«Происхождение Вселенной»

Происхождение Вселенной (fb2) - Происхождение Вселенной [Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной] [litres] (пер. Наталья Арифовна Липунова) 2713K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Коллектив авторов - Элисон Джордж - Стивен Бэттерсби

Коллектив авторов Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной

© New Scientist, 2017

© Оформление, ООО «Издательство АСТ», 2019

Авторы-составители

Главный редактор – Элисон Джордж, редактор серии «Специалисты комментируют» для журнала New Scientist.

Редактор – Стивен Бэттерсби, автор научных и научно-популярных книг по физике, консультант журнала New Scientist.

В данную книгу вошли доклады, прочитанные в рамках мастер-класса, организованного журналом New Scientist в 2016 году, а также статьи, ранее публиковавшиеся в журнале New Scientist.

Авторы научно-популярных статей

Майкл Дафф – почетный профессор теоретической физики в Имперском колледже Лондона, основоположник теории супергравитации.

Педро Феррейра – профессор астрофизики Оксфордского университета, специалист в области общей теории относительности. Занимается исследованием природы темной материи и темной энергии.

Джон Гриббин – астрофизик и автор научно-популярных книг. Приглашен для работы в качестве научного сотрудника по астрономии в Сассекский университет, где исследует проблему определения возраста Вселенной.

Мартин Хендри – профессор гравитационной астрофизики и космологии Университета Глазго, специалист по гравитационно-волновой астрономии.

Дэн Хупер – младший научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми в Батавии (штат Иллинойс, США) и доцент кафедры астрономии и астрофизики Чикагского университета.

Сабина Хоссенфелдер – научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований, занимается исследованием квантовой гравитации.

Юджин Лим – космолог-теоретик в Королевском колледже Лондона. Широкий спектр его интересов простирается от теории струн до той роли, которую играет распространение квантовой информации в космосе.

Эндрю Понтцен – лектор в Университетском колледже Лондона, занимается проблемами образования галактик и вычислительной космологии.

Марика Тейлор – профессор теоретической физики Саутгемптонского университета, специалист по черным дырам.

Милена Важецк – историк науки, занимается социальными и политическими проблемами современной науки.

Также благодарим следующих авторов:

Анил Анантасвами, Джейкоб Арон, Майкл Брукс, Маркус Чоун, Стюарт Кларк, Дэниэл Коссинс, Аманда Гефтер, Лиза Гроссман, Наоми Любик, Говерт Шиллинг, Джошуа Сокол, Колин Стюарт, Ричард Вебб, Йон Уайт.

Введение

Невозможно забыть или с чем-нибудь перепутать этот блеск светлых пушистых волос: в нем отражается совершенно новая картина мира, где время и пространство слиты воедино, масса превращается в энергию, обнажается структура и ткань Вселенной, которая затем разрывается в клочья…

Прошло более ста лет с тех пор, как Альберт Эйнштейн выковал теории относительности, ставшие величайшими достижениями человеческого разума. Но и поныне мы пытаемся понять всю их суть, до сих пор сокрытую от нас. Одним из следствий появления теорий относительности стало то, что мы стали лучше понимать жизнь Вселенной, ее зарождение в Большом взрыве и последующие этапы ее расширения. Еще один вывод, который следует из вычислений самого Эйнштейна, проведенных им в 1920-е годы, – существование темной энергии, доминирующей во Вселенной.

В 2016 году мы столкнулись, вероятно, с самым «релятивистским» моментом в истории, когда ученые сумели обнаружить гравитационные волны, рожденные в результате столкновения двух черных дыр и блуждавшие в расширяющемся пространстве-времени миллиарды лет. Вскоре гравитационно-волновые детекторы и радиотелескопы начнут исследовать природу горизонта событий, черту невозврата на краю черной дыры, чтобы узнать, действует ли теория относительности в этих экстремальных условиях. Между тем на стыке теории относительности и квантовой механики возникают все новые и новые гипотезы, от суперструн до квантовых треугольников и других необычных идей, соревнующихся друг с другом в попытке более глубоко объяснить сущность реальности. Рано или поздно даже Эйнштейн должен быть превзойден!

В книгах этой серии собраны мысли ведущих физиков и лучшие статьи, опубликованные в журнале New Scientist. Они познакомят вас с последними достижениями в области теории относительности Эйнштейна и с тем влиянием, которое идеи относительности оказали на наше восприятие Вселенной.

Стивен Бэттерсби, редактор

Глава 1 Истоки теории относительности

В 1915 году в голове клерка из швейцарского патентного бюро родилась идея, которая перевернула наши представления о пространстве и времени. Этим клерком был Альберт Эйнштейн (1879–1955), а идея, которую он выдвинул, называется общей теорией относительности. Эта глава описывает путь, пройденный автором и приведший его к судьбоносному открытию.

Относительно краткая история

Во-первых, следует пояснить с самого начала: Эйнштейн не был одиноким гением. Его вклад в науку колоссален, но он появился не на пустом месте.

Эта история началась тогда, когда шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) создал теорию, в которой сумел объединить казавшиеся ранее разнородными физические понятия. В 1860-е годы ему удалось собрать воедино различные теории магнитного и электрического поля и описать их с помощью единой системы уравнений. Не менее замечательным оказалось следующее предсказание Максвелла: объединившись, электрические и магнитные поля образуют волну, которая распространяется со скоростью света. К концу XIX столетия становится ясно, что это далеко не случайность: ведь сам свет состоит из таких «электромагнитных волн».

Удивительно, но из уравнений следовало, что волны всегда распространяются с одной и той же скоростью, независимо от того, находится ли в движении их источник. Более того, ваша скорость как наблюдателя тоже не имела значения. В этом было что-то неправильное. Если я бросаю предмет вперед из движущегося экипажа, он должен лететь быстрее, чем если бы я его бросил, стоя на месте. Почему свет должен быть исключением?

Исходя из этой логики, ученые начали проводить исследования, ставившие своей целью найти изменения скорости света. Самым известным стал эксперимент, проведенный в 1887 году американскими физиками Альбертом Майкельсоном (1852–1931) и Эдвардом Морли (1838–1923). Они пытались наблюдать изменения скорости света по мере того, как Земля вращается вокруг оси и вокруг Солнца. Луч света расщеплялся на два пучка, которые посылались вдоль двух направлений под прямым углом друг к другу. Физики хотели обнаружить небольшую разницу во времени прохождения пучков света вдоль этих направлений. Ведь установка была по-разному ориентирована по отношению к движению Земли. Но, несмотря на всю скрупулезность и тщательность измерений, результат был одним и тем же: скорость света оставалась неизменной.

В 1895 году голландский математик Хендрик Лоренц (1853–1928) предложил свое объяснение постоянства скорости света. Он разработал ряд правил, которые связывают увиденное наблюдателем, находящимся в движении, с тем, что он должен видеть в состоянии покоя (см. главу 2). В этих правилах он ввел понятие некоего «фиктивного» времени: если вы двигаетесь с высокой скоростью, вам надлежит использовать именно это время, которое будет отличаться от времени, отсчитанного нормальными часами. Благодаря этому математическому трюку все становится на свои места, и скорость света оказывается одинаковой для всех.

Искривление времени

Пятью годами позже французский ученый Анри Пуанкаре (1854–1912) написал статью «Измерение времени», в которой оспаривал наше непреклонное отношение ко времени. Если Лоренц представлял искривление времени просто как математический трюк, то Пуанкаре (не ссылаясь явно на Лоренца) показал, что в будущем, по-видимому, придется отказаться от концепции единства физического времени. Этот своеобразный философский прорыв помог в дальнейшем Эйнштейну сформулировать свою теорию относительности.

С философской точки зрения второй побуждающий импульс для творчества Эйнштейна исходил от австрийского физика и философа Эрнста Маха (1838–1916). В своей книге «Механика. Историко-критический очерк ее развития» (1883) Мах утверждал, что мы никогда не должны говорить об абсолютном движении тела; мы можем говорить только о его движении относительно чего-либо.

Итак, почва для Эйнштейна была готова. В статье «Об электродинамике движущихся тел» он выдвинул два предположения:

1. Законы физики остаются одинаковыми в любой системе отсчета, движущейся с постоянной скоростью.

2. Мы должны со всей серьезностью относиться к уравнениям Максвелла – любой луч света движется в любой такой системе отсчета с одинаковой скоростью.

Об Альберте Эйнштейне

Альберт Эйнштейн родился на юго-западе Германии в городе Ульме 14 марта 1879 года. Он был вторым ребенком в семье Германа Эйнштейна, основателя электрической инженерной компании, и его жены Паулины. Семья, которая происходила из евреев-ашкеназов, не соблюдавших религиозные ритуалы, вскоре переехала в Мюнхен, где Альберт и пошел в школу.

В возрасте 17 лет Эйнштейн поступил в швейцарскую Федеральную политехническую школу в Цюрихе, чтобы получить диплом преподавателя физики и математики. Здесь же он познакомился со своей сокурсницей Милевой Марич, на которой женился в 1903 году. Из переписки супругов, обнаруженной в 1987 году, следует, что еще до официальной регистрации брака, в 1902 году, у них родилась дочь. Судьба этой девочки неизвестна: может быть, она была удочерена третьими лицами либо умерла в младенчестве. Позднее у супругов родились два сына, Ганс и Эдуард. Но семейная жизнь не удалась, и в 1919 году супруги развелись, после чего Альберт Эйнштейн женился на своей кузине Эльзе Лёвенталь, урожденной Эйнштейн.

После окончания высшего учебного заведения Эйнштейн провел два года в неудачных поисках преподавательской работы и, в конце концов, поступил на работу в Швейцарское патентное бюро. Именно здесь, в свободное время, он сделал свои первые открытия и написал замечательную серию статей в знаменательный для него 1905 год (см. «Чудесный год» в главе 2). Все его труды привели к тому, что в 1908 году он был назначен преподавателем в Бернском университете в Швейцарии. Довольно скоро Эйнштейн получил должность профессора в Цюрихском университете. К 1914 году он уже являлся профессором Берлинского университета. Без малого два десятка лет Эйнштейн работал в этом университете. Затем политическая ситуация в Германии изменилась, нацистские власти стали преследовать евреев, запрещая им занимать преподавательские должности в университетах. В 1933 году Эйнштейн отказался от гражданства Германии и уехал в Америку. Он получил работу в Институте перспективных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) и работал там до пенсии.

Эйнштейн знаменит не только своими замечательными научными открытиями. Он был страстным любителем музыки, пацифистом, борцом за права человека и сторонником сионизма. Он умер от аневризмы в 1955 году в возрасте 76 лет. Место, где развеян его прах, неизвестно. Мозг ученого был сохранен (см. далее в этой главе).

Относительно специальная

Несколько коротких страниц статьи Эйнштейна, как рог изобилия, вместили в себя все те постулаты, которые мы сейчас называем специальной теорией относительности. Многие данные были известны и ранее, но теперь они были собраны вместе и получили ясную физическую интерпретацию. Стало ясно, например, что замедление времени вполне реально: находящиеся в движении часы действительно должны запаздывать. Возможно, благодаря крепкому фундаменту, заложенному Лоренцем и Пуанкаре, специальная теория относительности Эйнштейна, предложенная им в 1905 году, не вызвала больших возражений. Конечно, она не произвела такого фурора, как последующая за ней общая теория относительности, для создания которой потребовалось еще более десятка лет.

Первый результат в этом направлении был получен польско-немецким математиком Германом Минковским (1864–1909), но он оказался малоутешительным. Минковский предложил лаконичное объяснение специальной теории относительности, соединив воедино пространство и время. События, разворачивающиеся в пространстве и времени, можно представить в виде карты: нижняя часть карты – это далекое прошлое, верхняя – отдаленное будущее, а слева и справа располагаются самые различные места в пространстве. Минковский понимал, что движение происходит по различным направлениям пространства-времени: вместо того, чтобы двигаться строго вверх, вы отклоняетесь то влево, то вправо. Математически это очень похоже на вращение, когда часть вашего пространства заменяется временем, а часть вашего времени – пространством. Такая абстрактная картина правильно, в стройной и логичной манере, приводит к результатам специальной теории относительности.

Но Эйнштейн понимал, что специальная теория относительности имеет ограничения. Она корректно связывает различные системы координат только в том случае, если они движутся с постоянными скоростями. Эйнштейна также беспокоила роль гравитации. Наилучшей теорией гравитации на тот момент была теория всемирного тяготения Ньютона. Ньютон, как и Максвелл, стремился к объединению различных явлений: он показал, что та же сила, которая удерживает нас на поверхности Земли, удерживает и Луну от бегства в космическое пространство и заставляет Землю кружить вокруг Солнца. Эта теория работает прекрасно, но подразумевает наличие мгновенной притягивающей силы, подобно тому, как присутствие Земли у нас под ногами означает, что к нам с ее стороны приложена сила. В каждый момент времени мы чувствуем притяжение всех галактик, рассеянных в космосе. Такие представления не уживаются со специальной теорией относительности, в которой ничто не может распространяться мгновенно; чтобы уладить противоречия, приходится предположить, что скорость движения тел, а также их взаимодействия, не должна превышать скорость света.

Принцип эквивалентности

Первую попытку внедрить гравитацию в свою теорию Эйнштейн предпринял в 1907 году, сформулировав так называемый принцип эквивалентности. Он указал на то, что при падении мы как будто находимся в мире без гравитации. Окружающие нас предметы, находящиеся одновременно с нами в состоянии падения, будут казаться неподвижными, потому что падают с такой же скоростью. Именно это и происходит на Международной космической станции: то, что космонавты находятся в невесомости, вовсе не означает, что на них не действует поле притяжения Земли; просто космическая станция все время падает на Землю вместе с космонавтами. (Другое дело, что она никогда не упадет на нашу планету, так как одновременно двигается с высокой скоростью в горизонтальном направлении.)

Гению Эйнштейна, вдохновленному философскими воззрениями Маха, хватило смелости утверждать, что любой эксперимент, выполненный, например, в условиях космической станции, покажет такой же результат, как и при полном отсутствии гравитации. Это и есть принцип эквивалентности.

Самое любопытное, что теория гравитации Эйнштейна вытекала из глубоких размышлений о ситуациях, в которых сама сила, о которой идет речь, просто-напросто исчезает. Поэтому неудивительно, что потребовалось привлечь основательный математический аппарат, чтобы превратить идею в теорию, способную выдвинуть осмысленные предсказания. В 1913 году Эйнштейн в своих изысканиях взял на вооружение идею Минковского о пространстве-времени. Эйнштейн обнаружил, что верная картина движения объектов в гравитационном поле получится, если предположить, что пространство-время искривлено, а объекты пытаются проложить себе кратчайший путь через это искривленное пространство-время. Но понять, что заставляет пространство-время искривляться, он не мог.

На этих порах Эйнштейн начал сражение с математикой. В 1915 году в течение нескольких месяцев он вел бурную переписку со многими учеными, в особенности с немецким математиком Давидом Гильбертом (1862–1943). Работы Эйнштейна и Гильберта были настолько взаимосвязаны, что трудно точно сказать, кто из них первым создал уравнения гравитационного поля. Но, вне всякого сомнения, Эйнштейн был движущей силой в этом процессе. В конце концов, в ноябре 1915 года, в своей общей теории относительности он смог описать, как пространство-время искривляется под действием массы, энергии и давления:

Великий смысл заключается в этих нескольких символах. В течение шести месяцев после создания уравнений поля Эйнштейн написал статьи о гравитационных волнах. Это произошло за сто лет до того, как эти волны были непосредственно обнаружены (см. главу 4). Существование черных дыр также было предсказано вскоре после опубликования общей теории относительности (см. главу 3).

Другие последствия заставили себя ждать гораздо дольше. В 1949 году австрийско-американский математик и философ Курт Гёдель (1906–1978) предпринял атаку на теорию относительности. Любитель абсурдов, Гёдель сумел показать, что общая теория относительности разрешает совершать путешествия в прошлое. Подобное предположение является проклятием для физиков: ведь если мы можем вернуться в наше собственное прошлое, то что удержит нас от того, чтобы изменить его? Каждый любитель научной фантастики скажет вам, что ни к чему хорошему это не приведет.

Кротовые норы и не только

Рассуждения Гёделя предполагали, что вся Вселенная вращается, что с нашей сегодняшней точки зрения не соответствует действительности. Однако в 1988 году физики Майк Моррис и Кип Торн открыли еще одну возможность для путешествий во времени. Они показали, что кротовые норы – кратчайшие пути из одной части пространства-времени в другие – могут в принципе быть открыты, если грядущая цивилизация овладеет новым экзотическим типом энергии. Стоит однажды распахнуть эти норы, как по ним можно будет со свистом проноситься сквозь пространство и время. Хотя такие перспективы кажутся весьма отдаленными, уравнения Эйнштейна вполне допускают путешествия во времени, и это провоцирует многочисленные горячие дискуссии среди физиков.

В то же время обширная нива науки остается еще не вспаханной. Только недавно появилась возможность решать уравнения Эйнштейна на компьютерах, и это открыло путь к исследованию странного поведения черных дыр и других экзотических объектов. Прибавьте сюда еще и открытие гравитационных волн. И теперь мы можем вплотную заняться теорией и ее приложениями – чем, впрочем, мы уже и занимаемся сотню лет. Но мы не должны забывать, что вся ширь теории относительности является заслугой не только гения Эйнштейна, но и его предшественников, современников и множества других людей, которые пытались понять, что все это означает.

«Наиболее ярким и захватывающим пропагандистом идей Эйнштейна всегда был сам Эйнштейн».

Стивен Хокинг. «Самая упрямая иллюзия» (A Stubbornly Persistent Illusion, 2008)

Эйнштейн о себе

В 2010 году в Иерусалиме, в Израильской академии естественных и гуманитарных наук, впервые во всей полноте была представлена оригинальная рукопись Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности».

Эйнштейн написал свою 46-страничную статью в 1916 году, а через три года после этого наблюдение солнечного затмения предоставило первое убедительное подтверждение общей теории относительности. В статье говорилось о возможной проверке теории, а также предсказывалось поведение перигелия орбиты Меркурия, которое до появления общей теории относительности считалось аномальным. В статье также обсуждался вопрос о возможности создания всеобъемлющей теории материи с помощью объединения теорий электромагнитного и гравитационного поля.

В 1916 году Эйнштейн еще не знал о существовании двух других сил, которые также необходимо учитывать, – слабое и сильное ядерное взаимодействие. Но поднятый Эйнштейном вопрос был очень важным и остается открытым до сих пор. Легионы физиков пытаются дать ответ на аналогичный вопрос в процессе поиска пути объединения общей теории относительности и квантовой механики, чтобы создать окончательную теорию всего.

Что-то завораживающее есть в чтении строк, написанных самим Эйнштейном (оцифрованные версии этой и других его статей можно найти в Интернете). Его уникальный философский стиль временами обманчиво прост, полон познавательных мысленных экспериментов и всегда подвергает сомнению наши самые устоявшиеся взгляды на действительность. В 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике за его «заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Свет изгибается

Как теория Эйнштейна выглядит в свете практических испытаний?

Теория относительности часто рассматривается как торжество чистого интеллекта и как одна из наиболее элегантных фундаментальных физических теорий. Но элегантность и интеллект ничего не значат в физике, если не подтверждаются наблюдениями окружающей природы.

Теория гравитации Ньютона на протяжении 200 лет и более с честью выдерживала проверку практикой. В ее основе лежал закон всемирного тяготения: сила тяготения между любыми двумя телами пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон Ньютона позволял очень точно предсказывать движение планет в нашей Солнечной системе. Власть закона была так велика, что в 1846 году французский астроном Урбен Леверье (1811–1877) смог с его помощью предсказать существование планеты Нептун.

И только в одном случае теория Ньютона не смогла справиться с поставленной задачей. Леверье обнаружил, что орбита Меркурия слегка смещается по сравнению с предсказаниями теории Ньютона – меньше чем на одну сотую градуса за столетие. Это противоречие озадачивало ученых вплоть до 1916 года, когда Эйнштейн показал, что его общая теория относительности приводит именно к такому наблюдаемому смещению орбиты Меркурия. Общая теория относительности практически сразу прошла свое первое испытание.

Эйнштейн также предсказал, что массивный объект, такой как Солнце, должен искривлять путь света: по сути дела, искривленная геометрия пространства должна работать как линза, фокусируя свет (рис. 1.1). (Стоит отметить, что теория Ньютона также предсказывала искривление светового луча, но в два раза меньшее, чем в общей теории относительности.)

Счастливое затмение

11 августа 1999 года небо над родным городом Эйнштейна, городом Ульмом в Германии, потемнело – Луна затмила Солнце. Это была достойная дань уважения человеку, который преобразил нашу картину мира, и достаточно удивительное событие. Дело в том, что полные солнечные затмения случаются где-нибудь на Земле каждые 18 месяцев. Но в любом отдельно взятом месте между последующими затмениями проходит примерно 350 лет. Каковы же были шансы, что величайший ученый двадцатого века удостоится чести быть отмеченным последним полным солнечным затмением тысячелетия? Но, наверное, нам не стоит слишком удивляться этому совпадению; для Эйнштейна затмения всегда были счастливыми.

Возьмем, к примеру, похожее полное затмение, происшедшее около ста лет тому назад и сыгравшее основополагающую роль в подтверждении правильности общей теории относительности Эйнштейна. Статьи Эйнштейна, контрабандой вывезенные из Германии во время Первой мировой войны, попали в Кембридж к британскому физику Артуру Эддингтону (1882–1944). Эддингтон понял, что полное солнечное затмение, которое должно было произойти 29 мая 1919 года над островом Принсипи у берегов Западной Африки, может предоставить золотую возможность для проверки одного из главных предсказаний общей теории относительности.

Рис. 1.1. Свет отклоняется искривленным пространством-временем

Экспедиция, возглавляемая Эддингтоном, прибыла на Принсипи и своевременно произвела фотосъемку затмения. Они хотели наблюдать Гиады – яркое звездное скопление – во время прохождения Солнца перед ним. Чтобы заслонить солнечный свет, Эддингтону требовалось полное солнечное затмение. Если теория Эйнштейна верна, то положения звезд скопления Гиады окажутся сдвинутыми примерно на 1/2000 градуса.

Первый снимок Гиад Эддингтон сделал ночью в Оксфорде. Затем, 29 мая 1919 года, он сфотографировал Гиады на острове Принсипи во время солнечного затмения, когда скопление звезд находилось практически за Солнцем. Потребовалось много времени, чтобы обнаружить это отклонение света – смещение в положении звезд было очень маленьким. Но в сентябре 1919 года Эддингтон, в конце концов, заявил, что Эйнштейн был прав. Сравнив два измерения, Эддингтон обнаружил, что смещение оказалось в точности таким, каким его предсказывал Эйнштейн. Полученный результат сделал Эйнштейна международной знаменитостью.

Таким образом, Эйнштейну опять повезло. Достоверность результатов, полученных Эддингтоном, сегодня вызывает некоторые сомнения. Высказываются предположения, что эффект отклонения света на самом деле был слишком мал, и Эддингтон вряд ли мог его зафиксировать с большой точностью. И не будь он так увлечен теорией Эйнштейна, он вряд ли бы пришел к такому однозначному заключению так быстро.

С тех пор теория Эйнштейна не раз подвергалась многочисленным проверкам. Одно из предсказаний теории заключается в том, что луч света, выбираясь из искривленного пространства-времени возле массивного объекта, меняет свою длину волны, которая растягивается, т. е. свет «краснеет». В 1959 году американские физики Роберт Паунд (1919–2010) и Глен Ребка (1931–2015) измерили гравитационное красное смещение в своей лаборатории в Гарварде. Мы имеем достаточно много доказательств существования черных дыр (см. главу 3). А в 2016 году физикам из гравитационно-волновой обсерватории LIGO удалось обнаружить гравитационные волны (см. главу 4), перемещение искажений пространства-времени, которые Эйнштейн предсказал сто лет тому назад.

Был ли уникален мозг Эйнштейна?

Когда Эйнштейн умер, патологоанатом, горя желанием открыть источник необычайного интеллекта Эйнштейна, извлек его мозг, анатомировал и сфотографировал его. Мозг ученого с самого начала вызвал некоторое разочарование: он был слегка меньше средних размеров. Однако за последние десятилетия изображения мозга Эйнштейна дали исследователям пищу для новых идей. Исследование 1999 года показало, что теменная доля головного мозга Эйнштейна – часть мозга, ответственная за математическое и пространственное мышление – оказалась на 15 % шире, чем у среднего мозга. Национальным музеем здоровья и медицины в Чикаго даже было разработано специальное приложение Einstein Brain Atlas (Атлас мозга Эйнштейна). В приложении представлены более 350 оцифрованных слайдов, которые помогут исследователям «углубиться» в серое вещество великого человека. Согласно статье, опубликованной в 2012 году в неврологическом журнале Brain, блестящий интеллект Эйнштейна может объясняться особенностями префронтальной коры его мозга, которая ответственна за речь, формирование представлений о будущих событиях и предугадывание их последствий. По сравнению с обычным мозгом, префронтальная кора мозга Эйнштейна значительно увеличена. Исследователи также заметили большой выступ на двигательной коре головного мозга, посчитав его следствием того, что Эйнштейн с детства начал играть на скрипке.

Некоторые срезы мозга пропали без вести. Не исключено, что когда-нибудь они найдутся на чердаках ваших дедушек.

Пространственно-временная хроника

1905

Эйнштейн излагает свою специальную теорию относительности в статье «Об электродинамике движущихся тел».

1915

Эйнштейн представляет в Прусской академии наук в Берлине свои уравнения гравитационного поля в общей теории относительности.

1916

Эйнштейн использует общую теорию относительности для предсказания существования гравитационных волн, складок в пространстве-времени, возникающих в результате ускорения массивных тел.

1917

Эйнштейн вводит дополнительный член в свои уравнения, космологическую постоянную, чтобы уравновесить силы притяжения и получить статичную Вселенную, которая бы не расширялась и не сжималась.

1919

Артур Эддингтон наблюдает отклонения световых лучей под действием притяжения Солнца во время солнечного затмения на острове Принсипи – эффект гравитационной линзы, предсказанный Эйнштейном.

1921

Эйнштейн получает Нобелевскую премию за «заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

1922

Александр Фридман находит решение уравнений Эйнштейна, которое описывает равномерно расширяющуюся Вселенную. Пять лет спустя Жорж Леметр независимо от него получает те же результаты.

1929

Эдвин Хаббл и др. показывают, что далекие галактики удаляются от нас – первый намек на расширяющуюся после Большого взрыва Вселенную. Эйнштейн отказывается от своей космологической постоянной.

1948

Теоретики предсказывают, что если Вселенная расширяется из горячего и плотного состояния после Большого взрыва, то она должна оставлять после себя остаточное свечение: космическое микроволновое фоновое излучение.

1964

Радиоантенны улавливают космическое микроволновое фоновое излучение в виде шума. Наступает «золотой век» теории относительности.

1972

Рентгеновское излучение от источника X-1 в созвездии Лебедя предоставляет первое доказательство коллапса звезды и превращения ее в черную дыру звездной массы.

1974

Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаруживают пару нейтронных звезд, чьи орбиты замедляются точно так же, как если бы они теряли энергию, испуская гравитационные волны.

1974

Стивен Хокинг теоретически показывает, что квантовые эффекты могут вынуждать черные дыры испаряться, испуская излучение Хокинга. Возникает вопрос: что происходит с информацией, которую поглощают черные дыры?

1980

Алан Гут и др. выдвигают предположение, что Вселенная, родившаяся в результате Большого взрыва, выровнялась после инфляции – периода ускоренного расширения в первые моменты после своего рождения.

1989

Космическое ведомство США (НАСА) запускает космическую обсерваторию COBE для исследования реликтового (космического микроволнового фонового) излучения. Обсерватория обнаруживает весьма однородное поле излучения, что подтверждает инфляционную теорию Большого взрыва.

1998

Исследования далеких сверхновых показывают, что Вселенная расширяется с ускорением. Космологическая постоянная Эйнштейна приобретает особую актуальность при поиске причин этого явления.

2000-е

Более детальные исследования реликтового излучения подтверждают инфляционную теорию рождения Вселенной в результате Большого взрыва, в которой доминирует темная материя и темная энергия.

2016

Усовершенствованная аппаратура LIGO детектирует гравитационные волны от столкновения черных дыр.

Глава 2 О пространстве и времени

Теория относительности, разработанная Эйнштейном в начале ХХ столетия, включает в себя две части: специальную и общую теорию относительности. Здесь мы познакомим вас с основными элементами этих двух теорий.

Очень специальная теория

Специальная теория относительности, которую Эйнштейн предложил в 1905 году, изменила наши представления о пространстве и времени.

Эйнштейн нарисовал новую картину Вселенной, в которой мы сталкиваемся с очень странными вещами, происходящими во время движения: часы опаздывают, линейки для измерения расстояний сжимаются, а массивные тела становятся еще более массивными. И все это объясняется двумя простыми постулатами: 1) скорость света остается постоянной, независимо от того, кто ее измеряет; 2) соблюдается принцип относительности, который гласит, что одни и те же законы физики действуют для всех наблюдателей, движущихся прямолинейно с постоянными скоростями.

Чтобы понять, почему это происходит, по традиции представим себе поезд (рис. 2.1). Наблюдатель Б (пусть его зовут Боб), который едет в поезде, устанавливает источник света в середине своего вагона. Этот источник посылает два световых луча в противоположных направлениях. С точки зрения этого наблюдателя, лучи достигнут противоположных концов вагона одновременно. Но стоящий на платформе наблюдатель А (по имени Алан) видит нечто другое. Сначала для него скорость каждого светового луча остается точно такой же, какой она видится Бобу. Но пока световые импульсы распространяются, поезд движется вперед. Алан видит, что луч света, направленный к задней стенке вагона, достигает его быстрее, чем луч света, направленный к передней стенке. Итак, два события, одновременные для одного человека, кажутся происходящими в разное время для другого. Одновременность относительна.

Рис. 2.1. В соответствии с принципом относительности события, одновременные для одного человека, могут казаться происходящими в разные времена для другого.

Если два наблюдателя не могут договориться о том, одновременно или нет происходят события, они не смогут договориться и о результатах измерений, касающихся времени. Этот феномен известен под названием «замедление времени». Пусть у наблюдателя Боба в поезде есть «световые часы», состоящие из двух зеркал и источника света. Эти точные часы измеряют время интервалами, которые требуются свету для того, чтобы пройти путь туда и обратно между двумя зеркалами, поставленными под прямыми углами к направлению движения поезда. Проход света от одного зеркала до другого и обратно равен одному «тику» часов. Наблюдатель Боб знает скорость света и расстояние между зеркалами, поэтому он знает время одного «тика».

Постоянная скорость

Но для Алана, стоящего на платформе, «световые часы» с двумя зеркалами двигаются вперед, поэтому путь, по которому проходит свет, лежит для него по двум сторонам треугольника. Этот путь длиннее, чем прямое расстояние между двумя зеркалами, находящимися в покое. Поскольку скорость света постоянна, один «тик» движущихся часов кажется Алану более длительным, чем один «тик» идентичных часов, расположенных на платформе.

Важно понимать, что ситуация является симметричной. Исходя из принципа относительности, наблюдатель Боб может считать, что поезд находится в состоянии покоя, а платформа движется. Проделав такие же расчеты, Боб установит, что часы Алана идут медленнее. Здесь нет никакого парадокса, если мы вспомним, что одновременность относительна. Мы не можем сравнить показания двух разделенных расстоянием часов в «один и тот же миг» до тех пор, пока не решим, что означает этот самый «один и тот же миг». Наши два наблюдателя, например, имеют разные точки зрения на этот счет.

Поскольку световой луч в движущихся часах движется по гипотенузам двух прямоугольных треугольников, легко вычислить величину замедления времени. Если v — это скорость движения часов, а с – скорость света, время растягивается на величину 1/(1–√v2/c2). Эта величина, известная как Лоренц-фактор, появляется во многих релятивистских расчетах.

Замедление времени

Замедление времени, которое таким явным образом проявляется в рассмотренных выше часах, на самом деле характерно для всех движущихся часов и процессов. Эксперименты с быстрыми и короткоживущими элементарными частицами показывают, что их время жизни действительно продлевается за счет Лоренц-фактора.

Давайте пока забудем о времени и поговорим о пространстве. Предположим, что на столике в купе поезда лежит длинная палка. Наблюдатель Алан может измерить длину палки, сосчитав, сколько «тиков» сделают часы на платформе, пока палка проезжает мимо определенной точки на платформе. Но для наблюдателя Боба часы Алана идут медленнее, поэтому в сравнении с его измерениями длина, измеренная Аланом, окажется меньше на тот же самый фактор 1/(1–√v2/c2).

