Страница 83 из 151
Но какой физический смысл имеет этот математический объект? Что такое космологическая постоянная, из чего она сделана, и каким образом она действует против обычного притяжения гравитации и оказывает отталкивающее действие? Современное прочтение работы Эйнштейна — то, что восходит к Леметру, — интерпретирует космологическую константу как экзотическую форму энергии, которая однородно и равномерно заполняет всё пространство. Я говорю «экзотическую», поскольку анализ Эйнштейна не определяет, откуда эта энергия может взяться, и, как мы скоро увидим, математическое описание, которое для неё использовал Эйнштейн, гарантирует, что эта энергия не может состоять из чего-то привычного вроде протонов, нейтронов, электронов или фотонов. Сегодня физики, когда обсуждают смысл эйнштейновской космологической постоянной, используют фразы вроде «энергия самого пространства» или «тёмная энергия», поскольку, если космологическая постоянная существует, пространство должно быть заполнено прозрачным, аморфным чем-то, что вы не можете видеть непосредственно; пространство, заполненное космологической постоянной, будет всё ещё выглядеть тёмным. (Это напоминает старое понятие эфира и новое понятие поля Хиггса, которое имеет ненулевую величину во всём пространстве. Последнее сходство является не просто случайным совпадением, поскольку между космологической постоянной и полями Хиггса имеется важная связь, до которой мы скоро доберёмся.) Но даже без точного определения происхождения или сущности космологической постоянной, Эйнштейн смог найти её приложения к физике гравитации, и полученный им результат весьма примечателен.
Чтобы понять его, необходимо познакомиться с одной особенностью общей теории относительности, которую нам надо сейчас обсудить. В ньютоновском подходе к гравитации сила притяжения между двумя объектами зависела только от двух факторов: их масс и расстояния между ними. Чем массивнее объекты и чем ближе они друг к другу, тем больше взаимное гравитационное притяжение. В общей теории относительности ситуация в основном такая же, но уравнения Эйнштейна показывают, что учёт только масс объектов в ньютоновской теории был слишком ограниченным. В соответствии с общей теорией относительности в силу гравитационного поля вносит вклад не только масса (и расстояние). Участвуют также энергия и давление. Это важно, поэтому рассмотрим подробнее, что это означает.
Представьте, что сейчас двадцать пятое столетие, и вы заключены в Замке разума, который представляет собой новейший эксперимент Департамента коррекции, предназначенный для перевоспитания преступников из среды «белых воротничков», основанного на их собственных способностях. Каждому осуждённому даётся загадка, и они могут возвратить себе свободу, только разгадав её. Парень в соседней с вами камере вынужден разгадывать, почему «Остров Джиллигана»[190] неожиданно снова был показан в двадцать втором столетии и с тех пор стал самым популярным шоу, — так что ему, вероятно, придётся называть Замок своим домом ещё некоторое время. Ваша загадка проще. Вам даны два идентичных твёрдых золотых кубика — они одинакового размера, и каждый изготовлен из одинакового количества золота. Ваша задача — найти способ заставить кубики давать различные показания при измерении их веса с помощью неподвижных и чрезвычайно точных весов, при одном условии: вам нельзя изменять количество материи в каждом кубике, т. е. их нельзя рубить, разбивать, паять, царапать и т. д. Если бы эту загадку поставили перед Ньютоном, он бы немедленно заявил, что она не имеет решения. В соответствии с законами Ньютона одинаковые количества золота означают одинаковые массы. И поскольку каждый кубик остаётся тем же самым, гравитационное притяжение Земли для них будет идентичным. Ньютон пришёл бы к заключению, что два кубика должны показывать одинаковый вес без всяких если, и или но.
Однако с вашими институтскими знаниями XXV в. общей теории относительности вы разглядите способ решить эту загадку. Общая теория относительности говорит, что сила гравитационного притяжения между двумя объектами зависит не только от их масс{191} (и расстояния между ними), но также от любых и всех дополнительных вкладов в полную энергию каждого объекта. А мы ничего не говорили о температуре золотых кубиков. Температура — это мера того, насколько быстро в среднем атомы золота, из которых состоит каждый кубик, движутся туда-сюда, — т. е. она показывает, насколько энергичны атомы (она отражает их кинетическую энергию). Таким образом, вы понимаете, что если нагреть один из кубиков, его атомы будут более энергичными, так что его вес будет чуть больше, чем у более холодного кубика. Этого факта Ньютон не знал (увеличение температуры на 10 градусов Цельсия приведёт к увеличению веса кубика из одного фунта золота примерно на миллионную от миллиардной доли фунта, так что эффект крайне мал), и с этим решением загадки вас должны будут освободить из Замка.
