Ник. Горькавый.

Сказка о метеорологе Фридмане, выигравшем спор с великим Эйнштейном

• РАССКАЗЫ О НАУКЕ •

Ник. Горькавый.

Сказка о метеорологе Фридмане, выигравшем спор с великим Эйнштейном

____________________

Научные сказки Ник. Горькавого см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 2010 г.; №№ 1-6, 9, 11, 2011 г.; №№ 6-10, 2012 г.

«Наука и жизнь» № 12, 2012.

— Я устал от этого кошмара… — пробормотал Александр, зябко кутаясь в громоздкий тулуп и поднимая голову.

Небосвод переполняли яркие летние звёзды, а на востоке разгоралось зарево — наступал новый жаркий день. Часть неба над головой загораживал огромный серый шар. Аэростат медленно плыл между сияющими звёздами и Землёй, и в его корзине было очень холодно.

— Как бы я хотел заниматься звёздами и Вселенной и никогда больше не смотреть вниз, на землю! — прошептал Александр, но не услышал самого себя — всё утонуло в страшном грохоте. Над зелёными рощами и полями с созревающей пшеницей поплыли клубы дыма. Началась артподготовка к наступлению, и нужно было корректировать огонь артиллерии. Александр глубоко вздохнул, поднёс к глазам бинокль и посмотрел вниз…

Образование Вселенной с точки зрения наиболее популярной космологической модели: взрыв, быстрый разлёт, а потом более медленное (но постепенно ускоряющееся) расширение.

Сегодня сказку детям читала принцесса Дзинтара. Она любила эту историю, потому что гордилась её героем.

— Почему люди настолько глупы, что воюют друг с другом? — удивилась Галатея…

— В начале двадцатого века мир охватила ужасная война, кровавая и бессмысленная, ставшая настоящим бедствием с огромными людскими потерями, эпидемиями, голодом и разрухой. Именно в это время человеческая мысль особенно рвалась в космос, в звёздные глубины Вселенной, где не было войн и смерти. Именно тогда Альберт Эйнштейн создал величайшую теорию пространства и времени — общую теорию относительности. Почти 300 лет назад Исаак Ньютон, открывший закон всемирного тяготения и законы механики, сумел понять, как Земля притягивает к себе Луну и другие тела, а Эйнштейн объяснил, почему Земля обладает этим удивительным свойством. Он доказал, что гравитационное притяжение есть проявление искривлённого пространства. Его теория гравитации объясняла аномальную прецессию Меркурия, а также «обещала» решить проблему строения Вселенной.

Александр Александрович Фридман (1888-1925).

Георгий Антонович Гамов (1904-1968).

Вселенная постарше — с множеством галактик, более близких друг к другу, чем сейчас. Фото Хаббл/НАСА.

Мыслители разных веков предлагали свои космологические модели: мироздание взгромождали на спины черепах и слонов и заковывали в хрустальную сферу. Но ничего не получалось: слоны и черепахи разбегались, хрустальные небеса лопались.

— Никто же черепах не кормил! — развеселилась Галатея. — Вот они и расползлись!

— Но у Эйнштейна были уравнения, которые описывали Вселенную. Он, как и астрономы его времени, верил в вечную и неподвижную Вселенную и приступил к созданию математической модели прекрасного стабильного мира, но быстро понял, что у него ничего не получается. Неудачу Эйнштейна легко поймёт любой мальчишка, который любит бросать камни в воду. Ведь когда запускаешь камень, он может находиться только в двух состояниях — или лететь вверх, или падать вниз. Зависнуть неподвижно ни один камень не в состоянии.

Юная Вселенная выглядела как почти однородно светящееся небо. Иллюстрация НАСА.

— Абсолютно верно! — авторитетно заявил Андрей.

— А именно этого ожидал Эйнштейн от модели неподвижной Вселенной. Потерпев неудачу, учёный решил, что ему нужна подпорка для падающих камней, вернее, для Вселенной. Такой опорой, обеспечивающей неподвижность мира, могла служить какая-нибудь отталкивающая сила, противодействующая гравитационному притяжению и дающая Вселенной необходимый покой.

