"Диалоги (апрель 2003 г.)" - читать интересную книгу автора (Гордон Александр)

Гравитация и космология

Участники:

Петров Александр Николаевич – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела релятивистской астрофизики ГАИШ (Астрономический институт им. П.К. Штернберга)

Липунов Владимир Михайлович – доктор физико-математических, профессор кафедры астрофизики ГАИШ (Астрономический институт им. П.К. Штернберга)

Александр Гордон: Откуда такой интерес именно к гравитации?

Владимир Липунов: Так вы сами эту тему ввели, а теперь спрашиваете. 4 передачи по гравитации…

А.Г. Слишком много разных точек зрения. Я бы хотел выслушать вашу. Поскольку она, как я понял, имеет непосредственное отношение к общей теории относительности, можно её считать классической или…?

Александр Петров: Классической – вполне. Что такое гравитация? На самом деле, гравитация – это такая теория, которая описывает законы тяготения. Гравитационное поле описывает законы тяготения. ОТО является одной из самых признанных теорий. Это такая теория, которая описывает геометрию пространства-времени, тем самым заменяя гравитационные силы искривлением пространства-времени. Чем оно сильнеё искривлено, тем сильнее гравитационная сила.

Как это представить? Можно взять плоскую резиновую поверхность и положить на эту поверхность бильярдный шар – он продавит поверхность. А давайте положим на эту поверхность два бильярдных шара и не очень далеко друг от друга. Они продавят её сильнее? Мало того, они ещё и столкнутся. В данном случае мы видим прямую имитацию того, как искривление вызывает притяжение. То есть, два шара столкнулись друг с другом.

Также примерно происходит и в общей теории относительности. Почему, в самом деле, ОТО считается самой признанной теорией? Дело в том, что для любой физической теории главный критерий истины – это эксперимент. По гравитации проводятся эксперименты уже в течение десятилетий. Главные из них – это такие эксперименты, как отклонение луча света в гравитационном поле солнца. Смещение перигелиев различных планет. Больше всего – Меркурия. Эти эксперименты из года в год увеличивают свою точность. Но пока нет никаких предпосылок, чтобы мы отказались от общей теории относительности.

На самом деле существуют и другие гравитационные теории, и при определённых параметрах они тоже удовлетворяют этим экспериментам. Но общая теория относительности замечательна тем, что она построена при самом минимальном наборе предположений. Она является самой красивой теорией.

И это тоже один из самых важных моментов, важных как в приложениях, так и в теоретических исследованиях. Но чтобы разобраться в общей теории относительности, конечно, очень важно перейти к её основам, к принципам, на которых она строится.

В.Л. Кстати, о принципах. Александр Николаевич начал своё выступление с того, что теория гравитации фактически оказалась теорией пространства-времени. Она оказалась геометрической теорией. Здесь стоило бы поговорить о том, какие общие принципы или, скажем так, какие общие идеи двигали Эйнштейном, когда он придумал общую теорию относительности.

Здесь надо сказать о довольно парадоксальной вещи. Оказывается, с современной точки зрения можно сказать так, что Эйнштейном двигала ошибочная идея.

Известный в своё время, как говорилось в советской науке, буржуазный философ Мах, когда-то изобрёл один принцип, который совершенно овладел Эйнштейном. То есть, Эйнштейн свято верил в него.

Я, кстати, хочу сказать, что Эйнштейн, написав несколько работ по общей теории относительности, в конце которых он вывел правильное уравнение, потом сел и написал одну общую работу, где он показал каждый шаг создания общей теории относительности и рассказал о тех самых идеях, которые двигали им на каждом шаге. И начинает он эту работу именно с принципа Маха. Принцип Маха это поразительная вещь такая. Его, может быть, напомнить надо, очень коротко.

Он сводится к тому, что в пустоте у тел нет инерции, или нет массы. Когда мы говорим слово «масса», мы, как правило, имеем в виду сопротивляемость тела началу движения или, наоборот, способность тела сохранять движение.

Что такое движение? Движение – это понятие пространственное. Это изменение чего-то относительно чего-то в пространстве. И инертная масса она является в этом смысле чисто геометрической величиной, мерой геометрической изменчивости, изменчивости чего-то в геометрическом пространстве.

Попытаюсь объяснить очень просто. «Возьмём два шара», – говорит Эйнштейн вслед за Махом. Два жидких шара в пустоте, которые вращаются вокруг общей оси, они могут сжиматься, вытягиваться вдоль экватора. И возьмём двух наблюдателей, которые измеряют формы этих шаров. Оба наблюдателя измерили форму этих шаров независимо. Они вращаются синхронно вокруг общей оси.

Один говорит: «Я вижу шар», а другой говорит: «Я вижу репу: шар мой вытянулся». Из-за вращения он стал сплюснутым у полюсов. Кто из них прав?

