12. Уравнения Эйнштейна

А сейчас пару слов о теории, которая определила развитие космологии. Теория, с одной стороны, удивительно красива, с другой — сложна в техническом плане. Если читателя пугают формулы и тем более дифференциальные уравнения, то данную главу и, возможно, следующую надо обязательно пропустить. Автор обещает, что в дальнейших главах такого не повторится.

Уравнения Эйнштейна заслуживают того, чтобы предъявить их читателю, конечно, не призывая разобраться. Просто окинуть взглядом. Итак, вот традиционная запись:

R_?? — Rg_?? = 16?GT_??/c²

На первый взгляд это кажется совсем не страшным. Ужас наступает, когда начинаешь разбираться с объектами, из которых состоит уравнение. Все двухиндексные члены — g_?? R_?? T_?? это объекты, называемые тензорами второго ранга. Выглядят как матрицы 4 x 4 — четыре строки, четыре столбца, — но отличаются от обычной матрицы-таблицы тем, что определенным образом преобразуются при изменении системы координат. Кстати, обычный вектор — тоже тензор, только первого ранга. И даже скаляр — тензор, только нулевого ранга. Но когда говорят просто «тензор», чаще всего подразумевается второй ранг.

Тензор g_?? называется метрический тензор — это неизвестное в уравнениях. Каждая его компонента является функцией координат и времени. Он определяет не что иное, как свойства пространства-времени в данной точке. Равенство должно выполняться для каждой компоненты матрицы. То есть на самом деле это 16 уравнений:

R₀₀ - Rg₀₀/2 = 16?GT₀₀/c⁴

R₀₁ - Rg₀₁/2 = 16?GT₀₁/c⁴

и так далее. Правда, 6 уравнений можно выкинуть из-за симметричности входящих в него тензоров: g_{?? —} g_??. Уравнения — дифференциальные, в частных производных, второго порядка, нелинейные.

T_?? — тензор энергии-импульса, составлен из плотности энергии, плотности импульса и тензора напряжений. В уравнениях играет роль внешнего источника.

Идем дальше. R_?? — так называемый тензор Риччи, расписывать его уже не стоит, чтобы излишне не запугивать читателя. R — скалярная кривизна, получаемая из тензора Риччи сверткой с тензором g_??. В построении этих объектов участвует аж тензор четвертого ранга — тензор кривизны с четырьмя индексами R_????, составленный из вторых производных компонент метрического тензора. Не приведи бог пытаться расписывать всё это по компонентам! К счастью, такой необходимости на практике не встречается.

Вдаваться в более подробные разъяснения в данной книге не имеет смысла, однако стоит обсудить, откуда такой «ужас» (с точки зрения непрофессионала) или красота (с точки зрения профессионала, знакомого с альтернативными теориями) взялись.

В ньютоновской теории тяготения гравитационное поле описывается очень простым уравнением Пуассона:

?? = д²?/д²x + д²?/д²y + д²?/д²z = 4?G?

здесь ? — гравитационный потенциал, а ? — плотность материи. Оно в точности совпадает с уравнением для электростатического потенциала, только вместо G? надо подставить плотность электрического заряда. Уравнение Пуассона в отличие от уравнений Эйнштейна линейно, то есть можно суммировать решения, наведенные отдельными массами. Таким образом, зачастую можно не решать уравнения, а просто просуммировать гравитационный или электрический потенциал от разных тел или зарядов, пропорциональный 1/r: ? = G (m₁/r₁ + m₂/r₂ + …). Но ни уравнение ньютоновской гравитации, ни уравнение электростатики не могут оставаться верными, как только мы допускаем возможность движения тел и зарядов и вооружаемся специальной теорией относительности. Уравнение Пуассона предполагает бесконечную скорость распространения сигнала (сдвинули тело — и гравитационный потенциал вдали от него мгновенно изменился). Но специальная теория относительности запрещает мгновенное распространение сигнала, значит, уравнение Пуассона придется отбросить и описывать действительность более сложными уравнениями, куда обязательно должна входить скорость света.