Но нет. Поскольку ваше преступление было особенно тяжким, в последнюю минуту перед вашим освобождением коллегия приняла решение, что вы должны разгадать вторую загадку. Вам даны две одинаковые старинные игрушки «Джек в коробочке». Ваша новая задача — найти способ сделать так, чтобы каждая имела различный вес. Но на этот раз зам не только запрещено изменять количество массы каждого объекта, но и нельзя изменять их температуру. Опять, если эту загадку дать Ньютону, ему пришлось бы смириться с пожизненным заточением в Замке. Поскольку игрушки имеют одинаковые массы, он бы пришёл к выводу, что их веса идентичны и загадка неразрешима. Но вновь ваши знания общей теории относительности вас спасут: у одной из игрушек вы сожмёте пружину, впихнув Джека под закрытую крышку, в то время как в другой игрушке вы оставите Джека снаружи. Почему это решит проблему? Сжатая пружина имеет больше энергии, чем не сжатая; вы затратили энергию, чтобы сдавить пружину, и вы можете видеть подтверждение вашей работы, поскольку сжатая пружина оказывает давление, заставляя крышку игрушки немного выгибаться наружу. И опять, в соответствии с Эйнштейном, любая дополнительная энергия связана с гравитацией, вызывая дополнительный вес. Таким образом, закрытый «Джек в коробочке» со сжатой пружиной, оказывающей давление наружу, весит чуточку больше, чем открытый «Джек в коробочке» с разжатой пружиной. Это то решение, которое могло бы спасти Ньютона, и благодаря ему вы получаете долгожданную свободу.
Решение второй загадки указывает на тонкое, но очень важное свойство общей теории относительности, на котором мы сосредоточимся. В своей статье, представляющей общую теорию относительности, Эйнштейн математически показал, что гравитационная сила зависит не только от массы и не только от энергии (такой как тепло), но также и от любого давления. И в этом заключается та существенная физика, которая нам необходима, если мы хотим понять космологическую постоянную. И вот почему. Давление, направленное наружу, подобное давлению, оказываемому сжатой пружиной, называется положительным давлением. Довольно естественно, что положительное давление даёт положительный вклад в гравитацию. Но, и это критически важный момент, существуют ситуации, когда давление в некоторой области, в отличие от массы и полной энергии, может быть отрицательным, означая, что давление всасывает внутрь, вместо того чтобы выталкивать наружу. Такое отрицательное давление может привести к экстраординарным следствиям с точки зрения общей теории относительности: в то время как положительное давление даёт вклад в обычное гравитационное притяжение, отрицательное давление вносит вклад в «отрицательную» гравитацию, т. е. в гравитационное отталкивание.{192}
Этим ошеломляющим открытием общая теория относительности Эйнштейна пробивает брешь в более чем двухсотлетней уверенности, что гравитация всегда является притягивающей силой. Планеты, звёзды и галактики, как правильно показал Ньютон, создают гравитационное притяжение. Но когда давление играет важную роль (для обычной материи при повседневных условиях вклад давления в гравитацию пренебрежимо мал) и, в особенности, когда давление отрицательно (для обычной материи вроде протонов и электронов давление положительно, из чего следует, что космологическая константа не может быть составлена из чего-то привычного), оно даёт вклад в гравитацию, который бы шокировал Ньютона. Это вклад в отталкивание.
[190]
«Остров Джиллигана» (Gilligan’s Island) — известнейший американский комедийный сериал о потерпевших крушение на необитаемом острове. Впервые был показан по телевидению в 1964–1967 гг., и с тех пор его популярность ничуть не убывает, а, скорее, даже растёт. (Прим. ред.)
{191}
Когда я в этом контексте обращаюсь к массе объекта, я ссылаюсь на сумму полных масс его отдельных составляющих. Если, скажем, кубик состоит из 1000 атомов золота, мне надо бы говорить о 1000 масс одного такого атома. Это определение согласуется с точкой зрения Ньютона. Законы Ньютона говорят, что такой кубик будет иметь массу в 1000 раз больше массы отдельного атома золота и что он будет весить в 1000 раз больше, чем отдельный атом золота. В соответствии с Эйнштейном, однако, вес кубика зависит также от кинетической энергии атомов (так же как и всех других вкладов в энергию кубика). Это следует из соотношения E = mc2: бо́льшая энергия (E), безотносительно к её источнику, транслируется в бо́льшую массу (m). Таким образом, эквивалентный способ выражения сути дела состоит в том, что, поскольку Ньютон не знал о формуле E = mc2, его закон гравитации использовал определение массы, которое не учитывает различные вклады в энергию, такие как энергия, связанная с движением.
{192}
Данное обсуждение намекает на лежащую в основе физику, но не охватывает её полностью. Давление, оказываемое сжатой пружиной, на самом деле влияет на то, насколько сильно коробка притягивается к Земле. Но это происходит потому, что сжатая пружина влияет на полную энергию коробки, и, как обсуждалось в предыдущем абзаце, в соответствии с общей теорией относительности, полная энергия — это именно то, что имеет отношение к делу. Однако я здесь подчёркиваю, что само давление — не только благодаря вкладу, который оно вносит в полную энергию, — генерирует гравитацию, почти как это делают масса и энергия. В соответствии с общей теорией относительности давление гравитирует. Также заметим, что отталкивающая гравитация, на которую мы ссылаемся, является внутренним гравитационным полем, ощущаемым внутри области пространства, заполненного чем-то, что имеет отрицательное, а не положительное, давление. В такой ситуации отрицательное давление будет давать вклад в отталкивающее гравитационное поле, действующее внутри области.