Эйнштейн ввёл в уравнения такую антигравитационную силу, отчего в них появилась новая «космологическая постоянная», а Вселенная стала круглой и конечной по размеру.

Когда шар Вселенной замер в неподвижности, Эйнштейн обрадовался и вытер пот со лба. Всё-таки далеко не каждый день удаётся построить модель целого мира, да ещё такую красивую: неподвижную и без черепах и слонов. Отдохнув, довольный Эйнштейн опубликовал работу по космологии Вселенной в физическом журнале. Но через некоторое время почтальон принёс ему журнал со статьёй героя нашей сказки — русского математика и метеоролога Александра Фридмана, который утверждал, что эйнштейновская модель Вселенной нестабильна, как карандаш, стоящий на острие. Да, все силы, действующие на него, уравновешены, но стоит только отпустить руку, удерживающую карандаш, как он упадёт. Так и мир Эйнштейна не может находиться в равновесии — он должен или сжиматься, или расширяться, или пульсировать. Наблюдения астронома Слайфера показывают, что галактики разбегаются (см. «Наука и жизнь» № 4, 2011 г., с. 88), значит, Вселенная расширяется и не вечна, а имеет вполне определённый возраст, прошедший с начала расширения. Фридман оценил возраст Вселенной в десять миллиардов лет.

Сверхновые вспыхивают так ярко, что могут затмить собой всю свою галактику. Они стали самыми дальними космическими маяками и позволили открыть ускоренное расширение Вселенной. На фото: сверхновая 1994 в галактике NGC 4526 (внизу слева). Фото НАСА/ЕСА.

Космолог Эйнштейн, прочитав статью метеоролога Фридмана, расстроился. Он понял, что его модель мира хотят разрушить. Но самое могучее оружие теоретиков — математика. И Эйнштейн, вооружившись ею, стал искать ошибку в расчётах русского учёного.

И он её нашёл!

В следующем же номере физического журнала Эйнштейн опубликовал заметку, где заявил, что результат Фридмана кажется ему основанным на ошибке.

Фридман, прочитав ответ Эйнштейна, тоже расстроился: а кому понравится, что его ловят на ошибке?! Он тоже достал своё главное оружие — ручку, лист бумаги (голова у теоретика и так всегда с собой) — и стал искать ошибку в расчётах Эйнштейна.

И он её нашёл!

— Если они оба нашли ошибку в расчётах друг друга, то кто из них оказался прав? — обеспокоилась Галатея.

— А вот сейчас узнаешь. Фридман был очень хорошим математиком. Свою первую научную статью он опубликовал в престижном немецком журнале «Математические анналы» сразу после школы. Когда в 1910 году Александр закончил математическое отделение Петербургского университета, его оставили на кафедре математики для подготовки к профессорскому званию. Фридман был прикладным математиком и активно «прикладывал» свои математические знания к метеорологии, атмосферным течениям и турбулентности. Он летал на дирижаблях и воздушных шарах, а во время войны участвовал в боевых вылетах русской авиации. После революции Фридман работал в Главной геофизической обсерватории и был редактором «Журнала геофизики и метеорологии».

Вскоре Эйнштейна посетил физик-теоретик из России Юрий Крутков, который привёз письмо Фридмана, где тот доказывал, что Эйнштейн ошибся в контррасчётах. Эйнштейн был настоящим учёным и не боялся признаться в своей неправоте. Убедившись, что Фридман прав, он опубликовал в журнале заметку, где признавал, что в его расчётах есть ошибка.

— Какой честный человек! Ради правды не побоялся разрушить свою такую красивую модель Вселенной! — восхитился Андрей.

