На протяжении тысячелетий Вселенная довольно хорошо скрывала свои секреты от науки.
Древние греки думали, что Вселенная представляет собой сферу неподвижных звезд, окружающих меньшие сферы, несущие планеты вокруг центральной Земли. Даже Коперник, который в 16 веке правильно заменил Землю солнцем, рассматривал Вселенную как единую солнечную систему, заключенную в усеянную звездами внешнюю сферу.
Но в последующие века Вселенная показала часть своей необъятности. Она содержала бесчисленные звезды, агломерированные в огромные скопления, которые теперь называются галактиками.
Затем, в конце 1920-х годов, космос раскрыл свою самую сокровенную тайну: он становился больше. Вместо того, чтобы быть статичным и стабильным, вечным и всегда одним и тем же существом, охватывающим всю реальность, Вселенная постоянно расширялась. Наблюдения далеких галактик показали, что они летят друг от друга, предполагая, что нынешний космос - это просто взрослая фаза вселенной, рожденной давным-давно во взрыве крошечного пятна энергии.
Это был сюрприз, который потряс науку до основания, подорвав философские предубеждения о существовании и положив начало новой эре в космологии - изучению Вселенной. Но еще более удивительно, оглядываясь назад, то, что такой глубокий секрет уже подозревался математиком, чья специальность предсказывала погоду.
Столетие назад в этом месяце (май 1922 года) русский математик-метеоролог Александр Фридман написал статью, основанную на общей теории относительности Эйнштейна, в которой изложил несколько возможных историй Вселенной. Одна из таких возможностей описывала космическое расширение, начиная с особой точки. По сути, даже без учета каких-либо астрономических доказательств, Фридман предвосхитил современную теорию Большого Взрыва о рождении и эволюции Вселенной.
“Новое видение Вселенной, открытое Фридманом, - пишет российский физик Владимир Соловьев в недавней статье, - стало основой современной космологии”.
Фридман не был хорошо известен в то время. Он окончил в 1910 году Санкт-Петербургский университет в России, изучив математику наряду с некоторыми физиками. В аспирантуре он исследовал использование математики в метеорологии и динамике атмосферы. Он применил этот опыт в оказании помощи российским ВВС во время Первой мировой войны, используя математику для прогнозирования оптимальной точки сброса бомб на вражеские цели.
После войны Фридман узнал об общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию как проявление геометрии пространства (или, точнее, пространства-времени). В теории Эйнштейна масса искажает пространство-время, создавая “кривизну” пространства-времени, из-за которой массы притягиваются друг к другу.
Фридмана особенно заинтриговала статья Эйнштейна 1917 года (и аналогичная статья Виллема де Ситтера), применяющая общую теорию относительности ко Вселенной в целом. Эйнштейн обнаружил, что его оригинальные уравнения позволяли Вселенной расти или сжиматься. Но он считал это немыслимым, поэтому он добавил термин, представляющий отталкивающую силу, которая (как он думал) сохранит размер космоса постоянным. Эйнштейн пришел к выводу, что пространство имеет положительную пространственную кривизну (как поверхность шара), подразумевая “закрытую” или конечную вселенную.
Фридман принял новый термин, названный космологической постоянной, но указал, что для различных значений этой константы, наряду с другими предположениями, вселенная может проявлять очень разное поведение. Статическая вселенная Эйнштейна была особым случаем; вселенная также могла расширяться вечно или расширяться на некоторое время, затем сжиматься до точки, а затем снова начинать расширяться.
Статья Фридмана, описывающая динамические вселенные, озаглавленная “О кривизне пространства”, была принята к публикации в престижном журнале Zeitschrift für Physik 29 июня 1922 года.
Эйнштейн возразил. Он написал заметку в журнал, утверждая, что Фридман совершил математическую ошибку. Но ошибка была Эйнштейна. Позже он признал, что математика Фридмана была правильной, но все же отрицал, что она имеет какую-либо физическую обоснованность.
Фридман настаивал на обратном.
Он был не просто чистым математиком, не обращая внимания на физические значения своих символов на бумаге. Его глубокое понимание взаимосвязи между уравнениями и атмосферой убедило его, что математика означает что-то физическое. Он даже написал книгу (Мир как пространство и время) углубляясь в связь между математикой пространственной геометрии и движением физических тел. Физические тела “интерпретируют” “геометрический мир”, заявил он, позволяя ученым проверить, какой из различных возможных геометрических миров на самом деле населяют люди. Из-за физико-математической связи он утверждал, что “становится возможным определить геометрию геометрического мира посредством экспериментальных исследований физического мира”.
Поэтому, когда Фридман вывел решения уравнений Эйнштейна, он перевел их в возможные физические значения для Вселенной. В зависимости от различных факторов Вселенная может расширяться из точки или, например, из конечного, но меньшего начального состояния. В одном случае он предвидел, что Вселенная начала расширяться с замедляющейся скоростью, но затем достигла точки перегиба, после чего она начала расширяться все быстрее и быстрее. В конце 20-го века астрономы, измерявшие яркость далеких сверхновых, пришли к выводу, что Вселенная пошла именно таким курсом, шок почти такой же удивительный, как расширение самой Вселенной. Но математика Фридмана уже предсказала такую возможность.
Без сомнения, глубокая признательность Фридмана за синергию абстрактной математики и конкретной физики подготовила его ум к рассмотрению идеи о том, что Вселенная может расширяться. Но, возможно, у него была дополнительная помощь. Хотя он был первым ученым, который серьезно предложил расширяющуюся вселенную, он не был первым человеком. Почти за 75 лет до статьи Фридмана поэт Эдгар Аллан По опубликовал эссе (или “прозаическое стихотворение”) под названием "Эврика"В этом эссе По описал историю Вселенной как расширение от взрыва “изначальной частицы”. По даже описал Вселенную как растущую, а затем снова сжимающуюся до точки, как это было предусмотрено в одном из сценариев Фридмана.
Хотя По изучал математику в течение своего короткого времени в качестве студента в Вест-Пойнте, он не использовал никаких уравнений в Эврике, и его эссе не было признано вкладом в науку. По крайней мере, не напрямую. Оказывается, однако, что Фридман был заядлым читателем, и среди его любимых авторов были Достоевский и По. Так что, возможно, именно поэтому Фридман был более восприимчив к расширяющейся вселенной, чем другие ученые его времени.
Сегодня математика Фридмана остается в основе современной космологической теории. “Фундаментальные уравнения, которые он вывел, до сих пор служат основой для современных космологических теорий Большого взрыва и ускоряющейся вселенной”, - отметил израильский математик и историк Ари Беленький в статье 2013 года. “Он представил фундаментальную идею современной космологии — что Вселенная динамична и может развиваться по-разному”.
Фридман подчеркнул, что астрономических знаний в его время было недостаточно, чтобы выявить, какую из возможных математических историй выбрала Вселенная. Теперь у ученых гораздо больше данных, и они сузили возможности таким образом, чтобы подтвердить предвидение математики Фридмана.
Однако Фридман не дожил до триумфа своих идей или даже ранних доказательств того, что Вселенная действительно расширяется. Он умер в 1925 году от брюшного тифа в возрасте 37 лет. Но он умер, зная, что расшифровал секрет Вселенной глубже, чем любой подозреваемый любым ученым до него. Как вспоминала его жена, он любил цитировать отрывок из Данте: “Воды, в которые я вхожу, еще никто не пересек”.
Источник: https://www.sciencenews.org/
