Физики о физиках

Геометрия такого искривленного четырехмерного мира уже не будет эвклидовой. Правда, «отклонение от эвклидовости» пространства очень невелико даже вблизи огромных масс. Тем не менее именно оно, это отклонение, определяет всю картину строения вселенной.

Ясно, что и вопрос о трехмерной геометрии, о структуре нашего реального пространства становится чисто физическим, как это более ста лет назад предсказывали Лобачевский и Риман.

Объяснив, что происходит во вселенной, общая теория относительности стала перед новой задачей: ей предстояло теперь определить строение всей вселенной в целом. Такой путь развития эйнштейновской теории был вполне закономерен. И так же закономерно, что первый шаг на этом пути сделал сам Эйнштейн. В 1917 году появилась его работа «Вопросы космологии и общая теория относительности».

Ньютон полагал, что пространство наше бесконечно и бесконечно число звезд, его населяющих. Если бы число звезд было конечным, то, по расчетам, сила взаимного притяжения заставила бы их собраться воедино, в гигантский звездный клубок, а этого ведь не случилось. Но, с другой стороны, бесконечное количество равномерно распределенных в ньютоновом пространстве звезд должно было бы создавать яркую и равномерную освещенность всего неба, а ведь и этого на самом деле тоже нет.

Кроме того, из расчетов следовало, что в бесконечности само тяготение должно возрастать бесконечно, а такое не может не вызвать огромной скорости движения небесных тел. Это так называемый «гравитационный парадокс», который привел в большое смущение физиков, потому что на опыте ничего подобного не наблюдалось.

Трудности, рожденные бесконечностью вселенной, трудности, поначалу казавшиеся столь же неразрешимыми, встали и перед Эйнштейном. Но выход надо было найти. И Эйнштейн искал — мучительно и напряженно.

В конце концов, чтобы обойти эти трудности, Эйнштейн предложил рассмотреть иную возможную форму нашей вселенной — конечную, пространственно-замкнутую.

Он говорил: «…развитие неэвклидовой геометрии привело к осознанию того факта, что можно сомневаться в бесконечности нашего пространства, не вступая в противоречие с законами мышления и с опытом». И что «…мыслимы замкнутые пространства, не имеющие границ. Среди них выделяется своей простотой сферическое пространство, все точки которого равноценны. Отсюда перед астрономами и физиками возникает чрезвычайно интересный вопрос: является ли мир, в котором мы живем, бесконечным или же он, подобно сферическому миру, конечен? Наш опыт далеко не достаточен для ответа на этот вопрос. Однако общая теория относительности дает возможность ответить на этот вопрос со значительной достоверностью».

Математический аппарат общей теории относительности крайне сложен. Это и понятно. Ведь с его помощью следует описать отношения между геометрией пространства вселенной и населяющей его материей. Эти отношения называются уравнениями поля тяготения.

В них входят, с одной стороны, величины, связанные со строением пространства, его кривизной и метрикой. Метрикой данного пространства называется закон измерения расстояний в нем. К примеру, на плоскости расстояние между двумя точками измеряется отрезком прямой, проходящей через эти точки, а на сфере — дугой большого круга. Очевидна однозначная связь между метрикой и кривизной. То же самое, естественно, справедливо и для пространства любой кривизны.

С другой стороны, в уравнения поля тяготения входят характеристики материи и прежде всего ее плотность.

Никто еще — ни сам Эйнштейн, ни его последователи — не был в состоянии решить задачу во всей ее сложности. На данном этапе, на данном уровне науки это неосуществимо. Но физики и математики знают способы упрощенных и приближенных решений.

Таким был и подход Эйнштейна. Во-первых, он предположил, что средняя плотность материи во вселенной постоянна.

Правомочно ли это? Стоит взглянуть на ночное небо, и невольно начинаешь сомневаться; ведь звезды — сгустки огромной массы — рассеяны в пустом от материи пространстве, отделены друг от друга гигантскими подчас расстояниями. А насколько еще больше расстояния между галактиками! Между скоплениями галактик! Но все-таки Эйнштейн имел право сделать такое предположение, имел право считать среднюю плотность материи постоянной. И вот почему.

Астрономы установили важный факт. Вселенная наша приблизительно равномерно заполнена галактиками, а плотность самих галактик, по-видимому, постоянна! Поэтому если перейти к таким огромным масштабам, то можно считать постоянной среднюю плотность материи в доступной нам части вселенной.

Эйнштейн говорил, что тут физики поступают как геодезисты, которые поверхность земли уподобляют приближенно эллипсоиду, хотя она имеет на небольших участках крайне сложный вид.

Если средняя плотность материи постоянна, то, естественно и неизбежно, должна быть постоянной и средняя кривизна пространства. Вслед за тем Эйнштейн сделал второе предположение, что при всей своей малости плотность все-таки настолько велика, что кривизна будет положительной.