Первый говорит: «Ну, что я вижу? Я вижу, что вокруг меня пустое пространство, я неподвижен относительно этого пустого пространства».

А второй говорит: «Вокруг меня пустое пространство, я вращаюсь относительно этого пустого пространства.

Чтобы ответить на вопрос, кто из них прав, нужно установить связь между этими двумя пустыми пространствами. А дальше Мах говорит: «Поскольку пустое пространство ненаблюдаемо, то невозможно установить, кто из них прав». И дальше он говорит, что фактически это означает, что в пустоте тело не должно вытягиваться, там не должно быть инерции. Тело вытягивается, потому что оно испытывает центробежную силу вдоль экватора.

И обратите внимание, как это здорово получается. Дальше Эйнштейн делает следующий шаг. Он говорит о том, что инерция связана с присутствием непустого пространства. Он приходит к идее того, современная физика, кстати, считает, что это неправильная идея, что в пространстве где-то должны быть какие-то массы, которые должны объяснить этому телу, что я вращаюсь, иначе эти два наблюдателя никогда не договорятся, невозможно будет между ними выяснить, кто из них прав.

И вот тут очень важная логическая цепочка. Значит, Эйнштейн говорит: «Для того чтобы возникла инерция (а инерция – это мера пространственная, мера, характеризующая способность тел сохранять пространственное положение), нужны какие-то гравитирующие тела». И вот возникает связка между инерцией, гравитацией и пространством. Но я повторяю, этот принцип отвергает современная физика. Ну, скажем так, он отвергается большинством учёных, он является уже некоей неортодоксальной точкой зрения. Но, тем не менее, мне кажется, что какая-то глубина всё-таки в этом есть. И то, что Эйнштейн вышел на правильную теорию, исходя из принципа Маха, может быть, в этом есть какой-то глубокий смысл.

А.П. Таким образом, принцип Маха дал Эйнштейну повод построить как раз геометрическую теорию, которая и является общей теорией относительности. Ну и что? А другие теории не геометрические? Действительно, другие теории, которые строились, они строились в фиксированном пространстве-времени. И чаще всего – в плоском пространстве-времени. Что такое плоское пространство-время? Все эксперименты, которые проводились очень давно и многие из которых сейчас проводятся, они проводятся на Земле, в земных условиях. Например, если рассматривается электродинамика, то она рассматривается в лаборатории на Земле.

Мы можем считать пространство плоским. Почему? Потому что эффектами общей теории относительности можно совершенно пренебречь, эффектами гравитации можно пренебречь за вычетом поля Земли, что делается легко.

Пространство Минковского это самое плоское пространство-время, оно обладает рядом преимуществ. Прежде всего, оно служит ареной, ареной для той драмы, которая происходит с физическими полями и частицами. Его структура хорошо известна, и она ещё обладает таким преимуществом, что в пространстве Минковского легко определить такие важные характеристики системы, как энергия или импульс. Вот простое свойство. В пространство Минковского безболезненно можно сменить систему отсчёта, то есть начало отсчёта времени. Этой простой процедуре соответствует определение энергии всей системы.

В общей теории относительности тоже есть арена, тоже есть пространство-время, но ситуация несколько отличная. Потому что пространство-время в общей теории относительности само является динамическим полем. Но на самом деле не само пространство-время, а метрические коэффициенты, то есть коэффициенты, благодаря которым измеряется расстояние в общей теории относительности. Мало того, вот эти искривления в общей теории относительности они как бы влияют сами на себя. Поэтому гравитационное поле ещё обладает таким свойством, как самодействие.

Ну, и возникает вопрос: а вообще, можно определить энергию общей теории относительности? Вернёмся к этому плоскому пространству-времени. На самом деле теорию тяготения пытались строить не как геометрическую, а как полевую теорию. Сам Эйнштейн принимал в этом участие, с Фоккером у него были статьи на эту тему.

После создания общей теории относительности попытки тоже продолжались. Они продолжаются до настоящего времени.

Представим, что есть у нас пространство Минковского, и поле тяготения типа электромагнитного. Если мы будем последовательно строить теорию, чтобы она была логически непротиворечивой и чтобы удовлетворяла всем тестам, которые имеются, мало того, чтобы она обладала минимальным набором предположений, то неминуемо окажется, что мы опять придём к общей теории относительности. Здесь возникает вопрос: а нет ли тут противоречия? Было у нас пространство Минковского, с которого мы начинали построение, а пришли к общей теории относительности, где нет никакого фиксированного пространства-времени, а есть искривлённое динамическое пространство.

А.Г. Куда делось пространство-время?