Чтобы примирить электростатику с теорией относительности, приходится объединить электрическое поле с магнитным — описать их единой системой уравнений. Это будут знаменитые уравнения Максвелла. Максвелл ничего не знал про теорию относительности, но в его уравнениях с ней всё в порядке. Когда мы двигаем заряд, появляется магнитное поле и электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Электрическое поле от удаленного заряда изменится не раньше, чем дойдут волны. И при переходе от одной системы отсчета к другой всё меняется логично. Всё в порядке.

Уравнения Максвелла в своей исторической форме довольно сложно запоминаются. Но если перейти от электрического и магнитного полей к четырехмерному векторному потенциалу A_? (A₀ — обычный электрический потенциал, A₀, A₂, A₃ — трехмерный вектор, из производных которого получается магнитное поле), мы получаем нечто, удивительно похожее на уравнение Пуассона:

?A_? = -4?j_?/c

где знаком ? обозначена конструкция д/дх² + д/дy² + д/дz² — 1/с² д/дt², называемая оператором Д’Аламбера, j_? — четырехвектор плотности тока: j_o ⁼ r — плотность заряда, j₁, j₂, j₃ — плотность тока. Что изменилось? Уравнений стало четыре — по одному для каждого значения ?. Слева к сумме вторых производных по пространственным координатам добавилась еще производная по времени, но с противоположным знаком и квадратом скорости света в знаменателе. Итак, имеем четыре уравнения для четырехкомпонентного поля, в каждом уравнении слева сумма вторых производных по четырем координатам. Почему всего тут по четыре? Потому, что специальная теория относительности делает наш мир существенно четырехмерным, только время надо брать с коэффициентом 1/с и знаком минус. Все физические вектора по сути четырехмерны, например, четвертой компонентой для импульса частицы является энергия. Получается, если записывать уравнения Максвелла в естественном для нашего мира четырехмерном представлении, они становятся удивительно простыми.

Чем линейная теория отличается от нелинейной

«Линейная теория» — жаргон, так же как и «нелинейная теория», но в науке этот термин используется часто. Первая описывается линейными дифференциальными уравнениями, вторая, естественно, нелинейными. Различие между ними огромно как с точки зрения техники решения, так и с точки зрения мира описываемых явлений.

Линейное дифференциальное уравнение состоит из производных неизвестной функции и самой неизвестной функции в первой степени. Первая степень позволяет складывать решения и умножать их на произвольную константу — то, что получится, всё равно будет решением. Мир линейных уравнений оказывается простым: можно суммировать поля от разных источников, можно разлагать сложные конфигурации на простые (типа плоских волн) и рассматривать эволюцию каждой из них по отдельности. Волны, описываемые линейными уравнениями, спокойно проходят друг через друга, складываясь в интерференционную картину, и расходятся, ничуть не изменившись. Линейный мир прост, но неинтересен — в нем не получишь сложных стабильных структур.

Достаточно ввести в уравнение квадрат неизвестной функции или ее произведение на ее же производную — и мир меняется. Сумма решений уже не является решением, волны уже не проходят спокойно друг через друга, а взаимодействуют, появляются новые сущности, та кие как солитоны. Кстати, протоны и нейтроны в некоторых упрощенных моделях сильных взаимодействий появляются именно как солитоны, а описывающая их теория, квантовая хромодинамика, существенно нелинейна.

Часто бывает так, что возмущения какой-либо среды описываются линейными уравнениями, пока они остаются малыми. Как только их амплитуда становится большой, проявляется нелинейность. Пример — обычные волны на поверхности воды. Рябь линейна с хорошей точностью, а большие океанские волны уже нелинейны из-за сложной аэро- и гидродинамики. Отсюда и получается знаменитый девятый вал и «волны-убийцы». Гравитационные волны тоже линейны, когда они слабые, а когда, например, сливаются две черных дыры, нелинейность переменного гравитационного поля чудовищна. Самая распространенная причина нелинейности — взаимовлияние. Например, сливаются два автомобильных потока. Если они редкие, машины продолжают двигаться стой же скоростью, потоки просто суммируются. Если потоки интенсивные, машины начинают мешать друг другу, скорость падает зачастую до нуля. Это и есть нелинейный эффект. Все варианты самоорганизации в живой и неживой природе — тоже результат нелинейности. Можно сказать, что эволюция -очень длинная цепь нелинейных эффектов.