Сжатие Лоренца – Фицджеральда также применимо и к поезду, и к самому Бобу. Все сжимается в направлении движения поезда. Конечно, при скоростях, гораздо меньших скорости света, этот фактор очень мал: даже для сверхзвукового реактивного самолета при числе Маха, равном 2, т. е. при скорости, в 2 раза превышающей скорость звука на уровне моря, сжатие составляет всего лишь две части на один триллион. Чем быстрее объект движется относительно наблюдателя, тем более он укорачивается, и его часы «тикают» все медленнее. При скорости света длина объекта в направлении движения становится равной нулю, а время для него останавливается.

Так как длина и время зависят от нашей системы отсчета, скорости не будут складываться привычным для нас образом. Пусть скорость поезда, на котором едет Боб, равна v1; Боб стреляет, и пуля летит вперед со скоростью v2, измеренной в поезде. Стоящий на платформе Алан увидит, что пуля летит не со скоростью v1 + v2, а более медленно. Скорость, которую он наблюдает, равна (v1 + v2):(1 + (v1v2): c2).

Это означает, что никакой инерциальный наблюдатель (движущийся с постоянной скоростью) не сможет увидеть, что пуля или любой другой объект движется быстрее скорости света. Например, если поезд и пуля движутся со скоростью 0,75 с, Алан увидит пулю, летящую со скоростью 0,96 с, а вовсе не 1,5 с.

Но что же происходит с энергией пули? Энергия должна сохраняться как для Боба, так и для Алана. Ружье сообщает пуле некую энергию, но с точки зрения Алана скорость пули возрастает недостаточно – количество затраченной энергии больше. Кинетическая энергия равна 1/2 mv2 (где m – это масса); поэтому, если скорость не выросла в достаточной мере, то должна увеличиться масса.

Таким образом, масса движущегося тела больше массы того же тела в состоянии покоя. По расчетам Эйнштейна, масса движущегося тела равна массе этого тела в покое, умноженной на знакомый уже нам фактор Лоренца.

Чудесный год

Год 1905 был для Эйнштейна annus mirabilis (годом чудесным), когда он, щеголеватый 26-летний молодой человек, напечатал четыре статьи, изменившие мир. 9 июня он опубликовал работу по фотоэлектрическому эффекту, сделав большой рывок в области квантовой физики. Он показал, что энергия распространяется в виде дискретных пакетов. Именно эта работа, а не теория относительности, принесла ему Нобелевскую премию. Через месяц вышла еще одна работа о теории броуновского движения – беспорядочного движения частиц в жидкостях и газах. 26 сентября была опубликована его работа по специальной теории относительности, а 21 ноября Эйнштейн сформулировал самое известное в мире уравнение: E = mc2.

Знаменитое уравнение

Возрастание массы оказывается равным возрастанию энергии, деленному на с2. Эйнштейн вывел, что масса в состоянии покоя эквивалентна энергии E/с2, иными словами, E = mc2.

Эта эквивалентность энергии и массы справедлива для всех форм энергии и дает исчерпывающий ответ на загадку радиоактивности. Французский физик Пьер Кюри (1859–1906) открыл в 1903 году, что 1 грамм радия излучает более 400 джоулей тепла в час. Откуда это тепло берется? Эйнштейн утверждал, что когда радиоактивный элемент распадается, часть его массы превращается в энергию согласно уравнению E = mc2. Если бы масса полностью превращалась в энергию, то одного грамма радия было бы достаточно, чтобы поддерживать в горячем состоянии однокиловаттный электрический обогреватель в течение 2850 лет.

Все невероятные предсказания специальной теории относительности были подтверждены экспериментально. Пользуясь специальной теорией относительности, английский физик Поль Дирак (1902–1984) объяснил в 1928 году поведение электронов. Его релятивистская версия квантовой механики позволяет понять поведение электронов в атомах и то, как они группируются в стабильных оболочках вокруг ядер, – основу химии. Таким образом, каждый химический процесс в нашем теле свидетельствует о мире, в котором все относительно – время, пространство, энергия и масса.

Математическое супружество

В теории Эйнштейна и пространство, и время теряют статус абсолютных атрибутов природы. Но немецкий математик Герман Минковский показал, как объединить пространство и время в нечто более фундаментальное.

Подумаем о том, как некий объект, подобный ручке половой щетки, может казаться длиннее или короче в зависимости от ее ориентации в пространстве (рис. 2.2). Сбоку вы увидите ее полную длину. При взгляде сверху длина пропадает вообще. Если смотреть под углом, то щетка укорачивается. Минковский указал, что все странные результаты специальной теории относительности можно понять, если представлять себе объект, по-разному ориентированный в четырехмерном пространстве-времени.

Что означает четырехмерная длина в применении к ручке метлы? Это значит, что для нас важно, в какие моменты времени мы наблюдаем концы этой ручки. Если мы будем проводить наблюдения в различные моменты времени, ручка будет иметь протяженность не только в пространстве, но и во времени.

Рис. 2.2. Иллюстрация Минковского к теории относительности

Поскольку свет проходит 300 000 км в секунду, одна секунда времени эквивалентна 300 000 километрам пространства. Естественно, наш повседневный опыт говорит нам, что пространство и время – разные категории, и это различие отражается в математике. В обычном трехмерном пространстве длина ручки метлы (s) выражается через интервалы по трем координатам x, y и z с помощью следующей формулы:

s2 = x2 + y2 + z2.

Однако в четырехмерном пространстве Минковского член уравнения, ответственный за время, не суммируется с другими членами, а вычитается из них. Истинная четырехмерная протяженность объекта равна:

s2 = x2 + y2 + z2 – c2t2.

Этот пространственно-временной интервал s одинаков для всех инерциальных наблюдателей. Хотя разные наблюдатели могут по-разному выражать длину одного и того же объекта и по-разному измерять скорость часов, закрепленных за этим объектом, точная комбинация пространственных и временных свойств объекта является однозначным мерилом его протяженности в пространстве-времени.

Вначале Эйнштейн отказывался относиться к этим рассуждениям серьезно, но позднее осознал, что идея Минковского дает ключ к общей теории относительности, позволяющий включить в уравнения гравитацию (см. далее).

Немного о теории гравитации

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна относится к крупнейшим научным достижениям физики XX века. Эта теория, опубликованная в 1916 году, открыла нам глаза на природу сил гравитации: оказывается, то, что мы воспринимаем как тяготение, фактически является следствием кривизны пространства и времени.

Озарение, которое помогло Эйнштейну начать работу над общей теорией относительности, пришло к нему, когда он осознал следующее: если человек окажется запертым в свободно падающем лифте, он не почувствует силы тяготения. Такой человек будет парить в невесомости и с легкостью отталкиваться то от пола, то от потолка кабины лифта. Теперь-то мы знаем, как это бывает у космонавтов: карандаши висят в воздухе, жидкости отказываются выливаться и т. д. Но Эйнштейну пришлось прибегнуть к силе воображения. Ему хватило гениальности, чтобы постичь значимость этого открытия. Если ускорение падающего лифта может в точности уравновесить силу тяготения, то сила тяготения и ускорение эквивалентны друг другу. Это и есть принцип эквивалентности (рис. 2.3).

Чтобы понять всю важность этой идеи, представим вместо лифта замкнутую лабораторию. Эта лаборатория находится внутри ракеты, ускоряющейся в пространстве под действием постоянной силы. Естественно, все в этой лаборатории падает на пол. Физики могут проводить в ней эксперименты по измерению силы, толкающей объекты вниз, но они не смогут сказать, за счет чего возникает эта сила: за счет ускорения или за счет гравитации.

Рис. 2.3. Принцип эквивалентности Эйнштейна: гравитация и ускорение производят одинаковые силы, и ни один эксперимент не может отличить их друг от друга

Самому находчивому из них приходит идея направить луч света через комнату под прямым углом к направлению действия ускорения. За время, в течение которого свет пересечет комнату, стена, на которую направлен свет, сдвинется по отношению к лучу света за счет ускоренного движения ракеты. Если теперь посмотреть на пятно света на стене, то покажется, что луч света изогнулся. Сможет ли в этом случае физик отличить ускорение от гравитации? Нет, говорит Эйнштейн: по принципу эквивалентности луч света будет изгибаться также и под действием силы гравитации.

Четыре измерения

Эйнштейн долго ломал голову над этой идеей, пока не предложил математическую теорию, которая объяснила изгиб света и многое другое (см. главу 1). Его картина Вселенной резко отличалась от обыденного восприятия пустого пространства, заменив его почти осязаемым континуумом четырех измерений – трех в пространстве и одного во времени. Эта картина основывается на идее Минковского о пространстве-времени как способе понять специальную теорию относительности, но если раньше пространство-время представлялось плоским, то теперь, в общей теории относительности, континуум может быть искривлен. И энергия, и давление могут искривить пространство-время, но на практике главной причиной кривизны являются масса и энергия вещества.

Рис. 2.4. Ткань реальности: массивные объекты искривляют пространство-время

Четыре измерения представить себе очень трудно, поэтому давайте вообразим двумерное резиновое полотно, туго натянутое на раму. Бросьте маленький шарик на полотно: он сделает небольшое углубление и покатится по прямой линии. А теперь положите туда же шар для боулинга. Он сильно прогнет полотно вниз, и маленький шарик покатится по искривленной траектории. Это и есть модель Эйнштейна для иллюстрации силы гравитации: объекты выбирают кратчайший путь, называемый геодезической линией, сквозь искривленное пространство-время. Это в равной степени относится к шарику, планете или лучу света.

Наиболее впечатляющим следствием такого свойства природы является гравитационная линза, когда, например, скопление галактик или другая концентрация масс изгибает и фокусирует свет от удаленного объекта и создает два (или более) изображения этого объекта на небе, иногда даже размывая это изображение до формы светящейся окружности, известной как кольцо Эйнштейна.

В тех случаях, где гравитация слаба, теория относительности и закон всемирного тяготения Ньютона дают одинаковые результаты: сила притяжения между телами уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Но в сильном поле тяготения обнаруживаются новые эффекты. Для Меркурия, который расположен близко к Солнцу, это проявляется в виде сдвига его орбиты. До появления теории относительности этот феномен был большой загадкой для ученых (см. «Свет изгибается» в главе 1).

Самые большие отклонения от закона тяготения Ньютона можно ожидать вблизи черной дыры. Черная дыра так сильно изгибает пространство-время вокруг себя, что полностью закрывается от остальной Вселенной. Если вспомнить аналогию с резиновым полотном, черная дыра создает глубокое жерло в ткани пространства, из которого ничто, даже свет, не может ускользнуть. В самом центре черной дыры, в точке, известной как сингулярность, плотность становится бесконечной. К ней не применимы ни аналогии, ни уравнения.

Модель Вселенной

Конечно, теория претендует на описание всей Вселенной. Но на первых порах, когда Эйнштейн пытался с ее помощью создать математическую модель Вселенной, он столкнулся с одной проблемой. В 1917 году здравый смысл говорил однозначно: Вселенная статична. А уравнения общей теории относительности настаивали на том, что она должна либо расширяться, либо сжиматься. Единственный способ, с помощью которого Эйнштейн мог «удержать» Вселенную в статичном состоянии, это ввести дополнительный член в свои уравнения, так называемую космологическую постоянную. Ровно 12 лет спустя наблюдатели в Калифорнии под руководством Эдвина Хаббла (1889–1953) впервые обнаружили, что Вселенная расширяется. Если снова прибегнуть к аналогии с резиновым полотном, то можно сказать, что она постоянно расширяется во всех направлениях. Это означает не только то, что далекие галактики удаляются от нас, но и то, что длина волны по мере распространения света «растягивается», что приводит к ее смещению в красную сторону спектра.

Та же самая аналогия помогает нам представить, как возникают гравитационные волны. Когда глыба вещества вибрирует, она создает рябь на поверхности полотна, и эта рябь заставляет вибрировать другие тела. Гравитационные волны очень слабые, но ученые все-таки смогли их обнаружить в 2016 году (см. главу 4). Общая теория относительности Эйнштейна не подвергается теперь никаким сомнениям и считается наилучшей теорией для объяснения гравитации и Вселенной в целом.

Как понять концепцию относительности?

Мы привыкли, что пространство и время – это просто. Мы довольно свободно перемещаемся во всех трех измерениях пространства, но иногда испытываем душевную боль, осознавая безжалостное течение времени. C’est la vie.

Но так ли это? Сто лет тому назад Эйнштейн перевернул наше мироощущение. Вначале своими теориями относительности он запретил всему на свете двигаться быстрее скорости света, а затем связал пространство и время в одно-единственное пространство-время, которое может деформироваться под действием гравитации. Всевозможные изгибы, возникающие в специальной и общей теориях относительности Эйнштейна, делают интервалы как в пространстве, так и во времени зависимыми от того, где мы их измеряем. Каждому из двух наблюдателей с фонарями, которые едут в быстро движущихся поездах, может показаться, что первым фонарь зажег не он. И каждый из них будет прав со своей точки зрения.

Фильм «Интерстеллар» (2014) основан на правдоподобной, согласно Эйнштейну, предпосылке, что при путешествии со скоростью, близкой к скорости света, или при движении в сильном гравитационном поле, таком как у черной дыры, мы стареем медленнее, чем люди, оставшиеся на Земле (рис. 2.5). Однако технологически это вряд ли выполнимо. Но не обязательно отправляться в столь далекое путешествие, чтобы увидеть некоторые реальные проявления теории относительности. Космонавты на Международной космической станции стареют немного меньше благодаря скорости, с которой они путешествуют, но немного больше из-за отсутствия притяжения Земли. Эти эффекты не вполне уравновешивают друг друга. Каждый космонавта МКС, который пребывает на орбите не менее полугода, получает «возрастной выигрыш» в размере 0,007 секунды в сравнении с теми, кто остается на Земле.

На первый взгляд, теория относительности кажется полной парадоксов, пока мы не задумаемся внимательно о том, как наше собственное движение влияет на наше восприятие течения времени для других; а также над тем, что и другие могут видеть, что наше время течет по-иному.

Теории относительности Эйнштейна – специальная и общая – охватывают два эффекта, которые влияют на наше восприятие пространства и времени (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Научная основа фильма «Интерстеллар»

Противники теории относительности

Когда людям не нравится то, что утверждает наука, они вспоминают о теориях заговоров и информационных войнах, обращаясь к лженауке. Это подметил еще Эйнштейн. «Наш мир похож на сумасшедший дом, – писал он в 1920 году своему другу Марселю Гроссману. – Каждый кучер и каждый официант рассуждает о справедливости теории относительности. Причем их вера основывается на их политических убеждениях».

Эйнштейн получал много писем от дилетантов, которые утверждали, что опровергли его теорию. В 1920-е годы сформировалось даже антирелятивистское движение, которое включало в себя профессоров физики и Нобелевских лауреатов. Их тактика была во многом схожа с тактикой нынешних креационистов и противников глобального потепления.

Среди критиков теории Эйнштейна выделялся Эрнст Герке (1878–1960), физик, работавший в Имперском техническом институте в Берлине. Подобно многим экспериментаторам, он чувствовал себя некомфортно перед лицом теории, которая изменяла фундаментальные основы пространства и времени. В 1921 году он заявил, что отказ от идеи абсолютного времени угрожает базовому представлению о причинно-следственных связях. Вначале его возражения прозвучали со страниц научных журналов. Но после того, как ключевое предсказание общей теории относительности было подтверждено во время солнечного затмения 1919 года (см. главу 1) и об Эйнштейне заговорили во всех средствах массовой информации, дебаты приобрели характер широкого общественного обсуждения.

Полемика, развернувшаяся в Германии, приобрела особый размах в 1920 году, когда в зале Берлинской филармонии прошла серия публичных выступлений, посвященных развенчанию теории Эйнштейна. Среди прочих лекций следует отметить доклад Герке, который повторил свои аргументы, довольно безуспешно выдвигавшиеся уже несколько лет, а также эмоциональную речь немецкого ученого Пола Вейланда (1888–1972), активиста-антисемита, который и организовал слушания. Происходящие события заставили Эйнштейна задуматься об эмиграции из Германии.

Герке находился в контакте с широким кругом оппонентов Эйнштейна, от астрономов и философов до школьных учителей, включая лауреатов Нобелевской премии, физиков Йоханнеса Штарка и Филиппа Ленарда. Была создана организация под названием Академия наций, которая своим титулом и официальными документами пыталась создать о себе впечатление полноценной академии наук. А фактически она объединяла вокруг себя международную сеть противников Эйнштейна. Ее основателем был некто Арвид Рейтердаль (1876–1933), американский ученый шведского происхождения, декан факультета машиностроения и архитектуры в Университете святого Томаса в Сан-Пауло (штат Миннесота, США).

Обеспокоенная тем, что наука становится узкоспециализированной, Академия наций поставила своей целью воссоединить различные отрасли знания путем интеграции научных открытий и придать им оттенок религиозного толкования окружающего мира. Для Рейтердаля ничто лучше не символизировало современную специализацию и непостижимость науки, чем теория относительности. Почти половина всей деятельности Академии наций сводилась к полемике с теорией Эйнштейна. Клеветническая кампания, которой дирижировала эта якобы почтенная научная академия, показывает, что Эйнштейн имел дело с непримиримыми противниками.

«Безумная причуда»

Американская секция Академии включала некоторых действительно выдающихся ученых, таких как астроном Томас Си (1866–1962) из Военно-морской обсерватории США в Мар-Айленде (штат Калифорния). В начале 1920-х годов он опубликовал несколько статей, в которых обвинял Эйнштейна в плагиате и называл его теорию «безумной причудой».

Рейтердаль стремился наладить контакты с оппонентами Эйнштейна во всем мире, и в 1921 году он обратился к Герке с идеей организовать немецкое отделение Академии. Первыми «рекрутами» Герке были немецкие физики, утверждавшие, что нет никакой необходимости в теории относительности, поскольку классическая физика может объяснить результаты всех астрономических наблюдений. Философы, инженеры и врачи также объединились против Эйнштейна; к ним примкнул даже генерал-лейтенант в отставке.

Почему же возникло это противостояние между дилетантами и учеными? Определяющей причиной было то, что оппоненты Эйнштейна были действительно обеспокоены будущим науки. Все усложняющийся математический аппарат теоретической физики противоречил той точке зрения, что наука должна быть простой механикой, понятной образованному неспециалисту. Теория относительности была угрозой, это была теория, которую могут понять «только 12 мудрецов», как заявил Эйнштейн на страницах New York Times в 1919 году (рис. 2.6). Казалась, возрастающая роль новейшей математики разъединяет физику и реальность.

Кроме того, 1920-е годы были нестабильными для Германии, с гиперинфляцией, политическими потрясениями, радикальными изменениями в культуре, такими как дадаизм и экспрессионизм. В этом непостоянном мире люди хотя бы в науке пытались найти твердую почву, на которую можно опереться.

Некоторые оппоненты нападали на Эйнштейна как на личность – демократа, пацифиста, еврея. Другие обращались к антисемитским теориям заговора. Рейтердаль писал в 1923 году: «Наша беда заключается в том, что все научные журналы в Америке закрыты для антирелятивистов и подвержены еврейскому влиянию. Ежедневная пресса почти полностью находится под контролем евреев».

Рис. 2.6. Заголовки в New York Times, сообщающие о подтверждении общей теории относительности Эйнштейна в результате наблюдения полного солнечного затмения на острове Принсипи в 1919 году (см. главу 1)

К середине 20-х годов XX столетия противники теории относительности начали получать повсеместный отпор, и большинство из них уже не осмеливались публично нападать на теорию относительности. Многие попросту отказались от борьбы, и Академия наций перестала выполнять свою функцию центрального организатора кампании против Эйнштейна. Хотя и по сей день встречаются люди, которые высказываются против теории относительности. На сайте Консервапедия (Conservapedia) написано, что теорию относительности «активно поддерживают либералы». Там же можно найти 32 причины, по которым эта теория неверна. Но сейчас, по крайней мере, не так много людей науки поддерживают антирелятивизм, и это течение гораздо менее распространено, чем в 1920-е годы. Вряд ли сегодня вы встретите официанта, желающего подискутировать о справедливости теории относительности.

Куда могут завести рассуждения об искривлении пространства-времени?

Этот вопрос сродни тому, над которым космологи ломают голову вот уже сто лет. Только они формулируют его немного иначе: «Если пространство расширяется, то во что оно расширится?» Краткий ответ заключается в следующем: оно не должно расширяться ни во что.

Для того чтобы понять, как расширяется пространство, мы часто пользуемся двумерной аналогией. Например, если надувать воздушный шарик, отдельные точки на его поверхности будут удаляться друг от друга. Двумерная поверхность шарика служит аналогом наших трех измерений в пространстве. Конечно, мы видим, что шарик расширяется в другое измерение. Но если бы мы находились внутри, мы по-прежнему могли бы получать сведения о двумерной поверхности и о том, как она искривляется. Мы могли бы изучать свойства отдельных точек на поверхности и то, как ведут себя искривленные линии и углы по мере расширения шарика. По этим данным можно сделать вывод, насколько поверхность шарика отличается от плоского листа бумаги, не задумываясь о более высоких размерностях.

Здесь мы сталкиваемся с тем, что называется внутренней кривизной поверхности шарика. Подобным образом, изменения в пространстве-времени, вызванные массивными телами или гравитационными волнами, можно описать с помощью внутренней кривизны пространства-времени. Для этого нам нужны только три измерения в пространстве и одно во времени.

Однако, хотя более высокие измерения и не являются необходимыми, они вполне могут существовать. Некоторые умозрительные физические теории рассматривают Вселенную как искривленную мембрану (для краткости – «брану»), которая плавает в пространстве большего количества измерений.

Глава 3 Черные дыры

За последние сто лет черные дыры превратились из сомнительной выдумки в объекты, играющие центральную роль в нашем понимании мира. Что же они собой представляют и что происходит, когда они начинают поглощать вещество?

Искривленное пространство-время

Зимой 1915–1916 года физик Карл Шварцшильд (1873–1916) служил в рядах немецкой армии и оказался на русском фронте. Оттуда он направил несколько своих работ Альберту Эйнштейну. Шварцшильд предложил первое решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна и показал, что происходит с пространством-временем внутри и вне массивного объекта. В данном случае он рассмотрел полностью сферическую невращающуюся звезду. Это открытие потрясло Эйнштейна.

Он не был бы так восторжен, если бы знал, какое предсказание последует в конце концов из работы Шварцшильда. Сделайте звезду очень массивной или плотной, и она создаст такое сильное гравитационное поле и так искривит пространство-время, что даже свет не сможет вырваться из ее объятий.

Спустя всего несколько месяцев после переписки с Эйнштейном Шварцшильд скончался. И разбираться с деталями курьезных объектов, известных как сингулярности Шварцшильда, пришлось другим ученым. Главным из них был молодой индийский физик по имени Субраманьян Чандрасекар (1910–1995). В 1930 году он сел на корабль, направлявшийся в Соединенное Королевство, где получил стипендию для обучения в Кембриджском университете. Коротая время в 18-дневном путешествии, он изучал свойства звезд, называемых белыми карликами. Он обнаружил, что, если бы эти звезды имели массу, превосходящую солнечную более чем в 1,4 раза, они бы схлопнулись под действием собственной гравитации и образовали бы сингулярность Шварцшильда.

Поначалу молодому ученому не удалось доказать свою правоту. На совещании Королевского астрономического общества в 1935 году именитый астрофизик Артур Эддингтон заявил, что «должен существовать закон природы, предохраняющий звезды от такого безрассудного поведения». В 1939 году Эйнштейн сам опубликовал статью, в которой объяснил, почему сингулярности Шварцшильда могут существовать лишь как плод умствований теоретиков.

Коллапсирующие звезды

Ситуация оставалась безнадежной вплоть до 1960-х годов, когда физик Роджер Пенроуз (род. 1931) доказал, что черные дыры – этот термин появился примерно в это же время и был введен в обиход астрофизиком Джоном Уилером (1911–2008) – являются неизбежным следствием коллапса массивных звезд. В центре черной дыры различные физические величины, а вместе с ними и кривизна пространства-времени, становятся бесконечными, нарушая условия, при которых соблюдаются уравнения общей теории относительности. Кроме того, внутренности черной дыры будут постоянно скрыты за горизонтом событий поверхностью, откуда не возвращается свет. Это также означает, что ничто из того, что происходит внутри, не может влиять на события вне звезды, поскольку ни материя, ни энергия не могут вырваться наружу.

Хотя мы не можем непосредственно наблюдать черную дыру, в 1970 году астрономы при изучении компактного объекта в созвездии Лебедя увидели рентгеновские струи. Это согласовывалось с теоретическими предсказаниями о возникновении излучения от горячего вещества, падающего по спирали по направлению к горизонту событий. С тех пор наша уверенность в существовании черных дыр только окрепла.

Однако характеристики черных дыр по-прежнему являются объектом горячих дискуссий, в том числе из-за того, что попытки объединить общую теорию относительности с квантовой теорией, которая объясняет поведение вещества на атомном и внутриатомном уровне, по-прежнему безуспешны. Градус дискуссии повысился в 1970-е годы, когда физики Яаков Бекенштейн (1947–2015) и Стивен Хокинг (1942–2018) показали, что черные дыры должны иметь некоторую температуру. Тела с температурой обязательно обладают энтропией, а в квантовой механике энтропия – мера беспорядка – предполагает существование микроструктуры. Между тем уравнения Эйнштейна описывают черные дыры как гладкие, безликие искажения пространства-времени. Хокинг также показал, что квантовые эффекты внутри и вокруг горизонта событий предполагают, что черная дыра должна непрерывно испаряться, испуская поток фотонов и элементарных частиц, называемый сейчас излучением Хокинга.

Парадокс «огненной стены»

Если черная дыра в конце концов истончается и превращается в ничто, что тогда происходит с веществом, которое падает на нее? На фундаментальном уровне материя и энергия несут информацию, а квантовая механика утверждает, что информация не может быть уничтожена. Возможно, закодированная информация ускользает наружу вместе с излучением Хокинга, но эта идея упирается в другую проблему: это приводит к тому, что черную дыру должна окружать «огненная стена» из пылающих частиц с большой энергией, что опять-таки противоречит общей теории относительности.

Парадокс «огненной стены» (файервол) до сих пор является предметом жарких споров. Одним из перспективных и заманчивых предположений по поводу того, как можно разрешить парадокс, является следующее: гладкая ткань эйнштейновского пространства-времени возникает из частиц внутри и вне горизонта событий, квантово-механически связанных друг с другом через структуры, известные как кротовые норы. В августе 2015 года Хокинг выдвинул еще одну идею, согласно которой информация никогда на самом деле не поглощается черной дырой. Она продолжает упрямо присутствовать на горизонте событий черной дыры в искаженной форме, трудно поддающейся расшифровке. Через месяц после этого Нобелевский лауреат Герард’т Хоофт (род. 1946) из Утрехтского университета в Нидерландах предположил, что при падении материи и энергии внутрь горизонта событий содержащаяся в них информация просто отскакивает назад.

Исследуя невидимое

Измерение параметров черных дыр вызывает большие затруднения. По определению черная дыра не может излучать свет, поэтому мы не можем просто наблюдать ее в телескоп. Но мы можем видеть ее гравитационные эффекты.

В 1971 году было объявлено, что объект под названием Лебедь X-1 является черной дырой звездной массы (возникшей в результате гравитационного коллапса массивной звезды), так как этот объект оказывал сильное гравитационное влияние на соседнюю звезду. Три года спустя последовало открытие Стрельца A*, сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Орбиты окружающих ее звезд свидетельствуют о том, что там находится нечто очень массивное, что-то, чья масса в четыре миллиона раз превосходит массу Солнца.

Существуют и другие способы обнаружения черных дыр. Хотя горизонт событий не может излучать свет, многие черные дыры окружены аккреционными дисками из газа, падающего по спирали на черную дыру. Эти горячие диски излучают в широком диапазоне частот, от радиоволн до видимого и рентгеновского диапазона. А если черная дыра вращается вокруг своей оси, она может испускать огромные струи вещества.

Вскоре мы сумеем подобраться гораздо ближе к тому, чтобы реально увидеть черную дыру. Проект под названием «Телескоп горизонта событий» имеет своей целью сделать снимки Стрельца A* и других сверхмассивных черных дыр (см. интервью о фотографировании черных дыр ниже). И мы собираемся многое узнать о черных дырах с помощью гравитационных волн (см. главу 4). Возможно, этого окажется достаточно, чтобы узнать, что реально происходит на горизонте событий.

Некоторые ученые вообще избегали исследования этих проблем, по-прежнему считая, вслед за Эддингтоном и Эйнштейном, что черных дыр не существует. В 2014 году Лаура Мерсини-Хоутон из Университета Северной Каролины (Чапел Хилл) выступила с заявлением, что массивные звезды не могут коллапсировать в черные дыры, – излучение Хокинга во время коллапса просто не дает звезде превратиться в черную дыру. Следовательно, горизонта событий и сингулярностей не существует.

Но мало кто согласен с этим мнением. Напротив, парадокс «огненной стены» открыл новые возможности тем, кто пытается объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. В этой схватке между квантовой механикой и общей теорией относительности чаша весов, по-видимому, склоняется в сторону первой, так как, за исключением гравитации, она вполне успешно описывает все остальные силы природы. Наверное, это не порадовало бы Эйнштейна, который считал и черные дыры, и квантовую механику излишним мудрствованием. Не исключено, что черные дыры окажутся тем самым предсказанием, которое уничтожит его теорию.

Когда сталкиваются черные дыры

Представьте ситуацию: по соседству с нами возникла совершенно новая, никому не знакомая черная дыра с массой 140 миллионов солнечных масс. Эта «дерзкая выскочка» в 35 раз массивнее черной дыры, которая правит бал в центре Млечного Пути. А теперь давайте познакомимся с реальным чемпионом: с черной дырой, чья масса составляет 18 миллиардов солнечных масс.

Чтобы попасть в первые ряды зрителей этого космического матча по боксу, вам надо (осторожно) приблизиться к объекту OJ 287 в центре галактики, находящейся на расстоянии 3,5 миллиарда световых лет от нас. Здесь более мелкая черная дыра вращается вокруг своего крупного противника. С каждым витком она все больше и больше приближается к нему с тем, чтобы полностью раствориться в его объятиях через 10 000 лет. Но пока у нас еще есть возможность полюбоваться восхитительным поединком.

Несмотря на то, что эта двойная система из черных дыр находится так далеко, OJ 287 выделяет достаточно энергии, чтобы быть видимой на небе так же хорошо, как и Плутон. Астрономы снимают ее на фотопластинки начиная с 1880-х годов, но впервые она привлекла внимание Маури Валтонена в обсерватории Туорла в Турку (Финляндия) почти столетие спустя. Группа астрономов под его руководством обратила внимание на то, что в отличие от других объектов в центрах галактик, которые вспыхивают и затухают спорадически, этот объект придерживался строгого расписания. Примерно через каждые 12 лет на его месте наблюдается вспышка. Интервал между вспышками становится короче на 20 дней с каждым циклом. За те несколько десятков лет, в течение которых мы наблюдаем эту картину, мы проделали большой путь к выяснению того, за счет чего это происходит.

Объект OJ 287 – это своеобразная витрина того, что происходит в галактиках по всей Вселенной. Галактики растут, поедая себе подобных, и почти все они имеют в своем центре сверхмассивную черную дыру. Когда две галактики объединяются, их черные дыры либо вступают в схватку и борются до тех пор, пока одна из них не будет отброшена гравитационным толчком соперницы, либо они начинают по спирали приближаться друг к другу, пока не сольются в еще более крупную черную дыру.

Меньшая черная дыра в OJ 287 находится на пути полного слияния с более крупной черной дырой. Более массивная черная дыра растет также за счет окружающего диска из газа и пыли, которые постепенно оседают на ней. Каждый раз, когда менее массивная черная дыра заканчивает виток по орбите, она с грохотом проносится через этот диск на сверхзвуковых скоростях. Этот мощный удар раздувает пузырь горячего газа, который затем расширяется, истончается и испускает поток ультрафиолетового излучения. Даже если вы находитесь на расстоянии 36 световых лет от этого источника, вы загорите быстрее, чем на Земле от солнечных лучей.

