Как уравнения поля Эйнштейна случайно предсказали расширяющуюся Вселенную?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Ещё в 1912 году Весто Слайфер обнаружил, что свет от удалённых галактик имеет красное смещение. Это могло означать, что галактики постоянно удаляются от нашей планеты. Но в то время ещё не было мощных телескопов, которые могли бы подтвердить эти идеи и дать возможность настолько точно рассмотреть процесс, чтобы однозначно его интерпретировать. Красные смещения далеких звезд изначально не были связаны с расширяющейся Вселенной. Гипотезы о расширении воспринимались тогда как нечто дикое и неправильное.

Забегая вперёд отметим, что окончательную точку в этих спорах поставил Эдвин Хаббл. Но всему этому предшествовал забавный процесс, в котором поучаствовал сам Альберт Эйнштейн. Причём сделал он это случайно.

До революционного открытия Хаббла в 1929 году считалось, что Вселенная однородна, изотропна и статична. Для описания свойств Вселенной использовали три базовых постулата:

  • Распределение материи и энергии одинаково во всей Вселенной в больших масштабах (принцип однородности)
  • Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях (принцип изотропности)
  • Вселенная вечна, не расширяется и не сжимается (принцип статичности)

Настоящий каламбур в осознании начинается с момента появления уравнений поля Альберта Эйнштейна. Предположения о расширении Вселенной плотно переплетаются с логикой новых уравнений и появляется некоторое сопоставление, согласно которому Вселенная и правда должна расширяться. Вот только тут была забавная проблема.

Эйнштейн так сильно верил в статичность Вселенной, что, когда его уравнения поля фактически подтвердили обратное, он просто изменил их, вместо того чтобы принять последствия математического предсказания расширения.

Изначально уравнения поля Эйнштейна описывают легендарное искривление пространства-времени из-за материи и энергии. Когда Эйнштейн применил их ко Вселенной в целом, получилось, что гравитация заставит Вселенную сжиматься с течением времени.

Смотрим на лямбду в уравнении поля
Смотрим на лямбду в уравнении поля
Автор: wikipedia.org Источник: ru.wikipedia.org

Чтобы «противостоять» этому сжатию и сохранить идею статичной Вселенной, Эйнштейн ввёл космологическую постоянную. Это некоторый антигравитационный фактор, который уравновешивал гравитацию, сохраняя Вселенную статичной.

Космологическая постоянная ещё много раз будет появляться в истории физики и инициировать не менее нелепые ситуации. Но сейчас по сути получилась простая ситуация — Эйнштейн, который принимал только статичную природу Вселенной, с помощью математического анализа случайно обнаружил нечто, что является фактором динамичности.

Позже Александр Фридман решил уравнения Эйнштейна без космологической постоянной, показав, что однородная и изотропная Вселенная точно должна быть динамической. Она может либо расширяться, либо сжиматься.

Жорж Леметр независимо от Фридмана нашел аналогичные решения. Он пошел еще дальше, связав предсказанное этими уравнениями расширение с наблюдаемым красным смещением галактик, про которое уже было отмечено в начале статьи. Леметр предположил, что Вселенная расширяется и возникла из некоторого «первобытного атома». По сути ранняя версия теории Большого взрыва.

Эйнштейн первоначально отверг идеи Леметра, назвав их нелепыми. Но в 1929 году, используя самый мощный в мире телескоп, Эдвин Хаббл измерил расстояния до 24 галактик и объединил эти данные с измерениями красного смещения Слайфера. С высокой точностью было подтверждено, что более удаленные галактики действительно движутся быстрее, и эта зависимость стала известна как закон Хаббла. Это окончательно подтвердило идею, что Вселенная постоянно расширяется.

