Релятивистская космология
Даже если бы достижения Эдвина Хаббла ограничивались убедительным доказательством того, что Вселенная простирается далеко за пределы Млечного Пути и что помимо нашей Галактики существует множество других, он вошел бы в историю. Но ему удалось обессмертить свое имя еще раз, когда он доказал, что большинство галактик удаляются от Земли со скоростями, возрастающими в линейной зависимости от расстояния до них (по крайней мере, именно об этом свидетельствовали новейшие данные тех времен).
Еще в 1912 году Весто Слайфер на основании смещения спектральных линий сделал вывод о том, что спиральные туманности удаляются от нас или, как Андромеда, приближаются к нам с невероятно огромными скоростями. Хотя этот факт и не доказывал непосредственно, что они лежат за пределами нашей Галактики, он стал одним из первых свидетельств того, что Вселенная не ограничивается Млечным Путем.
Именно в этот период истории теория и эксперимент начали объединяться, хотя немногие теоретики имели представление об экспериментальных данных и мало кто из экспериментаторов что-то смыслил в теории. Как мы узнали из главы 6, Эйнштейн добавил в свое гравитационное уравнение новую величину — космологическую постоянную, чтобы ввести понятие гравитационного отталкивания. Он понимал, что оно необходимо для стабилизации Вселенной, ведь в противном случае звезды сталкивались бы друг с другом.
В 1917 году Эйнштейну удалось найти решение своего уравнения, согласно которому Вселенная представляет собой ограниченную в пространстве (замкнутую) статичную четырехмерную гиперсферу{120} (рис. 8.1). Такую модель иногда называют цилиндрической Вселенной, поскольку, если убрать одно из пространственных измерений, такая Вселенная в каждой заданной точке пространства будет представлять собой круг, а с учетом оси времени — пространственно-временной цилиндр.
Стоит отметить, что, хотя модель Эйнштейна формально и была статичной, она была нестабильной, подобно камню на вершине горы. Мельчайшее изменение одного из параметров модели, к примеру космологической постоянной или плотности вещества, приведет к тому, что Вселенная будет расширяться бесконечно или же, наоборот, резко схлопнется.
В том же 1917 году нидерландский астроном Биллем де Ситтер (1872–1934) доказал, что существует еще одно статическое космологическое решение уравнения Эйнштейна, при котором во Вселенной нет материи, но есть только энергия, заключенная в космологической постоянной{121}. Эта модель изображена на рис. 8.2. В решении Эйнштейна гравитационное притяжение массы во Вселенной полностью уравновешивается отталкиванием, заключенным в космологической постоянной. В модели де Ситтера нет ни вещества, ни излучения — только космологическая постоянная, заданная ею положительная пространственная кривая и гравитационное отталкивание, под воздействием которого Вселенная экспоненциально расширяется.
Рис. 8.1. Статическая Вселенная Эйнштейна. Четырехмерная гиперсфера, изображенная в трехмерной системе координат (убрано одно из пространственных измерений), из-за чего она принимает вид цилиндра. У нее нет ни начала, ни конца. Авторская иллюстрация
Разумеется, можно возразить, что расширяющаяся Вселенная никак не может быть статической. Мир де Ситтера называют статическим, потому что он расширяется и всегда будет расширяться равномерно экспоненциально. В этой модели плотность энергии постоянна, поскольку Вселенная расширяется и общая внутренняя энергия со временем увеличивается. Закон сохранения энергии при этом не нарушается, поскольку внутреннее давление, соответствующее космологической постоянной, отрицательно. Если рассматривать эту модель Вселенной как термодинамическую систему, она работает сама на себя.
Рис. 8.2. Вселенная де Ситтера, одно из пространственных измерений убрано. Представляет собой экспоненциально расширяющуюся сферу, не содержащую материи. Космологическая постоянная имеет положительное значение, равное постоянной плотности энергии. Авторская иллюстрация
График, изображенный на рис. 8.2, показывает, что Вселенная де Ситтера не имеет ни начала, ни конца. Линия под верхушкой конуса соответствует бесконечно сужающемуся диаметру конуса, если двигаться в отрицательную сторону по оси времени. Однако, как мы вскоре увидим, позднее было доказано, что инфляционное расширение Вселенной должно было иметь начальную точку, хотя этому моменту мог предшествовать процесс сжатия.
Эйнштейн был недоволен решением де Ситтера. Кроме того, Вселенная не пуста{122}. Де Ситтер предполагал, что его решение, возможно, хорошо работает в некотором приближении в случае, если плотность вещества мала. Как мы вскоре узнаем, он был недалек от истины. Судя по данным измерений плотности энергии и массы, наша Вселенная всего на 26% состоит из вещества и пренебрежимо малого количества излучения. (В главе 10 мы выясним, где и каким образом ученые проводят границу между веществом и излучением.)