А.П. Куда оно делось? На самом деле никакого противоречия нет. Нужно проводить эксперимент. Если у нас рассматривается простая электродинамика в плоском пространстве-времени, то пространство Минковского можно определить. Мы пошлём лучи света и будем измерять, по каким траекториям они распространяются. Мы увидим, что траектории прямые, что частота света никак не меняется. Собственно, это и есть определение пространства Минковского.

Вот есть пространство Минковского, и есть гравитационное поле. И если там мы попытаемся определить это пространство Минковского, то придём к такому положению, что лучи света уже будут распространяться по кривым. Частота будет меняться от точки к точке. То есть мы уже не можем определить пространство Минковского. Мало того, если мы попытаемся определить пространство Минковского с помощью гравитационных волн, то опять придём к тому, что мы не найдём его.

Если мы посмотрим на уравнения, то окажется, что в уравнениях метрические коэффициенты пространства Минковского исчезли и заменились динамическими метрическими коэффициентами в общей теории относительности.

Ну, и встаёт вопрос: можно ли тогда вот в таком пространстве, в такой теории, где нет фиксированного пространства-времени, определить энергию? Она хорошо определяется там, где есть фиксированное пространство-время.

Нужно понять, существуют ли вообще эффекты, где гравитационная энергия как-то проявляет себя? Один из важных моментов, где это проявляется, – это гравитационные волны, которые очень скоро будут пытаться детектировать: общая теория относительности их предсказывает. И в этом нет никаких сомнений.

Попытаюсь сейчас показать почему. Ну, представим, что у нас есть двойная система, две звезды. Такие звёзды наблюдаются. И наблюдаются компактные звёзды, пульсары. То есть вращающиеся нейтронные звёзды.

Они наблюдаются длительный период. И оказывается, что орбиты этих звёзд сближаются. Это означает, что система отдаёт энергию. А куда она исчезает? Она исчезает за счёт излучения гравитационных волн. Больше некуда.

Это косвенное подтверждение того, что гравитационные волны несут энергию.

С другой стороны, если мы опять обратимся к этой двойной системе, то, что её держит? Её держит гравитационная связь. А давайте попытаемся разорвать двойную систему. То есть, извне вложить в двойную систему какую-то внешнюю энергию. И разнесём эти звёзды на расстояние, где они уже очень слабо взаимодействуют, и этим взаимодействием можно будет пренебречь. Тогда вот эту гравитационную связь можно интерпретировать так, что системы имеют отрицательную потенциальную энергию гравитационной связи.

Вот предельный случай этого: существует модель замкнутой Вселенной. Пространство описывается трехмерной сферой это очень похоже на обычную сферу. Материи в такой Вселенной ограниченное количество. И по теории энергия вот такого шара, такой замкнутой Вселенной, она должна равняться нулю. И оказывается, что в такой Вселенной материальная положительная энергия компенсируется отрицательной энергией связи гравитационного поля.

В общем, ситуация такая, что энергия гравитационного поля проявляет себя в различных случаях. Только вопрос: в чём же отличие энергии гравитационного поля от другой энергии?

Оказывается, что энергия гравитационного поля проявляет себя только в глобальных эффектах. Если мы можем плотность энергии, скажем, электромагнитного поля определить в каждой точке однозначно, то для гравитационного поля это не пройдёт.

И всё дело в принципе эквивалентности. Принцип эквивалентности это один из основных принципов, на основании которого была построена общая теория относительности, можно сформулировать кратко так. Пусть в гравитационном поле падает наблюдатель свободно, ничто на него не действует. И размеры этого наблюдателя малы по сравнению с характерными размерами изменения гравитационного поля. Тогда утверждается: наблюдатель не почувствует никакого гравитационного поля. Но это означает, что локально энергия гравитационного поля в точке наблюдателя, в его системе отсчёта равняется нулю.

С другой стороны, если мы запустим какую-то ракету с двигателем, который сопротивляется этому падению, то в системе отсчёта этой ракеты мы можем ввести некоторые величины, которые будут определять плотность энергии гравитационного поля. Ситуация такая, что с помощью координатных преобразований мы можем превратить плотность энергии гравитационного поля в ноль, а можем сделать какой угодно величиной. Вот это сложность в определении энергии гравитационного поля. Эта сложность, она заключается в принципе эквивалентности.

В.Л. Кстати, исторический принцип эквивалентности был открыт более гуманным путём, там не бросали никаких наблюдателей. Как известно, Галилео Галилей бросал камни с Пизанской башни. Но он первым обнаружил ту очень странную вещь, что тяжёлые и лёгкие предметы падают с одинаковым ускорением. И фактически это было первое открытие эквивалентности инерции и гравитации, на самом деле. Вернёмся к тому принципу общей теории относительности, что инерция, в сущности, – это некая инертная масса тела, она всегда привязана к пространству. Потому что мы всегда привязаны к движению. Это характеристика движения тел. А в то же время оказывается, что гравитационное поле так устроено, что каждое тело притягивает другое тело в точности так, как будто бы оно знает о его инерционных свойствах, о его свойствах чисто геометрических, в глобальном смысле геометрических.

