Физический вакуум и космическая анти-гравитация<< 1. Введение | Оглавление | 3. Физический вакуум и ... >>
2. Гипотеза Эйнштейна
Да, главное в космологии, как и во всякой естественно-научной дисциплине, - это конкретные факты о реальном мире. Но замечательное обстоятельство состоит в том, что все три важнейшие открытия в космологии были заранее предсказаны теорией. Космологическое расширение было предсказано Фридманом в 1922-24 гг., а существование реликтового излучения - его учеником по Петроградскому университету Гамовым. Присутствие в мире космической анти-гравитации тоже было предсказано; это было сделано в 1917 г. Эйнштейном.
Следуя давней, уходящей к истокам классической науки традиции, Эйнштейн полагал, что Вселенная как целое должна быть вечной и неизменной. Он считал, что с помощью вселенской анти-гравитации можно уравновесить гравитацию вещества во Вселенной и обеспечить неподвижность распределения вещества, а значит и статичность самой Вселенной. Для описания анти-гравитации Эйнштейн специально ввел в общую теорию относительности новую константу, которая так и называется космологической постоянной. Конечно, это была гипотеза, и притом весьма смелая. Величина же космологической постоянной не выводилась из какой-либо теории, а подлежала наблюдательному определению.
Физическая интерпретация космологической постоянной складывалась постепенно, десятилетие за десятилетием, начиная с работ де Ситтера, Леметра, Толмена, Бонди. Сейчас считается oбщепринятым, что космологическая постоянная описывает космический вакуум, т.е. такое состояние космической энергии, которое обладает постоянной во времени и всюду одинаковой в пространстве плотностью - и притом в любой системе отсчета. По этим свойствам вакуум принципиально отличается от всех других форм космической энергии, плотность которых неоднородна в пространстве, падает со временем в ходе космологического расширения и может быть разной в разных системах отсчета. Если оставить в стороне представление о статичности Вселенной, то гипотеза Эйнштейна была в действительности предположением о существовании в мире космического вакуума. И это предположение наконец подтвердилось в астрономических наблюдениях.
Хотя вакуум чаще всего называют космическим, он присутствует повсюду и фигурирует в атомной физике и микрофизике, где он представляет собой наинизшее энергетическое состояние квантовых полей. Это тот самый вакуум, в котором разыгрываются взаимодействия элементарных частиц. Физический вакуум непосредственно проявляется экспериментально, например, в лэмбовском сдвиге спектральных линий атомов и эффекте Казимира.
В таких экспериментах присутствие вакуума несомненно, но при этом значение его энергии ускользает от измерения. Последнее связано с тем принципиальным обстоятельством, что во всех - кроме гравитации! - физических взаимодействиях проявляется только разность энергий физической системы в различные моменты времени и/или в различных точках пространства, но не величина энергии в данном состоянии физической системы. Лишь гравитация "чувствует" саму энергию, а не ее разности. Грандиозным инструментом, естественной экспериментальной установкой для открытия физического вакуума послужила вся наблюдаемая Вселенная, в которой вакуум оказался доминирующим по энергии и по создаваемой ею гравитации.
В принципиальном плане проблема вакуума, его физическая природа является, как полагают, наиболее важной и вместе с тем самой сложной во всей современной фундаментальной физике [3,4].
Важные изменения в космологии, связанные с последними открытиями в в этой науке, произвели сильное впечатление на космологов и близких к космологии физиков и астрономов. По этому поводу появились также и разнообразные комментарии в популярной литературе и широкой печати. Иногда можно услышать или прочитать, что новая картина мира заставляет отказаться от привычной космологической теории Фридмана. Но это, конечно, не так. Теория, созданная Фридманом, является столь общей, столь богатой и глубокой, что в ней в действительности содержится в качестве допустимой возможности и переход космологического расширения от замедления к ускорению. Математически это обеспечивается тем, что в теории Фридмана присутствует эйнштейновская космологическая постоянная; она-то и способна создавать (вернее, представлять в решении) анти-гравитацию, которая вызывает ускорение расширения.
