В защиту науки
Шрифт:
Почему же вакуум создает не тяготение, а антитяготение? Все дело в том, что вакуум Эйнштейна-Глинера обладает не только определенной плотностью, но также и давлением. Так он с самого начала задан и описан космологической константой. При этом если плотность вакуума положительна, то его давление отрицательно. Отрицательное давление — не вполне обычное явление в физике. При "нормальных условиях" давление в «нормальной» жидкости или газе, как правило, положительно. Но и в жидкости (например, в потоках воды), и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отрицательное давление тоже может возникать. Это требует
Однако в случае вакуума ситуация совсем особая. Давление вакуума не только отрицательно, оно к тому же равно — по абсолютной величине — его плотности энергии (напомним, что эти две физические величины имеют одинаковую размерность). Иными словами, давление вакуума есть плотность энергии со знаком минус. Ничего подобного нет ни в одной другой среде. Это абсолютно и исключительно свойство одного вакуума, и только его. Это, и только это, соотношение между плотностью и давлением совместимо с понятием вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, независимо от системы отсчета.
Согласно общей теории относительности, тяготение создается не только плотностью среды, но и её давлением. При этом «эффективная» плотность энергии, создающая тяготение, складывается из суммы двух слагаемых: плотности энергии и трех величин давления. Но при указанной выше связи между давлением и плотностью энергии вакуума такая сумма составляет две величины давления и поэтому оказывается отрицательной. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает «отрицательное» тяготение.
По наблюдательным данным о сверхновых, о которых мы упоминали, плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии. Поэтому в наблюдаемой Вселенной антитяготение сильнее тяготения, и космологическое расширение обязано происходить с ускорением.
В отличие от всемирного тяготения, всемирное антитяготение стремится не сблизить тела, а, напротив, удалить их друг от друга. Если, например, имеются два тела на фоне вакуума, то вакуум заставляет их двигаться в противоположных направлениях. Так что если эти тела в какой-то момент покоились друг относительно друга, то в следующий момент они начинают двигаться прочь друг от друга.
При общем космологическом расширении наблюдаемые скорости разбегающихся галактик тоже приводят к их удалению друг от друга. Это означает, что действующая на них сила антитяготения направлена вдоль их скорости, и потому она помогает галактикам разбегаться, все время увеличивая их относительную скорость.
Раз наблюдаемое расширение Вселенной происходит с ускорением, оно будет продолжаться неограниченно долго — ничто уже не способно этому помешать. Действительно, средняя плотность вещества и излучения будет при расширении только убывать. Но это означает, что создаваемое ими тяготение никогда уже не станет преобладать во Вселенной. Динамическое доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик будет происходить все быстрее и быстрее.
Обратимся теперь не к будущему, а к прошлому Вселенной. Вакуум доминировал в мире не всегда. Его плотность не меняется со временем, тогда как плотность тёмного вещества падает при расширении мира и, значит, растёт назад в прошлое. Всё это означает, что антитяготение вакуума было несущественно в достаточно отдаленном прошлом. В ранней Вселенной господствовало всемирное тяготение не-вакуумных компонент космической среды. Оно замедляло космологическое расширение. А эпоха антитяготения и ускоренного расширения наступила только при возрасте мира в 6–8 млрд лет. Это приблизительно половина от современного возраста Вселенной, который составляет около 14 млрд
Но если в ранней истории Вселенной космологическое расширение происходило с торможением, точные измерения ускорения по сверхновым звёздам должны прямо на это указать, если только удастся найти сверхновые звёзды, находящиеся от нас на расстоянии в 6–8 млрд и более световых лет. Замечательно, что такие примеры очень далеких сверхновых звёзд в самое последнее время были найдены, и они определенно подтверждают, что в далеком прошлом расширение действительно происходило не с ускорением, а с замедлением. Вместе с тем эти примеры служат, очевидно, веским дополнительным аргументом в пользу всей новой картины эволюции Вселенной, которая возникла благодаря открытию космического вакуума.
Как известно, пространство вместе со временем образуют единое многообразие, четырехмерное пространство-время, в котором три координаты относятся к собственно пространству, а четвертая координата есть время. Именно так описывает мир теория относительности. Согласно этой теории, геометрия четырехмерного пространства-времени определяется распределением и движением вещества. Вещество распределено в пространстве и движется во времени. Связь между веществом и пространством-временем осуществляет тяготение вещества. Связь эта взаимная: не только вещество влияет на геометрию пространства-времени, но и пространство-время способно влиять на распределение и движение вещества в нем.
Но вакуум, и только он один, способен влиять, но не испытывать на себе обратного влияния. Действительно, тот факт, что плотность и давление вакуума неизменны, означает, что на вакуум ничто, нигде и никогда никак не действует. Он воздействует на вещество своим антитяготением, влияет на свойства пространства-времени. И даже полностью их определяет, когда его плотность превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии. А сам не испытывает ни обратного влияния всего вещества мира, ни обратного влияния геометрии мира, ни своего собственного антитяготения. Он оказывает действие, но не испытывает противодействия. Это единственный известный в физике пример, когда действие не равно противодействию, — вопреки третьему закону Ньютона. Причина такой «неподатливости» вакуума состоит в том, что у него нет инертной массы; вернее, она равна нулю. Инертная масса — это понятие из второго закона Ньютона, который гласит, что сила, действующая на тело, равна произведению ускорения на массу тела.
Здесь имеется в виду именно инертная масса. Для всех обычных тел она отлична от нуля. Инертная масса единицы объёма тела равна — по общему определению — сумме плотности энергии тела и давления в нём, делённой на квадрат скорости света. Но как мы помним, давление вакуума есть его плотность энергии со знаком минус. Из этого вытекает, что сумма, дающая инертную массу, обращается для вакуума в нуль. Но тогда выходит, что любая сила, приложенная к вакууму, тоже равна нулю.
В физике известен и еще один род массы — это пассивная гравитационная масса. Она фигурирует в законе тяготения Ньютона. Это масса, которая «чувствует» поле тяготения, создаваемое всеми остальными телами. Ещё Галилею было известно, что пассивная гравитационная масса всегда равна инертной массе. Именно поэтому все тела движутся с одинаковым ускорением в поле тяготения Земли. Равенство этих двух масс составляет содержание универсального принципа эквивалентности, который действует в механике Ньютона и полностью сохраняет свою силу в общей теории относительности. Применительно к вакууму эквивалентность означает, что его пассивная гравитационная масса равна нулю, как и его инертная масса. Поэтому вакуум — и только он один — не «замечает» никаких полей тяготения, ни чужих, ни своего собственного.