"Величайшая ошибка" Эйнштейна была действительно ошибкой!

Этан Зигель, Starts with a Bang

17 мая 2013 года

Image credit: Galaxy cluster ACT-CL J0102−4915, courtesy of ESO/SOAR.

Комбинированный снимок, составлен из снимков Хаббла и телескопа SOAR и показывает скопление галактик ACT-CL J0102−4915, которое астрономы прозвали El Gordo - "Толстяк" по-испански. Оно состоит на самом деле из двух скоплений, которые врезаются друг в друга на скорости в сотни км/с, а его свет путешествовал 7 млрд лет, чтобы только достичь Земли. Результирующее скопление видно на снимке как облако большого количества галактик, которое протянулось из левого нижнего в правый верхний угол.

"Тот, кто не ошибался - никогда не пробовал ничего нового" 

А. Эйнштейн

Общая Теория Относительности Эйнштейна была встречена со смесью любопытства, трепета и сдержанного скептицизма. Не каждый день фундаментальной теории - такой, как теория гравитации Ньютона, правившей космосом почти два с половиной века - бросают вызов новички.

Image credit: Brooks/Cole – Thomson publishing, 2005.

И это именно то, что сделал Эйнштейн своей Общей Теорией Относительности в конце 1915 года, почти век назад. Согласно Эйнштейну, ньютоновская гравитация была всего лишь иллюзией. Объекты в действительности не прикладывают друг к другу сил, которые вызывают ускорения или изменения момента импульса - вся Вселенная существует в континууме, который назвается пространство-время, а присутствие материи-энергии искривляет ткань этого пространства-времени, заставляя объекты двигаться так, как они это делают.

Image credit: WGBH Boston, retrieved from http://www.ast.cam.ac.uk/.

Эйнштейновская теория не только вырождается в ньютоновскую гравитацию в слабых гравитационных полях, она также предсказывает орбитальную аномалию Меркурия, которая 50 лет вводила астрономов в состояние ступора. Когда наблюдения затмения Солнца 1919 года показали, что свет от далеких звезд искривляется в полном соответствии с предсказаниями Общей Теории Относительности (а не следует теории Ньютона), это совершило настоящую революцию в науке. 

Image credit: Иллюстрированное издание Новости Лондона от 22 ноября 1919 года.

Но еще до того, как все это произошло, Эйнштейна очень сильно беспокоил один аспект его теории. Видите ли, в то время считалось, что Вселенная состоит из равномерно распределенных в пространстве звезд. Более того, считалось, что она стабильна, не менялась в прошлом и не будет меняться в будущем, а звезды равномерно распределены в пространстве по всем направлениям.

 

Image credit: Bill Keel of University of Alabama, via http://www.astr.ua.edu/.

И, в общем, это представляло собой проблему, которая могла похоронить всю Теорию Относительности - Теория ведь показывала, что Вселенная не стабильна! Если вы разбросаете звезды равномерно (почти равномерно) в пространстве, они начнут искривлять пространство-время своими массами - тем больше, чем больше масса скоплений. Это значит, что те области, где немного больше массы, начнут притягивать все больше и больше материи, и начнут расти со временем!

И, что было еще хуже - независимо от своей формы, по достижению определенного предела, они должны сжиматься, становясь черными дырами!

 

Image credit: “Black Holes: Portals into the Unknown”, © 1997-2001 Benjamin, via http://library.thinkquest.org/.

Здесь оказался рисунок с прозрачным фоном, поэтому решил продублировать подписи. Сверху слева - Куб, дальше - Конуc, дальше - Сфера, дальше - Сфера с горой. Все это превращается... в идеально сферическую черную дыру! (прим. перев)

Явно не наш случай! И Эйнштейн понимал это. 

Законы гравитации не могли лгать. Возможно, просто было нечто неучтенное. Насколько Эйнштейн мог судить в то время, звезды все время находились на своих местах все время, распределяясь в пространстве на расстояния, по крайней мере, в тысячи световых лет по всем направлениям! Поскольку, очевидно, они не пытались сжаться в какую-то одну точку, Эйнштейн подумал, что должно быть что-то, что сопротивляется гравитации в больших, межзвездных масштабах.

Image credit: Natalie Roe for the SNAP collaboration, via http://snap.lbl.gov/.

Надпись: Чтобы поддержать статическую Вселенную, Эйнштейн ввел в ОТО "космологическую постоянную лямбда" (энергию вакуума)  

Подстраивая лямбду, можно было уравновешивать притяжение особым типом "отталкивающей" гравитации.

Он предположил, что за отталкивание отвечает внутреннее свойство под названием космологическая постоянная, которая будет отталкивать ровно так же, как гравитация - притягивать, и тем самым, обеспечивать статичность Вселенной.

Теперь перенесемся на сто лет вперед, к современности.

Image credit: ESA and the Planck Collaboration.