Хотя эти вспышки и производят огромное впечатление, орбитальный танец черных дыр излучает энергию в десятки тысяч раз более мощную, чем волнообразные колебания в пространстве-времени, называемые гравитационными волнами (см. главу 4). Конец менее массивной черной дыры предрешен. Гравитационные волны уносят энергию с орбиты двойной системы, пара черных дыр сближается друг с другом, и каждый последующий виток становится короче.

В 2015 году лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, США) предсказала, какова будет финальная стадия эволюции OJ 287. Дважды обсерватория регистрировала гравитационные волны от двойных систем, состоящих из черных дыр на конечных этапах эволюции, в которых каждая черная дыра в десятки раз превосходила Солнце, а затем оставался отголосок только от одной из них.

В системе OJ 287 черные дыры гораздо массивнее, и, как следствие, конечное слияние двух черных дыр в сердце объекта OJ 287 будет посылать гравитационные сигналы на частотах, слишком низких для приемников LIGO. Но конец будет таким же. Где бы на просторах Вселенной ни схлестнулись две черные дыры из двух различных галактик, в итоге останется только одна, самодовольная и надежно закрепившаяся в центре.

Интервью: фотографирование гигантов

Дэн Маррон – астроном из Обсерватории Стюарта Аризонского университета. Он является участником проекта «Телескоп горизонта событий», цель которого – сделать первый снимок черной дыры.

Черная дыра по определению черная. Как же вы хотите ее сфотографировать?

Если вы посмотрите непосредственно на черную дыру, она действительно будет выглядеть темной, поскольку свет она не испускает. Но вокруг нее вы увидите яркое кольцо, образованное фотонами, которым повезло не попасть внутрь черной дыры и которые пару раз проскользнули по краю. Нам представляется, что именно этот свет мы сможем увидеть в наш «Телескоп горизонта событий» (EHT, Event Horizon Telescope).

Телескоп EHT является «телескопом всей Земли». Как он работает?

В радиоастрономии, чтобы получить разрешение лучшее, чем от одного телескопа, вы записываете сигналы от многих телескопов по всему земному шару и складываете их друг с другом. У вас получается как бы один телескоп размером со всю Землю.

Какие черные дыры являются вашей целью?

Наша цель – Стрелец A*, сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики, а также черная дыра в центре M87, крупнейшей галактики в скоплении галактик Девы. С помощью телескопа размером с Землю и на частотах наших наблюдений мы можем наблюдать черные дыры именно такого размера.

Любое изображение черной дыры до сих пор было лишь плодом воображения художника. Совпадет ли реальность с ожиданиями?

Вопрос о создании образа на основании наших измерений – вопрос щекотливый. Цвета нашего изображения будут весьма условными и будут передавать лишь яркость изображения в том или ином месте. Наше изображение будет далеко не так красиво, как у художника. Галактика размывает свет, идущий к нам от черной дыры, поэтому многие особенности мы просто не увидим. Но любая картинка не разочарует нас – ведь мы увидим то, что никто еще никогда не видел.

А как насчет того, чтобы снять видеоролик, что-то типа фильма «Черная дыра»?

Да, мы сможем сделать это, если вокруг черной дыры что-то вращается, как мы и ожидаем. Если вокруг черной дыры вращается газ, то ему для падения на черную дыру понадобится от четырех до двадцати семи минут в зависимости от скорости вращения черной дыры. Если мы будем наблюдать несколько дней и увидим изменения в структуре, мы сможем представить это как видеоролик.

Что вы надеетесь узнать из этого изображения?

Будет важна сама возможность просто сфотографировать черную дыру и показать тень на том месте, откуда не может вырваться свет. Кроме того, нам нужно многое узнать о структуре черной дыры в нашей собственной галактике и о том, что происходит с черной дырой, когда ей не хватает «питательного материала», что, по-видимому, имеет место в Стрельце A*.

Мы также ожидаем, что сможем проверить общую теорию относительности, которая утверждает, что кольцо света вокруг черной дыры должно быть совершенно круглым. Если теория относительности не работает в таком мощном гравитационном поле, где гравитация достигла своих пределов, тогда кольцо света не будет совершенно круглым.

Скрываются ли другие вселенные за черными дырами?

На ранних порах космической молодости причуды пространства-времени могли создать кротовые норы, связывающие нас с обширной мультивселенной. Если это действительно так, теория может помочь объяснить, каким образом сверхмассивные черные дыры в центрах галактик так быстро достигли своих размеров, и это означало бы, что каждая из этих гигантских черных дыр скрывает внутри себя целую вселенную.

Идея о том, что наша Вселенная – всего лишь одна из ошеломительно большого количества вселенных, следует из космологической теории вечной инфляции. Эта теория была выдвинута в 1980-е годы для объяснения некоторых загадочных результатов наблюдений, которые не могла объяснить теория Большого взрыва. Она предполагает, что далеко-далеко за пределами нашей Вселенной пространство-время расширяется по экспоненте, удваиваясь в объеме каждую долю секунды. Время от времени новый «пузырь» пространства-времени выпадает из этого сумасшедшего процесса расширения, чтобы основать клочок более спокойного пространства, как сделала наша Вселенная почти 14 миллиардов лет назад. Но даже после того, как быстрое расширение заканчивается в новой вселенной, другие вселенные-младенцы продолжают рождаться в других местах, умножая распростертую во все стороны мультивселенную.

На что похоже падение в черную дыру?

При отсутствии достоверных свидетельств очевидцев в ответе на этот вопрос мы должны полагаться на теорию относительности.

Теория относительности говорит, что с точки зрения стороннего наблюдателя вы никогда полностью не упадете в дыру. По мере того, как вы (вернее, ваше изображение) приближаетесь к горизонту событий, притяжение черной дыры начнет выкидывать шутки со временем. Для внешнего наблюдателя ваш образ вместо того, чтобы стремительно падать вниз, начнет замедлять падение, все медленнее и медленнее приближаясь к горизонту событий, но никогда не достигая его до конца. Вместе с тем ваш образ «краснеет», затем «инфракраснеет», а после вообще превращается в радиоволну с постоянно растущей длиной.

Лично для вас падение будет выглядеть по-другому, но подробности нам не известны. По мере того, как вы будете приближаться к дыре, россыпь звезд и галактик на небе начнет коробиться и «синеть», становясь яркой до изнеможения. Согласно вашим часам и ощущениям, вы быстро достигнете горизонта событий. Вы можете преодолеть его без единой царапины, а можете и столкнуться с «огненной стеной» и распасться на элементарные частицы. Если вы выживете, то, вероятно, дойдете почти до центра черной дыры, где градиент силы притяжения настолько силен, что разорвет вас на куски в процессе, который получил название «спагеттификация». Но некоторые теории утверждают, что вас может выбросить через кротовую нору в новую вселенную, где, скорее всего, вашим рассказам никто не поверит.

Александр Виленкин (род. 1949) из Университета Тафтса в Медфорде (штат Массачусетс, США) и его коллеги задались вопросом: смогут ли они обнаружить признаки существования мультивселенной? Они построили математическую модель и проанализировали судьбу пузырей, образованных во время инфляции. Они обнаружили, что некоторые отделившиеся пузыри будут сформированы наполовину: в них будет продолжаться инфляция, хотя и с другой скоростью. Некоторые из них попадут в наш уголок пространства, а когда он полностью прекратит раздуваться, эти «недоделанные» пузыри прочно застрянут в нем. Нам они будут казаться черными дырами. Пузыри, образовавшиеся сравнительно поздно, будут меньше; они должны будут коллапсировать в стандартные черные дыры, внутри которых не будет ничего, кроме бесконечно плотной точки – сингулярности. Но пузыри, образовавшиеся ранее, будут больше, создавая более крупные черные дыры. Внутри этих пузырей раздувающееся пространство-время может породить свою собственную мультивселенную.

Анализ предполагает, что наша Вселенная должна иметь характерное распределение черных дыр. Чем больше масса черной дыры, тем больше таких дыр должно быть в нашей Вселенной, и так до определенного критического значения, после которого число дыр должно падать. Такой подход может помочь решить многолетнюю загадку. До сих пор астрофизикам было трудно понять, как сверхмассивным черным дырам удалось дорасти до таких размеров на столь ранних этапах космической истории. В соответствии с новой теорией большие черные дыры должны были сформироваться в первые моменты Большого взрыва как отдельные вселенные-пузыри. Эти гиганты и могли стать сверхмассивными черными дырами, которые мы видим сегодня в ядрах галактик, включая наш Млечный Путь.

Данная теория также может помочь разобраться с парадоксом потери информации черной дырой, о котором физики дискутируют уже несколько десятилетий. И, конечно, наша собственная Вселенная вполне может выглядеть как черная дыра для физиков из какой-нибудь другой вселенной.

Интервью: Стивен Хокинг

Стивен Хокинг, один из величайших физиков в мире, известен своими работами по черным дырам. В преддверии его 70-летия в 2012 году журнал New Scientist взял у него интервью по электронной почте (когда Хокингу исполнился 21 год, у него было диагностировано заболевание двигательных нейронов, и общение с ним можно было осуществить только с помощью датчика, управляемого сокращением мышц его щеки). Его ответы на вопросы дополнены комментариями журнала New Scientist.

Какое событие, с вашей точки зрения, было наиболее выдающимся в физике за годы вашей работы?

Открытие малых вариаций температуры космического микроволнового фона, сделанное космической обсерваторией COBE (Cosmic Background Explorer), и последующее подтверждение космическим аппаратом WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) того, что эти вариации прекрасно согласуются с предсказаниями теории инфляции. Космическая обсерватория «Планк» может обнаружить следы гравитационных волн, предсказанных теорий инфляции. И тогда все небо будет свидетелем справедливости теории квантовой гравитации.

[Спутники COBE и WMAP измеряли космический микроволновой фон (КМФ) – послесвечение, оставшееся от Большого взрыва, которое пронизывает все пространство. Его температура практически не меняется. Этот факт активно поддерживает теорию инфляции, которая предполагает, что вселенная в своем развитии прошла через период ускоренного расширения сразу после Большого взрыва, в результате чего все ее неровности были разглажены. Если инфляция действительно имела место, то она должна была вызвать рябь – гравитационные волны – в пространстве-времени. Они бы привели к вариациям КМФ, настолько слабым, что до настоящего времени их не обнаруживали. И после этого интервью спутник Европейского космического агентства «Планк» безуспешно искал эти волны. Предполагается, что другие создаваемые телескопы будут более точными, чем «Планк» (см. главу 5).]

Эйнштейн называл космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой». Как вы считаете, что было вашей «самой большой ошибкой»?

Раньше я думал, что информация разрушается в черных дырах. Но AdS/CFT соответствие заставило меня изменить эту точку зрения. Это и было моей самой большой ошибкой, по крайней мере, в науке.

[Черные дыры пожирают все, что оказалось слишком близко к ним, включая информацию. Но в 1975 году совместно с израильским физиком Яаковом Бекенштейном Хокинг показал, что черные дыры медленно излучают, что приводит к их испарению и в конечном итоге к исчезновению. А что происходит с информацией, которую они поглощают? В течение нескольких десятков лет Хокинг утверждал, что информация разрушается, а это противоречило идеям непрерывности и причинно-следственной связи. Однако в 1997 году теоретик Хуан Малдасена разработал математическую теорию, упростившую подход к конформной теории поля, так называемую антидеситтеровскую модель (Anti-de Sitter/conformal field theory correspondence (AdS/CFT)). Этот подход связывает события внутри искаженной геометрии пространства-времени (как, например, в черной дыре) с более простой физикой на границах этого пространства.

В 2004 году Хокинг использовал эту теорию и показал, как информация может просачиваться назад из черной дыры в нашу Вселенную через квантово-механические пертурбации на границе черной дыры, т. е. на ее горизонте событий. Из-за этой ошибки Хокинг проиграл пари своему коллеге-теоретику Джону Прескиллу, заключенное десятилетием раньше.]

Какое открытие будет самым революционным с точки зрения нашего понимания Вселенной?

Открытие суперсимметричных партнеров известных фундаментальных частиц, возможно, на Большом адронном коллайдере (БАК). Это будет сильным свидетельством в пользу М-теории.

[Поиск суперсимметричных частиц – это главная цель БАК в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Стандартная модель физики элементарных частиц будет окончательно сформирована, когда будет найден бозон Хиггса. Но у нее есть много проблем, которые будут разрешены, если обнаружится, что все известные элементарные частицы имеют более тяжелых «суперпартнеров». Наличие суперсимметрии подкрепило бы М-теорию, 11-мерную версию теории струн, которая на сегодняшний момент является наилучшей попыткой создать теорию всего, объединяющую гравитацию с другими силами природы.]

Представьте себе, что вы – молодой начинающий физик. Что бы вы стали изучать?

Я бы хотел иметь новую идею, которая открыла бы новое поле для исследований.

Глава 4 Гравитационные волны

Уже более века мы знаем, что на свете должны существовать гравитационные волны, но эта рябь в пространстве и времени была обнаружена только в 2016 году, когда лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) сумела зафиксировать характерные слабые растяжения и сжатия пространства-времени, вызванные движением массивных объектов.

Открытие гравитационных волн

Когда 11 февраля 2016 года физики объявили, что им впервые удалось зарегистрировать гравитационные волны, это вызвало сенсацию среди ученых во всем мире. Гравитационные волны помогут нам в исследовании фундаментальных физических законов, в изучении самых таинственных объектов во Вселенной и даже, возможно, прольют свет на самые ранние периоды ее жизни. Гравитационный сигнал был пойман 14 сентября 2015 года двумя обсерваториями LIGO в США, в Хэнфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана) (рис. 4.1). Он возник в результате того, что две черные дыры, вращаясь друг вокруг друга, все более и более сближались и в конце концов слились в одну. Частота гравитационных волн оказалась доступна для человеческого уха. Разрушительное столкновение звучит как шквалистый порыв ветра, а в ускоренном темпе – как щебетание.

Этот звук в точности совпадает с тем, что предсказывает общая теория относительности. Измеряя, как возрастают и падают частота волн и их громкость, физики смогли вычислить массы черных дыр, участвующих в процессе слияния: примерно 36 и 29 солнечных масс. Они также выяснили, что в результате слияния новая черная дыра оказалась легче суммарной массы двух прежних дыр на 3 солнечные массы. Вся недостающая энергия излучилась в виде гравитационных волн, что говорит нам о том, какой грохот стоял на месте происшествия. И, сравнивая этот грандиозный процесс со слабыми вибрациями, обнаруженными LIGO, вспомним о чудовищном расстоянии, отделяющем нас от этого события, – 1,3 миллиарда световых лет.

Благодаря этому открытию удалось наконец разрешить спорный вопрос о самом существовании двойных систем, состоящих из черных дыр. Такие темные объекты, как черные дыры, очень трудно обнаружить. Это удается сделать только в том случае, если какой-нибудь яркий объект, например звезда, вращается по орбите вокруг черной дыры.

Массы черных дыр, измеренные в первом событии слияния, озадачили астрономов. Существовало мнение, что черные дыры образуются при коллапсе ядер звезд-гигантов. А такие ядра должны приводить к формированию черных дыр с массами не более 20 солнечных масс.

Рис. 4.1. Великое открытие крошечного импульса: сигналы от гравитационных волн, пойманные обсерваториями LIGO в 2015 году. Серым обозначены данные из Хэнфорда, черным – из Ливингстона.

Второе слияние было зафиксировано в декабре 2015 года. Черные дыры, участвующие в этом процессе, оказались немного легче – примерно 14 и 7 солнечных масс, т. е. внутри диапазона масс, предсказанных для коллапса звезд.

Смертельная спираль

Наряду с продолжающимися поисками слияния черных дыр обсерватория LIGO пытается обнаружить гравитационные волны от нейтронных звезд, неумолимо сближающихся по спирали друг с другом. Черные дыры даже при крушении прячутся за горизонтом событий, в то время как от нейтронных звезд при столкновении в окружающее пространство разбрызгивается горячее вещество (неоценимое подспорье в исследовании тайн Вселенной). Изучение таких взрывов может помочь в объяснении происхождения коротких всплесков гамма-излучения, таинственных и невероятно мощных электромагнитных явлений. Кроме того, может проясниться вопрос о том, где находится «наковальня» Вселенной, на которой выковываются такие тяжелые элементы, как уран, торий и золото. В ближайшие два года чувствительность аппаратуры LIGO повысится настолько, что появится возможность обнаруживать гравитационные волны от слияний нейтронных звезд в соседних с нами 300 000 галактиках. Это означает, что мы будем получать примерно один сигнал в месяц.

Детектирование единичных событий – это только начало. Соединив несколько событий вместе, мы сможем получить уникальную информацию об эволюции и структуре Вселенной в целом. Сигналы от слияний нескольких черных дыр можно сопоставить, чтобы попробовать понять природу темной энергии, которая заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Обсерватория LIGO и другие детекторы могут измерить расстояние до каждого слияния и вместе с результатами наблюдений на обычных телескопах поведать нам о том, как расширялось пространство в то время, пока волны добирались до нас. Результаты этих измерений помогут нам оценить влияние темной энергии на пространство.

Некоторые исследователи надеются использовать сигналы от гравитационных волн для того, чтобы подвергнуть теорию относительности новым суровым испытаниям. Например, эти сигналы могут показать, ведет ли себя гравитация на больших расстояниях так, как это предсказывает теория относительности.

Первое свидетельство существования гравитационных волн

В 1974 году астрономы Рассел Халс и Джозеф Тэйлор открыли двойной пульсар – пару мертвых звезд, которые посылали импульсы радиоволн. Халс и Тэйлор поняли, что два пульсара теряют энергию и медленно закручиваются по спирали навстречу друг другу точно в соответствии с уравнениями общей теории относительности Эйнштейна: их орбитальная энергия излучается в виде гравитационных волн. За это открытие в 1993 году ученые получили Нобелевскую премию по физике.

Успешные результаты LIGO открывают новые возможности в обнаружении гравитационных волн. Индия, например, давно заявляет о желании установить на своей территории третий детектор LIGO. Могут появиться и другие типы детекторов. Европейское космическое агентство начинает испытания оборудования для Улучшенной космической антенны, использующей принцип лазерного интерферометра (Evolved Laser Interferometer Antenna, eLISA) – огромного детектора, развернутого в космосе. Антенна eLISA будет чувствительна к гораздо более низкочастотным волнам и сможет обнаруживать слияния сверхмассивных черных дыр с массами от миллионов до миллиардов масс Солнца на самом краю Вселенной. Первая экспериментальная космическая лаборатория этого типа, «Следопыт» LISA (LISA Pathfinder), начала испытания на орбите в ноябре 2016 года.

Если заглянуть еще дальше, мы увидим, что могут возникнуть совсем другие способы детектирования гравитационных волн. Первозданные гравитационные волны, возникшие в очень молодой Вселенной, могут быть выявлены в космическом микроволновом фоновом излучении (см. «Первая доля секунды» в главе 5), что проложит путь к созданию теории великого объединения.

Как мы настраиваемся на ритм пространства-времени

Потребовались десятилетия работы, чтобы доказать реальность существования гравитационных волн. Ниже представлен рассказ об истории их открытия и о замечательном оборудовании LIGO, которое помогло это сделать.

Райнер Вайсс

В 1969 году Райнер Вайсс (род. 1932) был молодым профессором Массачусетского технологического института. В то время гравитационные волны были всего лишь теоретическим курьезом: самому Эйнштейну потребовались годы, чтобы поверить в предсказание своей собственной теории о том, что от движущихся космических тел распространяется рябь по пространству-времени. Затем физик Джозеф Вебер (1919–2000) объявил, что он зарегистрировал гравитационную волну с помощью инструмента, напоминающего ксилофон. Вебер назвал этот инструмент резонансным детектором.

«Студенты на моем курсе были увлечены идеей возможности существования гравитационных волн, – рассказывает Вайс. – До этого я плохо разбирался в этих самых волнах и, хоть убей, не мог понять, каким путем они могут заставить звучать цилиндр.

Я продолжал думать и пришел к выводу: есть только один путь объяснения того, как гравитационные волны взаимодействуют с материей. Представьте, что вы посылаете световой импульс между двумя массами. Затем вы делаете то же самое, но в присутствии гравитационной волны. И вдруг – о чудо! – вы видите, что время, которое требуется свету, чтобы пройти от одной массы до другой, изменяется из-за этой волны. Если волна становится больше, она заставляет время немного вырасти. Если волна съеживается, то время уменьшается тоже. И вы сможете увидеть это колебание времени на часах.

Целых три месяца я думал над тем, что мне со всем этим делать. Во-первых, я посчитал, что трудно найти достаточно хорошие часы. Но мы проделали несколько экспериментов, и я понял, что с лазерами можно проводить невероятно точные измерения. Я записал полученные результаты, но не опубликовал их. Институтский народ хотел знать, как я провожу свое время, и этот пункт я вставил в ежеквартальный отчет о работе моей лаборатории. Я пришел к выводу, что, если сделать достаточно большой детектор, можно попробовать обнаружить гравитационные волны».

Барри Бэриш

Для воплощения идеи Вайсса в жизнь Национальный научный фонд США (US National Science Foundation, NSF) начал финансировать проект, который превратился в 1979 году в лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию LIGO. Но дело продвигалось медленно, и когда в 1994 году физик Барри Бэриш (род. 1936) из Калифорнийского технологического института возглавил проект, фонд NSF практически потерял веру в него:

«Было большое сопротивление. Проект был весьма рискованным и требовал больших затрат. Поэтому мы полностью модернизировали его. Через шесть месяцев он выглядел как совершенно новый проект. И это было трудно сделать – если бы вы спросили меня тогда, можем ли мы построить то, что, как мы знаем теперь, нужно для обнаружения гравитационных волн, ответ был бы отрицательным.

Идея заключалась в том – и я об этом говорил – что с помощью первоначальной версии LIGO можно будет обнаружить гравитационные волны. И он постепенно где-нибудь превратится в детектор, который мы условно назвали “Усовершенствованная обсерватория LIGO”. Но, по правде говоря, кроме общих идей об этой усовершенствованной LIGO, у нас не было никакой конкретики. Самым удивительным для меня во всем этом деле является то, что все эти 22 года, пока мы не достигли успеха, мы ухитрялись получать финансирование».

Майкл Ландри

В США детекторы LIGO располагаются в двух местах: в Ливингстоне (штат Луизиана) и в Хэнфорде (штат Вашингтон). С момента своего присоединения к проекту в 2000 году Майкл Ландри, ведущий специалист центра в Хэнфорде, убеждал всех, что их прибор имеет наивысшую возможную чувствительность для регистрации самых микроскопических сигналов:

«Космос – это жесткая среда, не желающая вибрировать. Детектор должен зарегистрировать изменения, которые составляют примерно тысячную долю размера протона. Это все равно, что зафиксировать изменение в расстоянии между Солнцем и ближайшей к нам звездой Проксима Кентавра, равное толщине человеческого волоса.

У нас идет непрерывная борьба за подавление шума в приборе. Есть шумы земного происхождения, такие как землетрясения. Не такой яркий пример шума – «звон» Земли: на низких частотах она звенит подобно колокольчику из-за того, что океанские волны разбиваются о континентальный шельф.

Если у побережья Аляски или в Мексиканском заливе штормит, колебания почвы возрастают. Нам нужно подавлять эти движения, регистрируя их сейсмометрами и включая их в системы сейсмического подавления. Подобно этому работают шумоподавляющие наушники, создавая образец шума внешней среды и затем воспроизводя его в противофазе, чтобы внешние шумы не досаждали вашим ушам.

Кроме того, существует много внутренних шумов, которые также надо подавить, типа электронного шума или квантового шума в лазере. Все это означает, что детекторы LIGO – самые тихие и самые чувствительные детекторы, созданные когда-либо руками человека».

В сентябре 2015 года, всего лишь через несколько дней после ввода в строй усовершенствованной LIGO, Майклу Ландри сообщили, что зафиксирован необъяснимый сигнал. Сначала он был уверен, что это так называемая инжекция – искусственный импульс, посылаемый время от времени для проверки аппаратуры:

«Утром 14 сентября я включил свой компьютер и увидел e-mail с сообщением о регистрации этого события, происшедшего буквально несколько минут назад. Я подумал, что это, вероятно, инжекция – был еще такой ранний этап наблюдений. Позже в лаборатории мы определили, что никакой инжекции не было. Мы провели еще много исследований, и нам понадобилось несколько месяцев, чтобы подтвердить достоверность этого сигнала. Но даже с самого начала было понятно, что если это не инжекция, то это самое лучшее, что мы когда-либо видели».

Гравитационная волна, по-видимому, пришла от столкновения двух черных дыр, находящихся на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от Солнца. Для Райнера Вайсса, ныне заслуженного профессора Массачусетского технологического института, это было долгожданным подтверждением его надежд:

«Это было выдающееся открытие. Больше всего на свете я хотел увидеть столкновение двух черных дыр. Если вы спросите, что в первую очередь подтолкнуло нас к построению столь сложного сооружения, я отвечу, что это было желание проверить, работает ли теория Эйнштейна в сильных гравитационных полях. В таких условиях общая теория относительности еще не проверялась. И вдруг в наших руках оказывается свидетельство того, что уравнение поля Эйнштейна, от начала до конца, совершенно справедливо».

Нергис Мавалвала

Для Нергис Мавалвала, ученой-физика из Массачусетского технологического института, которая работает в LIGO уже 25 лет, детектирование этого сигнала стало только началом:

«Одним из пленительных моментов общей теории относительности является то, что вы решаете уравнения, пусть даже вы решаете их десятилетиями, и создаете образцы того, как должны выглядеть сигналы. Природа была к нам добра: самый первый сигнал, который мы увидели, оказался таким ясным. Многие полагали, что мы увидим только слабые сигналы, едва выступающие над уровнем шума, и последуют многочисленные дискуссии о том, можно ли вообще считать это сигналом или нет.

Это открытие побуждает нас к новым интенсивным исследованиям, ведь мы знаем, что на свете еще много неизведанного, ждущего своих наблюдателей. Некоторые могут вообразить, что про себя мы решили: «Окей, теперь, когда мы это увидели, мы можем собирать вещички и отправляться по домам». Но на самом деле все совсем наоборот. Мы увидели только первую гравитационную волну, но сколько еще открытий нам предстоит? Нам столько нужно узнать о черных дырах, а ведь есть еще и нейтронные звезды! Что касается лично меня, я надеюсь увидеть кое-что, над чем придется поломать голову. Может быть, мы откроем новые объекты, которые пока невозможно даже представить».

Интервью: реакция Эйнштейна на открытие гравитационных волн

Теория относительности Эйнштейна предсказала гравитационные волны. После их открытия в 2016 году журнал New Scientist опубликовал гипотетическое интервью[1], которое могло бы состояться с самим великим ученым, составленное на основании высказываний, сделанных им при жизни.

Исследователи открыли первые свидетельства существования гравитационных волн от слияния двух черных дыр, что является подтверждением последнего предсказания вашей теории относительности. Это впечатляет, не правда ли?

Если вы спрашиваете меня, существуют ли гравитационные волны, должен сказать, что я не знаю. Но это очень интересная проблема[2].

Это свершилось – их только что открыли! Какова ваша реакция?

Теория находит оправдание для их существования в том факте, что они согласуются с большим количеством отдельных наблюдений. Именно в этом заключается «правота» теории.

Как вы можете описать свою жизнь в 1910-х годах, во время изучения гравитационных волн?

В научной жизни у меня была небольшая передышка. Я изучал гравитационные волны, а совсем недавно начал изучать квантовую теорию излучения и поглощения света и причины возникновения подъемной силы летательных аппаратов.

Правда ли, что фактически вы нашли ошибку в вашей оригинальной статье 1916 года по теории относительности, в которой рассматривались гравитационные волны, и вам пришлось заново пересмотреть ее в 1918 году?

Важный вопрос о том, как распространяются гравитационные волны, был рассмотрен мной в научной статье полтора года назад. Однако я вынужден вернуться к этому предмету изучения, поскольку мое прежнее сообщение вызывает сомнения и, к сожалению, содержит прискорбную ошибку в вычислениях.

Все мы совершаем ошибки. Черные дыры также являются следствием теории относительности, хотя при вашей жизни немногие верили в их существование. Как бы вы искали гравитационные волны в ваше время?

Даже наблюдения динамических гравитационных полей, создаваемых вращением Земли и Солнца, тех полей, которые можно было бы наблюдать с помощью таких чувствительных индикаторов, как Луна и внутренние планеты, невозможно провести из-за их малой точности.

То есть надежды мало. Тогда скажите, что же такое эти самые гравитационные волны?

Я вам пришлю статью о волнах. Она очень хороша.

Спасибо, но я не Эйнштейн. Могли бы вы объяснить мне все это без уравнений?

Я сделаю это с большим удовольствием, потому что, к сожалению, существует некоторая опасность, что довольно сложная математическая форма теории угрожает затмить ее простое (и естественное) физическое содержание. Хорошо известно, что приближенный метод интегрирования гравитационных уравнений общей теории относительности приводит к существованию гравитационных волн[3].

Хмм, я думаю, что стоит вернуться к основам.

Я посылаю вам рукопись с объяснением общей теории относительности, но не осмеливаюсь надеяться на то, что вы действительно ее прочтете.

Спасибо, я подумаю. Итак, с последним предсказанием теории относительности мы разобрались. Каким будет следующее?

По-видимому, более полная квантовая теория также должна будет привести к модификации теории гравитации.

Следующая волна

Гравитационно-волновая астрономия как самостоятельная наука появилась только сейчас. К 2021 году модифицированная аппаратура LIGO должна стать в тысячу раз чувствительнее, чем ее воплощение 2016 года. Целью данной модификации является измерение изменений в расстоянии, равных одной десятитысячной размера протона (10–21 м).

Охотники за гравитационными волнами надеются обнаружить черные дыры во Вселенной, но на пути их подстерегают различные препятствия, и не в последнюю очередь это касается некоторых фундаментальных законов физики. Двойные детекторы LIGO имеют форму L-образных туннелей длиной 4 километра. Для того чтобы обнаружить расширение и сжатие пространства-времени, вызванные проходящей гравитационной волной, физики посылают луч лазера вдоль каждого туннеля, чтобы он отразился от зеркала, установленного в конце. Когда луч возвращается к повороту туннеля, физики снова соединяют его со светом из другого рукава и смотрят, совпадают ли фазы обоих пучков света, имея в виду, что они прошли одинаковое расстояние. Если фазы не совпадают, гравитационная волна поймана.

Чтобы быть уверенным в этом, необходимо учитывать любую случайность, которая может вызвать сдвиг зеркала: волны, разбивающиеся о берег, громыхание проходящего автомобиля, даже сам лазер может сдвинуться с места. Выход такой: держать зеркала как можно дальше от поверхности земли. Ученые подвешивают их к изолированным подмосткам. Они также измеряют колебания почвы сейсмометрами и постоянно регулируют зеркала, чтобы скомпенсировать эти колебания.

Но сейсмометры не могут установить разницу между сотрясением зеркал, вызванным землетрясением (происшедшим, к примеру, в Австралии) или другими причинами. Сильный ветер может наклонить здание, где установлены сейсмометры, и они будут двигать зеркала тогда, когда это не нужно. Поэтому обслуживающий персонал подвешивает сейсмометры на тонких стеклянных стренгах, чтобы изолировать их от вибрации несейсмического происхождения.

Более фундаментальное ограничение накладывается квантовой механикой. На волны с частотами выше 1 килогерца начинает сильно влиять принцип неопределенности Гейзенберга. Он заключается в том, что при измерении двух определенных параметров точность измерения одного из них падает с повышением точности измерения другого. В случае с LIGO этими двумя параметрами являются яркость и фаза световой волны.

К счастью, вы можете послать свет через специальный кристалл, чтобы сжать его и получить возможность измерить необходимый параметр с высокой точностью, правда, за счет падения точности для другого. В этом случае можно более точно измерить фазу, хотя яркость и количество регистрируемых фотонов падает. Это уже делается в LIGO, но новый способ сжатия света с использованием специальных зеркал с микрометровыми шкалами будет добавлен в усовершенствованном варианте.

Скоро к LIGO присоединятся новые детекторы, включая гравитационный детектор VIRGO в Европе и детектор KAGRA в шахте Камиока в Японии. Кроме подтверждения существующих наблюдений, эти инструменты позволят астрономам триангулировать точки слияний черных дыр и других событий, чтобы помочь оптическим и другим телескопам найти их источники.