_{12.1. И. Айвазовский. Нелинейная волна}

Но в этой главе речь идет в основном не об электромагнитном поле, а о гравитации. Нельзя ли сделать с гравитацией то же самое? Добавим к гравитационному потенциалу еще три компоненты (появится еще гравимагнитное поле, которое мы не чувствуем из-за слабости земной гравитации), и пусть они подчиняются точно такому же уравнению, только справа поставим плотность энергии и поток импульса, помноженные на гравитационную постоянную. Со специальной теорией относительности будет всё в порядке. Получится то, что можно было бы назвать «векторной гравитацией». Вышла бы очень простая теория. Уравнения, как и уравнения Максвелла, были бы линейными, гравитационное поле от разных источников было бы суммой полей каждого. Автору не хватает фантазии представить себе, как вела бы себя в таком мире мощная гравитация, но можно точно сказать, что ничего похожего на черные дыры в таком мире не существовало бы.

Впрочем, ничто не ново под луной, в том числе и любое наивное предположение. Именно такую векторную гравитацию предложил Пуанкаре в 1905 году. Оказалось, теория внутренне противоречива и не может описывать наш мир. В такой теории либо одноименные заряды отталкиваются, либо энергия волн отрицательна.

Для гравитации требовалось нечто более сложное: не векторное, а тензорное поле. Почему тензорное, поясним ниже, а сейчас прикинем, во что должно превратиться уравнение с оператором Д’Аламбера, если его обобщить на случай тензорного поля. Математически тензор — матрица (для нашего мира его естественная размерность 4 х 4), определенным образом преобразующаяся при изменении системы координат. Обозначим поле-тензор j По аналогии мы вправе ожидать, что уравнение будет выглядеть следующим образом:

F_?? = 4?GT_??,

где тензор F_?? состоит из длинной суммы всевозможных вторых производных д² f_??/дx_?дx_?. Имеем 16 уравнений для 16 переменных, которыми являются элементы тензора f_??. Расписывать их не будем — они простые, но громоздкие — это всего лишь обобщение уравнения с оператором Д’Аламбера с векторного поля на тензорное. Конкретный вид F_?? выводится из тех соображений, чтобы в пределе малого поля он воспроизводил ньютоновскую гравитацию. Это тоже линейная теория, в уравнении фигурируют только вторые производные от f_?? в первой степени. У такой теории тоже всё в порядке со специальной теорией относительности. В такой теории решения также суммируются — поле тяготения двух слившихся нейтронных звезд будет равно сумме полей тяготения каждой из них. Гравитационные волны в такой теории есть, однако никаких черных дыр нет. Но теория гравитации, описываемая таким уравнением, еще не может называться общей теорией относительности. Такой теории не существует. Не хватает одного важнейшего шага.

Этот шаг сделал Эйнштейн, основываясь на универсальности тяготения. Еще в XIX веке с высокой точностью была доказана эквивалентность инертной и гравитационной масс. Но если все тела подчиняются гравитации одинаковым образом, то ее влияние можно представить искривлением четырехмерного пространства. Траектории всех тел, предоставленных самим себе, в искривленном пространстве являются геодезическими линиями, т.е. прямыми в том смысле, в котором земной меридиан или траектория рейса Москва — Сан-Франциско через Арктику являются прямыми. Если тело вращается по орбите — оно описывает кратчайшую траекторию в кривом пространстве-времени.

Если гравитация искривляет пространство, то как должно выглядеть гравитационное поле? Что, если его выразить через параметры, описывающие свойства пространства? Тогда это будет метрический тензор, традиционно обозначаемый g_??. В нашем плоском пространстве Минковского g_?? — диагональная матрица, по диагонали 1, —1, —1, -1 (скорость света положили равной единице). В кривом пространстве появляются недиагональные элементы, диагональ меняется тоже.

