С1929 года мы знаем, что Вселенная расширяется. Эйнштейн был воодушевлен этим открытием, поскольку оно позволило ему отказаться от математического параметра, который он ввел в свои уравнения общей теории относительности для того, чтобы они описывали статическую Вселенную, то есть от космологической постоянной (обозначавшейся греческой буквой лямбда). Пока Эйнштейн не ввел этот параметр, уравнения теории относительности фактически и описывали расширяющуюся Вселенную.
Когда стало известно о расширении Вселенной, казалось логичным думать, что это расширение должно замедляться. Такое предположение основывалось на том, что если во Вселенной есть масса, то есть и гравитация, а гравитация проявляется в том, что все предметы притягиваются друг к другу. Каждая галактика неизбежно притягивает к себе любую другую галактику. Таким образом, расширение пространства должно было бы замедляться по той же причине, по которой замедляется подброшенное в воздух яблоко. И там и здесь препятствует гравитация.
Это соображение казалось настолько очевидным и правдоподобным, что его не подвергали сомнению почти семьдесят лет. Однако в 1998 году, ко всеобщему удивлению, наука доказала, что оно неверно. Две исследовательские группы – одна под руководством Сола Перлмуттера, а другая во главе с Брайаном Шмидтом и Адамом Риссом – изучали далекие сверхновые во Вселенной. Известно, что эти грандиозные взорвавшиеся звезды имеют определенную яркость, поэтому чем слабее нам кажется излучение сверхновой на небе, тем дальше она находится. На этом основании определяется расстояние от Земли до сверхновой, а затем рассчитывается возраст галактики, где находится этот космологический маяк, и чем больше расстояние от нас до галактики, тем дальше она от нас во времени. Используя эти результаты, Перлмуттер, Шмидт и Рисс смогли проследить расширение Вселенной на протяжении большей части ее истории. И они пришли к выводу, что в прошлом она расширялась медленнее, чем в настоящее время. Другими словами, они обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. В 2011 году за свою работу они втроем были удостоены Нобелевской премии.
Разумеется, из этого открытия не следовало, что гравитация внезапно исчезла. Каждая галактика по‐прежнему притягивает любую другую. Следовательно, причина, по которой расширение Вселенной ускоряется, должна корениться в том, что нечто противодействует гравитации. Как ракетному кораблю нужны двигатели, чтобы подниматься вверх, так и Вселенной требуется энергия для противодействия притяжению галактик.
Много позже стало понятно, что параметр, который Эйнштейн ввел в свои уравнения для того, чтобы они описывали статичную Вселенную, – то есть космологическая постоянная – по иронии судьбы оказался именно тем инструментом, с помощью которого оказалось возможным вычислить недавно измеренное ускорение расширения Вселенной. А следовательно, и “дополнительное воздействие”, которое противодействует гравитации. Стоит пояснить, что космологическая постоянная – это не такая константа, как, например, число пи. Подобно числу пи, она не меняет своего значения со временем, но, в отличие от пи, ее нельзя определить, исходя лишь из теоретических знаний. По крайней мере в настоящее время космологическую постоянную требуется измерять. Измерения, сделанные за последние двадцать лет, убедительно доказали, что ускоренное расширение описывается космологической постоянной, и ученые определили ее значение с довольно большой точностью. А Эйнштейн в свое время, решив, что этот параметр ему больше не нужен, приравнял его к нулю.
Мы вправе задаться вопросом о смысле космологической постоянной. Гравитацию можно представить в физических терминах, и если параметр лямбда – это своего рода антигравитация, то она также должна иметь какой‐то физический смысл, а не быть просто членом уравнений. То, чему она соответствует в реальном мире, называется темной энергией. Многие ученые утверждают, что темная энергия – это энергия, присутствующая в космическом вакууме. Мы считаем вакуум пустотой, через которую проходит только излучение. В космическом океане, вдали от мерцающих звезд, есть чернота, где как будто бы нет ничего. Но даже в вакууме есть энергия, флуктуации которой говорят о распространении миллионов и миллионов микроскопических волн. Темная энергия, как полагают ученые, является полной энергией космического вакуума.
В рамках этой теории вычисление космологической постоянной дает значение 1 × 10113Дж/м3. Это огромное число. Однако, исходя из наблюдений за скоростью расширения Вселенной, оказывается, что величина темной энергии должна быть близка к значению 1,5 × 10–9 Дж/м3, а это число весьма малое. Несоответствие между теоретическим значением темной энергии и данными наблюдений представляет серьезную загадку для современной физики: это часть так называемой проблемы космологической постоянной. Фактически это означает, что природа темной энергии еще совсем непонятна.
Проблема темной энергии – один из вызовов, стоящих перед теорией относительности. Черные дыры представляют собой другой вызов. В центре каждой черной дыры находится сингулярность – точка такого сильного искривления пространства-времени, что уравнения относительности перестают работать. Черная дыра (точнее, ее тень) была сфотографирована, а испускаемые черными дырами гравитационные волны обнаружены. Они составляют важный компонент Вселенной, но их пока еще не смогли полностью объяснить с помощью теории Эйнштейна.
На самом деле, хотя на данный момент теория относительности по‐прежнему остается основным теоретическим аппаратом для осмысления строения космоса, маловероятно, что она будет оставаться им всегда. Состояние современной физики имеет некоторое сходство с состоянием физики во времена юности Эйнштейна, когда одни ученые критиковали теорию Исаака Ньютона, а другие защищали ее: одни пытались залатать дыры в его теории гравитации, а другие (например, Эйнштейн) пытались ее опровергнуть. Теперь и у теории относительности Эйнштейна имеются свои противники и сторонники.
Вселенная перехитрила нас. Она перехитрила и Эйнштейна – как в отношении квантовой механики, подорвавшей его представление о том, каким должен быть мир, так и в его попытках создать единую теорию поля. В последних фразах своего автобиографического эссе, написанного им в марте 1955 года, всего за месяц до смерти, Эйнштейн признал, что его работа последних двадцати лет оказалась, в сущности, бесполезной. “Представляется маловероятным, – писал он, – что теория поля может правильно объяснить и атомистическую структуру материи и излучения, и квантовые явления”[380]. Впрочем, он утешал себя тем, что “поиск истины ценнее, чем обладание ею”.
О своих личных взглядах на жизнь Эйнштейн однажды написал: “Самое прекрасное, что мы можем испытать, – это ощущение тайны. Она источник всякого подлинного искусства и науки. Тот, кто никогда не испытывал этого чувства, кто не умеет остановиться и задуматься, охваченный робким восторгом, тот подобен мертвецу или погасшей свече”[381].
Стремясь разгадать загадки своего века, Эйнштейн был вынужден переосмыслить саму природу света, времени и пространства, характер космоса как такового. При этом его картина реальности оказалась более достоверной, чем представления его современников, но тоже не свободной от загадок. И именно сейчас, в период бурного развития науки, при решении проблем теории относительности человечество может достичь более глубокого понимания устройства Вселенной. Нам посчастливилось жить во времена, когда стоящие перед нами загадки – это тайны вселенной Эйнштейна.