Усовершенствованная аппаратура LIGO и партнеров сможет ловить новые типы источников гравитационных волн, такие как «звездотрясения» на нейтронных звездах. Но для того чтобы разглядеть их в деталях, а также увеличить число регистрируемых событий на большем протяжении Вселенной, нам потребуется еще более чувствительный детектор. Группа исследователей в Германии работает над созданием телескопа Эйнштейна, который будет иметь 10-километровые рукава и располагаться под землей для повышения точности. Физики уже мечтают о детекторе с рукавами 40-километровой длины и даже придумали для него имя – «Космический исследователь» (Cosmic Explorer). Он будет чувствителен к гравитационным волнам более низких частот, приходящих к нам с гораздо более дальних расстояний – практически мы доберемся до коллапсирующих остатков самых первых звезд.

Существуют ли частицы гравитации в этих волнах?

Примерно 150 лет назад британский физик Джеймс Клерк Максвелл вывел уравнения, которые предсказывали существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Так родилась теория, которую сегодняшние физики называют классической теорией поля. Она очень хорошо работает для длинноволнового излучения, такого как радиоволны. И только в применении к коротковолновому, высокочастотному излучению (такому как видимый свет, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение) в начале XX века возникло квантовое описание, которое привело к идее о крошечных частицах света – фотонах.

Общая теория относительности Эйнштейна, которая предсказывает гравитационные волны, является классической теорией поля, как и теория Максвелла. Точно так же, как мы можем описать радиоизлучение с точки зрения волн, не заботясь о фотонах, из которых они состоят, обнаруженные нами гравитационные волны имеют достаточно большую длину, и мы можем рассматривать их как достаточно гладкие волны.

В будущем мы надеемся обнаружить более коротковолновое гравитационное излучение, для которого волновое описание будет уже не вполне справедливым. И тогда нам потребуется рассматривать их с точки зрения частиц гравитации, гравитонов. Если это так, если волны на некотором уровне нужно будет рассматривать как состоящие из частиц, тогда эти частицы должны быть безмассовыми или почти не иметь массы. Согласно общей теории относительности гравитационные волны распространяются со скоростью света, что возможно только для безмассовых частиц.

Будущая теория квантовой гравитации, возможно, будет иметь гравитоны с очень малой массой. В этом случае гравитационные волны будут двигаться немного медленнее скорости света. Наши результаты могут использоваться, чтобы наложить верхний предел на массу гравитона, поскольку очень массивный гравитон будет влиять на форму волн, предсказанных общей теорией относительности для слияния двух черных дыр.

Сможем ли мы создать антигравитационные устройства?

Хотя никому еще не удалось это сделать, идея построения гравитационного щита имеет длительную историю. Возможно, одна из самых удачных попыток была предпринята российским ученым Евгением Подклетновым. В 1992 году Подклетнов опубликовал статью, в которой утверждал, что он обнаружил двухпроцентное уменьшение веса поблизости от вращающегося диска, сделанного из керамического сверхпроводника.

В 2003 году Мартин Таймар, ученый из научно-исследовательского центра в Австрии, опубликовал аналогичное утверждение и смог продолжить свою работу за счет финансирования из Европейского космического агентства (ЕКА). Три года спустя Таймар и ЕКА заявили, что измерен эффект во вращающемся сверхпроводнике, который при дальнейших исследованиях будет способен укротить гравитацию. Никому больше не удалось достичь такого эффекта, но теория относительности не исключает возможности того, что искривленное пространство-время, которое создает силу притяжения, может быть «выпрямлено».

При правильной локализации вещества и энергии можно уменьшить или увеличить влияние гравитации. Например, можно использовать эффект, называемый гравитомагнетизмом. Согласно общей теории относительности масса вращающегося тела затягивает пространство-время вокруг себя, как водоворот. К сожалению, этот эффект на практике очень мал, и остается до конца не ясно, имеет ли вращающийся сверхпроводник какое-либо гравитационно-магнитное влияние. Но не исключено, что в один прекрасный день кто-нибудь найдет способ применить отталкивающие гравитационные эффекты для создания движущей силы или гравитационного экранирования.

Глава 5 Вперед, в космос

Космологи рассматривают Вселенную как единое целое. Они изучают ее рождение и развитие, размеры и форму, предсказывают ее дальнейшую судьбу и пытаются понять ее, используя математические модели, основанные на общей теории относительности.

Первородный детонатор

То, что Вселенная воистину громадна, стало ясно в 1920-е годы, когда Эдвин Хаббл доказал, что «спиральные туманности» на самом деле являются другими галактиками, подобными нашей, но удаленными от нас на расстояния от миллионов до миллиардов световых лет. Он также обнаружил, что их свет немного «покрасневший». Этот факт можно объяснить тем, что они удаляются от нас. Вселенная расширяется.

Это открытие привело к созданию теории Большого взрыва. Если сейчас в космосе все разлетается, то, предположительно, раньше все было «упаковано» гораздо более плотно. А это означает, что новорожденная Вселенная была плотной и горячей. Конкурирующая теория, теория стационарной Вселенной, утверждает, что новое вещество постоянно создается, чтобы заполнять пустоты, возникающие вследствие расширения. Но теория Большого взрыва одержала триумфальную победу в 1965 году, когда Арно Пензиас (род. 1933) и Роберт Вудро Вильсон (род. 1936) открыли космическое микроволновое фоновое излучение. Это реликтовое тепловое излучение, испущенное горячей материей ранней Вселенной через 380 000 лет после Большого взрыва.

Рост Вселенной можно смоделировать, используя теорию относительности: если предположить, что на наибольших масштабах Вселенная однородна, то трудности теории можно преодолеть с помощью достаточно простых уравнений в моделях Фридмана, описывающих расширение и эволюцию пространства.

Согласно этим моделям общая форма пространства-времени в масштабе всей Вселенной может быть искривлена либо вовнутрь, как поверхность сферы, либо изогнута в форме седла. Но наблюдения свидетельствуют, что Вселенная балансирует между двумя типами кривизны и является практически плоской. Это не запрещается в моделях Фридмана, но кажется странным – уж слишком «тонкая» работа требуется для такого баланса. Одно из объяснений может дать теория инфляции. Она утверждает, что в первые доли секунды пространство расширялось с ужасающей скоростью, способной выпрямить любую первоначальную кривизну. Сегодняшняя наблюдаемая Вселенная выросла из микроскопического участка первозданного огненного шара. Эта теория также может объяснить проблему горизонта – почему на одной стороне Вселенной наблюдается практически такая же плотность и температура, что и на другой.

Вмятины в пространстве-времени

Конечно, Вселенная не совсем плоская. Галактики создают небольшие локальные вмятины в пространстве-времени. В 1990 году спутник COBE обнаружил рябь в космическом микроволновом фоне, признак первоначальных флуктуаций плотности. Эта легкая рябь в молодой Вселенной могла быть сформирована случайными квантовыми флуктуациями в поле энергии, которое и запустило инфляцию. Гравитация усиливает первоначальные флуктуации, подталкивая друг к другу более плотные кусочки вещества, и они становятся звездами, галактиками и скоплениями галактик. Сегодня галактики рассеяны по всей Вселенной подобно пене, образуя узелки, струны и стенки, окружающие пузырчатые пустоты. Масштабы этих структур простираются примерно до миллиарда световых лет.

Видимая материя не обладает достаточной гравитацией для создания той структуры, которую мы видим: очевидно, ей должна помогать какая-то форма темной материи. Еще одно доказательство существования этой темной материи предоставляется галактиками, которые вращаются слишком быстро, чтобы удерживать свое вещество без дополнительного гравитационного «клея».

Темная материя не может состоять из протонов, нейтронов и электронов. Когда Вселенной не было еще трех минут от роду, протоны и нейтроны соединились и образовали дейтерий (тяжелый водород) и небольшие количества других легких элементов. Космологи посчитали, что если бы обычного вещества во Вселенной было гораздо больше, чем сейчас, тогда бы и в плотном вареве возникло гораздо больше дейтерия. Поэтому темная материя – это нечто экзотическое, что могло образоваться в самые первые горячие моменты Большого взрыва. Физики предлагали множество гипотетических частиц, которые могли бы входить в состав темной материи, включая так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы и более легкие аксионы. Первоначальные черные дыры, вышедшие из горнила Большого взрыва, также могли включиться в образование темной материи.

В 1990-е годы астрономы столкнулись с еще одной загадкой. Они обнаружили, что далекие сверхновые на удивление слабы – а из этого следует, что расширение Вселенной не замедляется, как повсеместно предполагалось, а, наоборот, ускоряется. Во Вселенной как будто доминирует некая отталкивающая сила. Ее назвали темной энергией. Она может представлять собой либо космологическую постоянную (энергию вакуума), либо изменяющееся поле энергии – некую квинтэссенцию. Либо же гравитация может вести себя по-разному, становясь отталкивающей силой на больших расстояниях.

Космический микроволновый фон

Спутники WMAP и «Планк» дали твердое обоснование стандартной картине космологии путем точного измерения спектра флуктуаций космического микроволнового фона. Все данные указывают на то, что Вселенная существует 13,8 миллиарда лет, содержит примерно 5 % обычной материи, 26 % темной материи и 69 % темной энергии.

Остается много важных вопросов. Мы не знаем истинного размера Вселенной, не знаем даже, бесконечна она или нет. Не знакомы мы и с ее топологией, нам неизвестно, закручивается где-нибудь пространство или нет. Мы не знаем, что вызвало инфляцию и породила ли она множество параллельных вселенных далеко-далеко от нашей, как подразумевается во многих теориях.

Еще одна загадка: почему Вселенная предпочитает материю антиматерии? В ранние этапы Большого взрыва, когда создавались частицы, Вселенной пришлось сделать выбор в пользу одной из них. Иначе, если бы материя и антиматерия появились в одинаковых количествах, они бы уничтожили друг друга, и в мире, кроме излучения, ничего бы не осталось. Стандартная модель физики элементарных частиц не объясняет это предпочтение по отношению к материи.

Как все начиналось на самом деле (если начало и было) до сих пор неизвестно, потому что в релятивистских моделях Большой взрыв происходит в точке сингулярности, где уравнения не работают. Конец Вселенной также покрыт мраком неизвестности, поскольку он зависит от природы темной энергии и от того, как эта странная субстанция станет вести себя в будущем. Увеличение силы действия темной энергии уничтожит гравитационную связь между галактиками, а потом вызовет Большой разрыв, который уничтожит все вещество. Уменьшение этой силы спровоцирует коллапс Вселенной в Большом сжатии, что приведет к новому Большому взрыву. Чтобы понять сценарии начала и конца Вселенной, нам, вероятно, понадобится квантовая теория гравитации.

Большой взрыв начинается

Более 50 лет назад случайно была подтверждена история происхождения Вселенной. Канадский и американский космолог Джим Пиблс (род. 1935) вспоминает историю убеждения скептиков.

«Я присутствовал при рождении Большого взрыва, если так можно выразиться. В мае 1964 года Арно Пензиас и Роберт Вильсон провели свои первые измерения астрономического микроволнового излучения из остатка сверхновой Кассиопея А. Обосновавшись на территории Телефонных лабораторий Белла в Холмделе (штат Нью-Джерси), они использовали рупорную антенну, созданную для изучения микроволновых коммуникаций, которые впоследствии легли в основу сотовой телефонной технологии. Но Пензиас и Вильсон столкнулись с проблемой, которая до этого уже беспокоила инженеров фирмы Белла. Со стороны неба “долетало” больше микроволн, чем ожидалось.

Я тогда был молодым, подающим надежды теоретиком в Принстонском университете и работал в научно-исследовательской группе Боба Дикке. Боб был ярым сторонником идеи происхождения Вселенной из горячего плотного состояния, и он исследовал предположение, что от него должно было остаться море излучения, рассеянного по всему небу. Боб поручил двум своим сотрудникам, Питеру Роллу и Дэвиду Вилкинсону, сконструировать приемник для обнаружения этого излучения и предложил мне изучить теоретические последствия его наличия или отсутствия.

В феврале я представил нашу идею на коллоквиуме, а через несколько недель Бобу позвонил Пензиас. Когда Боб, Питер и Дэвид прибыли в Холмдел, они обнаружили, что группа Пензиаса вырвалась вперед. Я не помню, чтобы Боб или еще кто-либо из нас об этом пожалел. Наоборот, все радовались тому, что можно хоть что-нибудь измерять и анализировать.

Море шума, которое так беспокоило Пензиаса и Вильсона, было космическим микроволновым фоном (КМФ), который ныне является решающим аргументом в пользу Большого взрыва. Но тогда это было еще не совсем понятно, как это следует из публикаций журнала New Scientist. В 1976 году Мартин Рис, недавно получивший звание почетного профессора астрономии кафедры Плюма в Кембриджском университете, писал, что не существует "никакой другой правдоподобной теории" для объяснения наблюдаемых характеристик КМФ (2 декабря 1976 года, стр. 512). Хотя еще спустя пять лет предшественник Риса по кафедре Плюма, Фред Хойл, по-прежнему допускал справедливость альтернативной теории стационарной Вселенной. Он писал, что последние измерения КМФ “так разнятся с тем, что предсказывает теория, что способны похоронить космологические теории Большого взрыва” (19 ноября 1981 года, стр. 521). Теория стационарной Вселенной, в создании которой принимал участие Хойл в 1948 году, предполагает, что материя постоянно создается в расширяющейся Вселенной, при этом вновь образующиеся галактики заполняют пространство, которое открывается по мере того, как уходят вдаль уже существующие галактики. В этой картине прошлое Вселенной было ничуть не горячее и не плотнее, чем ее настоящее.

Верным доказательством происхождения нашей Вселенной из горячего и плотного состояния было бы открытие излучения с характерным спектром, в котором интенсивности на разных длинах волн распределяются в соответствии с формулой Планка для теплового излучения. Эксперимент Ролла и Вилкинсона вскоре добавил еще одну точку, а затем Вилкинсон получил много дополнительных данных, что закрепило его ведущую роль в проекте COBE. В начале 1990-х годов наблюдения спутника COBE убедительно показали, что спектр КМФ близок к планковскому спектру с температурой примерно 2,73 Кельвина. К этому времени уже мало кто сомневался, кроме Хойла и его ближайших сотрудников, что Вселенная произошла из Большого взрыва.

По наблюдениям обсерватории COBE и последующих миссий – спутника WMAP Американского Космического Агентства НАСА, зонда «Планк» Европейского Космического Агентства и множества других – удалось построить карту распределения КМФ на небе и показать, что это распределение не вполне однородно. Эти измерения предоставляют нам информацию об истории расширения Вселенной и о природе вещества, из которого она состоит. Теперь у нас достигнуто полное согласие между измерениями и космологической теорией, по крайней той, которая включает в себя две гипотетические составляющие: невидимую холодную темную материю, удерживающую вещество в галактиках от разбегания, и космологическую постоянную, необходимую для объяснения ускоренного расширения Вселенной, которое следует из наблюдений далеких сверхновых.

Сегодня все более детальные исследования КМФ могут вернуть нас во Вселенную, где еще не действовала общая теория относительности (см. “Первая доля секунды” ниже в этой главе). Но критический поворотный пункт был пройден 50 лет назад, когда раздражающий свист в прославленной телекоммуникационной антенне рассказал нам историю о том, как началась Вселенная».

Незваные гости из другой вселенной

На больших масштабах космос должен казаться однородным, но он таковым не является. «Окна» в другие измерения могли бы объяснить наличие таинственных объектов размерами в миллиарды световых лет.

По мере того, как наши наблюдения космоса становятся все более и более четкими, астрономы начинают выделять структуры все бо́льших и бо́льших размеров. К ним относятся:

• гигантская дыра в космической паутине галактик;

• громадная группа квазаров размером в миллиарды световых лет;

• кольцо взрывов, охватывающее значительную часть видимой Вселенной.

Поскольку эти мегаструктуры нарушают устоявшийся порядок вещей в космологии, один исследователь предположил, что это всего лишь иллюзии, спроецированные из другого измерения: первое соблазнительное доказательство иной реальности, существующей за пределами нашей собственной.

С тех пор как Коперник предположил, что место Земли среди звезд не отличается ничем особенным, астрономы взяли на вооружение эту идею. Эта идея выросла до космологического принципа: ни одно место во Вселенной не является уникальным. Конечно, есть признаки индивидуальности на уровне галактик, скоплений и даже сверхскоплений галактик; но стоит взглянуть еще дальше, и перед нами предстанет Вселенная в своем сером однообразии.

Космологический принцип – это всего лишь предположение, но в целом он, кажется, соблюдается. Последние данные показывают, что космологический принцип применим на масштабах примерно миллиарда световых лет, при этом среднее количество вещества в любом данном объеме более или менее одинаково – но не везде. Возьмем эту гигантскую дыру во Вселенной: пустота размером почти 2 миллиарда световых лет. Андраш Ковач – соавтор открытия из Института физики высоких энергий в Барселоне (Испания) – отмечает, что в этой области неба на 10 000 галактик меньше по сравнению со средней их величиной во Вселенной. Огромная «заплата» из пустоты, подобно нарыву на пальце, лежит в той же части Вселенной, где находится реликтовое холодное пятно, вдвое увеличивая общую площадь аномалии. Ковач с коллегами назвали эту обширную пустоту сверхпустотой, или «супервойд» (supervoid). Они полагают, что наличие еще одной подобной структуры могло бы объяснить загадочную колоссальную аномалию в виде гигантского холодного пятна в космическом микроволновом фоне, которое озадачивает астрономов уже более десяти лет.

Могла ли возникнуть жизнь в сиянии Большого взрыва?

Космический микроволновый фон сегодня слишком слаб и холоден, чтобы породить жизнь. Для жизни, насколько нам известно, нужно тепло звезды или, по крайней мере, наличие гидротермальных источников. Но спустя примерно 15 миллионов лет после Большого взрыва сияние КМФ было достаточно теплым, чтобы сделать всю Вселенную одной большой зоной, пригодной для обитания. Эта эпоха могла продолжаться несколько миллионов лет; возможно, этого времени достаточно для возникновения микробов, но не для появления сложных форм жизни.

Новорожденная Вселенная

Наши цветные карты КМФ испещрены красными и голубыми крапинками, представляющими собой области новорожденной Вселенной, чуть более горячие или холодные по сравнению со средней температурой. В 2004 году спутник WMAP зарегистрировал холодное пятно, значительно превосходящее по размерам другие; затем его же наблюдал спутник «Планк». Если сверхпустота находится в этом же направлении, это означает, что фотоны КМФ, родившиеся за ней в более далеких областях Вселенной, должны были через нее пройти. Благодаря ускоренному расширению Вселенной фотоны, выходящие из зоны-пустоши, встречают на своем пути менее плотную материю, чем та, через которую они пролетали, приближаясь к ней. Это приводит к падению гравитационного потенциала и, в конечном счете, – к падению энергии фотонов, которые эффективно охлаждаются.

Но сверхпустота – это еще не все. В 2012 году группа ученых из Университета Центрального Ланкашира в Великобритании под руководством Роджера Клоуса объявила об открытии огромной структуры, растянувшейся более чем на 4 миллиарда световых лет, что более чем в 2 раза превышает размеры сверхпустоты. На этот раз это была не «заплата» из пустоты, а перезаполненная область пространства. Известная как Большая группа квазаров, она содержит 73 квазара, ярких активных центральных областей галактик. С начала 1980-х годов астрономы знают, что квазары имеют тенденцию «кучковаться» вместе, но никогда ранее не удавалось обнаружить подобную группировку на таком большом масштабе.

Затем в 2015 году группа венгерских астрономов открыла колоссальную группу гамма-всплесков – краткосрочных высокоэнергетических вспышек, исходящих из далеких галактик. Эти гамма-всплески формируют огромное кольцо размером в 5,6 миллиарда световых лет, т. е. 6 % размера всей видимой Вселенной.

Такие откровенные нарушения космологического принципа заставляют астрономов чувствовать себя весьма дискомфортно. Но все эти феномены могут оказаться ошибочными. Например, в 2013 году появилось исследование, расчеты которого показывают, что существует довольно большая вероятность того, что это только видимая структура внутри совершенно случайного распределения квазаров. Однако группа Клоуса с этим выводом не согласна.

Райнер Дик, физик-теоретик из Университета Саскачевана в Канаде, считает, что попытки игнорировать такие космические мегаструктуры бесперспективны. Он говорит, что мы должны принять эти мегаструктуры в свои распростертые объятия как лучшее подтверждение жизнеспособности космологического принципа. Все, что от нас требуется, это признать, что они в реальности не существуют, а являются первым свидетельством проникновения других измерений в наше собственное, оставляющего за собой «грязные» следы на нашем гладком и однородном космическом фоне.

Это предположение представляется дерзким, но оно построено на твердом фундаменте теоретических исследований. В самом понятии о других измерениях нет ничего нового. Уже несколько десятков лет многие теоретики рассматривают возможность существования дополнительных измерений как нашу лучшую надежду на примирение общей теории относительности Эйнштейна с другим бастионом физики XX века – квантовой теорией. «Брак» между двумя такими, с первого взгляда несопоставимыми, концепциями, одна из которых оперирует с очень большим, а другая – с очень малым, увенчается созданием теории всего, единой концепции, способной описать Вселенную во всей ее полноте.

М-теория

Одним из популярных кандидатов на роль этой единой концепции является М-теория, развивающая теорию струн и предполагающая, что мы живем в 11-мерной вселенной, в которой остальные 7 измерений скручены так туго, что выпадают из поля зрения. Это элегантная и математически привлекательная теория с одним большим недостатком: отсутствуют четкие предсказания, которые можно было бы проверить, чтобы ее подтвердить. Работа Дика по обобщению теории струн, известная как теория бран, могла бы дать такое предсказание и в то же самое время разрешить дилемму космологического принципа. В теории бран наша Вселенная представляет собой четырехмерную мембрану, плавающую в море подобных же бран, проникающих во множество дополнительных измерений. Теория предполагает, что мы можем даже ощутить влияние соседней браны, накладывающейся на нашу.

Для измерения расстояния до удаленных объектов астрономы используют эффект красного смещения (см. также главу 1). Свет от любого объекта, удаляющегося от нас из-за расширения Вселенной, будет смещаться в длинноволновую сторону спектра и спектральные линии будут смещены в красную сторону. Чем дальше от нас объект, тем больше будут смещены линии. Если астрономы видят, что многие объекты находятся на одном красном смещении, они интерпретируют этот факт как существование некоей структуры, например кольца гамма-всплесков или Большой группы квазаров.

Однако другая брана, накладывающаяся на нашу, может исказить измерения красного смещения. Фотоны в одной бране будут влиять на заряженные частицы в другой – это явление Дик назвал «взаимные помехи бран». Это может изменить энергетические уровни внутри атомов, сдвигая спектральные линии света, который они поглощают или излучают. Другими словами, взаимные помехи бран могут создать красное смещение, которое не имеет никакого отношения к истинному расширению Вселенной. Такое положение вещей может привести к появлению видимого скопления объектов на одном красном смещении и отчетливого недостатка объектов на другом красном смещении. Эта иллюзия может привести к заблуждению, что в однородной Вселенной содержатся массивные структуры и огромные пустоты (рис. 5.1).

Конечно, на самом деле все не так просто. Моатаз Эмам, физик из Государственного университета Нью-Йоркского колледжа в Кортленде, предупреждает о том, что некоторые предположения теории Дика уже подвергались критике в прошлом. Но модель вполне проверяема: Эмам предлагает наблюдать части неба, где районы с густой плотностью соседствуют с кажущимися пустотами. Если различие в красных смещениях во всех случаях одинаково, это вполне может означать, что наша брана накладывается на другую.

Рис. 5.1. Альтернативное объяснение мегаструктур

С помощью Слоановского цифрового небесного обзора (Sloan Digital Sky Survey, SDSS), самой детализированной трехмерной карты Вселенной на сегодняшний день, Дик намеревается проанализировать базы данных о красных смещениях, которые могли бы поддержать его теорию. Его попытки «развенчать миф» о существовании крупнейших объектов во Вселенной могут привести к появлению новых «монстров» на их местах. Открытие бран за пределами нашей собственной браны сделает абсурдной концепцию об однородности космоса. И действительно, есть ли смысл так благоговеть перед космологическим принципом в обширной мультивселенной, полной взаимодействующих мембран?

Первая доля секунды

Секреты Большого взрыва прячутся за непроницаемой стеной огня, но существует возможность заглянуть в глубину веков, о чем мы раньше не могли и мечтать. В то время, когда не было не только звезд, галактик, атомов и молекул, но даже протонов и нейтронов, когда все только начиналось, когда созревала детонация взрыва, из которого и возникла наша Вселенная. Все, что нам для этого нужно, – это солнцезащитные очки.

Вы смотрите на звезды? Значит, вы смотрите в прошлое, ведь свету нужно время, чтобы дойти от далекой звезды до нашего взора. Можно было бы подумать, что если заглянуть достаточно далеко в космос, то можно вернуться к моменту рождения Вселенной. Но горячий и непроницаемый бульон из электронов и атомных ядер, существовавший в ранней Вселенной, делает это невозможным. Только спустя 380 000 лет после рождения Вселенная охладилась настолько, чтобы стать прозрачной. Каким бы мощным ни был ваш телескоп, вы не сможете увидеть того, что происходило раньше.

Несмотря на это, физики любят порассуждать о том, какой была первая доля секунды после начала всего и вся, и заглянуть в гипотетическую, почти мифическую эру, известную как инфляция. Теория инфляции была создана, чтобы залатать некоторые проблемы в целом успешной теории Большого взрыва. Согласно общей теории относительности Эйнштейна материя и энергия могут искривлять пространство-время, но на больших масштабах наша Вселенная оказывается плоской. Кроме того, в инфляционной модели нет никаких указаний на то, что далеко отстоящие друг от друга области Вселенной должны выглядеть одинаково. Тем не менее галактики по разные стороны Вселенной группируются в скопления с примерно одинаковыми конфигурациями и численностью. Наконец, в ранней Вселенной должны были быть некоторые маленькие флуктуации плотности, чтобы материя под действием гравитации постепенно собралась воедино. В противном случае сегодня вместо галактик существовало бы однородное пространство, заполненное разреженным газом. Но опять-таки классическая теория Большого взрыва не объясняет, почему возникли эти флуктуации.

Инфляция

Для того чтобы разрешить эти ставящие ученых в тупик проблемы, Алан Гут из Массачусетского технологического института в 1980 году предложил теорию инфляции. Он предположил, что краткий и мощный импульс ускорения возник в пространстве и заставил расширяться его по всем направлениям. То, что мы сейчас называем наблюдаемой Вселенной, началось с точки размером меньше атома и выросло до нескольких сантиметров за долю секунды. Любая первоначальная кривизна разгладилась бы в результате этого расширения и выровнялась бы любая разница в температуре или, скажем, плотности. Крошечные квантовые флуктуации в полях энергии, заполняющих пространство, усилились бы и образовали первые ранние флуктуации плотности (рис. 5.2).

Рис. 5.2. После Большого взрыва

Существует много теорий инфляции. Все они сходятся в том, что некое вездесущее поле энергии раздуло пространство, а затем исчезло, оставив после себя море элементарных частиц; но на вопрос что это было за поле существуют разные точки зрения.

Возникают теории, одна причудливее другой, основанные на самых разных представлениях о том, как ведут себя силы природы на высоких энергиях.

Казалось бы, мы никогда не сможем узнать, что происходило в первый миг, ведь ранняя Вселенная была скрыта за непрозрачной пеленой. Скрыта, но не совсем. От внезапного окончания периода инфляции пространство-время должно было содрогнуться, распространив тем самым гравитационные волны. Эти волны должны были пройти через первозданный огненный шар и оставить на нем свой отпечаток, сжимая и растягивая пространство-время.

Спустя бездну времени мы продолжаем видеть свечение этого огненного шара, растянутого и приглушенного расширением пространства до состояния, известного нам как космический микроволновый фон. Каждый фотон этого микроволнового излучения колеблется в определенном направлении, соответствующем его плоскости поляризации. В общем случае плоскости поляризации фотонов распределяются случайно, но некоторые процессы могут наложить свой отпечаток на крупномасштабную картину поляризации. Гравитационные волны должны формировать отчетливую вихревую структуру.

Чтобы увидеть это, нам нужен микроволновый аналог солнцезащитных очков. Этот прибор должен включать в себя конфигурацию из параллельных проволочек, пропускающих волны с определенной поляризацией и запрещающих проход других. Вращая эту установку и измеряя количество излучения, проходящего через нее, можно определить направление поляризации для излучения, приходящего из каждой точки на небе.

Было ли что-нибудь до Большого взрыва?

Инфляция стерла любое воспоминание о тех временах, которые предшествовали стадии быстрого расширения, поэтому мы вряд ли ответим на этот вопрос, просто глядя на небо. Кроме того, в самом начале Вселенная была такой горячей и плотной, что сами уравнения, которые мы используем для описания ее расширения и эволюции, не выдерживают никакой критики.

Теория, объединяющая эти уравнения с квантовой механикой, могла бы нам рассказать на языке уравнений о том, что было (и было ли вообще что-то) до Большого взрыва; но очертания этой теории по-прежнему остаются весьма расплывчатыми. А в это время теоретики продолжают фантазировать о пульсирующих вселенных, которые поочередно проходят через серию бесконечных взрывов и сжатий, или о мультивселенных, которые отпочковываются от одной первоначальной Вселенной.

Физики провели несколько экспериментов, в которых попытались найти отпечаток, оставленный гравитационными волнами. В 2014 году ученые, исследовавшие поляризацию с помощью детектора BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), объявили, что их старания увенчались успехом. К сожалению, оказалось, что полученные результаты целиком можно отнести за счет межзвездной пыли. Но работа по поиску продолжается: ученые строят новые телескопы и детекторы и устанавливают их в высокогорных местах планеты с сухим климатом (см. далее).

Если удастся достичь поставленной цели, физики смогут точно сказать, когда, как и почему произошла инфляция. В большинстве теорий инфляции предполагается, что «спусковой механизм» сработал, когда от нулевого момента времени прошло не менее 10–36 с, но не более 10–33 с. В этот момент первоначальная космическая сверхсила расщепилась на три независимых силы, отвечающих за сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и электромагнетизм. Это расщепление есть фазовый переход, подобный тому, который происходит, когда жидкая вода превращается в лед. Этот процесс сопровождался выделением энергии, которое и запустило инфляцию. Картина распределения гравитационных волн помогла бы физикам понять действие сверхсилы и создать теорию великого объединения, описывающую истинную фундаментальную структуру материи. Такая теория помогла бы ответить на вопрос, существуют ли дополнительные скрытые измерения в пространстве; если да, то они могли бы задержать инфляцию на 10–14 с.

Но и тогда, возможно, мы увидим картину, которую инфляция объяснить не в состоянии. И теоретикам придется начинать все сначала.

Детекторы и телескопы

Самые негостеприимные места на Земле наиболее всего приспособлены для наблюдений за первыми моментами существования Вселенной.

Один из самых больших телескопов на планете выглядит крошечным на фоне бескрайних льдов антарктического пейзажа. Телескоп на Южном полюсе был построен для исследования космического микроволнового фона и запечатления Вселенной, существовавшей через 380 000 лет после Большого взрыва. С помощью установленной на телескопе камеры ученые надеются получить отпечаток первозданных гравитационных волн и пролить свет на первую триллионную триллионной триллионной доли секунды после рождения Вселенной (см. выше, «Первая доля секунды»).

Эта камера предназначена для измерения поляризации. Так же, как солнечный свет поляризуется, когда отражается от дороги или озера, излучение микроволнового фона поляризуется при рассеивании на электронах, встречающихся ему на пути через Вселенную, а гравитационные волны должны слегка изменять картину поляризации. Уловить этот эффект будет весьма трудно, так же как услышать стрекотание сверчка на рок-концерте, поскольку слабый сигнал от гравитационных волн теряется на фоне гораздо более сильного сигнала от флуктуаций плотности, происходивших в ранней Вселенной.

Водяные пары в атмосфере поглощают микроволновое излучение, поэтому для наблюдений КМФ нужно искать высокие и сухие места. Толщина льда на Южном полюсе составляет 2830 метров, и воздух там чрезвычайно сухой. Но это не самое высокое место, где стоит подобный телескоп. Антенна для измерения анизотропии микроволнового фона (The Array for Microwave Background Anisotropy, AMiBA) находится на высоте 3400 метров на склоне горы Мауна-Лоа на Гавайях. Еще выше, на высоте 5200 метров у вершины Серро Токо в пустыне Атакама в Чили, расположены еще несколько детекторов, улавливающих сигналы гравитационных волн. К ним относятся эксперимент Polarbear («Полярный медведь»), камера ACTPol (Atacama Cosmology Telescope – космологический телескоп в Атакаме), измеряющая анизотропию поляризации, и система телескопов CLASS (Cosmology Large Angular Scale Surveyor – наблюдатель больших космологических угловых масштабов). Кроме того, детекторы устанавливаются на аэростатах и парят на еще большей высоте над Антарктикой, Австралией и над штатом Нью-Мексико.

