Забытая модель вселенной, предложенная Эйнштейном

18/08/2014

В 1917 году Альберт Эйнштейн поразил физический мир, опубликовав общую теорию относительности, в которой он описал гравитацию как геометрическое свойство пространства-времени. Это сразу же поставило вопрос о структуре вселенной в целом, из которого развилась современная космология.

В течение нескольких следующих лет многие ученые разрабатывали различные модели структуры пространства-времени. Этим занимались и русский физик Александр Фридман, и голландский математик Виллем де Ситтер (Willem de Sitter), и бельгийский священник Жорж Леметр (Georges Lemaitre). В этой дискуссии Эйнштейн принимал сравнительно мало участия, ограничившись несколькими важными репликами.

В то время было принято считать, что вселенная находится в стабильном состоянии — не расширяется и не сокращается. Поэтому Эйнштейн ввел в свою модель космологическую постоянную, которую могла регулироваться, чтобы вселенная не расширялась и не сокращалась.

Однако у головоломки отсутствовала ключевая часть. Примерно тогда же Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) начал публиковать данные, согласно которым видные астрономам «островные вселенные» или галактики были намного дальше звезд и стремительно удалялись от нас. Его вывод, кардинально изменивший наши представления о мире, заключался в том, что вселенная расширяется.

Ведущие физики того времени сразу же осознали значимость открытия Хаббла. Если он был прав, модель вселенной нужно было менять.

В результате в 1932 году Эйнштейн и де Ситтер опубликовали новую модель, в рамках которой они отказались от космологической постоянной, позволив вселенной расширяться. В дальнейшем эта модель стала для космологического сообщества основной «рабочей лошадкой».

Сейчас Кормак O’Раферти (Cormac O’Raifeartaigh) и Брендан Макканн (Brendan McCann) из ирландского Уотефордского института технологии продемонстрировали важный этап продвижения Эйнштейна к этой модели, впервые переведя малоизвестную статью создателя теории относительности, написанную на год раньше работы 1932 года.

В этой статье, озаглавленной «Zum kosmologischen Problem der allgemeinen Relativitätstheorie» («К космологической проблеме общей теории относительности»), Эйнштейн предлагает модель вселенной, которая сначала расширяется, а потом сокращается. Этот процесс начинается с сингулярности и ей же заканчивается. Данная модель также важна, потому что она впервые придает космологической постоянной нулевое значение.

Сперва O’Раферти и Макканн обсуждают исторический контекст статьи. Эйнштейн, по-видимому, написал ее после своего визита в США, продолжавшегося три месяца. Большую часть этого времени он провел в Принстоне, но также успел съездить к Хабблу, чтобы обсудить его открытия. 

Интересно, что в своей статье Эйнштейн постоянно пишет фамилию Хаббла с ошибкой. По мнению авторов, это доказывает, что он был плохо знаком с работами американского астронома. В статье также отсутствует ряд важных ссылок, вероятно, пропущенных в спешке — O’Раферти и Макканн считают, что Эйнштейн написал ее всего за четыре дня. 

Модель, которую Эйнштейн опробует в статье, носит явно переходный характер. Скажем, она предполагает положительную кривизну пространства-времени. Это было необходимым элементом эйнштейновской модели стабильной вселенной, однако позднее оказалось необязательным в рамках расширяющейся модели, которая могла иметь как положительную кривизну, так и отрицательную или нулевую. О возможности последнего Эйнштейн и де Ситтер писали годом позже. 

Один из наиболее интересных аспектов статьи связан с попыткой Эйнштейна на основании своей модели вычислить размер вселенной, который он оценивает в 10^8 световых лет или 9,5×10^25 сантиметров в радиусе (на несколько порядков меньше, чем по современным оценкам).

В связи с этим он оценивает возраст вселенной примерно в 10 миллиардов лет. Согласно современному консенсусу, вселенной около 14 миллиардов лет.

Как отмечают O’Раферти и Макканн, непонятно, на чем основана оценка Эйнштейна. Они предполагают, что в ее основе лежат некие расчеты Фридмана. Они также указывают, что в спешке Эйнштейн допустил в расчетах ряд ошибок.

«Эйнштейн здесь выглядит, скорее, увлекающимся космологом, чем ученым, пытающимся показать совместимость своей величайшей теории с поразительными новыми астрономическими наблюдениями», — отмечают они.

Это интересный материал не только об эволюции взглядов Эйнштейна на природу вселенной, но и о личности самого Эйнштейна. Кто из нас не работал второпях и потом не замечал ошибок в своей работе?

Заметим, что после совместной работы 1932 года с де Ситтером Эйнштейн почти не проявлял интереса к космологии, предпочитая заниматься не удавшимися в итоге попытками объединить относительность с квантовой теорией. 

Эйнштейн один из самых обсуждаемых и изученных исследователей в истории. Поэтому крайне странно, что находятся его работы, которые до сих пор не были переведены на английский. Однако именно это и делает перевод O’Раферти и Макканна ценным добавлением к корпусу материалов об этом удивительном человеке.