Гравитация От хрустальных сфер до кротовых нор

Таким образом, вывод, с которым согласны все или почти все исследователи, состоит в том, что энергия замкнутой Вселенной нулевая. Как это можно объяснить? Вернёмся к примеру двойной звезды. Давайте сравним полную энергию системы до разрыва и после разрыва. Во втором случае, очевидно, энергия больше из‑за того, что была «впрыснута» энергия извне, именно поэтому звезды разлетелись. Другими словами, сумма масс отдельных звёзд больше, чем масса единой системы. Эта разница называется дефектом масс и она возникает из‑за гравитационной энергии связи, которая отрицательна. Тогда для замкнутой Вселенной можно сделать вывод, что отрицательная гравитационная энергия связи настолько велика, что она полностью и точно компенсирует положительную энергию всей материи. Почему так получается? Некоторое обсуждение этой проблемы и вопросов, связанных с ней проводится в Дополнении 8.

Тот факт, что замкнутая Вселенная имеет нулевую полную энергию, никак не зависит от величины радиуса кривизны Вселенной. То есть с расширением такой Вселенной полная энергия не изменится, оставаясь нулевой. Что в деталях происходило на самых ранних этапах, трудно сказать. Это период, когда материя (в привычном для нас понимании) рождалась после распада первичных скалярных полей или как результат чрезмерных «напряжений» пространства–времени (поляризации вакуума). Когда Вселенная расширялась, состояние материи, заполняющей её, менялось. Но, конечно, в любом случае (и в случае замкнутого мира) в её составе мы должны учитывать, кроме обычной материи, и тёмную материю, и тёмную энергию.

Само решение для замкнутого мира появилось как решение уравнений Эйнштейна для однородной плотности энергии ε, которая связана с соответствующей плотностью масс р известным соотношением ε = ρc². А поскольку полный объём замкнутой Вселенной известен, он равен V = 2π²a³(t), то легко посчитать полную массу замкнутой Вселенной: Μ = 2π²ρa³. Для простых состояний материи (например, для «пыли», когда отсутствует давление) эта величина не изменяется со временем, поскольку при расширении Вселенной (с ростом масштабного фактора a(t)) плотность масс р соответственно уменьшается. Но мы уже знаем, что, скорее всего, живём в мире, более чем на 70% заполненном «тёмной энергией». А «тёмная энергия», с одной стороны, должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. С другой стороны, плотность её энергии не изменяется при расширении Вселенной. Это сильно отличает её от обычной материи. Все это означает, что если мы живём в замкнутом мире, то, следуя формуле Μ = 2π²ρa³, получим, что полная масса Вселенной растёт. За счёт чего это происходит? Ответ один, во Вселенной, вынужденной расширяться из‑за «странных» свойств наполнителя, растёт отрицательная энергия гравитационной связи.

Возвратимся к проблеме рождения Вселенной, о которой упоминалось в главе о космологии. Теперь становится ясно, почему именно замкнутые миры фигурируют в моделях «рождения из ничего». Дело в том, что вероятность рождения Вселенной в виде квантовой флуктуации с характеристиками замкнутого мира (нулевой энергией и т. д.) в разных моделях квантования ненулевые, в то время как для открытых миров эта вероятность тождественно равна нулю. Важным также является то, что при последующем расширении полная энергия остаётся равной нулю, удовлетворяя фундаментальному закону сохранения энергии.

Глава 12. Перспективы развития теории гравитации

То, что мы называем прогрессом, — является заменой одной неприятности на другую.

Генри Хейвлок Эллис

Теории гравитации альтернативные ОТО

Ничто не делает нашу жизнь столь приятной, как её неизбежная альтернатива.

Народная мудрость

Все течёт, все изменяется. Было время, казалось, что лучшей теории гравитации, чем ньютоновская, незачем желать. На протяжении всей книги мы рассказывали, как шаг за шагом общая теория относительности «занимала своё место под солнцем». Осталось всего несколько лет до её 100–летнего юбилея. Каков же сейчас её статус? Без сомнения, ОТО является самой востребованной теорией гравитации, прежде всего, в астрофизике и космологии, и мы попытались это показать. Теория строения и эволюции звёзд, особенно на заключительных этапах; эффекты на поверхности компактных и сверхплотных объектов; космологические модели в разные эпохи эволюции и многое другое не могут быть удовлетворительно рассчитаны без использования ОТО. На основе эффектов, предсказанных ОТО, создаются целые направления исследований — поиск гравитационных волн, исследование гравитационных линз и т. д. Являясь частью теоретической физики, ОТО используется также во многих фундаментальных исследованиях.