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

Микрон 10РУ-101С: необычный советский ресивер размером с книгу

Советские ресиверы были почти экзотикой. Тюнер-усилители, как их называли в СССР, выпускали нечасто. Но именно среди них и оказался такой особенный образец, как «Микрон» 10РУ-101С. Что же...

Почему опасно возвращать деньги, которые незнакомец случайно перевёл на карту

Вам на телефон приходит СМС из банка: «Вам зачислено 10 000 рублей». Следом раздается звонок с незнакомого номера. Взволнованный голос на другом конце провода сбивчиво объясняет: «Ой, простите ради...

Почему в СССР полвека жили со 127 вольтами в розетке, а потом перешли на 220

Многие помнят переключатель «127/220 В» на задней стенке советского телевизора или радиолы. В старых домах Москвы и Ленинграда 127 вольт держались в розетке до конца 1980-х. Ниже я объясню, откуда...

Гибридные наушники с хлёстким басом и удобной посадкой. Обзор Kiwi Ears Stardust

Синти-поп с его быстрыми клавишными ритмами и фанк - стили, с которыми гибридные наушники Kiwi Stardust раскрываются по полной. Также они не напрягают уши посадкой, и дают свободный от сибилянтов...

✦ ИИ  Почему взрывная карамель стреляет во рту

Несколько сладких крупинок на языке устраивают такой треск, будто конфета решила напоследок высказать всё, что о вас думает. Внутри взрывной карамели спрятан газ под давлением: его запирают на...