Глава 6 Темная материя

Космос гораздо обширнее, чем те галактики со всем их видимым веществом, которые мы можем наблюдать. В нем незримо присутствует также таинственная субстанция, именуемая темной материей, которая играет более значительную роль, чем обычная материя, и служит гравитационным клеем при образовании звезд и галактик.

Проливая свет на темную материю

Несколько десятилетий тому назад мы думали, что понимаем, из какого вещества состоит Вселенная, но теперь это не так. Сейчас мы знаем, что атомы, из которых состоит все видимое вещество в космосе – от галактик до планет и облаков межзвездного газа и пыли – представляют менее 20 % всей космической материи. Остальные 80 % – это темная материя, невидимая в обычные телескопы. Но если мы не можем ее видеть, откуда же мы знаем, что она есть?

Мы не можем взвесить Солнце или планету на весах. Но мы можем определить их массу, измеряя гравитационное притяжение, которое они оказывают на окружающие их объекты. Таким же образом можно измерить массу галактики или даже скопления галактик, наблюдая, насколько быстро звезды и другие объекты вращаются вокруг их центров. Швейцарский астроном Фриц Цвикки (1898–1974) применил в 1933 году этот принцип к скоплению галактик Волос Вероники, содержащему более 1000 галактик и находящемуся на расстоянии 300 миллионов световых лет от нас. Он нашел, что отдельные галактики в этом скоплении двигаются слишком быстро для своих масс. И непонятно, что их удерживает в скоплении, ведь, по сути, они должны были разлететься в разные стороны (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Доказательство существования темной материи: звезды у краев галактик двигаются слишком быстро, чтобы удерживаться на орбите только за счет притяжения материи, которую мы видим в галактическом центре

Необычные результаты, полученные Цвикки, не привлекали большого внимания вплоть до конца 1960-х годов, когда Вера Рубин (1928–2016) из Института Карнеги в Вашингтоне измерила доплеровское смещение облаков водородного газа в некоторых далеких галактиках. Измерения показали, что для тех скоростей, с которыми облака вращаются вокруг центров галактик, требуется гораздо больше массы, чем ее содержится в видимом веществе.

Без темной материи само существование многих галактик, которые кажутся устойчивыми, открыто отрицает законы физики. Тот факт, что они все-таки существуют, служит одной из наиболее веских причин полагать, что в космосе существует многое, не видимое для нашего глаза.

Космический микроволновый фон

Хотя до сих пор мы не можем увидеть эту самую темную материю, мы видим доказательства ее существования везде, куда бы ни падал наш взор. Возьмем, например, космический микроволновый фон. Изучая картину распределения областей КМФ, температуры в которых немного выше и ниже средней, мы смогли многое узнать об истории развития нашей Вселенной и ее составе (рис. 6.2). Кроме всего прочего, эти вариации КМФ говорят нам о том, как была распределена материя в ранней Вселенной. Темная материя начала собираться в комки под действием гравитации раньше обычного вещества, поэтому следы ее влияния можно увидеть на небе в многочисленных маленьких горячих и холодных областях с угловыми размерами, равными примерно 0,25 градуса.

Картина распределения этих пятен позволяет нам определить, сколько должно быть темной материи. Оказывается, на 1 грамм видимого вещества в космосе должно приходиться 4 или 5 граммов, которые мы не видим.

Рис. 6.2. Сравнение ранней и современной Вселенной

Даже если бы темная материя была не нужна для удерживания галактик от разлетания, в ее отсутствие космос выглядел бы совсем по-другому. Так говорят модели Вселенной, полученные на суперкомпьютере. Такое моделирование прослеживает движение миллиардов частиц на протяжении всей эволюции Вселенной и помогает понять, почему Вселенная стала такой, какая она есть. Когда атомы газа в обычной материи сжаты в более тесном объеме, они сталкиваются чаще. Это взаимодействие стремится оттолкнуть атомы друг от друга, препятствуя дальнейшему сжатию газа под действием гравитации. С другой стороны, частицы темной материи вяло взаимодействуют друг с другом и поэтому «кучкуются» более охотно. Моделирование с учетом этих свойств показывает, что при расширении и эволюции Вселенной первыми образовывались «комки», или гало, темной материи.

Первые образовавшиеся гало темной материи были, вероятно, размером с Землю, но гораздо менее плотными. Со временем они начали слипаться и постоянно росли. В конце концов некоторые выросли настолько, что начали притягивать большое количество атомов водорода, гелия и других элементов обычного вещества. Так стали появляться зерна первых звезд и галактик.

Поражает совпадение форм и размеров структур, получаемых при моделировании поведения темной материи, с теми, которые реально наблюдаются в нашей Вселенной. Практически не остается сомнений, что темная материя реально существует и, более того, что именно она послужила питомником для формирования галактик, таких как наш Млечный Путь.

Что такое темная материя?

До сих пор мы не можем дать исчерпывающего ответа на этот вопрос. Она должна быть невидимой или, по крайней мере, едва заметной, поэтому в ее состав не должно входить ничего, что может сильно излучать, отражать или поглощать свет. Таким образом, обычное вещество, состоящее из атомов, не подходит. Так возникла гипотеза, что темную материю могут составлять большие объекты, такие как черные дыры или экзотические нейтронные звезды, или белые карлики, ведь они практически не видны в телескопы. Такие объекты даже получили специальное название: массивные астрофизические компактные объекты гало (massive astrophysical compact halo objects, MACHO). Но наблюдатели отвергли эту гипотезу. Дело в том, что сильная гравитация таких объектов отклоняла бы свет, идущий к нам от далеких звезд. Мы видим эффекты гравитационных линз, но достаточно редко: эти явления могут объяснить только несколько процентов недостающей массы.

Большинство космологов считают, что мы буквально купаемся в море темной материи, состоящей из газа слабо взаимодействующих массивных частиц, газа, который пронизывает всю галактику, включая нашу Солнечную систему. Тем не менее ни одна из частиц, открытых за последнее столетие, не годится на эту роль. Темная материя должна быть чем-то совершенно новым. За последние годы были сделаны дюжины различных предположений. Предлагались различные варианты: от тяжелых нейтрино-подобных частиц до сверхлегких гипотетических аксионов, от обычной материи со слегка искаженными свойствами (см. ниже «Странно знакомые») до действительно странных вариантов с частицами, двигающимися сквозь дополнительные пространственные измерения.

Суперсимметрия

Тем не менее для многих физиков среди этих гипотез существует явный фаворит: частицы, предсказанные теорией суперсимметрии. В нашем мире существуют два класса частиц: фермионы и бозоны. Фермионы – это такие частицы, как электроны, нейтрино и кварки, из которых и состоит то, что мы называем веществом. Бозоны – это частицы, ответственные за передачу взаимодействий в природе. Электромагнитная сила есть не что иное, как бозоны – фотоны, снующие туда-сюда между электрически заряженными частицами.

Теория суперсимметрии предполагает, что для каждого типа фермиона должен также существовать соответствующий тип бозона со многими сходными свойствами (рис. 6.3). У электрона, например, должен быть до сих пор еще не открытый, но уже получивший имя партнер – селектрон. Так же фотон должен иметь среди фермионов аналог по имени фотино.

Среди новых частиц, согласно теориям суперсимметрии, есть одна, которая может быть стабильной и иметь характеристики, требуемые для кандидата в темную материю. Это легчайшая частица, которая получила название «нейтралино». Если нейтралино действительно существуют, то эти легчайшие частицы, вероятно, должны были возникнуть в первые секунды после Большого взрыва в количествах, необходимых для появления темной материи в нашей сегодняшней Вселенной.

Рис. 6.3. Сравнение стандартной модели и теорий суперсимметрии: в теориях суперсимметрии нейтралино являются более тяжелыми партнерами фотона, Z-бозона – переносчика слабого взаимодействия, и бозонов Хиггса

Но на тропе суперсимметрии нас поджидают засады. Никто еще не видел суперсимметричные частицы. Физики подозревают, что частицы-суперпартнеры, если они существуют, должны быть гораздо тяжелее, чем их обычные аналоги, что очень сильно усложняет их создание или экспериментальное открытие. Но Большой адронный коллайдер, расположенный в лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН возле Женевы (Швейцария), недавно вышел на тот уровень энергий, на котором мы ожидали появления суперсимметричных частиц. Напрямую обнаружить их не удастся, однако можно будет предположить их присутствие по дисбалансу энергии и импульса, полученных в результате столкновений частиц.

Некоторые физики пытаются уловить частицы темной материи, пронизывающие нашу планету во всех направлениях, что довольно сложно. Ведь для того чтобы быть «темными», частицы темной материи должны очень слабо взаимодействовать с обычной материей. И все-таки они должны быть пойманы, хотя этому мешает очень шумный фон от естественной радиоактивности и космических лучей. Представьте, что вы стоите на углу шумной улицы и пытаетесь услышать звук булавки, упавшей на землю.

Охотники за темной материей

Некоторые охотники за темной материей спускаются под землю, устанавливая детекторы в шахтах, чтобы таким образом защитить их от космических лучей. Но до сих пор эти детекторы «глубокого залегания» не смогли обнаружить никаких частиц темной материи. Иногда регистрируются намеки на желанное событие, но при ближайшем рассмотрении оказывается, что это лишь мираж.

В то время как одни уходят глубоко под землю, другие устремляются в космическое пространство с целью увидеть высокоэнергетические частицы, которые могут появляться, когда массивные частицы темной материи взаимодействуют и уничтожают друг друга. Специальные телескопы, построенные для обнаружения гамма-излучения, антиматерии и нейтрино, уже поймали сигналы, похожие на сигналы, которые согласно предсказаниям должна рождать аннигиляция частиц темной материи. В 2008 году космическим аппаратом PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, «Нагрузка по исследованию антиматерии и астрофизики легких ядер») было установлено, что на удивление большая часть космических лучей, путешествующих в космическом пространстве, относится не к обычной материи, а к антиматерии. Это возможный путь к обнаружению аннигиляции темной материи, хотя, скорее всего, эти лучи исходят из хорошо известных источников антиматерии в нашей Галактике, таких как пульсары – быстро вращающиеся нейтронные звезды. Космический гамма-телескоп Ферми (НАСА) зафиксировал яркий источник гамма-лучей из центра нашей Галактики, который также очень похож на сигнал, ожидаемый от аннигиляции частиц темной материи. В данный момент этот результат выглядит более убедительно, чем данные, полученные аппаратом PAMELA, но опять-таки он может быть следствием процессов, происходящих на до сих пор неизвестных астрофизических объектах.

Не выглядит ли все это попыткой поймать черную кошку в темной комнате, тем более что ее может там и не быть, как и темной материи во Вселенной? В 1983 году израильский физик Мордехай Милгром (род. 1946) предположил, что неоправданно высокие скорости движения звезд в галактиках можно объяснить другим способом: если гравитация ведет себя не так, как предсказывали Ньютон или Эйнштейн. Он указал, что наблюдаемое вращение в галактиках может быть объяснено, если второй закон Ньютона – сила равна произведению массы на ускорение или F = ma – модифицируется таким образом, что при очень малых ускорениях сила гравитации становится пропорциональной квадрату ускорения.

Однако в последние годы предположение Милгрома, получившее название MOND (modified Newtonian dynamics), столкнулось с серьезными проблемами. В частности, оно не может убедительно объяснить характер движения галактик внутри скоплений. Наблюдения, проведенные в 2006 году, выявили пару скоплений галактик в процессе слияния, получившую название скопление галактик Пуля. Движение скоплений указывает на то, что их центр притяжения не совпадает с областью, где сосредоточены газ и звезды, как следовало бы из теории MOND. Предположительно, темная материя сместила центр притяжения в другое место; исходя из этого, большинство космологов не считают более теорию MOND жизнеспособной альтернативой существованию темной материи. Скопление галактик Пуля не исключает существование различных модификаций гравитации, и некоторые радикальные альтернативы теории относительности претендуют на объяснение ряда эффектов, которые обычно приписывают темной материи (см. главу 8). Но это вовсе не означает, что все на свете нужно объяснять темной материей.

Чувствительность детекторов темной материи увеличивается в 10 раз примерно за каждые два года, так что первые несомненные доказательства существования частиц темной материи могут появиться в течение ближайших нескольких лет. Вот тогда мы, наконец, сможем пролить свет на свойства темной материи.

Странно знакомые

Придумывание новых частиц для объяснения недостающей массы Вселенной завело нас в никуда. Быть может, темная материя – это хорошо замаскированная обычная материя?

В июле 2015 года неожиданная гостья посетила Большой адронный коллайдер ЦЕРНа. Названная пентакварком, эта необычная частица представляет собой совершенно новый способ собрать воедино основные строительные кирпичики вещества. Это событие прозвучало приятной мелодией для ушей Гленна Старкмана, физика-теоретика из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде (штат Огайо, США). Он выдвинул смелую идею: во Вселенной существуют другие разновидности обычной материи, и их вполне достаточно, чтобы сыграть роль неуловимой темной материи.

Чтобы сформировать материю, которая нас окружает, элементарные частицы собираются в определенные стандартные конфигурации. Кварки группируются по трое и образуют составные частицы, известные как барионы, в том числе протоны и нейтроны, входящие в состав атомных ядер. Нам также известны эфемерные комбинации кварка и антикварка, называемые мезонами.

Но кварки – создания изворотливые и из-за особенностей связывающего их сильного ядерного взаимодействия в одиночку по Вселенной не плавают. Когда расстояние между кварками мало, эта связывающая сила слаба. Но как только расстояние возрастает, сила увеличивается, притягивая кварки друг к другу. Сильное взаимодействие зависит и от других причин, и физики настойчиво стараются понять в деталях, как кварки образуют мезоны и барионы.

Странные кварки

Эта неопределенность привела к предположениям, что могут существовать другие формы материи. Еще в начале 1980-х годов физик и математик Эдвард Виттен из Принстонского университета предположил, что легкие кварки могут вступать в необычные комбинации со своими более тяжелыми «двоюродными братьями», такими как странные кварки (рис. 6.4). Эти кварки могут вырастать в большие аморфные пузыри, собирая все больше и больше новых частиц в небольшом объеме. Виттен назвал их «кварковые самородками». Брайан Линн, физик-теоретик из Университетского колледжа Лондона, и его коллеги позднее распространили эту гипотезу для объяснения других структур, таких как «странная барионная материя» и «хиральные жидкие капли»[4].

Рис. 6.4. В обычном веществе связано 2–3 кварка. Сверхмассивные частицы, состоящие из множества кварков, могли бы претендовать на роль неуловимой темной материи

Такие экзотические сгустки из знакомых нам элементарных частиц будут плотными, как нейтронные звезды – одна чайная ложка вещества, из которого они состоят, весит столько же, сколько приличная по размерам гора. Исследователи назвали их «макросы»; их масса, если они обнаружатся, будет измеряться не теми ничтожно малыми величинами, как у обычных элементарных частиц, а килограммами и тоннами. Макросы не должны вступать в реакции ядерного синтеза и поэтому не должны светиться. Они слишком малы и практически не должны отражать или поглощать какой бы то ни было свет. Можно сказать, что это частицы-невидимки.

Исходя из этих предположений, можно подумать, что найден идеальный кандидат на роль темной материи. Тем не менее физики скептически отнеслись к этой идее. На это есть две причины:

1. Если макросы являются компактными объектами наподобие коричневых карликов или черных дыр и по массе сравнимы с Солнцем, тогда их должно быть больше, чем видимых звезд. Только в этом случае они смогут быть ответственными за те эффекты, которые сейчас традиционно объясняются темной материей. Но тогда макросы отклоняли бы свет, идущий к Земле от звезд, то есть создавали бы эффект гравитационного линзирования.

2. Если бы ядерное вещество распределялось тонким «ковром» по всей Вселенной, оно взаимодействовало бы с самим собой и другим веществом, затрудняя процесс образования галактик в том виде, в как мы его знаем.

Ответ Старкмана на эти возражения заключается в следующем. Макросы вовсе не обязаны иметь слишком большую массу и повсеместно приводить к эффекту гравитационного линзирования; не должны они и «размазываться» тонким слоем повсюду, вступая во взаимодействие с чем попало. Они могут группироваться в шариках среднего размера, ни слишком больших, ни слишком маленьких, что вполне согласуется с существующими космологическими наблюдениями.

Частицы, рожденные в космосе

Вооруженные этой идеей, Старкман с коллегами принялись за поиски макросов средних размеров. Вначале они попытались понять, где могли появляться макросы с разрешенной наименьшей массой. Может быть, они оставили свой след в минералах, погребенных в недрах Земли, или на пластиковых щитах космической станции «Скайлэб», установленных специально для поимки рожденных в космосе частиц? Так и не найдя нигде ожидаемых сигналов, Старкман сделал вывод, что разрешенные массы макросов должны находиться в диапазоне от 50 граммов до массы горы Эверест.

Ученый Дэвид Джейкобс из Кейптаунского университета в Южной Африке, работающий над проектом вместе со Старкманом, надеется «услышать», как макросы пролетают в океане. Для этого он использует гидрофоны, которые применяются для изучения повадок китов или для отслеживания незаконно проводимых ядерных испытаний. Кроме того, в поисках макросов он планирует исследовать данные детекторов космических лучей: влетая в атмосферу Земли, макросы должны рождать характерный световой сигнал.

Но удача может улыбнуться и немного дальше от дома. Последняя экспедиция «Аполлона» оставила на Луне четыре сейсмометра. Среди прочего они могут зафиксировать и следы макросов. Эти сейсмометры достаточно примитивны; геологи-планетологи вынашивают планы по замене их на более совершенные приборы. Брюс Банердт из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене (штат Калифорния, США) и его коллеги хотят установить на Луне более чувствительную сеть лунных сейсмографов.

Открытие этих мельчайших эффектов имело бы грандиозное значение. Может оказаться, что экзотические частицы, выдуманные физиками и являющиеся предметом их интенсивного поиска, просто не существуют, а обычные элементарные частицы, которые мы знаем и любим, могут сочетаться друг с другом самым причудливым образом.

К чему может привести охота за темной материей?

Охотники за темной материей находятся на распутье в поисках ответа на вопрос: «Что же такое и как это работает?» До сих пор не существует никаких конкретных фактов, одни догадки и предположения.

Но вскоре положение дел может измениться. Важного прорыва можно ожидать с разных научных фронтов, ведь прямыми поисками темной материи занимаются в глубоких шахтах, а косвенно к ее открытию могут привести открытия, сделанные на космических телескопах или на Большом адронном коллайдере. Действительно ли участники экспериментов CoGeNT и DAMA/LIBRA обнаружили частицы темной материи? Может быть, темная материя рождает те гамма-лучи из центра нашей Галактики, которые наблюдал космический телескоп Ферми? Единого мнения по этому вопросу пока не существует, но время и новые научные данные все расставят по своим местам.

Если темная материя на самом деле состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц, похожих на частицы, предсказываемые теорией суперсимметрии, успех не за горами. С другой стороны, если за ближайшие 10 лет не удастся обнаружить подобные сигналы, то ученым придется расстаться со своими гипотезами о темной материи и создавать новые. Возможно, темная материя полностью инертна и вообще не взаимодействует с обычным веществом. Если это так, ее никогда не удастся обнаружить, какие бы эксперименты ни придумывали физики. Такой исход – самый большой кошмар для всех охотников за темной материей.

Интервью: поиски «луча» темного света

Есть ли у темной материи свои собственные «темные силы»? Единственный способ найти их – объявить на них охоту, говорит Тим Нельсон, физик из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) в Менло-Парк (штат Калифорния, США).

Почему вы думаете, что существует пятая сила?

Мы хорошо знаем о четырех фундаментальных силах в физике, ответственных за гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное взаимодействие. Но по-прежнему существует шанс, что есть еще одна сила, которую мы пока еще не замечаем, возможно, потому, что она слишком слабая. Долгое время ученые стремились найти эту новую силу. В настоящее время основной целью является поиск таких сил, которые действуют в основном на темную материю. Я вдохновлен такой идеей: точно таким же образом, как нормальная материя состоит из частиц, на которые действуют различные силы, темная материя представляет собой самую легкую и наиболее стабильную составляющую еще не открытого «темного сектора» частиц и сил.

Каковы причины полагать, что этот темный сектор существует?

У нас все больше оснований так считать. Мы знаем, что темная материя существует и что она взаимодействует гравитационно – иными словами, обладает массой – и что значительное количество ее воплощено в частицах особого типа. Ученые ухватились за идею, что темная материя в основном состоит из частиц, называемых слабо взаимодействующими массивными частицами. Но поиски этих частиц, например с помощью подземных детекторов и Большого адронного коллайдера, ни к чему не привели, и мы покидаем те апартаменты, где мы могли бы их обнаружить. Тогда, если темная материя – это не просто слабо взаимодействующие массивные частицы, то остается вероятность того, что это различные типы темных частиц, взаимодействующих друг с другом с помощью особого набора своих собственных сил.

Означает ли это, что темная материя может быть весьма разнородной?

Да. Стандартная модель физики элементарных частиц оперирует со множеством частиц, включая фотон, который является переносчиком электромагнитного взаимодействия. Эта обычная материя составляет только одну шестую часть всего вещества во Вселенной. Все остальное – темная материя, так почему бы ей не быть разнородной? Если вы откроете эту концептуальную дверь, перед вами откроются врата новых возможностей. Но с чего-то надо начинать, и давайте рассмотрим самый простой на данный момент вариант: «темная сила» аналогична электромагнетизму. Отсюда появляется термин «темные фотоны».

И как вы собираетесь охотиться за темными фотонами?

Согласно теории темные фотоны смешиваются с обычными фотонами в процессе, который называется кинетическим смешиванием. Это означает, что темный фотон может превратиться в обычный, и наоборот. Но, скорее всего, это происходит очень-очень редко. Итак, в принципе, если вы проводите эксперимент, в котором выделяется много высокоэнергетических фотонов, вы также получите некоторое незначительное количество темных фотонов.

Как можно выделить темные фотоны?

Темные фотоны не могут быть безмассовыми, как обычные. Если бы они были безмассовыми, это противоречило бы нашему пониманию того, как ведет себя темная материя. Фактически они могут иметь массы в широком диапазоне. Это означает, что хотя мы и не можем непосредственно увидеть темные фотоны, мы можем охотиться за ними так же, как и за всеми частицами, которые имеют массу.

Вы уже работаете над этим?

Да, в нашем эксперименте «Поиск тяжелых фотонов» в лаборатории Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility) мы используем пучок электронов с высокой энергией, облучая им вольфрамовую фольгу. Когда электроны внезапно сталкиваются с препятствием, мы получаем тормозное излучение. Тормозное излучение – это в основном поток фотонов, и, если темные фотоны существуют, они также будут присутствовать в этом излучении, но в гораздо меньшем количестве. Что случится потом, зависит от того, являются ли темные фотоны самыми легкими частицами «темного сектора». Наш эксперимент предполагает, что это так и есть, а это означает, что они должны распадаться в результате кинетического смешивания с образованием частиц обычной материи, таких как электрон-позитронные пары. А их мы можем обнаружить.

А если темные фотоны тяжелее, чем вы думаете?

Мы предполагаем, что основная часть темной материи состоит из ее самых легких частиц. Если же темный фотон не является самой легкой частицей «темного сектора», то вместо того, чтобы распадаться с образованием обычного вещества, он с таким же успехом останется после распада в царстве темной материи. Это значит, что мы не увидим его в наших экспериментах, но это приведет к некоторым интересным возможностям. Если я проведу эксперимент с толстой вольфрамовой мишенью и создам пучок темных фотонов, которые будут двигаться достаточно быстро, а они распадутся с образованием частиц темной материи, это будет означать, что я создал пучок частиц темной материи. Мы потеряем способность обнаруживать темные фотоны, но приобретем способность обнаруживать саму темную материю. Беспроигрышный вариант.

Расскажите нам еще немного о пучке темной материи.

Самое замечательное в этом то, что такой пучок будет давать частицы темной материи с высокой энергией. Эксперименты по непосредственному обнаружению темной материи, такие как LUX и CDMS, призваны открыть темную материю, бороздящую нашу Галактику на относительно низких скоростях. Когда частицы темной материи ударяются о детектор, они добавляют очень маленькое количество энергии, которое нам очень трудно зафиксировать. Вот почему нам приходится помещать наши детекторы в глубокие шахты – окружающая почва надежно экранирует их от помех. Но если бы у меня был высокоэнергетический пучок темной материи, я мог бы его направить на стандартный детектор элементарных частиц.

Что будет означать для человечества реальное обнаружение темной материи?

Это будет сродни астрономической революции Коперника – еще одно подтверждение того, что мы не в центре Вселенной, и то, что мы принимаем за всю Вселенную, всего-навсего ее маленький ломтик. Одно дело – понимать это умом, как сейчас, и совсем другое – встретиться с этим открытием лицом к лицу.

Глава 7 Темная энергия

В нашем космосе доминирует загадочная сила, называемая темной энергией. Подозрения о ее существовании впервые появились в результате решения уравнений Эйнштейна, за семь десятилетий до ее реального обнаружения[5]. Темная энергия и темная материя довершают картину Вселенной, созданную Эйнштейном.

Темная энергия: по-прежнему величайшая космическая тайна

Она включает в себя две трети космоса, но до сих пор заставляет нас теряться в догадках. Что такое темная энергия: новое поле, новая сила или глубина нашего собственного невежества?

Пару десятков лет назад мы заметили, что некая таинственная субстанция расталкивает Вселенную в разные стороны. Эта субстанция действует повсюду, но мы ее не видим. Несмотря на то что она заполняет Вселенную больше, чем на две трети, у нас нет ни малейшего представления о том, что это такое, откуда она взялась и из чего сделана. По крайней мере, у нас есть имя для этого самого загадочного из всех «монстров»: темная энергия. В последнее время охота на эту субстанцию набирает скорость. На основе новых обзоров неба проводятся поиски ее возможных следов среди взрывающихся звезд и древних скоплений галактик. Вскоре к поискам присоединятся космические аппараты и гигантские наземные телескопы, в то время как некоторые физики пытаются уловить признаки темной энергии в лабораториях.

В настоящее время мы знаем, что темная энергия обладает тремя свойствами:

1. Она отталкивает. Неожиданная тусклость некоторых взрывов сверхновых, замеченных в 1998 году, подсказала нам, что они гораздо дальше от нас, чем мы предполагали. Кажется, что в некотором месте пространство начинает расширяться быстрее, как будто на него влияет какая-то сила отталкивания, действующая против притягивающей силы гравитирующей материи.

2. Ее очень много. Движение галактик и их скопления говорят нам о том, как много вещества находится во Вселенной, в то время как излучение космического микроволнового фона дает нам возможность оценить полную плотность материи и энергии. Второе из этих значений значительно превышает первое. Из этой оценки следует, что примерно 68 % всей Вселенной находится в некоторой нематериальной, энергетической и «расталкивающей» форме.

3. Темная энергия являет собой прекрасное «горючее» для подпитывания созидательных умов физиков, которые превращают ее в сотни различных фантастических форм.

Почему темная энергия толкается?

Мы привыкли к тому, что гравитация притягивает предметы друг к другу. Поэтому существование космической силы, которая все расталкивает, просто приводит в замешательство. Поведение энергии вакуума также является странным: по мере расширения пространства появляется все больше и больше субстанции, ответственной за все более увеличивающуюся энергию. Можно провести аналогию с пружиной или резиновой лентой, которая натягивается при растяжении и накапливает энергию. Другими словами, энергия вакуума находится под натяжением.

Но разве может нечто, находящееся в состоянии растяжения, отталкивать тела? Скорее, они должны притягиваться, а не отталкиваться. И вот здесь интуиция нас подводит. Общая теория относительности, которая описывает поведение гравитации, оперирует не только понятием энергии, но также понятием давления. Высокое давление приводит к появлению притягивающего поля тяготения; наоборот, если есть растяжение, значит, должно присутствовать отталкивание.

Очевидно, такое объяснение никого не может удовлетворить. Знания по физике в объеме средней школы помогают преодолеть только половину пути и подойти к пониманию того, что темная энергия имеет растягивающую силу. А затем начинаются чудеса относительности, которые делают это растяжение отталкивающим. В попытках ответить на вопрос, что же собой на самом деле представляет темная энергия, возможно, мы натолкнемся и на объяснение того, почему она создает отталкивание.

Космологическая постоянная

Самым «ручным» из всех этих гипотетических монстров является космологическая постоянная, но и она склонна гулять сама по себе. Фактически это плотность энергии, присущая самому пространству, которая в общей теории относительности Эйнштейна создает отталкивающую гравитацию. По мере расширения пространства ее становится все больше, а ее отталкивание становится все сильнее по сравнению с притяжением все более и более рассеянной материи. Физика элементарных частиц может объяснить ее происхождение виртуальными частицами, которые появляются и исчезают в пузырящемся и неустойчивом квантовом вакууме. Проблема заключается в том, что эти частицы, по-видимому, обладают слишком большой энергией: по самым скромным подсчетам, примерно 10120 джоулей на кубический километр.

Это катастрофическое несоответствие оставляет простор для некоторых альтернативных теорий. Темная энергия может представлять собой энергетическое поле, которое является неотъемлемой частью пространства, изменяющееся со временем и, возможно, даже накапливающееся в разных местах. Она может быть модифицированной формой гравитации, которая на больших расстояниях способна действовать как отталкивающая сила. Например, в одной из теорий темная энергия принимает вид радиоволн, длина которых в триллионы раз больше, чем вся наблюдаемая Вселенная.

Астрономы хотят понять, изменяется ли темная энергия со временем. Если она изменяется, то это исключит космологическую постоянную, чья плотность должна оставаться неизменной. Напротив, энергетическое поле нового типа может становиться более слабым по мере растяжения пространства, а может и усиливаться, накачиваясь за счет расширения Вселенной. В большинстве модифицированных теорий гравитации плотность темной энергии также переменна. Она может даже увеличиваться на некоторое время, а затем, наоборот, уменьшаться.

Судьба Вселенной зависит от этого хрупкого равновесия. Если темная энергия остается постоянной, бо́льшая часть космического пространства будет все быстрее уходить вдаль, оставляя нас на маленькой островной вселенной, навсегда отрезанной от остального космоса. Если она усиливается, то все, в конце концов, может кончиться Большим разрывом, или даже ткань пространства будет становиться неустойчивой здесь и сейчас. Наилучшая оценка на сегодняшний день основана преимущественно на наблюдениях сверхновых и говорит о том, что плотность темной энергии довольно стабильна.

В погоне за тенью

Проект «Обзор темной энергии» (Dark Energy Survey) нацелен на обнаружение сигналов присутствия темной энергии на широких просторах неба. Он осуществляется с помощью 4-метрового телескопа им. Виктора Бланко, расположенного в межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили. На нем установлена специально спроектированная чувствительная инфракрасная камера.

Эти наблюдения могут зарегистрировать много новых сверхновых. Видимая яркость каждого взрыва звезды говорит нам о том, как давно он произошел. За то время, пока свет путешествовал в нашем направлении, длина его волны увеличилась, или «покраснела», за счет расширения пространства. Если сопоставить все данные, то можно изобразить, как происходило расширение со временем.

Этот обзор позволит нам составить изощренную карту неба, на которой будут отмечены положения нескольких сотен миллионов галактик и указаны их расстояния до нас. Эхо от звуковых волн, пронесшихся по младенческому космосу, определило характерные размеры обширных сверхскоплений галактик. Измеряя видимый размер сверхскоплений, мы можем по-новому взглянуть на историю расширения Вселенной (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Тайна темной энергии: многочисленные данные указывают на то, что нечто противостоит притяжению гравитации и ускоряет расширение Вселенной

С помощью этой карты можно будет также выявить влияние темной энергии на меньших масштабах. Темная энергия препятствует объединению галактик в скопления. Ученые, принимающие участие в обзоре, произведут прямой подсчет скоплений и с помощью эффекта гравитационного линзирования оценят роль скрытой массы. Дело в том, что массивные скопления играют роль своеобразной гравитационной линзы, отклоняя проходящий через них свет, испущенный более далекими космическими объектами (см. также главу 2). Распределение массы в скоплениях может помочь выявить измененные формы гравитации, поскольку является своеобразным космическим зондом на промежуточных расстояниях, на которых гравитация может начинать менять свою природу. Все эти измерения должны дать нам представление о том, как темная энергия меняется со временем.

