Величайшая глупость Эйнштейна: как математический костыль превратился в темную энерги

В истории науки редко случается, чтобы математический костыль,
придуманный от безысходности, спустя век превратился в фундаментальный закон природы. Именно это произошло с космологической постоянной — параметром, который Альберт Эйнштейн ввел в свои уравнения, чтобы спасти любимую теорию, затем с позором выбросил, а спустя десятилетия физика вернула его на пьедестал.

Фото: File:CMB Timeline300 no WMAP.jpg by NASA/WMAP Science Team

Диаграмма вселенной

История того, как мы поняли природу Вселенной — это о том, как
исследовательские данные ломают красивейшие теории, заставляя ученых
признавать: мы почти ничего не знаем о том, из чего состоит наш мир.

Диктатура гравитации

Для осознания масштабов проблемы, нужно вернуться в 1917 год. Общая
теория относительности (ОТО) только что переписала законы гравитации.
Эйнштейн, естественно, решил применить свой новый инструмент к самому большому объекту из возможных — ко всей Вселенной.

Логично было считать, что в космических масштабах электромагнитные
силы не играют роли, так как Вселенная электрически нейтральна. Ядерные силы действуют лишь на микроскопических расстояниях. Остается только гравитация. Именно она диктует форму и судьбу пространства-времени.

Но уравнения ОТО выдали результат, который противоречил здравому смыслу того времени. Теория твердила: Вселенная не может стоять на месте.

Под воздействием собственной тяжести она должна либо расширяться, либо схлопываться. Это было неприемлемо. В начале XX века научный консенсус был непоколебим: Вселенная статична, вечна и неизменна. Чтобы подогнать теорию под реальность, Эйнштейн ввел в уравнения дополнительный член — космологическую постоянную (Лямбда).

Лямбда: физика пустоты

Что такое Лямбда физически? Это свойство самого вакуума.

Эйнштейн предположил существование фонового энергетического поля, пронизывающего пространство. Это поле создавало эффект, обратный гравитации — не притяжение, а отталкивание.

Настроив этот параметр с высокой точностью, Эйнштейн добился баланса:
гравитационное притяжение материи уравновешивалось отталкиванием
Лямбды. Вселенная замерла. Теория была спасена. Но ненадолго.

Открытия Эдвина Хаббла (доказавшего расширение Вселенной) и расчеты Александра Фридмана (показавшего, что динамическая Вселенная — это нормально) разрушили эту искусственную конструкцию. Если Вселенная расширяется, значит, никакой балансировки не нужно. Эйнштейн публично признал введение Лямбды своей "величайшей ошибкой" и вычеркнул ее из уравнений. Казалось, о ней забыли навсегда.

Сюрприз 1998 года

Конец XX века принес новый кризис. К 1998 году астрономы пытались
решить конкретную задачу: измерить плотность материи во Вселенной.
Логика оставалась прежней: гравитация — это сила притяжения.

Следовательно, гравитация всей материи во Вселенной (звезд, газа, темной материи) должна тормозить разлет галактик после Большого взрыва. Вопрос был лишь в том, насколько быстро происходит это торможение.

Две независимые группы астрономов начали охоту за этим замедлением.
Данные, которые они получили, всполошили научное сообщество. Вселенная не замедлялась. Она ускорялась. Это в корне меняло вообще всё. Существующей материи было недостаточно, чтобы остановить расширение, но это полбеды. Какая-то неизвестная сила расталкивала пространство все быстрее и быстрее. Так, стандартная космологическая модель того времени рухнула в одночасье.

Воскрешение константы

Единственным способом объяснить данные было вернуть то, от чего
отказался Эйнштейн. Космологическая постоянная вернулась, но теперь она называлась иначе — темная энергия.

Суть осталась прежней: это свойство самого пространства. Чем больше
становится Вселенная, тем больше в ней вакуума, а значит — тем больше
темной энергии, расталкивающей галактики. Это встроенная в ткань
мироздания антигравитация.

Так родилась современная модель — ΛCDM (Лямбда-CDM).