Надо сказать, что принцип эквивалентности проверялся неоднократно и в наше время, и в последние годы; на нашей памяти несколько десятилетий. И до сих пор он остаётся абсолютно незыблемым.

И я хочу сказать, что это не только причина трудностей, на самом деле. Может быть, слава богу, что есть эта трудность в отыскании энергии. Гравитация действительно глобальна. Но раз мы согласились, что гравитационная масса связана с инертной и она фактически тоже является геометрическим мерилом, некой сущностью, то ясно, что и глобальное пространство – тут опять, боюсь, я вернусь к принципу Маха, – и глобальное наше пространство-время, оно обязано быть образовано какой-то массой, то есть гравитационным полем.

А.П. Да, конечно, правильнее назвать это не трудностью, а особенностью гравитационной теории.

В.Л. Да, это может быть какая-то поразительная загадка, которую использовал Эйнштейн, но которая на самом деле до конца ещё и не разгадана.

А.Г. А как это согласуется – простите, что я вмешиваюсь, с наблюдаемым в последние годы фактом, что Вселенная не просто расширяется, не представляет из себя сферу, а расширяется с ускорением?

А.П. Мы к этому перейдём.

В.Л. Вот мы как раз хотели, вообще говоря, потихонечку идти к этому. Если вы не против, чуть попозже вернёмся к этому вопросу. Просто чтобы не запутывать наших зрителей. Этот вопрос неизбежно всплывёт.

А.П. А пока мы попытаемся вернуться к проблемам определения энергии в общей теории относительности. Потому что всё-таки во многих задачах её необходимо определять. Нужно сказать, что для любой теории всё-таки основными являются уравнения, а уже из уравнения можно построить какие-то законы сохранения, можно сказать, что уравнения выводятся из действия. Главное в теории – уравнение. Вот в общей теории относительности есть уравнения и будем на них опираться.

Итак, многие задачи всё-таки требуют определения энергии. Поскольку она как-то себя проявляет, то этот момент мы должны как-то развивать. Я эту особенность назвал трудностью. Так вот, из чего проистекает эта особенность? Вернёмся к этому. Математически она проистекает из того, что в общей теории относительности нет той самой решётки, относительно которой мы можем построить некий математический комплекс, который мы назовём энергией, или импульсом.

Давайте введём эту решётку: можно пространство Минковского, а можно любое другое фиксированное, известное пространство-время, относительно которого мы всё будем измерять. Оказывается, что если мы рассматриваем общий случай, то мы можем различным образом ввести вот такие фоновые пространство-время. Это не очень хорошо. Однако спасает то, что многие задачи, в которых используется общая теория относительности, они как бы сами по себе предполагают, что какое-то фоновое пространство-время существует. Причём реально, физически. В том же самом эксперименте по детектированию гравитационных волн что предполагается? Предполагается, что будут измеряться возмущения гравитационного поля, возмущения метрических потенциалов относительно плоского пространства-времени, поскольку эти гравитационные волны очень слабы, а пространство в земных лабораториях, где и будут детектироваться эти волны, вполне можно физически аппроксимировать пространством Минковского. Поэтому всё рассчитывается относительно этого фиксированного пространства-времени.

Другой пример, где уже физически задаётся фоновое пространство-время – это космологические задачи. В очень большом их числе рассматривается возмущение на фоне космологических решений Фридмана, Де Ситтера, каких-то их вариаций. А что такое космологическое решение? Это тоже физическая реальность. Это некое усреднение, которое получается из астрофизических наблюдений.

Третий пример, в котором можно использовать фон, это решение вокруг релятивистских объектов типа нейтронной звезды или «чёрной дыры». В данном случае тоже сам центр определяет ту геометрию, на которой рассматривается возмущение. Тоже физическая реальность, и вполне разумно рассматривать возмущение относительно этой физической реальности, этой геометрии.

Одна из моделей, которая очень хорошо изучена, – это модель островной системы. Что такое островная система? Можно представить звезду, тяготеющий центр, и далеко-далеко от этой звезды ничего нет. То есть где-то на бесконечности можно пространство аппроксимировать Минковским. То есть в центре звезда «продавливает», будем так говорить, пространство сильно, а чем дальше мы удаляемся, тем этот прогиб становится меньше, и дальше можно считать, что уже есть пространство Минковского и что есть на фоне пространства Минковского только некоторые возмущения.