 Вселенная в действительности не статична, она расширяется уже миллиарды лет. Что Эйнштейн упустил - Вселенная расширяется в значительно больших, чем наша Галактика, масштабах, и содержит сотни миллиардов галактик. Все это было открыто значительно позже создания ОТО, и за это вряд ли можно винить Эйнштейна, но все равно он был очень собой разочарован, когда понял, что решение было очень близко, а он не обратил на него никакого внимания! По непроверенным данным, он назвал введение космологической постоянной "величайшей" своей ошибкой. 

Если б он смог найти решения, позже предложенные Фридманом, Леметром, Робертсоном и Уолкером, он бы еще тогда предположил, что Вселенная расширяется и никогда бы не вводил непонятную космологическую постоянную.

Image credit: S. Perlmutter et al. (Supernova Cosmology Project).

 А еще с конца 90х мы поняли, что у Вселенной, вообще говоря, все-таки есть своя космологическая постоянная, не равная нулю, и ее называют темной энергией, используя это понятие для объяснения ускорения расширения Вселенной!

Image credit: NASA.

Надпись на рисунке: замедляющаяся Вселенная  достигает своего настоящего размера за меньший промежуток времени. Затем она может начать сжиматься в точку или расширяться до бесконечности. Стабильно расширяющаяся Вселенная (в центре)  - старше, чем замедляющаяся потому, что ей потребуется больше времени, чтобы достичь своего текущего размера и продолжить расширяться до бесконечности. Вселенная, которая расширяется с ускорением (справа) - еще старше. Коэффициент расширения увеличивается вследствие силы, отталкивающей галактики друг от друга.

Можно было бы подумать, что поскольку, как оказалось, космологическая постоянная все-таки существует, и не равна нулю, и, поскольку это все-таки энергия, присущая самому пространству, то, возможно, Эйнштейн и не сделал ошибки.

Нет ничего более далекого от истины, чем это утверждение. В физике мы предлагаем новые теории, чтобы объяснять наблюдаемые явления и предсказывать новые, которые мы еще не наблюдаем. Вокруг это построена вся теоретическая физика. 

И, мне неприятно вас разочаровывать, но космологическая постоянная Эйнштейна потерпела крах в обоих случаях.

 

Image credit: Sheldon Faworski and Sean Walker, via http://www.astropix.com/.

Он не  только не смог объяснить, почему звезды в нашей Галактике не находятся, в первом приближении, в стабильных положениях - ну, они в действительности движутся вокруг ее центра по стабильным орбитам - но и не смог предсказать явление расширения Вселенной.

Если бы он выдвинул гипотезу расширения Вселенной вместо создания космологической постоянной, чтобы решить проблему коллапса Вселенной в черную дыру - вот это было бы тогда правильно.

Image credit: retrieved from http://izquotes.com/.

Первый принцип в том, что вы не должны дурачить себя - 

человека, которого проще всего одурачить.

(Ричард Фейнман)

Эйнштейну надо отдать должное. Он был достаточно умен, чтобы признаться всему миру, и прежде всего, самому себе, что это решение было неверным. 

И даже сегодня, оглядываясь в прошлое и признавая, в действительности,  существование космологической постоянной  - темной энергии, энергии расширения Вселенной - Эйнштейн все равно был неправ!

В науке вообще и в физике в частности не достаточно просто дать верный ответ! Нужно дать правильный ответ на основе правильных предположений, иначе вы можете завести себя абы куда.

Image credit: Sean Carroll, via Steve Hsu of http://infoproc.blogspot.com/.

Возможно, космологическая постоянная и вернулась, но это не имеет ничего общего ни с теми причинами, по которым Эйнштейн вводил ее, ни с тем значением, которое он для нее устанавливал. Иногда, для решения новых загадок вполне подходят и старые идеи.

Почему я это вам говорю? Потому, что производятся попытки пересмотреть нашу историю, чтобы сделать наших героев еще более героическими, дав им первенство и в открытиях, которые они не совершали. Таким образом можно дурачить и самих себя, прощая за те ошибки, которые могут как-то относиться к нашему пути к успеху.

Image credit: European Space Agency.

 Ошибаться можно. Ошибка - показатель того, что вы пытаетесь, а также того, что вы остаетесь честны с собой. Важно осмыслить потом ее в самом конце. В нашей жизни мы ошибаемся  огромное количество раз, уж в этом-то я уверен.

Что отделяет хороших ученых от всех остальных - это наша воля, наша способность отказываться от идей, которые больше не согласуются с данными, признание того, что мы можем ошибаться и принятие теоретических идей, которые хорошо согласуются с наблюдениями. Мы можем вернуться даже назад, чтобы оживить некоторые идеи прошлого и попытаться применить их по-новому к нашей Вселенной, по мере накопления знаний о ней (но это не значит, что все старые идеи были верны, отнюдь!)

Это наука. Мы каждый день делаем новый шаг к истине. Спасибо, что идете со мной по этой дороге.