• Λ (Лямбда): темная энергия, отвечающая за ускоренное расширение
  (около 70% всей энергии Вселенной).
• CDM (Cold Dark Matter): холодная темная материя, отвечающая за
  формирование галактик (около 25%).
• Обычная материя (мы, звезды, планеты) составляет лишь жалкие 5%.

Успешная теория, которая, вероятно, неверна

Модель ΛCDM на сегодня — вершина космологии. Она удивительно
эффективна. С помощью всего нескольких параметров она объясняет всё: от распределения галактик до пятен на реликтовом излучении. Это одна из самых проверенных теорий в истории науки.

Но у нее есть фатальный недостаток. Мы до сих пор не понимаем
физическую природу ни Лямбды, ни CDM. Мы просто вставили эти
параметры в уравнения, чтобы они сходились с наблюдениями.

Парадокс современной науки заключается в том, что наше лучшее описание Вселенной строится на компонентах, суть которых нам неизвестна. ΛCDM работает безупречно, но многие физики подозревают, что это лишь временная конструкция. Вероятно, за ней скрывается более глубокая, еще не открытая физика, которая однажды снова перевернет наши представления о мире, как это сделала Лямбда сто лет назад.

Ещё ряд вопросов

Если темная энергия расталкивает пространство, почему Солнечная
система (и мы с вами) не разлетается на куски? Потому что темная энергия — это сила огромных масштабов, но ничтожной локальной мощности.
На уровне галактик, звездных систем и тем более атомов, локальные силы
(гравитация, электромагнетизм, ядерные силы) абсолютно доминируют.
Гравитация Земли удерживает вас на стуле несоизмеримо сильнее, чем
вакуум пытается вас растянуть. Гравитация Солнца удерживает планеты в
железной хватке.

Темная энергия побеждает только там, где гравитация ослабевает почти до нуля — в гигантских пустотах между скоплениями галактик. Она берет не силой, а объемом. Только на масштабах в миллионы световых лет ее слабый, но повсеместный эффект накапливается и начинает превосходить
гравитационное притяжение материи. Внутри нашей галактики Млечный
Путь темная энергия технически присутствует, но ее влияние настолько
мало, что им можно пренебречь.

Если пространство расширяется, а темная энергия — это свойство пространства, значит, энергии становится больше? Разве это не нарушает закон сохранения энергии?

Это самый неудобный вопрос для физиков, и ответ на него простой и
немного странный: да, энергии становится больше. В классической физике мы привыкли, что энергия ниоткуда не берется. Но в Общей теории относительности закон сохранения энергии работает иначе, чем в замкнутой системе на Земле.

Следите за руками

Темная энергия (космологическая постоянная) имеет постоянную плотность. То есть в одном кубическом метре вакуума всегда содержится
фиксированное количество энергии. Вселенная расширяется. Кубических метров пространства становится больше.

Следовательно, растет и полная энергия Вселенной. Вселенная получает её просто за счет того, что она растет. Это не ошибка расчетов, это фундаментальное свойство расширяющегося пространства-времени, которое описывает теория относительности.

Эйнштейн ввел Лямбду, чтобы остановить Вселенную. Если бы он не назвал это ошибкой и оставил константу, смог бы он предсказать открытие 1998 года заранее?

Нет. Ирония в том, что Эйнштейн ошибся дважды.

1. Первый раз — когда ввел Лямбду искусственно, чтобы подогнать решение под статичную Вселенную.
2. Второй раз — когда посчитал саму идею Лямбды ошибкой.

Но даже если бы он оставил Лямбду в уравнениях, это бы не помогло.
Эйнштейн использовал ее как "тормоз", чтобы уравновесить гравитацию. В его модели Вселенная балансировала на острие иглы. А открытие 1998 года показало, что Лямбда не просто уравновешивает гравитацию, а вызывает ускорение.

Эйнштейн рассматривал Лямбду как математический костыль для статики, а не как динамический двигатель разлета. Он был прав в математике (Лямбда возможна), но ошибался в физическом смысле (зачем она нужна).