Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Если – для краткости и буквально на секунду – разрешить себе называть все, что располагается в правой части уравнений Эйнштейна, просто энергией, а все, что в левой части, – все-таки гравитацией (не отказываясь, разумеется, от того, что это кривизна, т. е. геометрия пространства-времени), то можно сказать, что гравитация – это отклик пространства-времени на содержащуюся в нем энергию. А как это связано с тем, что было известно про гравитацию Ньютону? Подробнее об этом говорится в добавлениях к этой прогулке, а в кратчайшем изложении связь такова. Самый незамысловатый способ присутствия энергии – масса (рискуя быть надоедливым: умноженная на c²). Поэтому, согласно уравнениям Эйнштейна, геометрия пространства-времени откликается на присутствие массы. Пока получающаяся кривизна невелика, а все изменения достаточно медленные, геодезические оказываются такими, что тела в пространстве ведут себя так, как если бы в них вцепилась ньютонова гравитация в полном соответствии с (1.1). По мере увеличения кривизны и скоростей это описание делается все более неточным, даже если таблица энергии-движения-сил представлена только массой; в точное описание, кроме того, вносят вклад и остальные обитатели этой таблицы.

Связь материи и геометрии, выражаемая уравнениями Эйнштейна, открывает огромное поле возможностей для управления мирами. Можно взять какое-то распределение материи и посмотреть, какое пространство-время оно для себя создаст. Делают это буквально так: выбирают таблицу энергии-движения-сил, руководствуясь соображениями о той или иной системе (например, Вселенной) – о том, как в ней распределены энергия, количество движения, давления и натяжения. После этого предлагается решить уравнения Эйнштейна – т. е. найти такие абвгдежзик, что построенная из них кривизна, уложенная в Специальную упаковку, обеспечит выполнение всех десяти уравнений. Это не очень просто, потому что кривизна сложно выражается через абвгдежзик. Часто, руководствуясь соображениями о «примерно возможной» реальности, мы придумываем некоторый общий вид распределения материи с определенными свойствами, оставляя какие-то подробности этого распределения нефиксированными, чтобы их доопределить из уравнений. Хорошие уравнения при этом подталкивают в сторону правильного нового знания, и с уравнениями Эйнштейна именно так и случилось. Они открыли нам расширяющуюся Вселенную, черные дыры и гравитационные волны.

*****

Конструктор вселенных. Пыль, распределенная в пространстве с некоторой плотностью, имеет вполне конкретную таблицу энергии-движения-сил. Оказалось особенно интересно узнать, какой может быть геометрия пространства-времени, если в нем содержится только пыль.

Рис. 7.6. Этапы столкновения и смешивания Млечного Пути и Андромеды: ожидаемый вид ночного неба с Земли

Пыль?

Обыденные слова, сделавшиеся научными терминами, начинают в новом качестве выражать нечто вполне определенное, но часто далекое от первоначального житейского смысла. Пыль в данном случае включает в себя межзвездный газ, собственно межзвездную пыль, а также (!) звезды и галактики заодно с темной материей. Слово «пыль» используется просто потому, что все это вещество крайне слабо сопротивляется своему сжатию на «самых космических» масштабах: сближающимся галактикам не становится тесно настолько, чтобы они начали расталкиваться; наоборот, они порой «смешиваются» (рис. 7.6). Технически пыль – это распределение материи, не создающее давления (кстати, если бы бытовая пыль сопротивлялась уже небольшому сжатию, конструкция пылесосов определенно была бы иной); всю «пыль» во Вселенной называют еще холодной материей, что включает и холодную темную материю[137].