Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Решение второй загадки указывает на тонкое, но критически важное свойство ОТО, на котором мы сосредоточимся. В своей статье, представляющей ОТО, Эйнштейн математически показал, что гравитационная сила зависит не только от массы и не только от энергии (такой как тепло), но также и от любого давления, которое может быть оказано. И в этом заключается существенная физика, которая необходима нам, если мы хотим понять космологическую константу. И вот почему. Направленное наружу давление, подобное давлению, оказываемому сжатой пружиной, называется положительным давлением. Достаточно понятно, что положительное давление дает положительный вклад в гравитацию. Но, и это критический момент, имеются ситуации, в которых давление в области, в отличие от массы и полной энергии, может быть отрицательным, означая, что давление всасывает внутрь вместо того, чтобы выталкивать наружу. Хотя это может и не звучать особенно экзотично, отрицательное давление может привести кое к чему экстраординарному с точки зрения ОТО: в то время как положительное давление дает вклад в обычную притягивательную гравитацию, отрицательное давление дает вклад в "отрицательную" гравитацию, то есть в отталкивательную гравитацию! [6]

6. Обсуждение здесь намекает на лежащую в основе физику, но не ухватывает ее полностью. Давление, оказываемое сжатой пружиной, влияет на полную энергию ящика и, как обсуждалось в предыдущем параграфе, в соответствии с ОТО, к делу имеет отношение полная энергия. Однако, момент, который я здесь объясняю, заключается в том, что само давление – не только через вклад, который оно вносит в полную энергию, – генерирует гравитацию, почти как это делают масса и энергия. В соответствии с ОТО давление гравитирует. Также заметим, что отталкивательная гравитация, на которую мы ссылаемся, является внутренним гравитационным полем, ощущаемым внутри области пространства, заполненного чем-то, что имеет отрицательное давление вместо положительного. В такой ситуации отрицательное давление будет давать вклад в отталкивательное гравитационное поле, действующее внутри области.

С этим ошеломляющим открытием ОТО Эйнштейна пробивает брешь в более чем двухсотлетней уверенности, что гравитация является всегда притягивающей силой. Планеты, звезды и галактики, как правильно показал Ньютон, определенно оказывают гравитационное притяжение. Но когда давление становится важным (для обычной материи при повседневных условиях гравитационный вклад от давления пренебрежимо мал) и, в особенности, когда давление отрицательно (для обычной материи вроде протонов и электронов давление положительно, из чего следует, что космологическая константа не может быть составлена ни из чего привычного), имеется вклад в гравитацию, который бы шокировал Ньютона. Он отталкивательный.

Этот результат является центральным для большей части последующего изложения и легко может быть неправильно понят, поэтому позвольте мне подчеркнуть один существенный момент. Гравитация и давление являются двумя связанными, но отдельными понятиями в этой истории. Давления, или более точно, разности давлений, могут оказывать свои собственные негравитационные воздействия. Когда вы ныряете под воду, ваши барабанные перепонки могут чувствовать разницу давлений между водой, давящей на них снаружи, и воздухом, давящим на них изнутри. Все это верно. Но суть вопроса, о котором мы говорим сейчас, рассматривая давление и гравитацию, совершенно в другом. В соответствии с ОТО давление может косвенно оказывать другое воздействие, – оно может оказывать гравитационное воздействие, – поскольку давление дает вклад в гравитационное поле. Давление, подобно массе и энергии, является источником гравитации. И поразительно, если давление в области является отрицательным, оно дает вклад в гравитационное отталкивание для гравитационного поля, пронизывающего область, а не в гравитационное притяжение.

Это значит, что когда давление отрицательно, имеется соревнование между обычной притягивающей гравитацией, возникающей из обычной массы и энергии, и экзотической отталкивающей гравитацией, возникающей от отрицательного давления. Если отрицательное давление в области достаточно отрицательно, отталкивательная гравитация будет доминировать; гравитация будет расталкивать вещи в стороны сильнее, чем стягивать их вместе. Именно тут космологическая константа появляется на сцене. Космологический член, который Эйнштейн добавил в уравнения ОТО, должен означать, что пространство однородно заполнено энергией, но, что критично, уравнения показывают, что эта энергия имеет однородное отрицательное давление. И, что еще более важно, гравитационное отталкивание отрицательного давления космологической константы преодолевает гравитационное притяжение, происходящее от ее положительной энергии, так что отталкивательная гравитация побеждает в этом соревновании: космологическая константа оказывает всюду отталкивательное гравитационное воздействие. [7]

7. Математически космологическая константа представляется числом, обычно обозначаемым (см. комментарий 4). Эйнштейн нашел, что его уравнения имеют полный смысл безотносительно к тому, выбрана ли положительным или отрицательным числом. Обсуждение в тексте сосредоточено на особенно интересном для современной космологии (и современных наблюдений, как будет обсуждаться) случае, в котором положительна, поскольку это приводит к появлению отрицательного давления и отталкивательной гравитации. Отрицательная величина дает обычную притягивательную гравитацию. Отметим еще, что поскольку давление, оказываемое космологической постоянной, однородно, это давление не будет оказывать непосредственно какую-либо силу: только разности давлений, подобно тому, что чувствуют ваши уши, когда вы под водой, приводят к силе давления. Вместо этого сила, оказываемая космологической константой, есть чисто гравитационная сила.