Такая простая модель исследовалась очень долго, всякие тонкие структуры этой модели исследуется до сих пор. И не так давно была доказана теорема не так давно, по сравнению с возрастом общей теории относительности – в начале 80-х. Доказана, казалось бы, простая теорема, что такая система вся вместе имеет положительную энергию. Вот мы её окружим какой-то сферой очень удалённой – такая энергия положительна. А если тяготеющий центр исчезнет, то энергия превратится в ноль. Но это оказалось очень сложной задачей математической физики. Так называемая теорема положительности энергии.

В.Л. Кстати, я хочу вернуться к гравитационным волнам, я немножко тоже этим увлекался в своих научных исследованиях.

Большой класс теорий, которые развиваются оппонентами общей теории относительности, предсказывают отсутствие гравитационных волн. И как Александр Николаевич в начале уже сказал, мы косвенно уже видим излучение гравитационных волн, но, как говорится, оппоненты могут всегда что-то такое придумать в этом случае, так что все ждут прямого детектирования.

Такое детектирование ожидалось несколько лет назад, когда вступили в строй, буквально год назад, в Соединённых Штатах два гигантских интерферометра, где-то размером 4 на 4 километра.

Вообще, история удивительным образом замыкается. Когда-то специальная теория относительности связывалась с опытом Майкельсона-Морли, с интерферометром Майкельсона, и сейчас этот же интерферометр пытаются использовать для открытия гравитационных волн. Его плечи в поле гравитационной волны начинают смещаться друг относительно друга; и там ещё есть луч, бегающий между зеркалами, соответственно, будет меняться интерференционная картинка.

И мы, собственно говоря, последние год-два уже ждали открытия; мы, астрофизики, например, предсказывали, что такое открытие должно было быть на том определённом уровне чувствительности, которого обещали.

Я напомню, что это один из самых дорогих физических экспериментов ХХ и теперь уже ХХI века – около полмиллиарда долларов было, как говорится, зарыто в землю.

И, к сожалению, вот этот момент никак не наступит. Дело в том, что технически удержать зеркала очень сложно. Идея состоит в том, чтобы заметить смещение на одну тысячную размера ядра атома, смещение зеркал, расположенных на расстоянии 4-х километров. Это совершенно новая технология. Это повышение точности на два-три порядка, такой скачок сделать оказалось очень трудно. Вот сейчас стоит именно проблема удержания зеркал с точностью до такого размера. Мы должны удерживать каждое зеркало, грубо говоря, с точностью до одной тысячной ядра атома, а там в каждом зеркале миллиарды этих атомов. И они тёплые, они греются, двигаются и так далее.

Но тем не менее, я думаю, что этот вопрос будет рано или поздно решён, я не сомневаюсь, что гравитационные волны будут открыты всё-таки в ближайшие несколько лет.

А.П. Это будет ещё один аргумент в пользу общей теории относительности.

В.Л. Ещё один удар, да.

А.Г. Но, если применяется настолько уникальный инструмент с такой точностью измерения, как проверить результаты, полученные на таком инструменте? Ведь второго такого нет.

В.Л. Во-первых, я хочу сказать, что таких инструментов строится несколько. Такие инструменты построены в Японии, в Италии, в Германии, и в Соединённых Штатах два инструмента сразу строятся. И физики, особенно сейчас, когда они столкнулись с проблемой удержания стабильности этого интерферометра, они пошли на сотрудничество. Перед этим была некая конкуренция в надежде на выигрыш Нобелевской премии, но вот сейчас через несколько лет довольно трудных и тяжёлых, это действительно очень сложная техническая задача, люди пошли на кооперацию. Ясно, что только независимое детектирование на нескольких интерферометрах позволит подтвердить открытие гравитационных волн.

Более того, я думаю, что это одновременно будет открытие и «чёрных дыр», настоящее открытие. Потому что по расчётам, которые мы проводим в институте долгое время, оказывается, что в первую очередь такие интерферометры должны регистрировать именно столкновение «чёрных дыр» или «чёрных дыр» с нейтронными звёздами – это не столь важно. Это самые мощные сигналы и самые вероятные сигналы, которые будут обнаружены. И одновременно, вообще говоря, я немножко в сторону увлекаюсь я хочу сказать, что никогда в физике не было такого события, когда в одном эксперименте сразу было открыто или подтверждено существование двух сущностей – «чёрных дыр» и гравитационных волн.

И я думаю, что для победы, окончательной победы геометрической теории гравитации и теории Эйнштейна, конечно, это будет очень важным событием.

А.П. Нужно завершить, наверное, вопрос об определении энергии в общей теории относительности? Поскольку число задач, в которых этот фиксированный фон может участвовать, возрастает, и точность очень сильно возрастает, то возникает необходимость в построении единого подхода для таких задач. И такой подход был разработан, это так называемая «полевая формулировка общей теории относительности».