— Да, но это означало, что прежняя стационарная космология неверна. И из уравнений Эйнштейна стараниями Фридмана на свет появляется новая, динамическая, модель Вселенной — молодой и нестабильной. Оценка Фридманом её возраста оказалась очень близка к современным данным! Более того, учёный показал, что в разлетающейся Вселенной, чем дальше галактика от земного наблюдателя, тем быстрее она улетает. Именно этот факт позже доказал американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл. Это была подлинная революция в миростроении. Фридман доказал, что наблюдаемая Вселенная не вечна, беспокойна и находится в полёте. В 1925 году Александр Александрович Фридман заболел и умер. Ему было всего 37 лет, но он успел внести неоценимый вклад в мировую науку. У него остался выдающийся ученик — Георгий Антонович Гамов, автор теории Большого взрыва и ряда других известных концепций в физике, астрономии и биологии.

Признав работы Фридмана, учёные долгое время думали, что окончательная модель расширения Вселенной найдена и осталось только уточнить её возраст. Но звёзды, особенно сверхновые, «посмеялись» над людскими надеждами. Сверхновые — вспыхивающие маяки космоса — позволили расшифровать свои сигналы, и в 1998 году сразу две группы астрономов (под руководством австралийского астрофизика Брайана Шмидта и американского астрофизика Сола Перлмуттера) объявили, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением. Эта новость категорически противоречила общим теоретическим представлениям, по которым следовало, что расширение Вселенной замедляется (как движение камня, подкинутого вверх).

Кто из швыряющих камни в воду предполагает, что они будут ускоряться и улетать в космос?

— Таких фантазёров я ещё не встречал! — рассмеялся Андрей.

— Но именно такое неприличное поведение демонстрирует непокорная Вселенная.

Космологи забыли спокойные времена и углубились в новую проблему. Как происходит ускорение Вселенной? Уменьшается ли оно со временем или растёт? Будет ли Вселенная разлетаться вечно, или она в какой-то момент остановится?

Особенно измучил астрономов вопрос: что заставляет Вселенную ускоряться? Для объяснения этого эффекта одни вводят новые физические силы или пространственные размерности, другие предполагают, что сам вакуум, вернее, его странная отрицательная энергия вмешалась в жизнь Вселенной и изменила её.

— Что такое отрицательная энергия? Энергия, с помощью которой можно заморозить чайник? — спросила Галатея.

— Физического смысла отрицательной энергии никто не знает, но ею должно обладать гравитационное поле, если мы хотим спасти закон сохранения энергии. А может быть, трудности в понимании мироздания возникли из-за того, что физики отвергли смелую трактовку Эддингтона-Эйнштейна, в которой они решили отказаться от закона сохранения энергии?

Окончательного ответа на эти вопросы пока нет. Наблюдатели ловят в телескопы всё более далёкие сверхновые звёзды, которые должны прояснить вопрос об изменении ускорения далёких галактик. Теоретики ломают головы и компьютеры в поисках причины ускорения разлёта нашего мира.

Ну а кроме того, есть ещё одна загадка. Эйнштейн доказал, что гравитационное притяжение — это лишь проявление искривлённого пространства, но до сих пор нет ответа на вопрос следующего уровня: почему возле Земли и других гравитирующих тел пространство искривляется?

Многие загадки нашего мироздания ещё не разгаданы. Может, их найдут те, кто прочитает эту сказку.

— Я их первая найду! — заявила Галатея и погрозила кому-то крепким кулачком.

«Наука и жизнь» № 12, 2012.

Content

Ник. Горькавый.
Сказка о метеорологе Фридмане, выигравшем спор с великим Эйнштейном

Сказка о метеорологе Фридмане, выигравшем спор с великим Эйнштейном

Образование Вселенной с точки зрения наиболее популярной космологической модели: взрыв, быстрый разлёт, а потом более медленное (но постепенно ускоряющееся) расширение.

Георгий Антонович Гамов (1904-1968).

Сверхновые вспыхивают так ярко, что могут затмить собой всю свою галактику. Они стали самыми дальними космическими маяками и позволили открыть ускоренное расширение Вселенной. На фото: сверхновая 1994 в галактике NGC 4526 (внизу слева). Фото НАСА/ЕСА.