Для Эйнштейна это было точно то, что доктор прописал. Обычная материя и излучение, распределенные по вселенной, оказывают притягивающее гравитационное воздействие, вынуждая каждый регион пространства притягиваться к каждому другому. Новый космологический член, который он представлял как тоже однородно распределенный по вселенной, оказывает отталкивательное гравитационное воздействие, заставляя каждый регион пространства отталкиваться от каждого другого. При аккуратном выборе величины нового члена Эйнштейн нашел, что вновь открытая отталкивающая гравитационная сила должна точно уравновешивать обычное притягивающее гравитационное воздействие, что дает статическую вселенную.

Более того, поскольку новая отталкивающая гравитационная сила возникает из энергии и давления самого пространства, Эйнштейн нашел, что их сила кумулятивна; сила становится больше при больших пространственных расстояниях, поскольку чем больше вовлечено пространства, тем больше отталкивание наружу. На расстояниях порядка Земли или всей солнечной системы Эйнштейн показал, что новая отталкивательная гравитационная сила неизмеримо мала. Она становится важной только на существенно больших космологических расстояниях, тем самым сохраняя все успехи как Ньютоновской теории, так и его собственной ОТО, когда они применяются недалеко от дома. Короче говоря, Эйнштен нашел, что он может и получить свой пирог и съесть его тоже: он смог сохранить всю привлекательность, все экспериментально подтвержденные свойства ОТО, одновременно наслаждаясь вечной неподвижностью неизменного космоса, того, который ни расширяется, ни сокращается.

С этим результатом Эйнштейн, несомненно, вздохнул облегченно. Какую сердечную боль он мог бы получить, если бы десятилетие суровых исследований, которое он посвятил формулировке ОТО, привело бы в итоге к теории, которая была бы несовместима со статической вселенной, видимой каждому, кто пристально вглядывается в ночное небо. Но, как мы видели, дюжину лет спустя история проделала резкий поворот. В 1929 Хаббл показал, что точечные наблюдения за небом могут вводить в заблуждение. Его систематические наблюдения обнаружили, что вселенная не статична. Она расширяется. Если бы Эйнштейн доверял исходным уравнениям ОТО, он мог бы предсказать расширение вселенной более чем за десять лет до того, как оно было открыто путем наблюдений. Это определенно должно быть поставлено в ряд величайших открытий – это, может быть, самое великое открытие – всех времен. После изучения результата Хаббла Эйнштейн проклял тот день, когда он подумал о космологической константе, и тщательно уничтожил ее в уравнениях ОТО. Он ожидал, что все забудут этот вызывающий сожаление эпизод, и через несколько десятилетий все забыли.

В 1980е, однако, космологическая константа снова всплыла в ослепительной новой форме и указала путь к одному из наиболее драматичных переворотов в космологическом мышлении со времен, когда наш вид впервые этим мышлением заинтересовался.

О прыгающих лягушках и переохлаждении

Если вы поймали взглядом летящий вверх бейсбольный мяч, вы можете использовать закон тяготения Ньютона (или более утонченные уравнения Эйнштейна), чтобы описать его последовательную траекторию. И, если вы проведете требуемые вычисления, вы получите полное понимание того, как движется мяч. Но все еще без ответа останется вопрос: кто или что бросил мяч вверх в начальной точке? Как мяч приобрел начальное направленное вверх движение, чье последовательное разворачивание вы проследили математически? В этом примере небольшое дополнительное исследование в общем случае позволит найти ответ (конечно, за исключением стремления членов высшей лиги объяснить, что мяч просто получил толчок на пути столкновения с лобовым стеклом припаркованного Мерседеса). Но более тяжелая версия аналогичного вопроса стоит на пути основанного на ОТО объяснения расширения вселенной.

Уравнения ОТО, как исходно было показано Эйнштейном, датским физиком Виллемом де Ситтером и впоследствии Фридманом и Леметром, допускают расширяющуюся вселенную. Но, точно так же как уравнения Ньютона ничего не говорят нам о том, как мяч стартовал на своем пути вверх, уравнения Эйнштейна ничего не говорят нам о том, как началось расширение вселенной. Многие годы космологи говорили о начальном направленном наружу расширении пространства как о чем-то необъяснимом, данном, и просто разрабатывали отсюда уравнения далее вперед. Это то, что я имел в виду ранее, когда я говорил, что теория Большого взрыва молчит о самом Взрыве.

Так дела обстояли до пророческой ночи в декабре 1979, когда Алан Гут, преддокторский стипендиат физики, работавший в Стэнфордском Линейном Ускорительном Центре (сейчас он профессор Массачусетского технологического института), показал, что мы можем сделать лучше. Намного лучше. Хотя имелись неясные детали, которые сегодня, более чем через два десятилетия уже разрешены полностью, Гут сделал открытие, что окончательно все заполнившее космологическое безмолвие было следствием Большого взрыва со Взрывом, который был больше, чем кто-либо мог ожидать.

Гут не имел подготовки космолога. Его специальность была физика частиц, и в конце 1970х вместе с Генри Туи из Корнельского университета он изучал различные аспекты Хиггсовых полей в теориях великого объединения. Вспомним из обсуждения последней главы о спонтанном нарушении симметрии, что Хиггсово поле дает вклад в минимально возможную энергию, которая может быть в области пространства, когда величина поля выпадает к особому ненулевому значению (величина которого зависит от детальной формы чаши его потенциальной энергии). В ранней вселенной, когда температура была экстраординарно высока, мы обсуждали, как величина Хиггсова поля дико флуктуировала от одного значения к другому, как лягушка в горячей металлической чаше, чьи ноги опалялись, но когда вселенная остывала, Хиггсы скатились в чашу к величине, которая минимизировала их энергию.