Это совершенно та же самая общая теория относительности, только переформулированная в удобном виде, чтобы решать какие-то определённые задачи. Её преимущество ещё и в том, что решение задач с её использованием может быть доведено до любой точности, которая необходима. Обычно исследователи ограничиваются линейным приближением, а в космологии возникает необходимость исследовать и квадратичное, и кубическое…

В.Л. Но всё-таки, это приёмы или это реальная физическая теория?

А.П. Нет, это общая теория относительности.

В.Л. По содержанию?

А.П. По содержанию – общая теория относительности. А как формулировка это некий приём, который позволяет решать некоторые задачи.

В.Л. Кстати, первый полевой теорией гравитации была теория Ньютона. До Эйнштейна, до ХХ века все силы были равноправны: гравитация, электромагнтизим. Потом мы узнали о ядерных силах и так далее. Но в принципе, они все выступали одинаково на поле некоего плоского пространства-времени. Что сделал фактически Эйнштейн… Кстати, нельзя сказать, что он был первым, кто говорил о геометрической теории гравитации. Я бы здесь упомянул в первую очередь, конечно, Лобачевского, которого мы часто помним как великого математика и геометра, но, если почитать внимательно его работы, он всегда понимал, что речь пойдёт о физике, что его новая геометрия обязательно приведёт к перевороту в физике.

Потом было много работ предшественников этой теории ещё в 19-ом веке. Так сказать, не из пустоты всё это появлялось. Но, тем не менее, то, о чём говорит Александр Николаевич, – это некий ренессанс полевого подхода, вернее, попытка уравнять все взаимодействия, все физические взаимодействия.

А.Г. Единая теория, о которой так долго говорили большевики…

В.Л. Является ли гравитация выделенным взаимодействием или не является всё-таки?

А.П. Я уже попытался сказать, что она является выделенной. Потому что этот самый фон физический, если мы его без всяких приближений рассматриваем, его определить нельзя.

В.Л. Есть некие вещи, которые всё-таки непреодолимы в полевых теориях.

А.П. Да. Но, кстати, её мощь можно увидеть на одном примере очень интересном. Опять же, если мы вернёмся к замкнутой Вселенной, которая описывается трехмерной сферой, то можно на самом деле показать, что её энергия, импульс и все остальные сохраняющиеся величины – ноль, как и должно быть для замкнутого мира. С помощью полевой теории этот замкнутый мир рассматривается просто как некое гравитационное поле, расположенное в плоском бесконечном пространстве Минковского. Она обладает таким свойством, и, в общем-то, так и должно быть, то есть это соответствует истине.

Но раз мы к космологической модели вернулись, может, мы вернёмся как раз к космологической постоянной…

В.Л. Да, и всё-таки… Я начал с принципа Маха и чётко сказал, что современное научное сообщество его отвергает. Правда, не хорошо говорить «современное сообщество». Когда-то в советское время было модно говорить, что Ньютон кому-то сказал, что «я в гипотезе Бога не нуждаюсь»; вот так же сейчас современные релятивисты говорят, что «мы не нуждаемся в принципе Маха». Вот как не удивительно, каким-то хитрым боком этот принцип Маха всё-таки заставляет о себе говорить снова и снова. И сейчас это связано в первую очередь с тем, о чём вы говорили. С тем, что в последние годы открыто ускоренное расширение Вселенной.

И это ускоренное расширение Вселенной можно интерпретировать на самом деле так, что космическая пустота на самом деле заполнена некоей энергией, обладающей антигравитационными свойствами. Причём заполнена по современным данным фактически на 70 процентов, то есть она превалирует. Мы живём в мире, состоящем из этой энергии космического вакуума.

Я хочу сказать, что если мы вернёмся ко времени создания общей теории относительности, то мы увидим, что эта ситуация является не новой для общей теории относительности. На самой заре создания общей теории относительности, когда Эйнштейн, пытаясь воплотить принцип Маха, создал геометрическую теорию гравитации, он начал искать, каким образом ему можно инерционные свойства тел объяснить гравитирующим действием неких удалённых масс.

И он быстро, очень быстро столкнулся с трудностями. Потому что эти массы, когда он их располагал на каком-то расстоянии, даже на очень большом, – они начинали динамически то расширяться, то сжиматься. И вдруг он заметил, что, оказывается, в его теории есть некая свобода, туда можно добавить некий «лямбда-член» так называемый. Когда-то мой учитель и наш общий учитель Яков Борисович Зельдович говорил, что это джин, выпущенный из бутылки, и долгое время никак его не могли обратить в ноль. Так вот, этот космологический член фактически является той самой энергией вакуума. Его можно интерпретировать как энергию пустоты. И если сейчас мы вернёмся обратно в 2003-й год и увидим, что вся Вселенная контролируется отрицательной энергией вакуума, то мы должны сказать: «Так пустоты-то нет на самом деле». И Эйнштейн, и, кстати, Де Ситтер, который впервые открыл Вселенную, заполненную такой пустотой, он как раз и говорил: «Зачем вам эти удалённые массы, которые обеспечивают инерцию, которая наконец разрешает спор между двумя наблюдателями, сидящими на двух шарах, так сказать?». Он говорил: «Вот есть энергия пустоты – возьмите её…»

Я как раз некоторое время назад выдвинул такую как бы совсем крайнюю точку зрения, что эта отрицательная энергия вакуума или «лямбда-член» должна не качественно, а количественно определять массу тел, массу элементарных частиц. Собственно, это реанимация принципа Маха на современном уровне.

