Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

Чтобы подчеркнуть важность результатов исследований сверхновых, можно добавить, что журнал Science в 1998 году назвал их прорывом года. А в 2011 году Перлмуттер, Шмидт и Рисе получили Нобелевскую премию по физике «за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдений дальних сверхновых».

Позднее были проведены наблюдения и за другими сверхновыми, но это лишь подтвердило результаты 1998 года. Однако на этом рассказ о темной энергии заканчивать рано. Ведь разве можно так просто довериться наблюдениям за сверхновыми звездами? Некоторые из сверхновых, описанные в статьях 1998 года, настолько далеки, что, должно быть, взорвались, когда Вселенная была примерно вдвое моложе, чем сегодня. Можно ли считать, что те сверхновые вели себя в точности так же, как более поздние? И вообще, надежно ли использовать сверхновые в качестве стандартных свечей? Мог ли свет исчезнуть за время долгого путешествия по Вселенной? Для такой смелой гипотезы, как существование темной энергии, требуются еще более надежные доказательства. И это еще не всё.

Но прежде, чем рассматривать другие наблюдения, доказывающие существование темной энергии, давайте-ка переместимся в 1917 год и заглянем в гости к Альберту Эйнштейну, а заодно познакомимся с космологической постоянной.

До этого момента я постоянно использовал термин «темная энергия» для описания взаимодействия с отталкивающей гравитацией. Но, строго говоря, это понятие было введено только в 1998 году после революционных наблюдений за сверхновыми. А раньше все говорили почти исключительно о том, что мы называем «космологической постоянной» или просто «А» (греческая буква лямбда). Настало время познакомиться с А.

При создании теории отталкивающих гравитационных сил А — самое простое из всех возможных решений. До 1998 года, пока отталкивающая гравитация еще не стала популярной концепцией, изучать в подробностях условия возникновения отталкивающей гравитации не было необходимости. После 1998-го все изменилось: сразу появилось множество теоретических моделей, в которых фигурировала отталкивающая гравитация. Сейчас все эти модели объединены общим понятием темной энергии. То есть А — это определенная модель темной энергии, но не первая попавшаяся, а простейшая и наиболее популярная форма темной энергии. Да и к тому же, кажется, она неплохо подтверждает наши наблюдения. И еще А — наиболее старая модель темной энергии. Эйнштейн «придумал» ее еще в 1917 году.

Специальная теория относительности

В 1905 году двадцатишестилетний Альберт Эйнштейн (1879–1955) опубликовал статью, описывающую то, что сам он назвал специальной теорией относительности. Так он решил проблему несоответствия между уравнениями Максвелла и законами Ньютона. В теории Ньютона существует единое пространство, своего рода четко определенная система координат, по отношению к которой можно измерить любое движение. Согласно Ньютону, свет движется со скоростью с относительно этой системы. Но если вы бежите с огромной скоростью вслед за световой волной, то, согласно теории Ньютона, почувствуете, что волна движется относительно вас со скоростью ниже с. Значит, вполне реально догнать и даже обогнать световую волну. Однако уравнения Максвелла прогнозируют, что свет всегда будет двигаться с одной и той же скоростью г, независимо от того, кто ее измеряет. Теории Максвелла и Ньютона — взаимоисключающие. Из этой ситуации Эйнштейн вышел, отказавшись от идеи единства пространства. Вместо этого он полагал, что имеет смысл измерять движение только относительно наблюдателя (отсюда и название теории относительности). В то же время он соглашался с выводами Максвелла о том, что скорость света всегда будет одинаковой. А это порождает ряд парадоксов. Разберем один из них.

Представьте, что суперсамолет будущего пролетает мимо вас со скоростью в два раза медленнее скорости света. Оказавшись прямо над вами, он направляет лазерный луч по направлению движения, а именно к горе. Вы точно знаете, что стоите ровно в километре от горы. И раз уж вам известна скорость света «С» и расстояние до горы, можно рассчитать, сколько времени понадобится свету, чтобы ее достигнуть (разделив расстояние на скорость). А что, если пилот тоже захочет узнать, за сколько секунд луч лазера доберется до своей цели? Он тоже решит, что луч двигается со скоростью с относительно его самого. При этом он помнит, что движется со скоростью с/2 в сторону горы. Тогда время, которое рассчитает пилот, должно получиться короче, чем то, которое вышло у вас. Но ведь луч достигнет цели лишь один раз. Кто из вас прав? Как разрешить этот парадокс?

Альберт Эйнштейн в 1921 году.

Эйнштейн, понятное дело, не хотел, чтобы его теория была напичкана парадоксами. Совсем наоборот: ученый кропотливо создавал математическую модель, способную объяснить всевозможные ситуации, в которых разные объекты движутся относительно друг друга с разной скоростью. В результате ему пришлось отказаться от единства не только пространства, но и времени. Когда мимо пролетает самолет на суперскорости, для вас и пилота время будет идти по-разному. Время — это не данная свыше координата, которая тикает сама по себе. Время относительно: для каждого человека оно свое. И раз у вас с пилотом часы тикают по-разному, воспринимать скорость вы будете тоже по-разному (ведь скорость — это расстояние, деленное на время). А еще специальная теория относительности утверждает, что, например, расстояния мы тоже воспринимаем по-разному. Теория Эйнштейна перевернула наши представления не только о времени и пространстве, но еще и о материи и энергии. Именно специальная теория относительности легла в основу бессмертного уравнения Е=mc2, которое ученый вывел в 1907 году.

Я не стал подробно рассказывать, как воспринимаете время вы и пилот. Но, надеюсь, из примера ясно, что нужно принимать во внимание относительность времени, если мы считаем аксиомой постоянность скорости света независимо от того, кто ее измеряет. Давайте не будем тратить время на еще более детальное изучение парадоксов и забавных следствий из специальной теории относительности. А для тех, кто никуда не торопится (ни абсолютно, ни относительно), по этой теме существует много хорошей и доступной литературы.

В обычной жизни мы не замечаем странных эффектов специальной теории относительности, потому что они невообразимо малы, но это пока речь не заходит об объектах, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Но специальная теория относительности — это не просто воздушные замки в голове физика. Эффект вполне реален и был неоднократно подтвержден различными способами. Мой любимчик — так называемый эксперимент Хафеле — Китинга, проведенный в 1971 году. В ходе него два физика (которых, что неудивительно, звали Хафеле и Китинг) взяли с собой четыре комплекта сверхточных атомных часов и облетели вокруг Земли. После полета они могли сравнить часы, которые были в этом путешествии, с часами, остававшимися на земле. И, конечно, обнаружились расхождения, подтверждающие предсказания Эйнштейна.