Расширяющаяся Вселенная
Квантовая теория

Большая ошибка Эйнштейна?

Когда Эйнштейн в 1917 году предложил свои уравнения, появилась еще одна большая проблема. Физика - это точный предмет, и часто математика, которую мы используем, дает нам широкий выбор ответов. Например, если x² = 1, x может быть равен + 1 или -1. Эйнштейн решил включить в свои уравнения постоянную величину, называемую константой мира или лямбда. Сначала он решил это сделать по одной интересной причине.

Отрицательное напряжение

Когда Ньютон изобрел первый закон гравитации в 17 веке, он знал, что во Вселенной, управляемой силами гравитации, существует проблема. Причина в том, что скопление масс в одном месте является непостоянным; все они будут притягивать друг от друга и вместе разрушатся. Единственный очевидный выход состоит в том, чтобы сообщить им некоторую энергию для того, чтобы они вместо этого разлетались. Звучит знакомо?

Однако в 1917 году Эйнштейн (и другие) полагал, что Вселенная - это статическое пространство, которое ни расширяется, ни сужается. Без лямбды - константы мира - уравнения Эйнштейна упрямо не допускали существования статической Вселенной. С ней же статическая Вселенная имела правильное решение. Все бы ничего, но когда в 1923 году было обнаружено расширение Вселенной, Эйнштейн игнорировал константу мира и назвал ее введение в науку самой большой ошибкой своей жизни.

Константа мира допускала существование стабильной Вселенной, поскольку она представляет нечто антигравитационное, равномерно распространенное в космическом пространстве, которое отталкивает объекты, а не притягивает их. Можно видеть, как это должно уравновесить тенденцию притяжения и разрушения "реальных" масс. Проблема в том, что нельзя было засвидетельствовать это антигравитационное нечто, и Эйнштейна, вероятно, смутило то, что он применил эту идею к своей теории лишь для того, чтобы согласовать ее с существующими текущими наблюдениями. Однако константа мира, с математической точки зрения, имела право на существование, и оказалось, что математика знала что-то, чего не знал никто.

Константа мира становится значимой

Через десять лет в другом разделе физики появились сведения, что в пустом пространстве действительно есть что-то отталкивающее. Квантовая теория - так называется этот раздел физики, в котором законы движения Ньютона применимы в пределах размеров атомов. Квантовая теория еще более загадочна, чем теория относительности. В дополнение к почти совершенному объяснению работы всех видов знакомых вещей, начиная с флуоресцентных ламп и заканчивая сканерами, квантовая теория делает довольно странные утверждения относительно пустого пространства.

Под "пустым пространством" физики подразумевают то, что подразумевает под этим здравый смысл - ничем не заполненное пустое место. В противовес здравому смыслу, квантовая теория сообщает нам, что пустое место имеет массу. Об этом также сообщает нам и константа мира. Пока, возможно, это не слишком плохо. Нет смысла предполагать, что пустое пространство невесомо. В конце концов, если бы вы попытались взвесить некоторое его количество, на другой чаше весов оказалось бы столько же пустого пространства! Но для Вселенной в целом масса пустого пространства может быть значимой.

Я не могу объяснить вам, почему масса пустого пространства имеет отталкивающее гравитационное влияние. Это фактически скорее ускоряет расширение Вселенной, чем замедляет его (как можно было бы предположить из нашего простого примера с брошенным камнем). Это одна из тех вещей, которую трудно объяснить без математики. Это видно прямо из теории относительности Эйнштейна, а также, совершенно другим образом, из квантовой теории. В обоих случаях идеи, заложенные в основе теории, действительно подтверждают природу пустого пространства. Нельзя объяснить, что в пустом пространстве действует отталкивающая сила.

Но есть возможность измерить некоторые влияния такого пространства в лаборатории и получить положительные ответы. К сожалению, невозможно измерить массу, проводя эксперименты в лабораторных условиях, а квантовая теория, хотя иногда и делает правильные предположения, предсказать общий эффект совершенно не в силах. Фактически, предположение, как правило, ошибочно, и вероятность ошибки равна, как минимум, 10¹⁴⁰. Десять в 140-й степени - это довольно большая ошибка. Это предположение связано с недоработками в определении основ квантовой теории. Но эти предположения и эксперименты дал некоторое основание доверять константе мира, независимо от уравнений Эйнштейна и проблем, связанных с расширением вселенных.

Подходящий размер для лаборатории - сама Вселенная!

Если пустое пространство имеет массу, оно должно совершать два действия. Его масса повлияет на омегу, а также повлияет на вывод, является Вселенная бесконечной или нет. Второе действие более сложное. Пустое пространство имеет свойства как отталкивания, так и притяжения. Хотя мы можем учесть его массу с помощью омеги, как если бы оно было обычным веществом, сила отталкивания имеет дополнительное влияние. Это ускоряет расширение Вселенной. Поскольку Вселенная расширяется, в ней становится больше места, и с увеличением свободного места возрастает сила отталкивания. Так что если константа мира существует, она заставляет Вселенную расширяться быстрее и быстрее.

В связи со способностью пустого пространства увеличиваться в объеме, можно предположить, что это фактически вызвало Большой взрыв! На этом я оставляю эту тему. Вы можете продолжить ее изучение, если воспользуетесь соответствующими ссылками. Согласно этой теории, самое точное (теоретически) определение величины омеги дает результат 1,0.

