещество всех известных нам, а также и не доступных нашим телескопам заезд и туманностей. Но вот произошел своеобразный взрыв и образованные им космические тела начали разлетаться в разные стороны, постепенно ускоряя свой бег. И с этого момента родившаяся Вселенная непрерывно как бы распухает, подобно надуваемому мыльному пузырю или воздушному шару.

По первому решению Фридмана это разбухание никогда не прекратится — Вселенная так и будет увеличивать свои размеры, а принадлежащие ей звезды, туманности, галактики будут непрерывно удаляться друг от друга. Впоследствии эту модель Вселенной стали называть «открытой моделью».

Но у Фридмана было и второе решение. Расширившись до определенных пределов, Вселенная начнет замедлять бег своих частей до тех пор, пока они не повернут обратно и не устремятся к первоначальному положению. Эту модель теперь называют «закрытой моделью».

Эти результаты казались настолько невероятными, что ни у кого не хватило смелости в них поверить. А тут еще сам Эйнштейн опубликовал короткую заметку о том, что в работе им обнаружены математические неточности и полученные Фридманом решения в действительности не удовлетворяют требованиям его основного уравнения, а потому лишены какого-либо смысла.

Пожалуй, это была единственная ошибка Альберта Эйнштейна, проникшая в печать. Вскоре он получил от Фридмана через физика Ю. А. Круткова письмо, в котором Фридман показал, где же ошибся Эйнштейн в оценке его работы.

И вот 13 мая 1923 г. Эйнштейн направил в «Физический журнал» письмо, озаглавленное «Заметка о работе А. Фридмана „О кривизне пространства“».

Эйнштейн писал: «В предыдущей заметке я критиковал названную работу. Однако мое возражение основывалось на вычислительной ошибке, — в чем я по совету господина Круткова убедился из письма господина Фридмана. Я считаю результаты господина Фридмана правильными и исчерпывающими. Оказывается, уравнения поля допускают для структуры пространства наряду со статическими решениями и динамические (т. е. изменяющиеся со временем) центрально-симметричные решения».

Так произошла сенсация.

Кто же такой Фридман? Что это за гений, который в голодном Петрограде сумел уйти дальше Эйнштейна в области самой модной и самой трудной физической теории?

Александр Александрович Фридман родился 17 июня 1888 г. в семье петербургского музыканта. В 1910 г. он окончил Петербургский университет а в 1914 г. ушел добровольцем на фронт, был военным летчиком и даже получил награду за отвагу — Георгиевский крест. Но эти полеты имели для А. А. Фридмана особое значение. В воздухе он проверял результаты своих расчетов, касающихся новой молодой науки — физики атмосферы, в которую ему удалось внести весьма существенный вклад. После войны он возглавил обсерваторию и направил свои силы на создание научной метеорологии. В это время метеорологи всего мира почти не пользовались строгими математическими методами и их прогнозы часто напоминали предсказания базарных гадалок. А. А. Фридман является одним из творцов современной теоретической метеорологии, которая использует весьма совершенный математический аппарат. И все это ему удается лишь потому, что по существу он был талантливейшим математиком. Действительно, ведь он — один из лучших учеников великого русского математика Стеклова, страстного поборника внедрения математических методов в различные области науки и техники.

Все лучшие свои работы А. А. Фридман создал в тяжелейшие годы гражданской войны, чудовищной разрухи и голода, в стране, окруженной врагами и отрезанной от остального научного мира. Какой талант, какую преданность науке и гражданское мужество надо было иметь, чтобы в таких невыносимых условиях прокладывать новые пути в науке!

Летом 1925 г. А. А. Фридман уехал на отдых в Крым, заболел там брюшным тифом и умер в возрасте 37 лет.

Дальнейшие события развивались так.

В 1929 г. опыт подтвердил справедливость решений Фридмана. В этом же году американский астроном Хаббл опубликовал результаты своих удивительных наблюдений. Изучая далекие галактики, он установил, что все они удаляются от нас. При этом испускаемый ими свет изменяет свою окраску — цвет его перемещается в красную область спектра тем сильнее, чем быстрее удаляется породившая его галактика. Это явление назвали «красным смещением».

Оказалось также, что чем дальше от нас находится та или иная галактика, тем быстрее она удаляется от наших космических окрестностей. Мир, который мы видим в наши телескопы, непрерывно пухнет, расширяется, увеличивает свои размеры. Например, одна из наиболее далеких галактик, известная астрономам под номером ЗС295, удаляется от нас со скоростью, примерно равной 150 тысячам километров в секунду, а ведь это половина скорости света в пустоте.

Что же касается «конца» Метагалактики, ее гибели, предсказываемой одним из решений Фридмана, то на этот счет существует теперь полная ясность. Недавно два ученика знаменитого советского физика-теоретика академика Л. Д. Ландау — член-корреспондент Академии наук СССР Евгений Михайлович Лифшиц и профессор Исаак Маркович Халатников неопровержимо доказали, что наша Метагалактика никогда не погибнет.

Дело в том, что для решения основных уравнений гравитационного поля Фридману, как и Эйнштейну, пришлось сделать несколько предположений, в частности, что распределение космических масс вещества в среднем однородно во всей Вселенной. В каждом одинаковом объеме космического пространства заключено одинаковое количество материи. В иных условиях задача становилась необычайно трудной.

Эти трудности и удалось преодолеть Е. М. Лифшицу и И. М. Халатникову. Они нашли более точное решение уравнений Эйнштейна, учитывающее реальное распределение космических масс в нашей Метагалактике. Оказалось, что она никогда не «съежится», как воздушный шарик, из которого выпустили воздух, и части ее никогда не вернутся в начальное состояние. Иными словами, мир, в котором мы живем, никогда не умрет. Наша Метагалактика оказалась «открытой» системой.