Как известно, в `Теории поля' [2] решение Фридмана представлено в варианте без вакуума, без космологической постоянной. В оригинальных работах Фридмана 1922-1924 гг. (они были впервые опубликованы по-немецки; русский перевод см. в Успехах Физических Наук за 1963 год [5]) эта постоянная может быть и нулевой, и отличной от нуля. Когда писалась `Теория поля', никто не сомневался, что с открытием космологического расширения все основания для введения в общую теорию относительности космологической постоянной полностью и окончательно отпали. Так считал и Эйнштейн, назвавший однажды (в разговоре с Гамовым в Принстоне) идею космологической постоянной своим самым большим промахом (biggest blunder) в науке. По словам Ландау, космология часто ошибается и никогда не сомневается.
Интерес к модели Эйнштейна, к модели де Ситтера, в которой вовсе нет вещества и имеется только вакуум, к космическому вакууму и космологической постоянной то совсем исчезал в космологии, то время от времени снова возникал по разным причинам, и на эту тему немало сказано и написано в прежние годы, в том числе и в широко известных монографиях и учебниках [6-10]; не будем повторять то, что уже не раз излагалось с большой полнотой и основательностью и к ссылкам на книги добавим только указание на пионерские работы Э.Б. Глинера [11], которые, возможно, менее известны.
Идеи, впервые высказанные в работах [11], стали основой столь популярной и до сих пор модели инфляции в очень ранней Вселенной. Но и независимо от этой конкретной модели и любых ее известных версий, идеи Глинера служат первой и пока единственной разумной гипотезой о физической причине космологического расширения: по Глинеру, расширение вещества обязано своим происхождением анти-гравитации космологического вакуума, а само вещество появилось в результате квантовых флуктуаций того же вакуума. Эти идеи высоко оценил (хотя и далеко не сразу) Я.Б. Зельдович; с самого начала отдавали им должное А.Д. Сахаров и Л.Э. Гуревич.
Инфляция - совсем особая большая и интересная тема, обсуждение которой лежит вне рамок данной статьи; о ней и без того немало сказано и написано в последние 15-20 лет. Эта красивая гипотеза позволила привлечь в космологию самые яркие идеи физики элементарных частиц и тем самым чрезвычайно обогатить современную космологическую науку. Но все же приходится признать, что при всем этом модель инфляции не смогла предсказать измеренное сейчас значение плотности вакуума. Она не дает количественных указаний на связь обнаруженной в наблюдениях плотности вакуума с начальным (исключительно высоким) значением плотности вакуума в раннюю эпоху инфляции. Как и почему первоначальная огромная плотность вакуума (или инфляционного скалярного поля) упала именно до ее современного значения - самый трудный вопрос для этой модели; а без его решения повисает в воздухе многое из того, что модель обещает объяснить.
Стоит подчекнуть, что само существование первичного инфляционного вакуума никак до сих пор не доказано в эксперментальном или наблюдательном плане, так что модель инфляции не имеет независимого эмпирического основания. В теоретическом плане ситуация тоже не слишком благоприятна; дело в том, что модель инфляции предполагает далекую экстраполяцию известных физических законов. Например, законы гравитации, проверенные экспериментально для расстояний до долей миллиметра, экстраполируются к планковским масштабам длины, которые на 30 порядков величины меньше. Похоже, что по-настоящему глубокая и основательная разработка оригинальных идей Глинера остается все еще делом будущего.
Далее в этой статье обсуждается не гипотетический первичный вакуум, а тот реальный космический вакуум, который присутствует в реальной современной Вселенной и обнаружен по наблюдениям сверхновых.
<< 1. Введение | Оглавление | 3. Физический вакуум и ... >>
|
Публикации с ключевыми словами:
Космология - космомикрофизика - вакуум - Расширение Вселенной - квантовая гравитация - антигравитация - лямбда-член - Общая теория относительности
Публикации со словами: Космология - космомикрофизика - вакуум - Расширение Вселенной - квантовая гравитация - антигравитация - лямбда-член - Общая теория относительности | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