Большие взрывы и Большой взрыв

Оказывается, астрономы могут достигать хороших результатов при измерении одного этого влияния. Они занимались этим в течение десятилетий, но только сейчас, похоже, результат достигнут.

Возраст Вселенной довольно легко (поразительно!) измерить с момента появления света, идущего от конкретной отдаленной галактики. Свет становится более красным, потому что галактика удаляется от нас в космическом расширении. Чтобы определить увеличение и изменение красного спектра, достаточно прямого измерения, хотя может потребоваться намного больше времени, чтобы собрать необходимые данные для слабых объектов. Изменение красного спектра фиксирует космическое время, в течение которого испускался свет. Еще одна вещь, которую мы можем измерить относительно нашей отдаленной галактики, это расстояние до нее, используя информацию о том, насколько слаб ее свет по сравнению с подобной близлежащей галактикой. Этих двух измерений - расстояния и красного смещения - достаточно, чтобы разгадать тайну расширения Вселенной. Если расширение ускоряется, расстояния до объектов, которые испускали их свет в начале образования Вселенной, будет большим. Имеется в виду большим по сравнению с тем, если бы она была устойчивой или замедляла расширение. Ключом к разгадке является относительная форма кривой расстояния и красного смещения.

Диаграмма основана на подобной диаграмме из работы С. Пермуттера и его коллег*. Это график зависимости расстояния сверхновых звезд от их яркости; очевидно, яркость зависит непосредственно от расстояния. Две линии представляют два вида Вселенной, которые отличаются между собой количеством вещества и значением космологической постоянной. Красная линия - это Вселенная, почти не имеющая реального вещества, с достаточно большой константой мира, которая (едва) делает Вселенную конечной. Зеленая линия - наоборот, нет никакой константы мира, но достаточно вещества для того, чтобы закрыть Вселенную. * Пермуттер и другие, 1999 год, омега и лямбда из 42 сверхновых звезд с высоким красным смещением, Астрофизический журнал, т. 517, с. 565.

Самой трудной частью этого проекта было найти объект, скажем, галактику, который бы:

• был достаточно ярким, чтобы быть замеченным на огромном расстоянии,
• был известной яркости и
• гарантированно не изменял свои свойства с космическим временем.

Галактики, например, были более яркими в далеком прошлом (когда зарождались звезды), и поэтому отбраковываются.

Один тип объекта, который прошел эти испытания - специфический вид взрывающейся звезды, называемый сверхновой звездой. Некоторые звезды заканчивают жизнь колоссальным взрывом, гигантской термоядерной бомбой. Десятилетия кропотливой работы установили, что некоторый вполне определенный вид сверхновой звезды как раз подходит для измерения космических расстояний. С тех пор группы астрономов тщательно исследовали небеса, используя гигантские телескопы, компьютеры, для обработки миллионов изображений, чтобы найти горстку, которая показала бы отдаленную сверхновую звезду. В течение шести лет они нашли всего около тридцати подобных звезд.

Когда была подготовлена диаграмма расстояния и красного смещения для этих сверхновых звезд, они сделали одно из наиболее замечательных открытий в физике двадцатого века: константа мира не только существует, но и оказывает большее влияние на расширение Вселенной, чем все обычные вещества. Для нас, приученных к идее, что в космосе много пустого пространства, было сюрпризом обнаружить, что не ничего более важного, чем пустое пространство! Самые основные особенности Вселенной: ее размер, степень расширения и судьба - определяются характером вакуума. В настоящее время лучшей версией значения омеги для пустого пространства является 0,7. Вместе с 0,3 - значением омеги для вещества - мы получаем итог в 1,0, что как раз соответствует волшебному числу, необходимому, чтобы балансировать Вселенную между вечным расширением и вечным сокращением, и, кроме того, единственному значению омеги, под которое у нас есть приличная теоретическая основа.

На линиях этой диаграммы, представляющих две различных версии Вселенной, Пермуттер добавил наблюдаемые фактические данные. Вы можете увидеть явное тяготение данных к красной линии. Обратите внимание на важные вещи - незначительное расстояние между линиями, которые представляют очень разные Вселенные, и то, что сверхновые звезды с высокими значениями красного смещения занимают верхнюю часть диапазона представленных теоретических возможностей. Это доказывает существование константы мира. * Пермуттер и другие, 1999 год, омега и лямбда из 42 сверхновых звезд с высоким красным смещением, Астрофизический журнал, т. 517, с. 565.

На этом все?

Снова нет!

Во-первых, та же самая причина, как и раньше: три дюжины фантастически неярких сверхновых звезд - это слишком малая выборка, чтобы завершить исследования в такой сложной отрасли науки. Эти данные вызывают множество опасений. Материал чрезвычайно сложен.

Во-вторых, имеется интересный факт, что квантовая теория может строить предположения относительно размера константы мира, и, следовательно, связанной с ней омеги. Предположение, вытекающее из квантовой теории, неверно до нелепости. Но, по крайней мере, теория может делать предположения. Разрешение несоответствий теперь имеет вселенскую важность. Квантовой теории, изучающей физику микрокосмоса, атомов и электронов, была доверена работа по объяснению Вселенной. Сможет ли она сделать это? Следите за космосом!