Как уравнения поля Эйнштейна случайно предсказали расширяющуюся Вселенную?

Ещё в 1912 году Весто Слайфер обнаружил, что свет от удалённых галактик имеет красное смещение. Это могло означать, что галактики постоянно удаляются от нашей планеты. Но в то время ещё не было мощных телескопов, которые могли бы подтвердить эти идеи и дать возможность настолько точно рассмотреть процесс, чтобы однозначно его интерпретировать. Красные смещения далеких звезд изначально не были связаны с расширяющейся Вселенной. Гипотезы о расширении воспринимались тогда как нечто дикое и неправильное.

Забегая вперёд отметим, что окончательную точку в этих спорах поставил Эдвин Хаббл. Но всему этому предшествовал забавный процесс, в котором поучаствовал сам Альберт Эйнштейн. Причём сделал он это случайно.

До революционного открытия Хаббла в 1929 году считалось, что Вселенная однородна, изотропна и статична. Для описания свойств Вселенной использовали три базовых постулата:

• Распределение материи и энергии одинаково во всей Вселенной в больших масштабах (принцип однородности)
• Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях (принцип изотропности)
• Вселенная вечна, не расширяется и не сжимается (принцип статичности)

Настоящий каламбур в осознании начинается с момента появления уравнений поля Альберта Эйнштейна. Предположения о расширении Вселенной плотно переплетаются с логикой новых уравнений и появляется некоторое сопоставление, согласно которому Вселенная и правда должна расширяться. Вот только тут была забавная проблема.

Эйнштейн так сильно верил в статичность Вселенной, что, когда его уравнения поля фактически подтвердили обратное, он просто изменил их, вместо того чтобы принять последствия математического предсказания расширения.

Изначально уравнения поля Эйнштейна описывают легендарное искривление пространства-времени из-за материи и энергии. Когда Эйнштейн применил их ко Вселенной в целом, получилось, что гравитация заставит Вселенную сжиматься с течением времени.

Чтобы «противостоять» этому сжатию и сохранить идею статичной Вселенной, Эйнштейн ввёл космологическую постоянную. Это некоторый антигравитационный фактор, который уравновешивал гравитацию, сохраняя Вселенную статичной.

Космологическая постоянная ещё много раз будет появляться в истории физики и инициировать не менее нелепые ситуации. Но сейчас по сути получилась простая ситуация — Эйнштейн, который принимал только статичную природу Вселенной, с помощью математического анализа случайно обнаружил нечто, что является фактором динамичности.

Позже Александр Фридман решил уравнения Эйнштейна без космологической постоянной, показав, что однородная и изотропная Вселенная точно должна быть динамической. Она может либо расширяться, либо сжиматься.

Жорж Леметр независимо от Фридмана нашел аналогичные решения. Он пошел еще дальше, связав предсказанное этими уравнениями расширение с наблюдаемым красным смещением галактик, про которое уже было отмечено в начале статьи. Леметр предположил, что Вселенная расширяется и возникла из некоторого «первобытного атома». По сути ранняя версия теории Большого взрыва.

Эйнштейн первоначально отверг идеи Леметра, назвав их нелепыми. Но в 1929 году, используя самый мощный в мире телескоп, Эдвин Хаббл измерил расстояния до 24 галактик и объединил эти данные с измерениями красного смещения Слайфера. С высокой точностью было подтверждено, что более удаленные галактики действительно движутся быстрее, и эта зависимость стала известна как закон Хаббла. Это окончательно подтвердило идею, что Вселенная постоянно расширяется.

Узнав про это, Эйнштейн отказался от идеи статичной Вселенной, назвав космологическую постоянную своей самой большой ошибкой. Эйнштейн похвалил работу Леметра, и они даже стали друзьями.

Однако, по иронии судьбы, космологическая постоянная вновь была возрождена в 1990-х годах с обнаружением ускоренного расширения Вселенной. Своеобразная «ошибка Эйнштейна» на самом деле опередила свое время. Простой численный коэффициент, которым игрался Альберт Эйнштейн в попытках сохранить идеи статичности, стал фактором, который во многом определял реальный интересный процесс.

Сегодня космологическая постоянная используется в расчетах для обозначения темной энергии — загадочной силы, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. История вновь во многом повторяется, но теперь появилась новая загадочная сущность, именуемая тёмной материей и связанной с ней тёмной энергией.

Концепция темной энергии широко принята, но споры продолжаются. Некоторые альтернативные теории предполагают, что наблюдаемые эффекты могут быть связаны с изменениями в законах физики, например, с разным распространением света на огромные расстояния, а не с наличием реальной энергии отталкивания. Но в этой чехарде опять фигурирует постоянная Эйнштейна. Так простой численный коэффициент не просто стал случайным подтверждением расширения Вселенной, но и надолго опередил представления о возможных в реальности процессах.