Мега-проекты

Лидером среди охотников за темной материей является уже упоминавшийся выше проект «Обзор темной энергии». Большой обзорный телескоп (The Large Synoptic Survey Telescope), который будет построен в Чили с участием США, нацелится своим огромным глазом на небо в 2021 году. Другие мега-проекты, такие как европейский Чрезвычайно большой телескоп (Extremely Large Telescope) в Чили, должны вступить в действие примерно в это же время вместе с крупнейшим в мире радиоинтерферометром SKA (Square Kilometre Array – «антенна с площадью в квадратный километр»). Антенны будут размещены в Австралии и Южной Африке и представлять собой огромный космический радиотелескоп для исследования структуры космоса по радиосвечению водородных облаков. В 2020 году Европейское космическое агентство планирует запустить в космос для поисков темной материи телескоп «Евклид», который будет искать эффекты гравитационного линзирования и объединения галактик в скопления, происходившие на еще более ранних этапах жизни Вселенной. Широкодиапазонный инфракрасный телескоп (Wide Field Infrared Survey Telescope) НАСА стартует несколькими годами позже.

Эта погоня в пространстве обещает быть весьма захватывающей, но цель и дальше может ускользать от нас. Если мы обнаружим, что плотность темной энергии остается с течением времени почти постоянной, это, возможно, поддержит идею космологической постоянной, но не исключит вероятность существования некоторых полей квинтэссенции с почти постоянной плотностью. Поэтому некоторые физики и расставляют на Земле ловушки для темной энергии. Если вы вводите новое поле или новые частицы для того, чтобы объяснить темную энергию, то они неизбежно будут переносчиками взаимодействия нового типа в дополнение к тем, которые мы знаем, – гравитации, электромагнетизму и ядерным силам. Но мы не видим, чтобы эта новая сила как-то сказывалась на движении планет в нашей Солнечной системе. Многие теоретики избавляются от этой сложности просто: они вводят экранирующий механизм, который ослабляет пятую силу в сравнительно плотной среде, какой являются окрестности Солнечной системы.

Коллективные квантовые волны

Клэр Барридж из Ноттингемского университета (Великобритания) пришла к выводу, что мы можем заняться поисками этого эффекта в лаборатории. Она и ее соавторы намереваются использовать облако холодных атомов, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна, в котором все атомы колеблются согласованно, формируя одну коллективную квантовую волну. Некоторые формы темной энергии должны слегка понижать частоту этого колебания. Ученые планируют разделить конденсат на две части и поместить плотный объект возле одной из них. Если этот объект будет экранировать темную энергию, то колебания в двух частях конденсата потеряют синхронность, и когда две половинки конденсата вновь соединятся, возникнет явление интерференции. Группа ученых под руководством Пола Гамильтона провела похожий эксперимент в Калифорнийском университете в Беркли, но пока не обнаружила свидетельств экранирования темной энергии.

В Вашингтонском университете в Сиэтле группа Йот-Вош (Eöt-Wash) провела эксперимент с торсионным маятником для изучения других форм космического отталкивания. Согласно одной из теорий дополнительные измерения пространства размером менее одного миллиметра могут содержать в себе темную материю, что увеличивает силы гравитации на этих масштабах. Некий тип экранируемой квинтэссенции, названный симметроном, будет порождать дополнительную силу на таких же малых масштабах. Этот крошечный эффект может быть выявлен по едва заметным качаниям маятника Йот-Вош.

Между тем в 2016 году Майкл Ромалис из Принстонского университета и Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа в Ганновере (штат Нью-Гэмпшир, США) предположили, что если обычные фотоны или электроны могут ощущать, хотя бы и очень слабо, темную энергию, тогда магнитное поле на Земле должно генерировать крошечный электростатический заряд. В принципе этот эффект нетрудно обнаружить при условии, что любой прибор, предназначенный для этой цели, будет обладать высокой точностью.

Мало кто считает, что охота за темной энергией близится к концу. После двух десятилетий упорных попыток выхода из тупика у нас до сих пор нет ключа к решению этой загадки. Но будем оптимистами – по крайней мере у нас есть ключи от тех мест, где этот ключ может лежать.

Темная энергия – это иллюзия?

Стандартная космологическая модель наводит порядок везде – от картины послесвечения Большого взрыва до эволюции галактик. Но ей не обойтись без помощи темной материи – дополнительной невидимой субстанции, составляющей до четверти всего сущего, и темной энергии – таинственной экспансионистской силы, которая, возможно, и является владыкой Вселенной. Однако некоторые утверждают, что темная энергия – всего лишь иллюзия.

В сердце этого конфликта лежит космологический принцип, который утверждает, что Вселенная является более или менее одинаковой, независимо от того, где вы находитесь или куда вы смотрите. Попытки создать работающие модели Вселенной на основе известных своей неуступчивостью уравнений общей теории относительности принесли благотворный результат. С одной стороны, эти уравнения облекают в математическую плоть те параметры, которые искривляют пространство и время: материю, энергию и давление. С другой стороны, у нас есть описание их эффектов: как быстро расширяется пространство-время и насколько оно искривлено. (Пространство-время может быть свернуто само в себя, представляя собой как бы поверхность четырехмерной сферы, что называется положительной кривизной; или оно может быть вывернуто наружу с негативной кривизной; или же оно в целом плоское с нулевой кривизной.)

Построение космологической модели предполагает уравновешивание всех этих параметров для всей Вселенной, т. е. нужно подобрать правильное количество вещества для того, чтобы обеспечить нужное расширение и кривизну. Чтобы легче справиться с этой проблемой, космологи обычно представляют Вселенную однородной, в которой материя и энергия распределены равномерно, а средняя кривизна в общем и целом не меняется в пространстве и времени. Это приводит к решениям уравнений, которые описывают гладкий расширяющийся космос, а это есть стандартная модель Вселенной, возникшей в результате Большого взрыва.

Пару раз модель пришлось корректировать. Открытие факта, что галактики и скопления галактик вращаются слишком быстро для того количества видимого вещества, из которого они состоят, потребовало добавления темной материи в этот «астрономический коктейль». Кроме того, в 1998 году было обнаружено, что расширение происходит с ускорением. Добавьте постоянный или почти постоянный член в модель со стороны материи и энергии, и вы сможете сбалансировать уравнения, воспроизведя плоскую Вселенную с ускоряющимся расширением. Но никто не знает, что собой должна представлять эта константа, хотя модель и требует, чтобы она отвечала почти за 70 % полной энергии во Вселенной.

Именно под эти теоретические устои и подкапываются возмутители астрономического спокойствия. «Отбросьте предположение, что Вселенная однородна и неизменно плоская, – говорят они, – и вам не понадобится ни темная энергия, ни темная материя».

Зерна галактик

Уже в космическом микроволновом фоне мы видим зерна галактик и скоплений галактик, которые со временем полностью сформировались под действием гравитационного притяжения. По мере эволюции Вселенной постепенно образовалась паутина сверхплотных областей, а между ними открылись огромные пустоты с пониженной плотностью.

Каким образом это изменение в распределении материи сказалось на окружающем пространстве-времени? Скрытая масса галактик и скоплений галактик должна увеличивать кривизну близлежащего пространства-времени, делая ее более положительной (рис. 7.2). Между тем пустоты будут влиять на окружающее их пространство-время противоположным образом, сообщая ему отрицательную кривизну.

Французский ученый Томас Бюшер из Лионского университета-1 им. Клода Бернара (Франция) полагает, что результирующая кривизна производит впечатление наличия дополнительной материи. Поэтому и рождается иллюзия существования темной материи. Но с точки зрения Бюшера, это маловероятно. Другие свидетельства приводят к заключению, что темная материя должна существовать; некоторые данные (такие как следы звуковых волн, запечатленные на космическом микроволновом фоне в ранние годы жизни Вселенной) не могут быть объяснены иным способом.

Рис. 7.2. Искривление пространства

Поняв, что от темной материи трудно полностью отказаться, возмутители спокойствия положили глаз на более крупную цель – темную энергию. Финский ученый Сикси Расанен (Syksy Räsänen) из Хельсинкского университета предполагает, что локальные эффекты «обратного влияния», действующие между материей и пространством-временем, могут также менять геометрию Вселенной в целом. По мере того, как материя собирается во все более плотные и компактные структуры, доля пустот во Вселенной увеличивается, смещая среднюю кривизну в область отрицательных значений. Во Вселенной, кривизна которой со временем становится отрицательной, лучи света будут подвергаться искривлению, и все тела будут выглядеть более удаленными, чем в плоском пространстве-времени. Так можно построить модели, в которых не будет ни ускоренного расширения, ни темной энергии.

Разнесенная в стороны

Таким образом решается еще одна проблема. В стандартной модели трудно объяснить, почему эффекты темной энергии начали проявляться только приблизительно 5 миллиардов лет назад, после того как Вселенная просуществовала уже 9 миллиардов лет. Этот факт имеет решающее значение: если бы темная энергия доминировала и раньше, Вселенная разлетелась бы на куски так быстро, что сейчас не было бы ни галактик, ни жизни, ни физиков, созидающих различные модели Вселенной. В гипотезе обратного влияния все становится просто: 5 миллиардов лет назад произошел перелом, когда в структуре Вселенной начали превалировать пустоты и общая кривизна пространства-времени стала отрицательной.

Расанен занимает весьма умеренную позицию, приходя к выводу, что «дело темной энергии» еще не закрыто и окончательный приговор не вынесен. Другие ученые, такие как Дэвид Уилтшир из Университета Кентербери в городе Крайст Чёрч (Новая Зеландия), выступают более решительно, заявляя, что никакой темной энергии не существует. Уилтшир, Бюшер и другие сторонники «обратного влияния» говорят, что они могут согласовать существующие наблюдения с моделями, не включающими темную энергию.

Наилучший способ окончательно разрешить проблему – создать общие релятивистские модели, которые воспроизводили бы эволюцию той «комковатой» Вселенной, которую мы наблюдаем. До последнего времени сделать это было невозможно, так как требовались огромные вычислительные мощности. Но сейчас две группы ученых под руководством Гленна Старкмана из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде (штат Огайо, США) и Тома Гиблина из Кеньон-колледжа в городе Гамбьер (штат Огайо, США) начали работать над созданием численных моделей Вселенной, используя весь мощный аппарат общей теории относительности. Предварительные результаты говорят о том, что эффекты обратного влияния действительно могут менять скорости локального расширения, но они недостаточно сильны, чтобы кардинально изменить общую кривизну Вселенной и создать наблюдаемое ускорение.

Уилтшир указывает, что пока не созданы модели, в которых средняя кривизна пространства-времени эволюционировала бы во времени. Сам Старкман предостерегает, что модели еще довольно сырые: не удается достичь реальной картины, в которой распределение материи было бы достаточно мелкозернистым; материя представляется не в виде частиц, а в виде текучей среды. Во всяком случае, сторонники обратного влияния не собираются отказываться от своей борьбы с темной энергией.

Открывая космическую тайну

Адам Рисс совместно с Брайаном Шмидтом и Солом Перлмуттером получили в 2011 году Нобелевскую премию по физике за открытие ускоренного расширения Вселенной. После окончания Массачусетского технологического института и Гарвардского университета Рисс работает в Университете Джонса Хопкинса и в Институте исследований космоса с помощью космического телескопа (Space Telescope Science Institute) в Балтиморе (штат Мэриленд, США).

В чем суть открытия, сделанного вами совместно с Шмидтом и Перлмуттером, за которое вы были удостоены Нобелевской премии?

Мы – две группы астрономов, которые занимались наблюдениями близких и далеких сверхновых и использовали полученные данные для оценки расширения Вселенной в различные моменты ее истории. Мы обнаружили, что Вселенная, вопреки ожиданиям, не замедляла свое расширение, а, напротив, ускоряла.

Темная энергия – предположительно неотъемлемая энергия пространства-времени, присущая ему изначально, что-то такое, что мы до конца еще не понимаем. Не кажется ли вам странным, что премия была присуждена за открытие того, что по-прежнему остается тайной?

Совершенно нет. Ускорение Вселенной является бесспорным доказательством наличия некоего процесса. Может быть, гравитация на больших масштабах работает не так, как мы привыкли о ней думать. Единственное, что мы можем утверждать наверняка, это то, что расширение Вселенной происходит с ускорением, и это для нас большой сюрприз.

У Эйнштейна была идея, что пространство-время обладает присущей ему плотностью энергии, которая не меняется со временем, так называемой космологической постоянной. Однако впоследствии он назвал эту идею своей «самой большой ошибкой». Ваша работа реабилитирует Эйнштейна?

Да, это впечатляющая реабилитация общей теории относительности Эйнштейна. Все эти прошедшие десятилетия мы наблюдали различные необычные явления во Вселенной, и все они полностью укладываются в рамки его теории.

Еще совсем недавно трудно было представить, что Нобелевская премия будет вручаться за открытие в области астрономии и астрономических наблюдений.

Да, вы правы. Я могу назвать несколько открытий по космологии, сделанные в прошлом, которые были вполне достойны Нобелевской премии: открытие расширения Вселенной и оценка ее размеров, а также наблюдения, указывающие на присутствие темной материи или некоторой дополнительной гравитации. Эти открытия имеют основополагающее значение для нашего понимания физики.

Глава 8 За пределами относительности

Чтобы понять черные дыры, начало времен и истинную природу пространства, мы нуждаемся в теории, которая соединит в себе общую теорию относительности и квантовую механику – две концепции, которые кажутся принципиально несовместимыми.

Странная парочка

Наступит день, когда два столпа современной физики сольются вместе. Общая теория относительности и квантовая механика порознь добились впечатляющих успехов, но по-прежнему кажутся несовместимыми. Стандартная модель физики элементарных частиц в квантово-механической интерпретации описывает большинство фундаментальных сил природы в терминологии порхающих частиц, в то время как теория относительности описывает гравитацию в совершенно другой терминологии, используя искривленное пространство-время.

Столпы сталкиваются и на других перекрестках. Когда мы оказываемся в ситуации, где обе теории становятся одинаково важны, например на горизонте событий черной дыры, работать вместе они отказываются (см. главу 3). Квантовая теория гравитации представляется необходимой при изучении первых моментов после Большого взрыва и, возможно, для понимания природы пространства и времени. Но квантовая гравитация поставила нас в тупик. Производительность труда самого Эйнштейна резко упала в последние годы, когда он занялся поисками теории всего.

Чтобы понять проблему, следует начать с фундаментальных основ квантовой физики. Принцип неопределенности Гейзенберга воплощает в себе «расплывчатость» квантового мира. Он позволяет частицам брать в займы энергию из пустого пространства и появляться из ниоткуда в виде короткоживущих «виртуальных» частиц. Они должны вернуть одолженную энергию путем своего исчезновения – и чем больше они взяли, тем быстрее они должны исчезнуть.

Рис. 8.1. Бесконечная проблема: гравитоны – предполагаемые квантовые частицы гравитации, но теории, в которых они участвуют, оказываются весьма строптивыми

Представьте себе электрон, фотон или любую другую частицу, которая набрала один за другим множество таких «беспроцентных кредитов». В результате расчет даже простого квантового процесса (например, пролет электрона слева направо) становится чрезвычайно сложным. По словам физика Ричарда Фейнмана (1918–1988), мы должны «суммировать все возможные истории», принимая в расчет бесконечное разнообразие способов возникновения виртуальных частиц (рис. 8.1).

Квантовая электродинамика

Иногда при таком суммировании получается конечный результат: теория делает предсказание, которое может быть проверено. Например, квантовая электродинамика хорошо описывает движение электрона. Но в ряде случаев сумма резко возрастает, и вы уходите в бесконечность. История применения квантовой теории к силам природы есть история о том, как приходится бороться с этими непокорными бесконечностями.

Один из примеров такой борьбы – анализ бета-распада, когда нейтрон спонтанно испускает электрон и нейтрино, превращаясь в протон. Квантовая теория бета-распада заводила физиков в тупик бесконечностей, пока они не разработали «электрослабую» теорию, которая объединила электромагнитные и слабые ядерные взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия обуздала математический аппарат, добавив гипотетические массивные частицы, такие как W-бозоны, Z-бозоны и бозоны Хиггса. С их помощью удалось справиться с бесконечностями. Фортуна благоприятствовала смелой догадке: W– и Z-бозоны были открыты в ЦЕРНе в 1983 году, а бозоны Хиггса – в 2012 году. Этот успех вдохновил многих физиков, и они поверили в то, что такая стратегия является чуть ли не универсальным рецептом при разработке квантовых теорий: если ваша модель приводит к бесконечностям, просто добавьте новые частицы, и задача будет решена.

Предположим теперь, что так же как свет состоит из фотонов, гравитация есть совокупность квантовых частиц, называемых гравитонами. В соответствии с принципом неопределенности гравитоны заимствуют энергию для создания других, виртуальных гравитонов, и когда мы начинаем суммировать все возможные истории, наши вычисления быстро, как и ожидалось, закручиваются по спирали, уводя нас в хаос бесконечностей. Но если мы попытаемся покорить бесконечности, добавляя новые частицы, то ничего не получится, потому что потребуется ввести частицу с массой, равной 10 миллиардам миллиардов массы протона. Как обычно, чем больше энергии одалживаешь, тем быстрее ее приходится отдавать, т. е. такие частицы живут очень недолго. Значит, далеко им не уйти, и они будут тесниться в крошечном объеме пространства.

Но общая теория относительности говорит, что масса искривляет пространство-время. Сконцентрируйте достаточно большую массу в малом объеме, и перед вами возникнет черная дыра. Именно такой облик принимает наша новая частица: микроскопическая черная дыра, содержащая сингулярность с бесконечной плотностью и бесконечной кривизной в пространстве-времени. Природа играет с нами злую шутку: стремление избавиться от одной бесконечности создает другую.

Попытки обойти это препятствие привели нас к созданию теории струн, в которой предполагается, что все частицы являются воплощением более фундаментальных структур, а именно, колеблющихся струн. Когда мы начинаем суммировать все возможные истории таких «распушенных» объектов, неприятные бесконечности, рожденные виртуальными частицами, исчезают как по волшебству (см. «Теория всего и теория струн» ниже). Другая идея – петлевая квантовая гравитация, которая предлагает разрубить пространство-время на дискретные блоки. Такая разбивка предполагает ограничение верхнего лимита энергии, которую может одалживать частица, и вычисления вновь приобретают конечный характер.

Эти две кандидатуры на роль всеобщей теории во многих отношениях представляют собой наиболее консервативные продолжения существующих моделей: обе пытаются сохранить, насколько это возможно, теоретические основы квантовой механики и общей теории относительности. А как насчет более эзотерических идей, изменяющих существующие правила игры? Например, если снова разъединить пространство-время и рассматривать их отдельно, как это было раньше, то это создаст пространство для маневра (см. «Гравитация Хоравы» далее в этой главе). Можем ли мы достичь прогресса, отказавшись от краеугольного камня общей теории относительности – принципа эквивалентности? (См. «По-разному одинаковые» далее в этой главе.) Или мы должны более кардинально поменять наши взгляды и попытаться объяснить природу реальности с помощью отвлеченных чисел?

И теория относительности, и квантовая механика так хорошо согласуются с реальностью, каждая в своей области, что очень трудно придумать что-нибудь лучше. Но мало кто из физиков задумывается о еще более радикальной возможности, а именно, что квантовая механика и общая теория относительности не могут быть объединены, и реальность не имеет единого, согласованного и логического обоснования.

Теория всего и теория струн

Всеобъемлющая физическая теория, которая объединит квантовую механику и общую теорию относительности, сможет описать все на свете, начиная от Большого взрыва и заканчивая элементарными частицами. Так есть ли у нас сейчас ведущий кандидат на роль этой теории всего?

В конце XIX столетия атомы считались самыми маленькими «строительными кирпичиками» материи. Затем была открыта их структура: ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и электроны, снующие вокруг ядра. В 1960-е годы атом был разделен еще дальше. Так, сначала теоретически, а затем и экспериментально было определено, что протоны и нейтроны состоят из еще более маленьких частиц, названных кварками. Означают ли эти структурные слои, что деление бесконечно? Все теоретические и экспериментальные свидетельства, собранные до сих пор, говорят, что это не так и что кварки лежат на самом дне мироздания. Сейчас мы полагаем, что кварки – это фундаментальные строительные блоки материи, также как и семейство частиц, называемых лептонами, к которым относится электрон (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Стандартная модель: наши современные представления о строительных кирпичиках, из которых состоит материя, и о силах, связывающих их между собой

Кварки и лептоны, входящие в состав вещества, довольно сильно отличаются от бозонов, являющихся переносчиками взаимодействий в природе. Поэтому для всех оказалось большим сюрпризом открытие, сделанное теоретиками в 1970-е годы. Было показано, что можно вывести уравнения, которые не будут изменяться, если одни частицы заменить другими. Это предполагает существование в природе нового типа симметрии. Точно так же, как в силу своей симметрии внешний вид снежинки не изменяется, как бы мы ее не переворачивали, неизменный вид уравнений сводится к новой симметрии, называемой суперсимметрией. Одно из следствий этого заключается в том, что каждая частица в стандартной модели будет иметь своего суперсимметричного партнера. Но никто еще не нашел ни одного такого суперпартнера.

Суперсимметрия и супергравитация

Физики-теоретики, однако, по-прежнему увлечены суперсимметрией (см. также главу 6), поскольку она предсказывает гравитацию. Согласно математическим уравнениям теории суперсимметрии акт превращения частицы в ее суперсимметричную партнершу и наоборот идентичен ее движению сквозь пространство-время. Это означает, что суперсимметрия связывает свойства квантовых частиц и пространства-времени, делая возможным подключить сюда также и гравитацию. В результате получается теория, которая называется супергравитацией. Математические выкладки теории супергравитации привели к неожиданному следствию: пространство-время способно обладать только одиннадцатью измерениями и не более того.

Идея о дополнительных измерениях Вселенной возвращает нас к ранним попыткам объединения разных сил природы. В 1920-е годы немецкий физик и математик Теодор Калуца (1885–1954) добавил в теорию Эйнштейна пятое измерение для пространства-времени, в результате чего у гравитационного поля появились новые компоненты, похожие на компоненты электромагнитного поля. Но почему же мы не видим пятое измерение? В 1926 году шведский физик Оскар Клейн (1899–1974) предположил, что пятое измерение не похоже на другие четыре: оно свернуто в калачик, который слишком мал, и поэтому мы его не видим. Вообразите муравья на туго натянутой проволоке: с одинаковым успехом он в любой момент может передвигаться как вдоль по проволоке, так и по ее окружности. Но если мы смотрим на проволоку с расстояния, намного превышающего размеры муравья, проволока будет выглядеть фактически как одномерная линия. Вычисления Клейна показали, что дополнительное измерение должно иметь не более 10–35 м в поперечнике, а это слишком мало, чтобы быть замеченным даже на самых мощных современных ускорителях частиц.

Идея Калуцы и Клейна пребывала в спячке долгие годы, пока супергравитация не вернула ее к жизни, обогатив пространство-время семью новыми измерениями, находящимися в свернутом состоянии. Могут ли эти дополнительные измерения описать сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия? На первый взгляд, теория супергравитации выглядела весьма многообещающе, но и в ней нашлись изъяны. Во-первых, с помощью 11-мерной супергравитации трудно понять, как кварки и электроны соотносятся со слабым ядерным взаимодействием. Еще более серьезной оказалась проблема, разрушающая все попытки примирить гравитацию и квантовую теорию поля: когда мы используем уравнения супергравитации для вычисления некоторых процессов, результат обращается в бесконечность.

Колебания струн

Как альтернатива возникла теория суперструн, в которой строительными кирпичиками материи являются не точечные частицы, а одномерные струны, живущие в пространстве десяти измерений. Подобно скрипичным струнам, они могут колебаться по-разному, и разные режимы колебания представляют собой различные элементарные частицы. Некоторые колебания струн могут описывать гравитоны, которые являются гипотетическими переносчиками гравитационного взаимодействия.

Все это выглядело как мечта физика-теоретика. В отличие от 11-мерной супергравитации, появилась возможность успешно вести дела со слабым взаимодействием. Кроме того, теория суперструн становится очень похожа на общую теорию относительности, если принять, что энергия гравитона достаточно мала. Но самое главное заключалось в том, что все бесконечности и аномалии, досаждавшие ученым в их прежних попытках применить квантовую теорию поля к общей теории относительности, перестали отравлять им жизнь. Казалось, это был надежный путь к объединению гравитации с квантовой механикой.

Однако после первой эйфории вновь начали закрадываться сомнения. Начнем с того, что существует не одна, а целых пять математически непротиворечивых теорий суперструн, и каждая претендует на звание теории всего. Теория суперсимметрии говорит, что Вселенная имеет максимум одиннадцать измерений, в то время как из уравнений теории суперструн следует, что их должно быть десять. И почему мы должны останавливаться на одномерных струнах? Почему не рассмотреть двумерные мембраны, которые могут принимать форму простыни или сводиться к поверхности пузыря?

Суперструны – то же самое, что космические струны?

Ответ – нет. А может быть, и да.

Космические струны – это гипотетические дефекты в пространстве-времени, которые проявляются в виде линий концентрированной энергии длиной в миллиарды световых лет, настолько плотные, что отрезок длиной в 1 метр весит столько же, сколько целый континент. В отличие от них, суперструны имеют размер 10–35 метров, а масса их сравнима с массой элементарных частиц, с которыми мы имеем дело в настоящий момент.

У нас нет доказательств существования космических струн, но некоторые космологи думают, что они могли сформироваться, когда остывала очень молодая Вселенная и квантовый вакуум проходил через серию фазовых превращений, сходных с таянием льда. Никакие суперструны были там не нужны. Но космические струны могли образоваться и другим путем, если быстрое расширение пространства в эпоху инфляции было способно захватить первозданные суперструны и растянуть их до космических пропорций.

Супермембраны

Выяснилось, что суперсимметрия и мембраны хорошо сочетаются друг с другом. Вычисления, проведенные в 1987 году, показали, что «супермембраны» могут существовать в 11-мерном пространстве-времени, которое следует из теории супергравитации. Долгие годы существовало два лагеря: «струнники» с их 10-мерной теорией и «мембранники», работающие в одиннадцати измерениях.

Все это собралось вместе в 1995 году под одним зонтиком, названным M-теорией, которая была разработана Эдвардом Виттеном в Институте перспективных исследований в Принстоне. По его словам, буква «М» означает либо магию, либо мистерию, либо мембрану – выбирайте себе по вкусу. Виттен показал, что пять разных теорий струн и супергравитация по сути являются различными гранями M-теории (см. также главу 5).

M-теория с ее мембранами смогла сделать то, что было не под силу сделать струнам. В 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут излучать энергию благодаря квантовым эффектам. А это означало, что они имеют температуру, а также обладают таким термодинамическим свойством, как энтропия, которая является мерой дезорганизации системы. Хокинг установил, что энтропия черной дыры зависит от площади поверхности ее горизонта событий. Казалось, что ее энтропию можно определить, учитывая все квантовые состояния частиц, из которых состоит черная дыра, но все попытки такого описания черной дыры потерпели неудачу. И тут на сцене появилась M-теория, в точности воспроизводя формулу энтропии Хокинга.

В 1998 году аргентинский физик Хуан Малдасена показал, что все события, происходящие внутри Вселенной, можно описать в M-теории с помощью взаимодействия частиц на ее границе. Этот «голографический принцип» может означать, что мы – всего лишь тени на границе Вселенной большего числа измерений.

Конкретный способ, с помощью которого скручены дополнительные измерения, диктуется внешним видом нашего четырехмерного мира, включая количество поколений кварков и лептонов, существующие силы и массы элементарных частиц. Сложность применения M-теории заключается в том, что существует много (возможно, бесконечно много) способов скручивания этих дополнительных измерений, что приводит к возникновению огромного количества возможных вселенных. Некоторые из них могут быть подобны нашей Вселенной, с тремя поколениями кварков и лептонов и четырьмя видами взаимодействий; многие будут выглядеть совсем по-другому. Но с теоретической точки зрения все они вполне вероятны. Таким образом, может существовать множество вселенных, в которых действуют разные физические законы, и в одной из таких вселенных посчастливилось жить нам с вами.

Можно ли назвать M-теорию окончательной «теорией всего»? Проверить это предположение трудно. Некоторые характерные особенности, такие как суперсимметрия или наличие дополнительных измерений, могут быть выявлены в экспериментах на ускорителях или с помощью астрофизических наблюдений, но в целом огромное разнообразие возможностей, предлагаемых мультивселенной, очень сильно затрудняет точные предсказания. Являются ли все законы природы, с которыми мы имеем дело, следствием фундаментальной теории или некоторые из них могли возникнуть по чистой случайности? Это вопросы первостепенной важности, и они могут еще долго оставаться без ответа. Поиски теории всего, по-видимому, являются наиболее амбициозной задачей, предпринятой учеными за все время существования науки. Никто еще не говорил, что нам будет легко на этом пути.

Первопроходцы струнной теории

В 1990 году Эдвард Виттен, внесший большой вклад в разработку теории струн, стал лауреатом Филдсовской премии, аналога Нобелевской премии для математиков. Это показывает, насколько тесно связаны математика и теория струн.

Хуан Малдасена – еще один пример влиятельного современного физика. Его работа показывает, что физические законы и явления внутри определенной области Вселенной могут быть описаны теми событиями, которые происходят на границе этой области. Хотя его идея родилась в рамках M-теории, она способна привести к революционным изменениям во многих областях теоретической физики.

Принципиально новая дорога, ведущая к теории всего

В течение нескольких десятков лет охота за теорией, способной объединить относительность и квантовую теорию, основывалась на теории струн. Но существуют и альтернативные пути.

Наиболее перспективный «неструнный» подход к разработке теории всего – каузальная динамическая триангуляция, или метод причинно-динамических разбиений. Этот метод разработали Рената Лолл из Утрехтского университета в Нидерландах и ее коллеги Ян Амбьорн и Ежи Юркевич. CDT-метод предлагает для пространства-времени модель, сложенную из крошечных, идентичных друг другу строительных кирпичиков. Они представляют собой аналоги треугольников, но более высокой размерности, так называемые 4-симплексы. Под влиянием законов квантовой механики, эти «треугольники» постоянно перестраиваются, приобретая новые конфигурации, и каждая из них имеет свою собственную кривизну.

Подобно тому, как вы можете соединить шесть равносторонних треугольников в одной точке, превратив их в кусок плоского пространства, с помощью CDT-метода можно создать плоское, положительно или отрицательно искривленное пространство-время путем соединения нескольких 4-симплексов в одной точке. Треугольники – это не физические объекты, а просто математический инструмент для вычислений, и они приводят к убедительным результатам.

Ключевым этапом формирования пространства-времени в большом масштабе является суммирование всех возможных конфигураций этих треугольников. Это вполне соответствует духу подхода, который Ричард Фейнман применил в квантовой механике: чтобы вычислить, как частица добирается из точки A в точку Б, нужно сложить все возможные траектории ее пути. Еще в конце 1970-х годов аналогичный подход к рассмотрению пространства-времени применил Стивен Хокинг, но у него получались вселенные либо вообще без измерений, либо измерений было бесконечное множество.

Идея Лолл заключалась в том, чтобы встроить зафиксированный порядок причинно-следственных связей в способ самоорганизации треугольников. В результате ее вычисления привели к модели, включающей три измерения пространства и одно измерение времени, и создали гладкую расширяющуюся вселенную, подобную той, в которой мы живем. В этой вселенной господствуют законы общей теории относительности и стандартной космологии.

Полученный результат предполагает, что принцип причинности может объяснить, почему мы живем в четырехмерной Вселенной. Но в CDT-модели пространство-время является четырехмерным только на больших масштабах. На крошечных масштабах модель превращается в двумерную с фрактальной структурой пространства-времени, неровной и зазубренной, со все более отчетливой прорисовкой деталей по мере увеличения масштаба. Реальность может быть слегка «потерта» по краям.

Гравитация Хоравы

Физики, пытающиеся примирить гравитацию с квантовой механикой, приветствовали теорию, появившуюся «на кончике пера», которая может все упростить. Пространство-время представляет собой концепцию, которая хорошо нам послужила, но если физик Пётр Хорава прав, то это всего лишь мираж. Хорава, который работает в Калифорнийском университете в Беркли (штат Калифорния, США), хочет разорвать эту ткань и освободить время и пространство друг от друга.