Наблюдения показывают, что нет пустоты. В том смысле, в котором она понималась в 19-м веке: Вселенная есть пустота, заполненная энергией. И последние открытия, они, по-видимому, оставляют открытым и вопрос о том, так прав был Мах или нет? Вот такая ситуация сейчас с этим делом.

А.П. В связи с этим «лямбда-членом» остаётся проблема. Ведь квантовая теория предсказывает, что он должен быть очень большим, верно? А на самом деле то, что наблюдается, очень малая величина. Почему это происходит? Это остаётся открытым вопросом.

В.Л. Вот прекрасное замечание. Да, есть противоречия на современном уровне. Как мы теперь понимаем, впервые пустоту начал заполнять Эйнштейн, который хотел объяснить инерцию кривым пространством-временем. Есть работы, где он просто пытался из кривизны пространства-времени получить массу и инерцию, они были безуспешными. Но потом появилась новая наука, которая тоже начала заполнять пустоту, она появилась позже, это наука – квантовая механика. И известная идея Дирака о существование виртуальных частиц, о том, что вакуум не пуст – там есть виртуальные частицы, – это, на самом деле, есть воплощение идеи о том, что в пустоте должна быть энергия.

И смотрите, что получается. С одной стороны, современная квантовая теория даёт огромную энергию этого вакуума. Примерно на сто порядков больше, чем ту, которую мы сейчас наблюдаем во Вселенной.

Но мы знаем, что наука развивается сложным образом. Возможно, там происходит компенсация. Ведь нет теории квантовой гравитации, поэтому нет ответа на вопрос. Для меня кажется более важным следующее, что открытие энергии пустоты вакуума поднимает теорию относительности на более высокую величину.

Геометрическая теория Эйнштейна, она была создана таким образом, как будто бы она знала, что пустота не может быть пустой. Вот что удивительно. И в этом смысле общая теория относительности где-то уже приближается к самой загадочной из всех наук – к термодинамике. Все теории, созданные в ХХ веке, должны были оглядываться на законы сохранения энергии. Неизвестно, почему они должны работать – это принимается как постулат термодинамики. И в этом смысле «лямбда-член» Эйнштейна – это и есть некое совершенно удивительное предсказание одного из главных следствий квантовой механики – энергии вакуума. И на это хотелось бы обратить особое внимание. Но, конечно есть проблемы очень большие.

А.П. Возвращаясь, вернее, оставаясь в рассуждении о «лямбда-члене», на самом деле к нему подходят с разных точек зрения. Можно подойти с помощью некоего небольшого изменения самой геометрической теории. В теории Эйнштейна «лямбда-член» задаётся с самого начала, изначально. А можно немножко изменить построение теории, которое приведёт к каким-то уравнениям. Потом можно их решать, и в процессе этого решения «лямбда-член» возникнет как константа интегрирования. Уже на этом уровне мы опять будем иметь уравнение Эйнштейна с «лямбда-членом», но он может быть каким угодно – просто постоянной величиной. На основании этого происходят разные спекуляции. Вот, мол, как понять, почему «лямбда-член» действительно мал сейчас…

В.Л. Я перебью. В начале мы говорили о каких-то классических вещах. Александр Николаевич и я, мы стоим на классических позициях в смысле понимания гравитации и так далее. Но вот сейчас мы начинаем говорить уже о неких гипотезах, поскольку «лямбда-член», его значение в современной физике, или, говоря современным языком, просто энергия вакуума космического, энергия пустоты, отсутствие пустоты в природе – это сейчас только начинает осмысливаться в связи со старыми геометрическими идеями. И вот то, что сейчас Александр Николаевич говорит, он обращает внимание на то, что в последние годы появилось… Ведь смотрите, если «лямбда-член» есть, то возникает вопрос: вообще откуда он берётся? В теории относительности это просто константа, которую она допускает просто геометрически, умозрительно. Эйнштейну не нужен был эксперимент. Он пользовался простыми мысленными экспериментами. И он пришёл к идее общей теории относительности, внутри которой была заложена идея отсутствия пустоты, энергии пустоты. И то, что мы сейчас возвращаемся из очень простых принципов к идее отсутствия пустоты, сейчас заставляет нас уже ставить новый вопрос: а почему «лямбда-член» таков, каким мы его сейчас видим? И вот здесь ряд очень новых, интересных идей может быть.

