Самая большая «ошибка» Эйнштейна вернулась — и навсегда изменила космологию

Фото из открытых источников

Чуть больше века назад Альберт Эйнштейн переключил своё внимание с самой гравитации на судьбу всей вселенной. В 1917 году, вскоре после разработки своей общей теории относительности, он начал применять свои новые уравнения в космологии. Общая теория относительности изменила наше понимание гравитации, поэтому было логично спросить, что те же уравнения говорят о Вселенной на максимально больших масштабах.

Гравитация была естественным началом. В среднем Вселенная электрически нейтральна, что означает, что электромагнетизм не доминирует в её масштабном поведении. Эйнштейн также ничего не знал о сильных и слабых ядерных силах (честно говоря, никто не знал), но эти взаимодействия происходят только на очень коротких расстояниях.

Неожиданная динамичная вселенная Эйнштейна

В космологии гравитация определяет, как материя ведёт себя на огромных расстояниях. Если представить себе коллекцию материи, представляющую «вселенную», уравнения Эйнштейна могут показать, как эта коллекция должна эволюционировать.

То, что обнаружил Эйнштейн, удивило его. Общая теория относительности не описывала естественным образом Вселенную, которая осталась бы неизменной навсегда. Вместо этого уравнения указывали на динамический космос, который либо расширялся, либо сокращался. Этот вывод противоречил преобладающему тогдашнему мнению, согласно которому Вселенная была статичной и оставалась по сути неизменной на протяжении всей космической истории.

Эйнштейн ответил добавлением «космологической константы» к своим уравнениям, обозначаемой греческой буквой лямбда. Общая теория относительности уже допускала такой термин. Проще говоря, он действует как гравитационное влияние, встроенное в само пространство-время, которое может существовать даже в иначе пустом пространстве. В зависимости от его ценности, этот эффект может вызывать либо притяжение, либо отталкивание. Эйнштейн выбрал значение, которое противодействовало гравитационному притяжению материи, позволяя Вселенной оставаться стабильной. Это решение продержалось недолго.

Расширяющаяся вселенная меняет всё

Через несколько лет Эдвин Хаббл обнаружил, что вселенная расширяется. Тем временем теоретики, такие как российский космолог Александр Фридман, воспринимали уравнения Эйнштейна буквально и разработали теоретическую основу, которая помогла бы поддержать теорию Большого взрыва.

В конечном итоге Эйнштейн отказался от космологической постоянной. Позже он рассказывал друзьям, что введение этого было его «величайшей ошибкой». Затем последовал ещё один крупный сюрприз.

Перенесёмся в 1998 год. Две команды астрономов пытались разрешить давний спор о том, сколько материи содержит Вселенная. Различные наблюдения дали очень разные оценки: одни утверждали, что материи относительно мало, другие — гораздо больше.

Астрономы уже знали, что Вселенная расширяется. Однако, поскольку материя создаёт гравитацию, эта материя должна была постепенно замедлять расширение. Измеряя, насколько сильно замедляется расширение, исследователи надеялись определить, сколько вещества на самом деле состоит. Вместо этого они обнаружили обратное.

Вселенная ускорялась

Расширение вселенной не замедлялось. Всё ускорялось. Наблюдения по-прежнему показывали, что во Вселенной относительно мало материи, но даже этого вещества было недостаточно, чтобы объяснить, что видели астрономы. Что-то, казалось, ускоряло космическое расширение со временем.

Самое простое объяснение было знакомым: космологическая константа Эйнштейна. Постоянный фоновый эффект, вызывающий космическое отталкивание, может объяснить наблюдаемое ускорение. Десятилетия спустя после того, как Эйнштейн отказался от этой идеи, его предполагаемая ошибка вернулась в качестве главного объяснения новых данных.

Тёмная энергия меняет современную космологию

В 1980-х и 1990-х годах космологи разработали всё более сложную концепцию, которая стала известна как Стандартная модель космологии (физики склонны называть связные, совместные, консенсусные модели «Стандартными»). Но открытие того, что космическое расширение ускоряется, означало, что модель больше не могла стоять в прежнем виде.

Его замена стала нашим лучшим современным описанием того, как Вселенная эволюционировала со времён Большого взрыва: космология LCDM. Лямбда относится к космологической постоянной, также известной как тёмная энергия. CDM означает холодную тёмную материю — тип материи, который, как считается, составляет большую часть массы почти в каждой галактике. Холодная тёмная материя — это отдельная история. Здесь акцент делается на лямбда.

Удивительно успешная модель с проблемой

LCDM добилась исключительного успеха. Он также удивительно прост, опираясь лишь на несколько регулируемых параметров и небольшое количество предположений в рамках общей теории относительности.

Несмотря на эту простоту, модель может учитывать огромный спектр наблюдений. В ней описывается история расширения Вселенной, появление фонового излучения, особенность BAO, рост галактик, развитие крупномасштабной космической структуры и многое другое.