А как изменится уравнение для гравитационного поля, коль скоро оно и есть метрический тензор? Существуют выделенные системы отсчета — инерциальные. К такой системе относится космический корабль с выключенными двигателями — в его кабине царит невесомость. При этом нет никакой разницы, движется ли он прямолинейно в отсутствии поля тяготения, движется ли по орбите, падает ли в черную дыру, — важно, что в кабине невесомость. В такой системе уравнение локально будет иметь именно такой вид, как написано выше, — с линейным тензором F_??, но тензор будет иметь уже другой смысл. Он называется тензором Эйнштейна и обозначается G_??. Еще раз: эти тензоры совпадают по виду только в локально-инерциальной системе отсчета.

Как построить четырехмерную координатную сетку из таких систем, которые где-то движутся по орбите вокруг тяготеющего центра, где-то падают в черную дыру? Работать в такой кривой системе координат невозможно, даже если теория в ней проста. А как перейти к какой-нибудь глобальной системе координат? С помощью той же метрики! И тогда в уравнение кроме вторых производных g_?? войдут множителями их первые производные и сами матрицы g_?? да еще обратные к ним матрицы g_??. Их пришлось ввести дополнительно, чтобы перейти из локально-инерциальной в глобальную систему координат. Но они же являются переменными в уравнении. И уравнения получаются нелинейными, причем сильно нелинейными — их нельзя выразить степенями элементов метрического тензора. И теория оказывается существенно нелинейной: две слившиеся нейтронные звезды дадут поле, заметно отличающееся от суммы полей каждой. На самом деле физическое слияние двух нейтронных звезд приведет к их коллапсу в черную дыру. Но если пренебречь физическими процессами и просуммировать несколько нейтронных звезд «теоретически», то они станут черной дырой автоматически — окажутся под горизонтом Шварцшильда, что означает неминуемый коллапс в сингулярность. Этот коллапс никакие силы не в состоянии предотвратить, так же, как никакие силы не могут помочь преодолеть скорость света. Тут коллапс в бесконечно плотное состояние (на самом деле — в планковское состояние, см. главу 15) становится делом не столько физики, сколько геометрии: все мировые линии ведут в центр.

Такова плата за геометричность теории гравитации, или, другими словами, за ее универсальность и всеобщность. Выражения стали сложными, хотя теория минимальна — все ее модификации могут быть только сложнее. Зато в теории появились чудеса, такие как черные дыры или нестационарная вселенная.

Эйнштейн, конечно, пришел к этим уравнениям совсем другим путем, и на этом пути немалую роль сыграл Гильберт, мы просто постарались набросать естественную логическую цепочку, ведущую к общей теории относительности через более простые конструкции.

^{12.2. Явление, непосредственно связанное с одним из решений общей теории относительности, найденных аналитически (решение Керра для вращающейся черной дыры): джет ядра галактики М87. Это релятивистская струя замагниченной плазмы, индуцируемая непосредственно вращающейся черной дырой, погруженной во внешнее магнитное поле. Именно эта черная дыра, возможно, будет первой, которую удастся «разглядеть» с помощью микроволновых космических интерферометров. На данном снимке для этого не хватает пяти порядков по разрешению. Снимок космического телескопа «Хаббл» (NASA)}

Разумеется, уравнения Эйнштейна решать сложно. В общем случае они поддаются только численному перемалыванию на суперкомпьютерах. Аналитические решения, не сводящиеся к малым поправкам для ньютоновского тяготения, можно пересчитать по пальцам. Из решений, наверняка имеющих отношение к реальности, это черные дыры Шварцшильда (не вращающиеся), вращающиеся черные дыры Керра, гравитационные волны, однородная изотропная вселенная Фридмана и де Ситтера. Есть аналитические решения, представляющие, скорее, академический интерес — заряженные черные дыры, однородная анизотропная вселенная и еще несколько. Есть много решений, описывающих кротовые норы с разными уравнениями состояния вещества. Имеют ли они отношение к реальности, пока не известно.

