Вся физика в 15 уравнениях

В нашей повседневной среде решения уравнений Эйнштейна очень мало отличаются от решений уравнений Ньютона, и яблоки падают именно там, где их ожидают. Единственным и хорошо известным примером практического использования общей теории относительности являются спутниковые системы геопозиционирования, такие как GPS или Глонасс: положение приемника GPS/Глонасс на Земле определяется по измерению времени задержки прохождения радиосигналов от нескольких спутников к приемнику. Это должны быть очень точные измерения расстояния между движущимися и неподвижными объектами, кроме того, находящимися в гравитационном поле Земли. Релятивистские эффекты в этом случае становятся вполне заметными, и они были учтены, когда данные системы разрабатывались.

Даже в масштабах Солнечной системы отклонения от закона Ньютона очень малы: крошечное смещение световых лучей, мизерное продвижение Меркурия по своей орбите…

Сила общей теории относительности проявляется только на очень больших пространственных или временных масштабах. Объединяя взаимодействием пространство, время и материю, она дает физикам возможность изучать геометрию и структуру всей Вселенной. Современная космология родилась из этого уравнения в результате развития приборов наблюдения.

Описание всей Вселенной

В течение первых лет учебы в университете я читал различные научно-популярные статьи и книги, посвященные общей теории относительности, но спецкурс по данному предмету у меня был только на последнем курсе магистратуры. Этот первый реальный контакт произвел на меня сильнейшее впечатление, и я помню чувство восхищения строгостью геометрии, необъятностью расстояний и действующих сил, плавным, непрерывным характером уравнения…

В сущности, это не более того, что каждый может почувствовать, глядя на небо, полное звезд. Паскаль признавался: «Вечная тишина этих бесконечных пространств пугает меня». И поверьте, понимание уравнения Эйнштейна не приносит никакого успокоения! Обратив взгляд на небо, человека действительно может охватить благоговейный трепет, или же он просто удовлетворит свое тщеславие узнаванием созвездий, планет Солнечной системы или еще чем-то. Космология сводится к изучению реальности гигантских расстояний и временных интервалов, а также к количественному, чувственному, личностному ощущениям размера и места человека во Вселенной.

Опираясь на общую теорию относительности и благодаря длинной цепи наблюдений и астрономических измерений с Земли и со спутников, космология пытается описать эволюцию Вселенной. Это революция, которая началась в конце 1920-х гг., когда священник Жорж Леметр[47] предложил решение уравнений Эйнштейна в виде непрерывно расширяющейся Вселенной и предсказал некоторые наблюдаемые на Земле следствия такого расширения. Спустя два года измерения Эдвина Хаббла, по-видимому, подтвердили гипотезу Леметра. До сего момента Вселенная считалась вечной и неизменной; внезапно мы обнаружили, что это, скорее всего, не так.

Расширение и Большой взрыв

Это расширение означает, что две отдаленные точки во Вселенной, например галактики, удаляются друг от друга. Позвольте мне развеять распространенное заблуждение, что это расширение означает «взрыв в бесконечном пространстве из крошечного объема». Нет, вполне возможно иметь бесконечные размеры и в то же время подвергаться расширению. Чтобы визуализировать это, вам просто нужно нарисовать бесконечную прямую линию, без ограничений слева или справа. Мы можем удалить все точки друг от друга, умножив расстояния в два раза, таким образом, линия растягивается сама в себя. Нет проблем, поскольку нет ограничений… Это именно то, что происходит с нашей Вселенной, но в трех пространственных измерениях (длина, ширина, высота). Может показаться странным, что вычисляемое с легкостью для прямой линии становится сложнее для трехмерного пространства!

Итак, нынешняя Вселенная расширяется. И поскольку она ведет себя более или менее как газ, то постепенно остывает[48]. Но что произойдет, если мы прокрутим фильм назад, двигаясь во времени, начиная с сегодняшнего дня? Мы увидим, как Вселенная сжимается и нагревается. Мы могли бы представить себе, что, если бесконечно продолжить этот процесс, плотность и температура Вселенной станут бесконечными в бесконечное время в прошлом. Но уравнения говорят немного о другом: если возвращаться назад во времени, скорость увеличения плотности и температуры возрастает настолько, что плотность становится бесконечной строго в определенное время в прошлом. Если точно, то эта сингулярность существовала краткий миг — согласно современным расчетам, примерно 13,8 млрд лет назад. Это и есть знаменитая модель Большого взрыва.

Эволюция Вселенной