Телескоп Хукера (около 2,5 метров в высоту), которым Эдвин Хаббл пользовался для измерения расстояний до галактик, величины Красного смещения и скорости расширения Вселенной
Телескоп Хукера (около 2,5 метров в высоту), которым Эдвин Хаббл пользовался для измерения расстояний до галактик, величины Красного смещения и скорости расширения Вселенной
Автор: Andrew Dunn Источник: commons.wikimedia.org

Узнав про это, Эйнштейн отказался от идеи статичной Вселенной, назвав космологическую постоянную своей самой большой ошибкой. Эйнштейн похвалил работу Леметра, и они даже стали друзьями.

Однако, по иронии судьбы, космологическая постоянная вновь была возрождена в 1990-х годах с обнаружением ускоренного расширения Вселенной. Своеобразная «ошибка Эйнштейна» на самом деле опередила свое время. Простой численный коэффициент, которым игрался Альберт Эйнштейн в попытках сохранить идеи статичности, стал фактором, который во многом определял реальный интересный процесс.

Сегодня космологическая постоянная используется в расчетах для обозначения темной энергии — загадочной силы, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. История вновь во многом повторяется, но теперь появилась новая загадочная сущность, именуемая тёмной материей и связанной с ней тёмной энергией.

Концепция темной энергии широко принята, но споры продолжаются. Некоторые альтернативные теории предполагают, что наблюдаемые эффекты могут быть связаны с изменениями в законах физики, например, с разным распространением света на огромные расстояния, а не с наличием реальной энергии отталкивания. Но в этой чехарде опять фигурирует постоянная Эйнштейна. Так простой численный коэффициент не просто стал случайным подтверждением расширения Вселенной, но и надолго опередил представления о возможных в реальности процессах.

Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
Изучаю физику и стараюсь познать устройство мира с её помощью. Делюсь наработками и открытиями с вами. Кандидат наук, научный сотрудник и когда-то преподаватель. Автор научных статей в рецензируемых журналах. Рассказываю интересное про популярную науку и физику на YouTube, заходите в гости! Читайте мои статьи на этой страничке ixbt и в Telegram-канале!

1 комментарий

a
Позже Александр Фридман решил уравнения Эйнштейна без космологической постоянной, показав, что однородная и изотропная Вселенная точно должна быть динамической. Она может либо расширяться, либо сжиматься.

Когда это позже, если Фридман умер в 1925м, а Эйнштейн знал о его работе?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

В Солнечной системе может быть еще одна звезда: где она прячется и почему ее не видят телескопы

В 1982 году американские палеонтологи Дэвид Рауп и Джек Сепкоски опубликовали в научном журнале Science масштабное исследование. Они собрали самую полную на тот момент базу данных о вымираниях...

Вселенная гораздо старше, а темной материи и энергии не существует: новая теория выдержала проверку рождением первых элементов

Любая космологическая теория, которая претендует на описание устройства Вселенной, обязана пройти проверку первичным нуклеосинтезом. Так в астрофизике называют процесс образования первых атомных...

Денежная шахта: почему более двухсот лет не удаётся достать спрятанный клад на острове Оук

Небольшой остров Оук расположен в заливе Махон у побережья Новой Шотландии в Канаде. С конца XVIII века он стал местом одной из самых продолжительных и затратных попыток найти спрятанный клад....

Почему Крымскую АЭС забросили, хотя она была готова почти на 90%

В декабре 1982 года строители Крымской АЭС торжественно залили первые кубометры бетона в основание реакторного отделения. На бетоновозе закрепили плакат с обещанием построить первый энергоблок в...

Страна Пунт: египтяне плавали туда за редкостями, а мы спорим, где она находилась

Мы знаем, что египтяне привозили из Пунта. Знаем имя одного из его правителей и даже можем посмотреть, как художники изобразили его жену. Сохранились изображения кораблей, грузов и домов на опорах....

Как песчаный остров Сейбл погубил сотни кораблей

У Сейбла судно могло сесть на мель ещё до того, как команда замечала берег. Подводные песчаные косы уходят далеко за оконечности острова, а низкую сушу часто скрывает туман. За несколько столетий...