Нас интересуют уравнения для однородной изотропной вселенной, каковой является наша. Это самый простой случай. Из-за однородности и изотропии в уравнениях выпадают все производные g_?? по координатам, остаются только производные по времени. Тензор энергии импульса становится диагональным, по диагонали стоят ?, -р, -р, -р, где ? — плотность энергии, р — давление. Метрический тензор при этом выражается всего через два параметра — масштабный фактор a(t) и кривизну трехмерного пространства k/R(t). При этом к определяет знак кривизны (k = 1 для замкнутой вселенной, k = -1 для открытой и k = 0 для плоской), a R(t) — радиус кривизны вселенной. Первое уравнение Эйнштейна (с индексами 0, 0) принимает вид:

(?/a)² = 8?G?/3 — ?/R(t)²,

где  — ? производная масштабного фактора по времени, a R(t) пропорционален масштабному фактору: R(t) = R_o·a(t). Это и есть уравнение Фридмана, описывающее однородную изотропную вселенную. Оно получено только из первого (0, 0) уравнения Эйнштейна, но остальные уравнения либо нулевые, либо ему тождественны. Напомним, в простейшей модели Вселенной знак трехмерной кривизны определяет ее судьбу: если k > 0, то за расширением последует сжатие («закрытая» Вселенная); если k < 0 («открытая» Вселенная), то расширение будет вечным; если k = 0 («плоская» Вселенная), то скорость расширения со временем будет стремиться к нулю. Сейчас мы знаем, что величина R настолько велика, что влияние члена k/R² на динамику Вселенной незаметно на довольно хорошем уровне точности. Раньше ее влияние было еще меньше, поэтому для дальнейшего анализа последний член в уравнении Фридмана можно отбросить.

Уравнение стало совсем простым, остается найти зависимость плотности энергии от масштабного фактора. Для этого надо знать уравнение состояния, дающее связь между плотностью энергии и давлением и зависящее от того, чем заполнена Вселенная. Самое простое и весьма правдоподобное предположение — давление равно нулю. Это так, если основная часть материи во Вселенной сосредоточена в звездах и холодном газе. Сейчас мы знаем, что гораздо большая часть массы Вселенной заключается в темной материи. Но мы также знаем, что темная материя состоит из сравнительно медленно движущихся частиц, которые не создают давления. В случае нулевого давления плотность энергии (она же просто плотность, помноженная на с²) ? ~ а^-3, поскольку масса вещества в сопутствующем объеме V ~ а³ остается постоянной. В этом случае уравнение Фридмана принимает совсем простой вид:

? = const·a^-1/2

Как решаются подобные простейшие дифференциальные уравнения, объяснено во врезке. В данном случае его решение:

a(t) = const·t^2/3

В конце 1990-х оказалось, что предположение о нулевом давлении в современной Вселенной неверно, и закон расширения другой. Об этом чуть ниже.

Есть еще один жизненно важный вариант уравнения состояния Вселенной — ультрарелятивистский:

р = 1/3 ?,

возникающий, когда основная масса частиц движется со скоростью света или близкой к ней. Такое уравнение состояния у Вселенной было в первые 80 тыс. лет ее существования. При расширении Вселенной плотность энергии релятивистского содержимого падает как 1/а⁴ (число частиц в единице объема падает как 1/а³, и энергия каждой частицы падает как 1/а, что проще всего представить как растяжение волны фотона вместе с пространством: ? ~ а). Уравнение Фридмана приобретает вид:

(?/a)² = const/a⁴,

или

? = const/a

Решение в данном случае

a(t) = const·t^1/2

Получается, что ранняя Вселенная, в которой давление материи огромно, расширяется по более медленному закону (t^1/2), чем нынешняя (t^2/3). Это, казалось бы, противоречит здравому смыслу. Но так диктуют уравнения. Запомним этот странный факт — дальше будет еще интересней.