А.П. Я продолжу. Итак, оказывается, что «лямбда-член» может быть другим. И если мы попытаемся перейти от классической теории к квантовой (вот что это такое – различия), то оказывается, что как бы можно построить много-много Вселенных с различными «лямбда». И можно построить некую функцию, которая описывает вероятность с какой возникнет Вселенная с данной «лямбда», и так для всего непрерывного спектра, скажем, от минуса до плюса. И окажется, что более всего вероятно возникновение Вселенных как раз с «лямбда» очень близкой к нулю. То есть примерно с той, которая наблюдается сейчас. Хотя не будет точно указано, что она точно равна нулю, что мы, в общем-то, сейчас и наблюдаем.

В.Л. Я только уточню, что речь идёт о неких новых теориях, которые не являются, на самом деле, сильно отличными от теории гравитации. Но всё-таки они выводятся немножко по-другому. И удивительным образом в этой теории константа, которую мы называем энергией пустоты, или «лямбда-членом», как мы интерпретируем её сейчас, она получается в результате неких начальных условий. Она не задаётся, как в теории Эйнштейна, и мы потом гадаем, почему она такая, а не другая. А, оказывается, сейчас возникают новые теории, в которых эта константа получается как результат начала. Как всегда в космологии, попытки уйти от начала, уйти от вопроса начала, конечно, кончаются рано или поздно каким-то тупиком. Это начало всегда возникает и возникает, естественно, понятие конца.

А.П. Это опять была энергия. Но может, вернёмся снова к определению энергии в общей теории относительности, поскольку я немного не договорил. Дело в том, что в общей теории относительности, как мы уже сказали, энергия не локализуется. Так, самым современным и очень энергично развивающимся направлением является определение не локальных величин, а квазилокальных величин. С чем это связано? Это связано с тем, что можно ограничить гравитирующую систему некой сферой и уже рассматривать не локальную энергию, а энергию внутри этой сферы. И самым замечательным образом оказывается, что мы не должны знать, что там внутри расположено, а для нас будет достаточно знать только потенциалы гравитационного поля на поверхности этой сферы. Зная их, мы можем определить энергию, импульсы и всё, что внутри сферы расположено. Ну и рассматривать взаимодействие таких объектов уже совершенно нормально, как в обычной физической теории, а не геометрической.

В данном случае, конечно, возникает ещё один интересный момент. Владимир Михайлович говорил об электродинамике. Так вот, оказывается, что условия на поверхности сферы могут тоже задаваться различным образом. А в зависимости от этих, как в электродинамике, от этих граничных условий будет определяться энергия внутри этой сферы. Это тоже такой интересный момент. Полевой подход, он тоже к таким квазилокальным величинам приводит. И к ним приводят многие другие подходы. Теория одна, а подходы разные. Подходы математические могут быть совершенно разными. То есть, может быть, специалист в одном подходе и не специалист в другом, а всё равно рано или поздно, если всё делается правильно, человек приходит именно к квазилокальным величинам. То есть к энергии, которая определяется внутри некоторого объёма и для этого определяется потенциал на поверхности.

Один из важных подходов – подход Брауна-Йорка. Он заключается в следующем. Чтобы правильно определить сохраняющиеся величины уже не во всём пространстве-времени, а внутри этой поверхности, необходимо только в её окрестности ввести плоское фоновое пространство. Так вот подход Брауна-Йорка, он замечателен тем, что геометрия этой сферы, она сама задаёт однозначным образом это плоское фоновое пространство. И благодаря этому определение энергии в этом случае и в других сохраняющихся величин, оно оказывается однозначно определённым. И этот подход является одним из самых предпочтительных сейчас.

В.Л. Но всё-таки вопрос об энергии, попытка локализовать энергию гравитационного поля даже частично внутри некой сферы, квазилокальный подход так называемый, является ли это всё-таки приближением?

А.П. Нет, это, конечно, должно быть приближением для некоторых моделей типа островной модели.

В.Л. И в идеологическом смысле, на самом деле, это, может быть, просто технический приём. Но всё-таки мир наш кривой или плоский?

А.П. Мир наш кривой.

В.Л. Мир наш кривой.

А.Г. То есть космологические выводы мы делаем всё-таки в пользу…

А.П. Космологические выводы не могут делаться в таких приближениях, это глобальные…

В.Л. Да, если речь идёт уже о самых глобальных вопросах, то, конечно, их невозможно решить на плоском фоне, его нет. Нет места, где его расположить на бесконечности, мы живём в кривой вселенной.

А.П. Нельзя задать граничных условий однозначно.

А.Г. Спасибо огромное.