Одной из ключевых идей теории относительности является симметрия Лоренца: все наблюдатели, двигающиеся с постоянной скоростью, выражают согласие по поводу законов физики и положения событий в пространстве-времени. Но что если эта симметрия есть не фундаментальное свойство природы, а нечто, возникшее в процессе охлаждения Вселенной после огненного шара Большого взрыва?

В 2009 году Хорава внес исправления в уравнения Эйнштейна, удалив симметрию Лоренца. К его удовольствию, это привело к системе уравнений, описывающих гравитацию с тех же самых квантовых позиций, которые справедливы и для других фундаментальных сил природы: гравитация возникает как сила притяжения благодаря квантовым частицам, называемым гравитонами, так же как электромагнитное взаимодействие переносится фотонами.

Гравитацию Хоравы можно изучать с помощью того же самого математического аппарата, который был разработан для трех других фундаментальных взаимодействий природы. Отчасти поэтому эта идея с таким увлечением была подхвачена многими физиками. Она могла помочь разрешить застарелую проблему темной материи. Когда Синдзи Мукойяма из Токийского университета (Япония) вывел уравнения движения из теории Хоравы, он обнаружил, что в них присутствует новый член, которого не было в уравнениях, выводимых из общей теории относительности, и что этот новый член имитирует свойства темной материи. В зависимости от его значения мы можем либо частично, либо почти полностью избавиться от темной материи.

С темной энергией, в отличие от темной материи, так просто разобраться не получается. Теории физики элементарных частиц предсказывают, что концентрация темной энергии должна быть на 120 порядков больше, чем наблюдаемое значение. Но теория Хоравы содержит параметр, который можно плавно подстроить, чтобы уменьшить энергию вакуума, предсказываемую физикой элементарных частиц.

По-разному одинаковые

Наши надежды, направленные на создание теории всего, связаны с разрушением баланса, на который так уповал Эйнштейн. Современная физика ненадежно сбалансирована на невероятном совпадении, связанном с тем, как мы представляем себе массу и как мы ее определяем. Эйнштейн утверждал, что это совпадение – изначальное свойство природы и использовал этот «принцип эквивалентности» как основу для создания своей общей теории относительности. Но если мы хотим найти некую более общую, лучшую теорию, которая сможет объединить гравитацию с другими силами, с принципом эквивалентности придется расстаться.

Существует несколько вариантов принципа эквивалентности, но все сводятся к одной идее: действие гравитационных полей неотличимо от действия ускоренного движения. На человека, стоящего в лифте на планете Земля, действует сила притяжения, направленная вниз. Запустите лифт в дальний космос на ракете, и если ракета будет лететь с ускорением, пассажир будет испытывать точно такое же притяжение. Инерция пассажира не даст ему парить в кабине. Инерция – естественное сопротивление любого тела действию ускорения. Этот же эффект вдавливает вас в спинку сиденья машины, когда водитель нажимает на газ.

У этих двух ситуаций с лифтом одна причина – масса. Однако масса массе рознь. Одна – гравитационная масса – отвечает на силу притяжения, стремясь придать телу ускорение в гравитационном поле. Другая – инертная масса – является свойством тела, которое противодействует любому ускорению. Еще один способ сформулировать принцип эквивалентности – сказать, что эти две массы всегда численно равны друг другу. Если бы это было не так, тела с разными массами падали бы на Землю с разными скоростями. Фактически равенство гравитационной и инертной масс определяет любое движение под действием гравитации во всей Вселенной. Если бы гравитационная масса реагировала на гравитацию немного сильнее, чем инертная масса на ускорение, то планеты вращались бы вокруг своих светил, а звезды вокруг центров своих галактик немного быстрее, чем они это делают сейчас.

То, что выглядит как гравитация в общей теории относительности Эйнштейна, на самом деле просто однородное движение сквозь искривленное пространство. Гравитации нет, поэтому гравитационная масса фиктивна, а совпадение, которое стоит за принципом эквивалентности, пропадает. Но если гравитацию нужно поместить в один квантовый «загон» вместе с другими силами, то гравитации нужно дать что-нибудь, на что она могла бы опереться – так же, как электромагнетизм опирается на электрический заряд. Возникает необходимость в гравитационной массе, которая отдельна и отлична от инертной массы.

Интервью: теория всего не дает ответов на все вопросы

«Мы не должны быть одержимы идеей поисков теории всего», утверждает Лиза Рэндалл, профессор физики Гарвардского университета.

Не мечтает ли каждый физик о единой стройной теории всего?

На свете очень много физиков! Когда я провожу свои исследования, я вовсе не думаю об этой теории. И даже если бы у нас была окончательная теория, лежащая в основе всего, как вы объясните тот факт, что мы с вами сейчас находимся здесь? Решение проблемы теории струн не объяснит нам, как возникло человечество.

Следовательно, теория всего – это миф?

Нет, это вовсе не ошибочная идея. Такие цели вдохновляют прогресс. Я просто думаю, что идея, к которой мы придем в конце концов, будет немного сложнее.

Разве не красота математики приводит нас к истине?

Вам следует быть осторожным, если вы хотите использовать красоту в качестве гида. Очень много теорий, которые вначале не считались красивыми, но оказались таковыми позже, и наоборот. Я думаю, что простота – хороший путеводитель. Чем экономичнее теория, тем она лучше.

Значит, проблема в том, что наши лучшие теории физики элементарных частиц и космологии так запутаны?

Мы пытаемся описать Вселенную в масштабах от 1027 до 1035 метров, поэтому нет ничего удивительного, что в этих теориях так много составляющих. Глупо считать, что все вокруг нас состоит только из того вещества, из которого мы сделаны. Скорее всего, без темной материи и без темной энергии нам не обойтись.

Глубже и точнее

Один из способов опровергнуть принцип эквивалентности Эйнштейна – попытаться доказать, что две массы на самом деле не эквивалентны, а просто очень-очень близки. Даже мельчайшая разница между ними будет означать, что общая теория относительности построена на зыбкой основе и что должна существовать более глубокая и точная теория.

До сих пор эксперименты, проводимые с атомами рубидия и калия в свободном падении в «Башне падения» Бременского университета, не показали отклонений от принципа эквивалентности. Было найдено, что атомы падают с одинаковыми скоростями с точностью до 11-го знака после запятой. Между тем в Вашингтонском университете в Сиэтле Эрик Адельбергер и его группа Йот-Вош (Eöt-Wash) используют высокотехнологичную установку – торсионные весы, чтобы сравнить движения стандартных масс, сделанных из различных элементов, включая медь, бериллий, алюминий и кремний. Они установили рекорд точности в своих экспериментах: принцип эквивалентности не нарушался с точностью до 13-го знака после запятой. Запущенный французскими учеными в апреле 2016 года космический аппарат MICROSCOPE (Micro-Satellite a traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence) тестирует движения платиновой и иридиевой масс в условиях микрогравитации в космическом пространстве.

В то же время теоретики решили потянуть за другую веревочку. Они заявили, что никто до сих пор не сумел убедительно объяснить, что такое инерция. Одно мы знаем наверняка: инерцию нельзя полностью объяснить полем Хиггса. Хотя поле Хиггса предположительно обеспечивает массами фундаментальные частицы, такие как электроны и кварки, при объединении кварков в более тяжелые частицы, а именно протоны и нейтроны, которые составляют большую часть нормального вещества, получается масса примерно в тысячу раз больше суммарной массы составляющих кварков. Эта дополнительная масса обеспечивается не механизмом Хиггса, а энергией, требуемой для того, чтобы удерживать кварки рядом друг с другом. Каким-то образом эти два эффекта должны объединиться и найти себе точку опоры, чтобы создать у тела свойство сопротивляться ускорению.

Ускоряющийся наблюдатель

И что же далее? Наверное, все это можно соотнести с феноменом, о котором в 1970-е годы заявили канадский физик Уильям Унру и другие ученые. Объединив идеи относительности и квантовой механики, они пришли к выводу, что наблюдатель, движущийся с ускорением, должен видеть излучение, исходящее из вакуума.

Астрофизик Бернард Хайш из Института внеземной физики имени Макса Планка в Гархинге (Германия) и инженер-электротехник Альфонсо Руэда из Университета штата Калифорния в Лонг Бич (США) поняли, что вакуум взаимодействует с ускоряющимся телом во всем его объеме. Это может породить силу, которая действует в направлении, противоположном движению тела. Они сравнили этот эффект с тем, который возникает при движении заряженных частиц в магнитном поле, когда возникает сила, действующая на движение этих частиц, – сила Лоренца. В нашем случае имеют место электромагнитные взаимодействия с квантовым вакуумом.

Майк Маккаллох из Плимутского университета (Великобритания) полагает, что такие взаимодействия – именно то, что нужно для того, чтобы разрушить принцип эквивалентности. Излучение Унру должно обладать спектром с широким диапазоном длин волн. Для очень маленьких ускорений будет преобладать длинноволновое излучение. Сделайте ускорение действительно очень маленьким, и некоторые волны станут длиннее размера наблюдаемой Вселенной и будут эффективно обрезаться. В соответствии с вычислениями Маккаллоха, проведенными им в 2007 году, полное количество излучения Унру, воспринимаемого телом, будет падать, в результате чего тело будет испытывать меньшую силу противодействия. Таким образом, инерция тела будет уменьшаться, облегчая его движение по сравнению с тем, что предписывается стандартными законами движения Ньютона. Соответственно, связь с гравитационной массой будет ослабевать.

Аномальные движения

Сложность этой идеи заключается в том, что ее трудно проверить. В окрестности Земли с ее сильным полем тяготения не так-то легко воспроизвести малые ускорения, нужные для наблюдения такого эффекта. Однако во Вселенной есть места, где можно увидеть действие малых ускорений, а именно в среде с низкой гравитацией, например на краю галактики. И действительно, рассматривая аномальные движения в большинстве спиральных галактик, Маккаллох предположил, что этот механизм может также объяснить еще одну загадку, терзающую умы астрофизиков – тайну темной материи.

Справедливости ради следует сказать, что эти идеи не совершили переворота в науке. Когда Хайш и Руэда предложили свой механизм, им удалось убедить НАСА в необходимости спонсирования дальнейших исследований. Кроме того, дуэту ученых удалось привлечь частные инвестиции в размере двух миллионов долларов. Но в дальнейшем денежный ручей и интерес к исследованиям иссякли, так как разработчики идеи не смогли предсказать, как именно можно проверить действие эффекта.

В 2010 году три бразильских астронома под руководством Виторио Де Лоренси из Федерального университета в Итажуба предложили провести новое испытание. Если использовать вращающийся диск, для того чтобы нейтрализовать ускорения, возникающие вследствие вращения Земли и ее движения в космическом пространстве, на крохотных ускорениях инерция диска понизится, и он будет вращаться быстрее, чем следует из законов Ньютона. Несмотря на то что проведение эксперимента требует сравнительно небольших затрат, пока не нашлось желающих вкладывать свои ресурсы в этот проект.

Тупиковая ситуация, связанная с принципом эквивалентности, по-прежнему ждет своего разрешения. Либо кто-то проведет решающий эксперимент, разоблачающий принцип эквивалентности, либо теоретически будет доказана его несостоятельность. Если гравитационная масса – то же самое, что и инертная масса, только под другой личиной, тогда действительно гравитация – всего лишь иллюзия, возникающая в искривленном пространстве, как она и трактуется в общей теории относительности. И тогда квантовые теории гравитации, включая струнные теории, могут быть водружены на жертвенный алтарь.

Числа – основа всего?

Когда Эйнштейн в 1916 году завершил работу над общей теорией относительности и пристально посмотрел на свои уравнения, он получил неожиданное «послание»: Вселенная расширяется. Эйнштейн не поверил этому, он не мог себе представить, чтобы материальный мир съеживался либо раздувался в размерах, и поэтому он проигнорировал вывод, следовавший из уравнений. Но через 13 лет Эдвин Хаббл нашел явное доказательство расширения Вселенной. Так Эйнштейн упустил возможность сделать самое сенсационное предсказание в истории науки.

Как же получилось, что уравнения Эйнштейна «знали» о расширении Вселенной, а сам Эйнштейн – нет? Если математика, являющаяся изобретением человеческого мозга, не что иное, как язык, с помощью которого мы описываем окружающий мир, как из нее может возникнуть нечто, превышающее наши исходные предпосылки? «Трудно избежать впечатления, что иначе, чем чудом, это не объяснить» – писал физик Юджин Вигнер в 1960 году.

В наше время способность математики предвосхищать события выглядит не менее чудесной. В 2012 году физики зафиксировали на Большом адронном коллайдере характерные признаки частицы, которая промелькнула в уравнениях физики элементарных частиц еще 48 лет назад. Как математики могли узнать о частицах Хиггса? Как вообще они могут с помощью уравнений предсказывать физическую реальность? Наверное, потому что математика – это и есть реальность, говорит физик Брайан Грин из Колумбийского университета в Нью-Йорке. Возможно, если мы копнем достаточно глубоко, то убедимся, что физические объекты, такие как стол или стул, в конечном итоге состоят не из частиц или струн, а из чисел.

Что из этого следует? Для начала нужно понять, из чего состоит математика. Покойный физик Джон Уилер говорил, что основой математики является уравнение 0 = 0. Все математические структуры могут быть выведены из так называемого пустого множества, такого множества, которое не содержит никаких элементов. Пусть мера этого множества равна нулю; тогда можно определить число 1 как множество, которое содержит только пустое множество, 2 как множество, содержащее множества, соответствующие 0 и 1, и т. д. Если продолжать вкладывать пустоту друг в друга подобно тому, как это сделано в матрешках, то в итоге у нас получится вся математика. По словам математика Иэна Стюарта из Уорикского университета (Великобритания), этот принцип – «ужасный секрет математики: вся она основывается на пустоте». Реальность может снизойти до математики, а математика сводится к пустоте.

Может быть, это и есть главный ключ ко всему сущему: в конце концов, Вселенная, сделанная из ничего, не требует никаких объяснений. На самом деле математическим структурам вовсе не нужна физическая природа. Додекаэдр никогда не был создан, говорит Макс Тегмарк из Массачусетского технологического института. Додекаэдр вообще не существует в пространстве или во времени, он существует независимо от них обоих. Пространство и время сами содержатся внутри более крупных математических структур, добавляет он. Эти структуры просто существуют; они не могут быть созданы или разрушены.

И тут возникает большой вопрос: почему Вселенная сделана только из части всей доступной математики? Правда то, что математика, кажущаяся нам такой заумной и нефизической, иногда начинает соответствовать реальному миру. Например, мнимые числа ранее считались полностью заслуживающими свое название, а сейчас они используются для описания поведения электрических цепей и элементарных частиц. Неевклидова геометрия в конце концов проявилась в эйнштейновском описании гравитации. Но даже если так, это всего лишь малая часть всех существующих математических структур.

Но Тегмарк говорит, что не надо делать поспешные выводы. Он полагает, что физическое и математическое бытие – это одно и то же, поэтому любая структура, которая существует математически, существует также и в реальности. Тогда как быть с математикой, которую наша Вселенная не использует? По словам Тегмарка, другие математические структуры соответствуют другим вселенным. Он считает, что они входят в мультивселенную 4-го уровня, и она куда более странная, чем те мультивселенные, которые обычно обсуждают космологи. Их заурядные мультивселенные подчиняются тем же основным математическим правилам, что и наша Вселенная. А во вселенных внутри мультивселенной 4-го уровня Тегмарка действует совсем другая математика.

Все это звучит весьма экстравагантно, тем не менее гипотеза об идентичности физической и математической реальностей прошла проверку временем. Если реальность в основе своей не является математикой, то что же это такое? Может быть, в один прекрасный день мы столкнемся с представителями инопланетной цивилизации и поделимся с ними нашими знаниями о Вселенной, размышляет Грин. Они скажут: «А, математика! Мы это уже проходили. Она только уводит в сторону. А теперь поговорим о серьезном».

Интервью: удивительно, на что способен наш слабый мозг!

Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, рассуждает о том, почему физике сейчас улыбается фортуна и какой следующий большой прорыв ожидает нас.

Вам нравится популярность, которой достигла современная физика на волне открытий бозона Хиггса и гравитационных волн?

Физика была царицей наук в двадцатом столетии, потому что за последние сто лет она привела к появлению квантовой механики, атомной бомбы и самых разнообразных технологий. Мы, физики, обладали большим политическим влиянием и интеллектуальным весом. Сейчас биологи начинают постепенно опережать нас. Биология развивается чрезвычайно быстро и имеет более непосредственное влияние на нашу жизнь. Но успехи биологии, например генная инженерия, могут оказаться палкой о двух концах. В каком-то смысле физика оказывается в более приоритетном положении: открытия, которые мы делаем сейчас, не переходят сразу же в область технологии или в нашу повседневную жизнь. Никто не стремится найти практическое применение бозонам Хиггса или гравитационным волнам, просто все считают их грандиозными открытиями.

Эти крупные достижения физики явились следствием доказательства математических теорем. Стоит ли нам и дальше опираться на математику в наших исследованиях?

Не только математика помогает нам постигать природу; очень важны также методы научной работы. Самое главное, что все это демонстрирует возможность познания окружающего мира. Ведь до сих пор продолжается тихое противостояние между теми, кто считает природу полнейшей загадкой, и теми, кто полагает, что она доступна для понимания. Эти открытия напоминают нам о том, что наш хрупкий маленький мозг способен делать удивительные предсказания о далеких и труднодоступных аспектах окружающего мира.

Какие открытия могут быть сделаны в ближайшее десятилетие?

Это невозможно предсказать. Мы можем найти доказательство космической инфляции в ранней Вселенной, открыть темную материю и найти какую-нибудь частицу, которая не вписывается в стандартную физическую модель. Все это может произойти в ближайшие два года.

Сто лет прошло между появлением теории гравитационных волн и их открытием. Быть может, современным передовым идеям потребуется еще больше времени, чтобы воплотиться в жизнь?

Именно так. Слишком малая часть человеческого интеллектуального потенциала направлена на решение этих больших и амбициозных вопросов, и людям, которые посвятили себя исследованию этих проблем, следует предоставить право самим решать, сколько времени им для этого потребуется. Открытие гравитационных волн в совместном проекте LIGO очень впечатляет не только по числу людей, которые принимали в нем участие, но и по количеству затраченных на него лет.

Серьезно ученые начали заниматься проблемой обнаружения гравитационных волн в 1980-е годы. Еще до начала строительства первой гравитационно-волновой обсерватории они понимали, что она может оказаться недостаточно чувствительной, чтобы что-нибудь обнаружить. Так и произошло. Я бесконечно уважаю тех людей, которые предвидели эту ситуацию, но не отказались от своих попыток и посвятили свою жизнь осуществлению своей идеи.

Вы надеетесь, что ваша работа вдохновит следующего Эйнштейна?

Не хочу говорить о следующем Эйнштейне: большинство теоретических разработок в наше время выполняют целые коллективы ученых.

Заключение

Эйнштейн однажды написал: «самая непостижимая вещь во Вселенной – это то, что она постижима». Не в последнюю очередь благодаря Эйнштейну за последние сто лет мы шли вперед семимильными шагами. В основе теории относительности Эйнштейна лежат несколько базовых принципов, но они порождают другие, пока нерешенные проблемы. Для завершения всей картины понадобятся новые решения. Далее – общий обзор таких возможных решений.

Принципы

Принцип 1: Скорость света постоянна

Ничто не может превысить эту космическую предельную скорость.

В 1860-е годы Джеймс Клерк Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию. Но как бы он ни преобразовывал уравнения, они имели смысл только при том условии, что свет распространяется в пространстве с одной и той же постоянной скоростью, независимо от скорости источника света.

Это выглядело странным. Действительно, если стрелять на ходу из автомобиля, то стороннему наблюдателю будет казаться, что пуля летит с суммарной скоростью пули и автомобиля. Но когда 20 лет спустя американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли занялись поисками светоносного эфира – среды, предположительно переносящей свет, – они пришли к такому же выводу: как бы ни смотреть на свет, скорость его остается постоянной.

Скорость света также является и предельной космической скоростью. Ничто – ни вещество, ни информация, ни гравитация, и никакое другое воздействие – не могут распространяться быстрее света. Сообщения о нарушителях космических правил дорожного движения, таких как «сверхсветовые нейтрино», появившиеся в 2011 году, в конечном итоге не подтвердились. Эйнштейн провозгласил, что постоянство скорости света – основополагающий принцип природы, и начал перестраивать физику в соответствии с этим принципом, сделав его отправной точкой в своих двух теориях относительности.

Принцип 2: Принцип эквивалентности

Гравитация и ускорение суть одно и то же.

В XVI столетии Галилей заметил, что тела при падении обладают одинаковым ускорением независимо от их массы. И перо, и молоток, сброшенные с Пизанской башни, упадут на землю в одно и то же время, если отбросить сопротивление воздуха. Этот принцип был подтвержден астронавтом Дэвидом Скоттом на Луне, где нет атмосферы, во время экспедиции «Аполлон-15».

Ньютон показал, что это может быть справедливо только при соблюдении одного странного совпадения: инертная масса, которая определяет количественную меру сопротивления тела ускорению, всегда должна быть равна гравитационной массе, которая определяет количественную меру реакции тела на действие гравитации. Нет очевидной причины, почему это должно быть именно так, хотя ни один эксперимент еще этого не опроверг. Так же, как в случае с постоянной скоростью света, именно Эйнштейн провозгласил эквивалентность масс основополагающим принципом природы.

Принцип 3: Космологический принцип

Вселенная одинакова везде и во всех направлениях.

За несколько десятков лет до Галилея Николай Коперник отважился высказать идею о том, что Земля не является уникальным местом во Вселенной. Примерно через сто лет Ньютон в своем знаменитом трактате «Математические начала натуральной философии» предположил, что солнечная система погружена в однородное пространство, простирающееся на большие расстояния во всех направлениях.

Эти идеи явились истоком того, что в современной космологии сформировалось в космологический принцип: вглядитесь во Вселенную и везде вы увидите примерно одно и то же, независимо от того, в каком направлении вы смотрите. Локальные сгустки материи существуют в виде звездных систем, галактик и скоплений галактик, но в большом масштабе все это сводится к однородности.

Подобное упрощение облегчает использовании математики при построении рабочей модели космоса. Но наш ограниченный горизонт не дает с полной уверенностью сказать, что это действительно универсальный и достоверный принцип. Открытие более крупных структур, таких как Великая стена «Геркулес – Северная Корона», которая представляет собой огромную суперструктуру из галактик в виде арки размером более 10 млрд световых лет (обнаружена в 2013 году), подвергает сомнению этот принцип.

Специальная теория относительности

Как выяснил Эйнштейн, принцип постоянства скорости света имеет некоторые странные следствия. Повседневный опыт подсказывает нам, что если два автомобиля сближаются со скоростью 100 км/час, в момент столкновения их скорости суммируются до 200 км/час. А теперь представьте себе, что вы сидите в одном из двух космических кораблей, каждый из которых летит со скоростью, составляющей 90 % от скорости света c. Корабли летят навстречу друг другу. С какой скоростью к вам будет приближаться второй корабль с вашей точки зрения?

Точная цифра в данном случае не имеет значения[6], но она не может быть больше c. В специальной теории относительности Эйнштейна, разработанной им в 1905 году, пространство и время пришлось деформировать, чтобы примирить теорию с постулатом о предельной скорости света. Движущиеся часы тикают медленнее, и движущиеся линейки становятся короче – исчезает объективное мерило времени и пространства, и вы действительно будете стареть медленнее в летящем с большой скоростью космическом корабле. В нашей обычной жизни с ее обычными скоростями этими эффектами деформации можно пренебречь. Но при скоростях, близких к скорости света, они становятся весьма значительными и делают неизбежным тот факт, что никакое тело не может преодолеть некоторое пространство быстрее, чем луч света.

Общая теория относительности

Как Эйнштейн «деформировал» теорию гравитации

Если движение деформирует пространство и время (см. выше «Специальная теория относительности»), то же самое делает ускорение, а ускорение может возникать вследствие гравитации. Таков урок, преподнесенный Эйнштейном в его общей теории относительности 1916 года, задавшей магистральное направление современной физике и совмещающей специальную теорию относительности с принципом эквивалентности в одну рабочую теорию гравитации. Массивные тела изгибают пространство и время вокруг себя, заставляя объекты ускоряться по направлению к ним. Общая теория относительности предлагает концептуальную схему для объяснения вселенского «закулисья» большого масштаба, а космологическая модель требует дополнительной информации о распределении материи.

Гравитационные волны

Эти морщины в пространстве-времени оставались последним неподтвержденным предсказанием общей теории относительности, пока их не обнаружили в сентябре 2015 года. Обнаружение сигнала от слияния двух массивных черных дыр явилось триумфальным аккордом в кропотливой работе, проведенной в рамках усовершенствованного эксперимента LIGO.

E = MC2

Это самое знаменитое уравнение физики проистекает из специальной теории относительности и утверждает, что масса является концентрированной формой энергии и связана с ней посредством постоянной скорости света. Поэтому, если столкнуть частицы с очень высокими энергиями, как это происходит в Большом адронном коллайдере, то можно создать другие, более массивные частицы. Это тот путь открытий, который в конце концов привел к рождению стандартной модели элементарных частиц.

Стандартная космологическая модель

Когда Эйнштейн впервые применил общую теорию относительности для построения модели космоса, он следовал традиционным представлениям своего времени, предполагая, что Вселенная является стационарной, т. е. она не расширяется и не сжимается. Однако наблюдения, проведенные в 1920-е годы, показали наличие красного смещения в спектрах далеких галактик, что свидетельствовало о том, что эти галактики удаляются от нас. Затем к теории Эйнштейна был добавлен упрощающий космологический принцип, предполагающий, что вещество во Вселенной распределено однородно, и построены модели расширяющейся Вселенной. Так было положено начало сегодняшней стандартной космологической модели. Она описывает Вселенную, которая возникла в горячем, плотном, бесконечно малом всплеске Большого взрыва около 13,8 миллиарда лет назад и преподносит нам сюрпризы, до сих пор не поддающиеся объяснению.

Космический микроволновый фон (КМФ)

Открытое случайно в 1964 году в виде фонового шипения в гигантском радиометре[7], это холодное море излучения рассматривается теперь как решающее доказательство Большого взрыва. Самый древний свет во Вселенной, он отправился в путь через 380 тысяч лет после Большого взрыва. К этому времени космос уже достаточно остыл и сформировались первые атомы, а фотоны начали летать свободно. Различные космические зонды, исследующие это излучение, в том числе запущенная в 2009 году обсерватория «Планк», составили подробную карту вариаций КМФ и предоставили нам информацию о самых ранних годах жизни Вселенной и о ее сегодняшнем состоянии.

Проблемы

Проблема 1: Темная материя

Количество видимого вещества в галактиках не способно объяснить их слишком быстрое вращение.

Земля вращается вокруг Солнца со скоростью, определяемой ее расстоянием до Солнца, солнечной массой и гравитационной постоянной, которая является универсальной константой природы. Для того чтобы найти эту скорость, общая теория относительности не понадобится: достаточно одних старых добрых школьных законов Ньютона. Те же законы можно применить к далеким галактикам, которые вращаются вокруг общего центра масс.

В 1930-е годы астроном Фриц Цвикки, однако, обнаружил, что внешние области скопления галактик Волос Вероники вращаются гораздо быстрее, чем это позволяет видимая масса скопления. В 1970-е годы Вера Рубин наблюдала группу спиральных галактик, похожих на Млечный Путь, и подтвердила, что в них существует аналогичное несоответствие. По ее оценкам, на одну часть видимой материи в этих галактиках должно приходиться шесть частей невидимой материи.

Темная материя должна воздействовать на движение через гравитацию, но вряд ли через другие силы природы. Стандартная модель физики элементарных частиц не располагает частицами, которые удовлетворяли бы нужным требованиям. Попытки обнаружить частицы темной материи вне этой стандартной модели или создать их в результате столкновений высокоэнергетических частиц до сих пор успехом не увенчались.

Проблема 2: Темная энергия

Вселенная разлетается все быстрее и быстрее.

В конце 1990-х годов две группы ученых, наблюдавших далекие сверхновые, обнаружили, что эти звездные вспышки всякий раз оказывались слабее, чем ожидалось. Ученые пришли к выводу, что путь, который пришлось преодолеть свету, чтобы дойти до нас, «растянулся» и стал длиннее, чем должен был быть. То есть сверхновые были дальше от нас, чем предполагалось.

Темная энергия – название для той субстанции, которая вызывает это расширение с ускорением. Она доминирует в космосе, составляя 68 % всего сущего во Вселенной. Но что же это такое? Возможно, это энергия вакуума, подобная той, которую могут создавать квантовые частицы, выскакивающие и растворяющиеся в свободном пространстве. Возможно, это воскрешение космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в уравнения общей теории относительности, а затем отбросил. А возможно, темная энергия есть некая «квинтэссенция»[8], еще неоткрытая пятая сила природы.

Обе субстанции порождают свои сложности для теории, но в принципе возможен и другой подход. Например, разные области Вселенной, в которой плотность вещества переменна, могут расширяться по-разному, приводя к иллюзии расширения с ускорением. Поэтому, если мы отбросим космологический принцип, мы могли бы избавиться от темной энергии.

Проблема 3: Инфляция

Расширение со сверхсветовой скоростью порождает множество других вселенных.

Вглядитесь пристальнее во Вселенную – и вы столкнетесь с несколькими проблемами, которые трудно разрешить. Она почти геометрически «гладкая», и даже удаленные ее области имеют почти одинаковую температуру.

Космическая инфляция одним махом решает эти проблемы. В первые мгновения Вселенная расширялась быстрее скорости света (понятие предельной скорости света применимо только к объектам внутри Вселенной), что разгладило морщины в ее ранней хаотической сущности. Это означает, что ныне весьма отдаленные друг от друга окраины Вселенной когда-то были тесными соседями и могли обмениваться теплом.

В 2014 году исследователи провозгласили, что они увидели рябь от инфляции, запечатленную в космическом микроволновом фоне. Но это сообщение оказалось ошибочным, и остается неясным, что заставило раннюю Вселенную раздуваться. Проблема в том, что инфляцию очень трудно остановить, и она может привести к возникновению мультивселенной, состоящей из причинно не связанных друг с другом вселенных, которые в конечном итоге отпочковываются друг от друга.

Одним из выходов может быть ослабление требования постоянства скорости света. Если в ранней Вселенной свет распространялся быстрее, это могло бы решить проблему с температурой. Может быть, скорость света падает и сейчас, но это падение невозможно обнаружить даже с помощью самых чувствительных приборов.

Проблема 4:

Объединение взаимодействий

Наши теории реальности не согласуются друг с другом.

Гравитация – единственная сила в природе, которую не удается описать с помощью квантовой теории. Кроме того, любая попытка применить к ней квантовую теорию (т. е. представить ее в виде обмена частиц, называемых гравитонами, а не в виде искривлений пространства-времени, как об этом говорит общая теория относительности) разрывается в клочья из-за появления бесконтрольных бесконечностей, которые делают все вычисления бессмысленными. Это большая проблема для физиков. При взаимодействии элементарных частиц гравитация обычно так слаба, что ею смело можно пренебречь. Но в некоторых случаях взаимодействие элементарных частиц нужно рассматривать совместно с гравитацией: например, в черных дырах или на первых этапах рождения Вселенной в Большом взрыве. Без квантовой теории гравитации – первого шага на пути создания теории, объединяющей все взаимодействия, – наука не преодолеет непроницаемый барьер, мешающий нам достичь окончательного прозрения. Кроме того, любая теория квантовой гравитации потребует сломать связь между гравитационной и инертной массой, воплощенную в принципе эквивалентности, а это подрывает краеугольный камень современной физики.

Нейтрино

Могут ли нейтрино быть темной материей? Стандартная модель физики элементарных частиц говорит нам, что эти неуловимые частицы не имеют массы. Современные эксперименты свидетельствуют о том, что масса у них есть, но она мала, и это единственное противоречие с тем, что предсказывает стандартная модель. Но, по-видимому, этой массы все-таки недостаточно, чтобы объяснить существование темной материи, по крайней мере, пока не будет открыта новая разновидность так называемых стерильных нейтрино. Последние результаты, полученные спутником «Планк» и нейтринной антарктической обсерваторией «Ледяной куб», пока не подтверждают существования этого типа нейтрино.

Космологическая постоянная

Когда Эйнштейн создавал свою модель стационарной Вселенной (см. «Общая теория относительности» в разделе «Принципы» в этой главе), он ввел дополнительный член в уравнения общей теории относительности, чтобы уравновесить силу тяготения. Позже он назвал введение этой космологической постоянной своей «самой большой ошибкой». Слегка скорректированная космологическая постоянная могла бы объяснить темную энергию, но теоретически предсказанная величина получается больше экспериментально измеренной в 10120 раз. Это, пожалуй, самое вопиющее численное несоответствие во всей физике.

