Вакуум вокруг нас и во Вселенной
АД. Чернин
Самое главное, что до сих пор известно о вакууме, это то, что из него никаким способом нельзя извлекать энергию. Вакуум — это такое состояние квантовых полей, в котором энергия этих полей минимальна. Это ещё не означает, что энергия, заключенная в вакууме, равна нулю.
О вакууме известно также, что его энергия…бесконечна. Но это мнимая бесконечность, которая не имеет физического смысла. Формальная бесконечность возникает в неправильном математическом расчёте, а правильно вычислять энергию вакуума физики-теоретики пока не умеют. В их расчётах получается, что энергия вакуума бесконечна не только для всей бесконечной Вселенной (если Вселенная действительно бесконечна); она имеется в бесконечном количестве и в каждом кубическом сантиметре пространства. Причем это не только где-то очень далеко от нас в глубинах Вселенной, а просто везде и всюду, и, в частности, в комнате, где находится наш читатель.
Ясно, что это бессмысленная бесконечность, и если бы теоретики умели правильно вычислять энергию вакуума, она получилась бы у них не бесконечной, а вполне конечной, и скорее всего довольно малой. То есть такой, какой эту вакуумную энергию недавно обнаружили и измерили астрономы-наблюдатели. Неожиданным образом вакуум проявил себя в астрономических наблюдениях своим… антитяготением.
Что это такое — антитяготение? Все тела природы притягиваются друг к другу силой взаимного притяжения. Сила взаимного тяготения двух тел пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Таков всем знакомый закон всемирного тяготения Ньютона. Он действует и на Земле, и в Солнечной системе, и во всей Вселенной, отчего ньютоновское тяготение и называют всемирным.
Что же касается антитяготения, то оно, как выяснилось, тоже существует в природе, но заметно только в больших, космических масштабах. Астрономы обнаружили, что оно заставляет галактики и системы галактик удаляться друг от друга с возрастающей скоростью. Это самое крупное открытие в космологии, а возможно, в естествознании вообще, за последние годы. К этому успеху вела нелегкая дорога гипотез, сомнений и поисков.
О вакууме, о его энергии и о создаваемом им антитяготении пойдет далее речь в этой статье.
Космология берёт начало в первые десятилетия XX в. То была особая эпоха в истории науки. Тогда были созданы теория относительности и квантовая механика, составляющие с тех пор фундамент всей физики. Космология начиналась с первых теоретических поисков, которые почти всем казались поначалу совершенно абстрактными и произвольными, если не фантастическими. Затем последовали грандиозные наблюдательные открытия, и в результате в космологии возникла новая (богатая содержанием и хорошо обоснованная) картина мира как единого целого.
История космологии складывается, если говорить совсем коротко, из четырех крупнейших событий. Это открытия, которые и определили лицо науки о Вселенной к началу XXI в.
Первое из трёх важнейших открытий сделано Эдвином Хабб-лом: в 1929 г. он обнаружил разбегание галактик, которое теперь понимают как всеобщее расширение Вселенной. Вскоре после этого, в 1933 г., Фриц Цвикки заметил признаки существования во Вселенной тёмной материи, которую называют ещё и скрытыми массами. Третье событие — регистрация реликтового излучения, равномерно заполняющего всё пространство мира; это было сделано в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом Вилсоном (Нобелевская премия 1986 г.). Наконец, четвертое и самое свежее событие — открытие всемирного антитяготения двумя группами астрономов; оно произошло совсем недавно, в 1998–1999 гг.
Замечательно, что три из четырех крупнейших наблюдательных открытий были заранее предсказаны теоретиками. Расширение Вселенной было предсказано Александром Александровичем Фридманом в 1922 г. Реликтовое излучение тоже было предсказано — это заслуга Георгия Антоновича Гамова (1940-1950-е годы), некогда студента профессора Фридмана в Ленинградском университете. Существование же всемирного антитяготения предвидел Эйнштейн (1917 г). Только темная материя явилась в космологию неожиданно — о её существовании никто заранее не подозревал.
Предсказание Эйнштейна дольше всего ждало своего наблюдательного подтверждения. И вот это наконец произошло. Как и полагается в истории самых важных открытий, оно оказалось сюрпризом почти для всех, а некоторых теоретиков и вовсе застало врасплох. Никто не мог представить себе, что судьбу эйнштейновской идеи удастся выяснить уже сейчас и притом с такой высокой степенью определенности и надежности.
В 1915 г. Эйнштейн создал общую теорию относительности. Двумя годами позднее он сделал попытку применить ее к изучению мира, рассматриваемого как некое единое целое. Новая теория впервые позволила поставить столь дерзкую цель в качестве точно формулируемой и притом строго решаемой научной задачи. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статическую, вечную и неизменную физическую систему. Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу… отсутствовало. Ньютоновское всемирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал ещё один силовой фактор — всемирное антитяготение, которое полностью компенсировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.
Ничего подобного прежняя, доэйнштейновская физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в её математические уравнения.
Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной и притом постоянной физической величиной, одним числом, которое получило позднее название космологической константы.
Космологическая константа, обозначаемая греческой буквой Л (лямбда), обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения — без неё теория не допускала бы статичности мира.
Последнее понятно: в мире, где безраздельно господствует одно лишь всемирное тяготение, все тела должны «падать», двигаясь под действием взаимного притяжения. Статичнось, покой и вечная неизменность в таком случае совершенно невозможны.
События в космологии тех лет развивались стремительно. В 1922 г. Фридман доказал, что уравнения общей теории относительности — даже при наличии в них космологической константы — допускают не только статические модели, но и модели динамические, в которых Вселенная как целое могла расширяться или сжиматься. Фридман явно предпочитал модель расширяющейся Вселенной. Она и подтвердилась в 1929 г. в астрономических наблюдениях Хаббла.