Черные дыры

Черные дыры – это сверхплотные объекты, которые поглощают все, включая свет, пролетающий слишком близко от них. Они имеют различные размеры: сверхмассивные черные дыры затаились в самом центре большинства галактик, а черные дыры звездной массы образуются при коллапсе звезд, выработавших свой ресурс. Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности, и они представляют собой места, где гравитация настолько сильна, что ею больше нельзя пренебрегать, рассматривая квантовые взаимодействия на малых масштабах. В настоящее время у нас нет никакого представления, что происходит на краю черной дыры или внутри нее.

Решения

Решение 1: Модифицированная теория гравитации

Наши теории гравитации прошли проверку лишь на малых масштабах.

Общая теория относительности – чрезвычайно точная теория гравитации, по крайней мере, насколько мы способны об этом судить. Но, возможно, модифицированная теория сможет изгнать некоторых космических демонов?

Предсказания общей теории относительности по поводу движения космических зондов и планет точны в масштабе солнечной системы. Недавнее открытие гравитационных волн показывает, что общая теория относительности также правильно описывает процесс слияния двух черных дыр, вращающихся вокруг друг друга. Но по космическим стандартам в двойной системе черных дыр огромное количество массы спрессовано в относительно малом пространстве. Что происходит с гравитацией в тех средах, где напряженность гравитационного поля слабее?

Измененная версия теории гравитации, названная модифицированной ньютоновской динамикой, может объяснить аномальное вращение галактик, которое принято считать свидетельством существования темной материи, но в каком направлении производить эту модификацию – пока неизвестно. Согласно гравитационной гипотезе DGP, названной по имени предложивших ее ученых (Двали, Габададзе, Поррати), гравитация может «просачиваться» из нашего четырехмерного пространства в объем большего числа измерений, постепенно ослабляя свое действие с течением времени. Отсюда – иллюзия существования темной энергии. Однако эта гипотеза еще требует своего экспериментального подтверждения.

Решение 2: Суперсимметрия

Новые частицы помогут нам понять, почему мы видим мир таким, какой он есть.

Теория суперсимметрии, или Сьюзи (SUSY), как ее называют в узком кругу поклонников, – универсальный швейцарский нож в теориях элементарных частиц, ключ для открытия всего. Главный принцип заключается в том, что для каждого фермиона, образующего вещество в стандартной модели, есть свой переносчик взаимодействия – бозон, и наоборот.

Сьюзи была первоначально сформулирована для решения некоторых проблем физики элементарных частиц (например, почему три основных типа взаимодействия, не считая гравитации, имеют такие различные напряженности поля). Но потом оказалось, что нейтралино – самая легкая частица-суперпартнер, предложенная этой теорией, – являет собой готовый образчик темной материи.

Но, возможно, это чересчур хорошо, чтобы быть правдой: если бы суперсимметричные частицы существовали, они уже должны были быть созданы на Большом адронном коллайдере. Но за исключением одного странного импульса, который впоследствии не повторился, никаких знаков больше не было. Возможно, суперпартнеры тяжелее, чем мы думали, или просто мы неправильно расшифровываем имеющиеся у нас экспериментальные данные. Но постепенно у физиков-ядерщиков возникают все более серьезные опасения: возможно, природа не может дать такого четкого и ясного ответа, как это предлагает теория суперсимметрии.

Решение 3: Пятое взаимодействие

Может ли квинтэссенция изгнать космических духов?

Гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное ядерное взаимодействие… Почему существует именно четыре фундаментальных взаимодействия в природе?

Наверное, наиболее вероятным пятым взаимодействием может быть слабое, действующее на больших расстояниях взаимодействие, несколько похожее на гравитацию и, вероятно, взаимодействующее с ней. Эта пятая сила может слегка гасить гравитацию, объясняя ускорение расширения Вселенной и выдавая себя за темную энергию. Или, наоборот, она может подпитывать гравитацию, объясняя наличие дополнительного притяжения, обычно приписываемого темной материи. Эта пятая сила должна быть очень хитро замаскирована, и это объясняет то, что мы не можем ее обнаружить. Одно из предположений заключается в том, что большое количество массы внутри и вокруг Солнечной системы экранирует нас от ее воздействия. Но если это и так, доказать это будет очень трудно.

Новые типы взаимодействий и соответствующие им квантовые частицы часто предлагаются для решения проблемы тонкой настройки в физике элементарных частиц, но наличие новых сил на этих масштабах кажется маловероятным. Но случайные аномалии питают надежды физиков: совсем недавно отклонения от ожидаемой скорости распада ядер радиоактивного бериллия были расценены как свидетельство существования целого нового «темного сектора» частиц и сил.

Решение 4: Теории струн

Окончательная теория должна соединить в себе квантовую теорию и теорию относительности.

Мечты многих физиков, включая Эйнштейна, разбились о попытки сформулировать единую теорию, объясняющую все явления природы. За последние десятилетия обозначился путь к созданию теории всего: струнная теория, в особенности ее разновидность, известная как M-теория. В M-теории вещество состоит не из точечных частиц, как в стандартной модели, а из одномерных колеблющихся струн, существующих во вселенной с одиннадцатью измерениями пространства-времени. Эти струны по-разному вибрируют, создавая различные элементарные частицы, даже гравитоны, которые могут переносить квантованные гравитационные взаимодействия.

M-теория способна решить проблему тонкой настройки и в неявном виде включает в себя теорию суперсимметрии. Дополнительные измерения свернуты в крошечный клубок, и поэтому мы до сих пор ничего о них не знаем. В 1995 году был совершен прорыв: открыт путь к тому, чтобы связать теорию гравитации в пяти измерениях с чисто квантовой теорией в четырех измерениях. Это научное достижение показало, что мы на правильном пути к объединению взаимодействий и теорий.

Но успехов, подобных разработке теории соответствия AdS/CFT, еще предстоит достигнуть, чтобы теоретическое пространство-время приблизить к условиям нашей Вселенной, а теории струн еще предстоит сделать хоть одно достоверное предсказание. Больше всего беспокоит то, что она предсказывает существование мультивселенной, состоящей из 10500 различных вселенных (см. далее).

Все это привело к тому, что многие стали задаваться вопросом: а можно ли струнную теорию вообще считать наукой? Время от времени появляются варианты альтернативных теорий. Но все эти теории далеки от теории всего, в том смысле, в каком ее понимают большинство людей: такой теории, которая могла бы объяснить, например, как разум мог возникнуть из деятельности неодушевленной материи.

Решение 5: Мультивселенная

Вселенная такая, какая она есть, потому что каждая другая Вселенная тоже существует.

Многие дороги ведут к мультивселенной. Струнная теория в ней нуждается. Инфляция ее создает. Попытки многомерной интерпретации квантовой механики постоянно и невольно приводят к созданию параллельных вселенных. Из этого вытекают некоторые выводы. Во-первых, все эти вселенные могут быть разными. Во-вторых, неизвестно, как получить достоверные доказательства их существования.

В целом мультивселенные – это и благословение, и проклятие. Струнная теория или инфляционная мультивселенная, например, могут разрешить проблему точной настройки с помощью идеи о том, что наша Вселенная настроена на то, чтобы в ней существовала жизнь. Существуют и другие вселенные, где есть другие всевозможные конфигурации материи, а наша конфигурация просто оказалась одной из тех, где условия созрели для появления и эволюции разумных вопрошающих существ. Но такой «антропный принцип» освобождает нас от необходимости поиска ответа на самый волнующий вопрос «Почему?». Такой вариант представляется лучшим из всего, что мы можем сделать, но позволяя каждой возможности, кроме той, которую можно проверить, существовать где-то в мультивселенной, мы лишаем науку предсказательной силы.

Решение 6: Информация

Информации все равно, где быть – в энергии или в материи.

При попытках объединить общую теорию относительности и квантовую теорию обычно предполагается, что уступает общая теория относительности. В конце концов, эта теория подобна той классической теории поля, которую новые квантовые теории в XX веке в значительной степени отодвинули в сторону.

Общая теория относительности начинается с предположения о том, что вещество, энергия и пространство-время являются фундаментальными структурными элементами Вселенной. А если это не так? Все исследователи, которые пытаются заглянуть за пределы общей теории относительности и квантовой теории в поисках более единого понимания природы, согласны в том, что в основе всех вещей лежит нечто другое, а именно информация. Возможно, взгляд на Вселенную сквозь информационно-окрашенные очки откроет для нас ослепительно очевидные решения, которые растопят все наши сегодняшние проблемы.

Что ждет теорию относительности?

«Разница между глупостью и гениальностью в том, что у гениальности есть пределы», – сказал Альберт Эйнштейн. Относительность тоже должна иметь свои пределы. Когда мы смотрим в самое сердце черной дыры, оглядываемся назад к началу времен и пытаемся проникнуть в самые мельчайшие детали реальности, мы понимаем, что теория Эйнштейна не может дать нам ответы на все вопросы. Настанет день, когда ее заменит еще более мощная модель гравитации, пространства и времени, либо сплетенная из петелек, струн или мембран, либо созданная пока еще совершенно неизвестным нам способом. Возможно, она вызовет такой же глубокий сдвиг в нашей картине Вселенной, какой когда-то произвела революция Эйнштейна. За последнее столетие наше понимание Вселенной было полностью переписано и, похоже, будет переписано вновь.

Хотя мы знаем, что эти пределы где-то существуют, теория относительности продолжает укреплять свой статус и размах. С открытием гравитационных волн мы не только обнаружили, что еще одно из ее потрясающих теоретических предсказаний оказалось правдой, но и приобрели совершенно новый способ исследования Вселенной. Деформацию времени и пространства, ранее казавшуюся совершенно диковинной идеей, теперь надо использовать в рутинных расчетах спутниковой навигации, а в атомных часах можно будет использовать гравитационное замедление времени для измерения высоты. А мы только-только начинаем учиться решать грозные уравнения Эйнштейна, используя компьютерное моделирование, чтобы предсказать, что происходит при столкновении черных дыр или нейтронных звезд, и выяснить, могут ли пространственно-временные впадины, созданные галактиками, изменить судьбу Вселенной.

Более чем столетняя и все еще не понятая до конца, теория относительности почти наверняка в будущем преподнесет нам новые сюрпризы.

50 идей

Этот раздел поможет вам постичь прочитанный материал намного глубже, чем обычный список рекомендуемой литературы.

Шесть мест для любителей путешествовать в пространстве-времени

1. Ульм, Германия: дом, где родился Эйнштейн, находится рядом с железнодорожной станцией. Уравнения теории относительности можно обнаружить на витраже лютеранской церкви, известной как Ульмский собор. В этом южном немецком городе также есть и другие памятники, посвященные этому великому человеку.

2. Берн, Швейцария: здесь находится патентное бюро, в котором работал Эйнштейн в качестве технического помощника (уровень III), и Эйнштейн-хаус – дом-музей, где находится квартира, которую он с семьей снимал с 1903 по 1905 год.

3. Находясь в Швейцарии, вы можете отыскать поезд из эпохи Эйнштейна. Похожий поезд вдохновил его на серию экспериментов со светом и с часами, которые привели к обескураживающему выводу: даже в Швейцарии поезда не всегда бывают пунктуальны по отношению ко всем наблюдающим за ними пассажирам. Например, там есть железнодорожный музей Блоне-Шамби.

4. Принсипи: на этом тропическом острове у западного побережья Африки Артур Эддингтон впервые подтвердил предсказания общей теории относительности, наблюдая за положением звезд во время полного солнечного затмения.

5. Вашингтон, округ Колумбия: на территории Национальной академии наук США вы можете посетить памятник Альберту Эйштейну и при желании даже посидеть у него на коленях.

6. V616 Единорога: если ваш кошелек позволяет вам купить билет на межзвездный космический корабль (загрузив ваш мозг на его компьютер), тогда через несколько тысячелетий вы сможете узнать, что реально происходит в точке разрыва пространства-времени, посетив ближайшую к нам черную дыру, до которой всего 3000 световых лет.

Девять ссылок на упоминание об относительности в музыкальных произведениях, кинофильмах, литературе и живописи

1. Чтобы почувствовать атмосферу студенческих вечеринок 80-х годов прошлого века, поставьте хит британской группы Landscape – композицию в стиле синти-поп Einstein A Go Go.

2. Совсем недавно певица Келли Кларксон поразила своих фанатов глубокой строкой Dumb plus dumb equals you («Глупец + глупец = ты») в песне «Эйнштейн».

3. Великий ученый вдохновил композиторов на создание и более интеллектуальной музыки. Филип Гласс написал оперу «Эйнштейн на пляже» (Einstein on the Beach) по мотивам известной фотографии ученого, сделанной на пляже Лонг-Айленда.

4. В музыкальной пьесе «Относительность в стиле рэгтайм» (Relativity Rag) композитор Джордж Бенджамин экспериментирует со знакомыми музыкальными формами, модифицируя их в соответствии с ассоциациями, навеянными теорией Эйнштейна.

5. Фильм «Интерстеллар» (Interstellar) очень реалистично рассказывает о черной дыре. В качестве консультанта был приглашен Кип Торн, сотрудник Калифорнийского технологического института, специалист по теории относительности и ученый с мировым именем.

6. В фильме и пьесе «Ничтожество» (Insignificance) Эйнштейн оказывается в одном номере отеля Манхэттена с Мэрилин Монро, Джо Ди Маджо и Джозефом Маккарти.

7. Для тех, кого интересует более серьезный подход к жизни и работе ученого, рекомендуем историческую драму BBC «Эйнштейн и Эддингтон».

8. На картине Сальвадора Дали «Постоянство памяти» (The Persistence of Memory) изображены искаженные тающие часы, символизирующие влияние относительности.

9. Мауриц Корнелис Эшер также вдохнул пьянящий воздух относительности, создавая свою известную литографию «Относительность» (Relativity), ныне украшающую студенческие аудитории по всему миру. На картине изображен парадоксальный мир с разными слоями реальности, в котором одна и та же лестница направлена и вверх, и вниз в зависимости от слоя реальности.

Десять крылатых выражений Эйнштейна

1. «Самая непостижимая вещь во Вселенной – это то, что она постижима».

2. «Если А – это успех в жизни, тогда А = x + y + z, где x – работа, y – игра, а z – умение держать язык за зубами».

3. «Согласно общей теории относительности пространство наделено физическими величинами; следовательно, эфир существует. Пространство без эфира немыслимо».

4. «Пространство поглотило эфир и время; кажется, оно собирается проглотить также поле, частицы и остаться единственной движущей силой реальности».

5. «Что меня действительно интересует, так это то, мог ли бы Бог создать мир по-другому, то есть оставляет ли необходимость логической простоты место для какой-нибудь свободы».

6. «…Мое интеллектуальное развитие было заторможено, и поэтому я начал интересоваться пространством и временем только тогда, когда стал уже взрослым».

7. «Создать новую теорию – это вам не разрушить старый сарай и воздвигнуть на его месте небоскреб. Это больше похоже на восхождение в горы, когда перед вами открываются новые широкие горизонты, появляются неожиданные пути, связывающие отправную точку с богатой окружающей средой. Но место нашего старта по-прежнему существует, мы его видим, хотя оно постепенно мельчает, занимая все меньшую часть нашего кругозора, приобретенного в результате покорения препятствий на рискованном пути наверх».

8. «Вся наша наука примитивна и ребячлива по сравнению с реальностью – и все-таки это самое ценное, что у нас есть».

9. «…Разница между прошлым, настоящим и будущим – всего лишь иллюзия, хотя и весьма устойчивая».

10. «Человек должен искать то, что есть, а не то, что, по его мнению, должно быть».

Восемь анекдотов, шуток, фактов и мифов

(можно использовать в застольной беседе с надлежащей осторожностью)

1. Существует расхожий миф, что Эйнштейн плохо учился. Это заблуждение появилось, наверное, потому, что в его время существовала не десятибалльная, а шестибалльная система оценок. Его аттестат зрелости[9] показывает, что в возрасте 17 лет он учился на «хорошо» и «отлично» практически по всем предметам, кроме французского.

2. Жила-была леди по имени Света, Порхала быстрей она скорости света. Сегодня пошла в относительный путь, Вернулась вчера – впору лечь и заснуть[10].

3. В 1919 году Людвиг Зильберштейн, считавшийся одним из первых сторонников теории относительности, подошел к Артуру Эддингтону после заседания Королевского астрономического общества и сказал ему, что Эддингтон, по-видимому, является одним из трех людей, действительно понимающих теорию относительности. Эддингтон задумался, а потом спросил удрученного Зильберштейна: «Интересно, а кто же третий?»

4. Эйнштейн любил вздремнуть после обеда.

5. Шутка:

Бармен говорит: «Извините, мы не обслуживаем здесь гипотетические частицы, чья скорость больше скорости света».

И тут вслед за своим изображением в бар вошел тахион.

6. Давид Бен-Гурион предложил Эйнштейну стать первым президентом Израиля. Эйнштейн это предложение отклонил.

7. Несмотря на то, что многие считали Эйнштейна пожилым добродушным джентльменом, на самом деле он был способен на воинственное и даже безрассудное поведение. В июле 1936 года он послал такое письмо редакторам журнала Physical Review (куда он обычно отправлял свои статьи на рецензию): «Дорогой сэр, мы (мистер Розен и я) послали вам нашу рукопись для публикации и не уполномочивали вас показывать ее специалистам до того, как она будет напечатана. Я не вижу никакой причины отвечать на комментарии – в любом случае ошибочные – вашего анонимного эксперта. На основании этого инцидента я предпочитаю опубликовать эту статью в каком-нибудь другом журнале».

8. Часто говорят, что Джон Уилер придумал термин «черные дыры». На самом деле, он перенял его от безымянного слушателя его лекции, прочитанной в 1967 году: «В своем докладе я говорил, что мы должны рассмотреть возможность того, что центр пульсара является гравитационно полностью сколлапсировавшим объектом. Я заметил, что очень трудно выговорить такую фразу, «гравитационно полностью сколлапсировавший объект», тем более несколько раз. И что нужно придумать более короткое наименование для такого объекта. И тут кто-то из аудитории спросил меня: «А как насчет черной дыры?» Долгие месяцы до этого я пытался найти подходящее название, мучительно обдумывая возможные варианты перед сном, в ванной, в машине – везде, где у меня появлялась спокойная минутка. И внезапно это имя показалось мне идеально подходящим».

Восемь людей, с которыми Эйнштейн состоял в переписке

1. Зигмунд Фрейд. В 1932 году Эйнштейн и Фрейд вели переписку на темы насилия и войны. Эйнштейн спрашивал: «Можно ли добиться контроля над эволюцией психики человека таким образом, чтобы он мог противостоять психозу ненависти и разрушительности?» Фрейд был настроен скептически: «К сожалению, все говорит о том, что мы не способны подавить у человечества тенденцию к агрессии. Говорят, в некоторых счастливых уголках на Земле есть расы, которые живут тихо и мирно. Они не знакомы с агрессией или принуждением. Но я в это мало верю. Хотелось бы узнать более детально об этом счастливом народе».

2. Тифанни, молодая девушка из Южной Африки. Они обменялись с Эйнштейном несколькими письмами. В последнем она написала: «Я забыла написать Вам в последнем письме, что я девушка. Я всегда очень сильно жалела об этом, но сейчас я более или менее смирилась с этим фактом». На что Эйнштейн ответил: «Мне все равно, девушка Вы или нет. Главное, что и Вас это не волнует. Здесь нет причин для переживаний».

3. Уильям Дюбуа, историк, активист движения за гражданские права и основатель Национальной ассоциации содействия прогрессу цветного населения.

4. Рабиндранат Тагор, индийский поэт и человек энциклопедических знаний. Они встретились в 1930 году в берлинском доме Эйнштейна и обсуждали вопросы, связанные с наукой, истиной и природой реальности.

5. Эрвин Шрёдингер. Вскоре после того, как Шрёдингер опубликовал свою знаменитую статью, иллюстрирующую абсурдность квантовой механики на примере своего одновременно живого и мертвого кота, Эйнштейн написал ему: «С точки зрения принципов я абсолютно не верю в статистические основы физики в смысле квантовой механики, несмотря на исключительный успех формализма, о котором я хорошо осведомлен».

6. Президент Франклин Д. Рузвельт. В 1939 году Эйнштейн в числе других подписал письмо президенту, написанное венгерским физиком Лео Силардом, который предупреждал о том, что Германия может создать атомную бомбу.

7. Сейи Шинохара, философ и переводчик. В 1953 году Шинохара написала письмо Эйнштейну, в котором критиковала его роль в развитии ядерного оружия. Позднее между ними завязалась дружеская переписка.

8. Эдуард «Тете» Эйнштейн. Второму сыну Эйнштейна в возрасте 20 лет был поставлен диагноз шизофрении. Значительную часть жизни он провел в психиатрических лечебницах. Хотя Альберт и говорил друзьям, что было бы лучше, если бы Эдуард вообще не появлялся на свет, недавно обнаруженное письмо отца к сыну проливает свет на их теплые взаимоотношения. Альберт пишет: «Кажется, я так давно не видел тебя, и я так хочу, чтобы мы снова были вместе».

Девять способов узнать больше

1. Einstein online (-online.info) – веб-портал Института гравитационной физики Общества Макса Планка в Германии (известного также как Институт Альберта Эйнштейна), предоставляет большое количество информации о теориях великого человека и их применениях.

2. Книга Джона Гриббина «Главная теория Эйнштейна. 1915 год и общая теория относительности» (2015), изданная к 100-летнему юбилею красивой и мощной теории.

3. Книга физика Кипа Торна «Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна» (1994) – дань уважения идеям великого человека с предисловием Стивена Хокинга.

4. Журнал New Scientist и его архивы на сайте содержат много статей Эйнштейна и других статей по теории относительности по 1989 год.

5. Книга «Дорогой профессор Эйнштейн: письма детей Эйнштейну и его ответы на них» (2002) – сборник писем детей со всего мира и ответы Альберта Эйнштейна на них.

6. Сайт einsteinpapers.press.princeton.edu содержит сборник статей Альберта Эйнштейна – внушительное рукописное наследие из более чем 30 000 документов.

7. Сайт – еще один обширный цифровой архив научных и ненаучных манускриптов Эйнштейна, хранящихся в Еврейском университете в Иерусалиме.

8. Книга Альберта Эйнштейна «О специальной и общей теории относительности», впервые опубликованная на английском языке в 1920 году. Она написана в труднодоступной форме с уравнениями, но без тензорного исчисления и включает в себя запоминающуюся метафору для пространства-времени в виде эластичного моллюска.

9. Книга Бернарда Шутца «Гравитация с нуля» (2003) – вводное руководство по гравитации и общей теории относительности.

Глоссарий

COBE (Cosmic Background Explorer) – спутник НАСА, космическая обсерватория для исследования космического микроволнового фонового излучения.

LIGO (The Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) – лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория с двумя детекторами-близнецами, установленными в Хэнфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана); в 2016 году они впервые обнаружили гравитационные волны.

Антиматерия – вещество, состоящее из античастиц. Каждая частица имеет свою античастицу с такой же массой, но с противоположным электрическим зарядом. У протона есть отрицательно заряженный антипротон; у электрона есть положительно заряженный антиэлектрон или позитрон. (Хотя у нейтронов нет электронного заряда, у составляющих его кварков он есть. Поэтому нейтрон также имеет свою античастицу, состоящую из антикварков, – антинейтрон.)

Бозон – элементарная частица с целым значением спина, которая является переносчиком взаимодействий в природе.

Горизонт событий – граница вокруг черной дыры, из-под которой ничто не может вырваться.

Гравитационная волна – рябь в пространстве-времени, предсказанная общей теорией относительности; ее существование окончательно доказано в 2015 году.

Гравитация – самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий и единственное, до сих пор не объясненное квантовой теорией. Доминирует на больших космических масштабах и возле больших масс, таких как планеты и звезды.

Гравитон – гипотетическая частица, переносчик гравитационного взаимодействия в квантовой теории.

Излучение Хокинга – излучение, которое гипотетически должны испускать черные дыры вследствие квантовых эффектов вблизи горизонта событий.

Инфляция – идея о стремительном расширении Вселенной сразу после Большого взрыва. Теория инфляции объясняет некоторые характерные особенности Вселенной, в частности, почему она такая ровная и гладкая.

Квантовая механика – законы, объясняющие поведение частиц на атомном и субатомном уровне, где частицы движутся как волны, могут находиться в нескольких состояниях одновременно и иметь общие состояния, соединяющие их во времени и пространстве.

Кварки – строительные кирпичики материи, которые, соединяясь, образуют сложные частицы, называемые адронами, самыми стабильными из которых являются протоны и нейтроны.

Классическая физика – наука, которая предшествовала квантовой механике и теории относительности (например, законы движения Исаака Ньютона).

Космический микроволновый фон (КМФ, реликтовое излучение) – излучение, появившееся через 380 000 лет после Большого взрыва, когда космос охладился до температур, при которых сформировались атомы, благодаря чему фотоны смогли свободно распространяться. Это самый древний свет во Вселенной, открытый в 1964 году.

Космологическая постоянная – плотность энергии, имманентно присущая пространству, создающая силу отталкивания в общей теории относительности Эйнштейна.

Космологический принцип – утверждение, что Вселенная более или менее однородна, независимо от того, где вы находитесь или в каком направлении смотрите.

Красное смещение – сдвиг длины волны в сторону красного конца спектра. Он может быть вызван удалением объекта (доплеровское смещение) или на космических расстояниях расширением пространства-времени, которое растягивает проходящий через него свет. Чем больше расширяется пространство, через которое прошел свет, тем больше степень красного смещения, поэтому удаленные объекты кажутся краснее.

Кротовая нора – «туннель», ведущий из одной области пространства-времени в другую.

М-теория – современная разновидность теории струн, в которой материя предполагается состоящей не из точечных частиц, а из колеблющихся струн и мембран во Вселенной с одиннадцатью измерениями пространства-времени. Эти струны и мембраны колеблются различными способами, образуя различные элементарные частицы.

Мультивселенная – гипотетическое множество вселенных. Существуют различные типы мультивселенных. Инфляционная вселенная, например, возникает вследствие экспоненциального расширения пространства-времени; предполагается, что далеко за пределами наблюдаемой Вселенной в ней существует бессчетное множество других «пузырьковых вселенных», недоступных для нас. Одна из интерпретаций квантовой механики предполагает существование несметного количества вселенных, параллельных нашей собственной Вселенной, при взаимодействии которых возникают квантовые явления.

Нейтронная звезда – остатки взорвавшейся звезды, настолько плотные, что атомные ядра дробятся от столкновений друг с другом и разрушаются, оставляя своеобразный бульон, в котором доминируют нейтроны или, возможно, даже свободные кварки.

Общая теория относительности – теория, объединяющая идеи специальной теории относительности и принцип эквивалентности в теорию гравитации. Тела изгибают пространство-время, притягивая к себе другие объекты. Разработана Эйнштейном в 1915 году.

Петлевая квантовая гравитация – одна из попыток создать квантовую теорию гравитации, в которой пространство-время сформировано из крошечных петель.

Принцип эквивалентности – идея о том, что эффекты гравитационных полей неотличимы от эффектов ускоренного движения.

Пространство-время – физическая модель, в которой Вселенная имеет три пространственных измерения и одно временное, и все четыре измерения органически связаны в единое целое.

Специальная теория относительности – теория, согласно которой движение, положение и время относительны, а скорость света постоянна. Была создана Эйнштейна в 1905 году.

Стандартная модель физики элементарных частиц – теоретическая конструкция, описывающая три из четырех типов фундаментальных взаимодействий. Рассматривает взаимодействия бозонов, переносчиков взаимодействий, с образующими материю фермионами.

Суперсимметрия – расширенная версия стандартной модели взаимодействия частиц и сил. Предполагает, что для каждого образующего материю фермиона в стандартной модели существует переносчик соответствующего взаимодействия – бозон, и наоборот.

Темная материя – таинственная форма материи, которая включает примерно 27 % всей материи Вселенной и намного превышает массу обычной материи. Она служит своеобразным гравитационным клеем при образовании звезд и галактик.

Темная энергия – теоретическая форма энергии, преобладающая в космосе, которая составляет примерно 68 % всего его содержимого и заставляет Вселенную расширяться со всевозрастающей скоростью.

Теория Большого взрыва – теория, которая на сегодняшний момент лучше всего объясняет причину расширения пространства: все, что мы сейчас видим, произошло в результате взрыва сверхгорячей микроскопической области 13,8 миллиарда лет назад.

Теория всего – всеобъемлющая, хотя и находящаяся пока в процессе формирования физическая теория, которая должна объединить квантовую механику и общую теорию относительности и объяснить все взаимодействия природы на основе общих принципов.

Теория струн – теория, утверждающая, что все частицы возникают вследствие колебаний более фундаментальных основ природы – струн.

Фермион – элементарная частица с полуцелым значением спина, например электрон или протон.

Фотон – частица света или другого электромагнитного излучения.

Черная дыра – объект, обладающий сильным гравитационным полем, который поглощает все вокруг себя, включая свет, оказавшийся поблизости. Черные дыры могут быть разных размеров, от сверхмассивных дыр, таящихся в центрах большинства галактик, до черных дыр звездных масс, которые образуются при коллапсе выгоревших ядер больших звезд.

Энтропия – степень беспорядка системы.

Примечания

1

Цитируется по «Полному собранию трудов Альберта Эйнштейна», кроме обозначенных исключений.

(обратно)

2

Цитируется по книге «Поиски: Автобиография» (1941) Леопольда Инфельда, который работал совместно с Эйнштейном.

(обратно)

3

Цитируется по статье «О гравитационных волнах», написанной Эйнштейном в 1937 году в соавторстве с Натаном Розеном.

(обратно)

4

Хиральность (от др.-греч. χειρ – рука) – свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. – Прим. пер.

(обратно)

5

О реальности темной энергии пока говорить рано. Темная энергия в космологии – гипотетический вид энергии, введенный в уравнения для объяснения наблюдаемого расширения Вселенной с ускорением. – Прим. пер.

(обратно)

6

Она составляет 99,4 % от скорости света.

(обратно)

7

Еще в 1955 году аспирант-радиоастроном Т. А. Шмаонов в Пулковской обсерватории провел измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ-излучение. Фактически это было первое обнаружение микроволнового фонового излучения, или, как принято говорить в России, реликтового излучения. – Прим. пер.

(обратно)

8

Quinto (лат.) – пятый, пятая. – Прим. пер.

(обратно)

9

URL: -matriculation-certificate-1896/

(обратно)

10

Жила-была молодая леди по имени Брайт, чья скорость была намного выше скорости света. Она отправилась однажды в относительный путь и вернулась домой прошлой ночью (подстрочный перевод).

(обратно)

Оглавление

Авторы-составители

Авторы научно-популярных статей

Введение

Глава 1 Истоки теории относительности

  Относительно краткая история

  Свет изгибается

  Пространственно-временная хроника

Глава 2 О пространстве и времени

  Очень специальная теория

  Немного о теории гравитации

  Противники теории относительности

Глава 3 Черные дыры

  Искривленное пространство-время

  Когда сталкиваются черные дыры

  Скрываются ли другие вселенные за черными дырами?

Глава 4 Гравитационные волны

  Открытие гравитационных волн

  Как мы настраиваемся на ритм пространства-времени

  Следующая волна

Глава 5 Вперед, в космос

  Первородный детонатор

  Незваные гости из другой вселенной

  Первая доля секунды

Глава 6 Темная материя

  Проливая свет на темную материю

  Что такое темная материя?

  Странно знакомые

Глава 7 Темная энергия

  Темная энергия: по-прежнему величайшая космическая тайна

  Темная энергия – это иллюзия?

Глава 8 За пределами относительности

  Странная парочка

  Теория всего и теория струн

  Принципиально новая дорога, ведущая к теории всего

  По-разному одинаковые

  Числа – основа всего?

Заключение

  Принципы

  Проблемы

  Решения

  Что ждет теорию относительности?

50 идей

  Шесть мест для любителей путешествовать в пространстве-времени

  Девять ссылок на упоминание об относительности в музыкальных произведениях, кинофильмах, литературе и живописи

  Десять крылатых выражений Эйнштейна

  Восемь анекдотов, шуток, фактов и мифов

  Восемь людей, с которыми Эйнштейн состоял в переписке

  Девять способов узнать больше

Глоссарий Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg