Текст книги "Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса"

Согласно легенде, идея вечной и стационарной Вселенной озарила трех кембриджских друзей – Хойла, Бонди и Голда – в 1947 г. после просмотра фильма ужасов с закольцованным сюжетом, который заканчивался аналогично началу. Дружба ученых зародилась еще в период их совместной работы на радиолокационной станции во время Второй мировой войны. Они представляли собой авторитетное трио: Хойл имел разностороннее мышление и необычайную интуицию, Бонди был хорошим математиком, а Голд – изобретательным ученым с богатым воображением. Хойл вспоминал: «Неизменяющиеся обстоятельства чаще всего рассматриваются как непременно статичные. И фильм ужасов сделал для нас троих ровно следующее – уничтожил это ложное представление. Могут быть неизменяющиеся обстоятельства, которые имеют динамику, например медленно текущая река». Все это заставило их задуматься, может ли Вселенная сохранять один и тот же облик даже при своем постоянном расширении[45]45
  Fred Hoyle, “Steady State Cosmology Revisited,” in Cosmology and Astrophysics: Essays in Honor of Thomas Gold, ed. Yervant Terzian and Elizabeth M. Bilson (Ithaca: Cornell University Press, 1982), 51.


[Закрыть].

Такое было возможно только в одном случае – если бы постоянно происходило создание новой материи. Тогда новые галактики могли бы образовываться и заселять районы, опустевшие после перемещения более старых галактик. В этой новой модели стационарной Вселенной присутствовало расширение, но она позволяла обойтись без идеи некоего начала и конца. Вселенная была бессмертной, если верить модели стационарной Вселенной. Многие космологи, склонные к философскому видению мира, сочли привлекательной модель стационарной Вселенной, предложенную Хойлом, Бонди и Голдом. Во-первых, благодаря постоянному сотворению материи их Вселенная не разрежалась, несмотря на расширение. Во-вторых, данная модель обходила стороной проблемный вопрос происхождения. Помимо неспособности описать происхождение элементов тяжелее гелия модель Большого взрыва давала такой возраст Вселенной, который сильно уступал известному возрасту Солнечной системы. В то время это были очевидные дыры, зиявшие в теории Большого взрыва.

Таким образом, гипотеза, которая предполагала однородность космоса во времени и пространстве, способствовала популярности модели стационарной Вселенной. В эти споры вмешивались и религиозные умы. В 1952 г. папа Пий XII поддержал космологическую теорию Большого взрыва, так как она была созвучна идее Создателя – одному из церковных постулатов. Теория стационарной Вселенной, не имеющая временных привязок, без начала и конца, рассматривалась как олицетворение атеистического взгляда на мир. Не все сторонники модели стационарной Вселенной были атеистами – Уильям Хантер Маккри, ведущий ее представитель, являлся убежденным англиканцем. Однако в общем и целом отсутствие необходимости в начальной точке снизило потребность в Творце с соответствующим намерением, что отвечало атеистическим представлениям о мировом порядке.

Астрономы в Соединенных Штатах также сочли убедительной модель стационарной Вселенной, тем не менее они не рассматривали данный вопрос как окончательно решенный. Ученые полагали, что утверждения двух конкурирующих теорий должны быть подтверждены с помощью проверочных наблюдений, и никак иначе. Ключевые выводы в поддержку теории Большого взрыва, в итоге разбившие в пух и прах модель стационарной Вселенной, в первую очередь обязаны своим появлением реликтовому излучению и определению возраста Вселенной, которая оказалась значительно более древней, чем Солнечная система, и более глубокому пониманию ядерного синтеза – формированию химических элементов, позволившему увидеть, как химические элементы тяжелее гелия синтезировались в ядре звезд, а не на начальных стадиях зарождения Вселенной. Конечно, были поползновения – в основном со стороны Хойла – возродить стационарную модель, но все они в итоге оказывались неудачными при попытке объяснить возрастающее количество наблюдений. Открытие в 1965 г. реликтового излучения, оставшегося от Большого взрыва – «эха первичного шума», производимого горячей и плотной плазмой в начале Вселенной, – стало последним похоронным аккордом для стационарной модели. Споры между сторонниками двух моделей яростно кипели еще примерно два десятилетия, но с течением времени стационарная теория попросту перестала объяснять данные, поступающие в ходе наблюдений с помощью оборудования, которое работало с разными волнами – оптическими, радиоволнами и микроволновым излучением. В своей книге «Космология и противоречия» историк Хельге Краг фиксирует схожие черты и различия между моделями и дает подробный отчет о том, чем закончилось в итоге это соперничество[46]46
  Helge Kragh, Cosmology and Controversy: The Historical Development of Two Theories of the Universe (Princeton: Princeton University Press, 1996).


[Закрыть].

Кроме того, прогресс в сфере вычислительных машин, которому способствовало изобретение во время Второй мировой войны в рамках Манхэттенского проекта сложных и быстрых компьютеров, предоставил новые технические возможности для теоретических вычислений. Стало возможным посчитать сложные химические взаимодействия и скорость реакций, что было необходимо для получения данных о распространении элементов и эволюции звезд. Все это передовое оборудование позволило составлять новые прогнозы и отправило в утиль стационарную модель. Хотя важнейшими данными, подтвердившими теорию Большого взрыва, стало открытие всепроникающего реликтового излучения, которое мы будем обсуждать в главе 5.

Крах теории стационарной Вселенной демонстрирует влияние эмпирических наблюдений и то, как сбор доказательной базы может оспорить или подтвердить теорию. Примечательно, что стационарная теория вполне могла быть сфальсифицирована, так как она давала конкретные прогнозы, показывающие несостоятельность модели Большого взрыва.

Открытие расширяющейся Вселенной и принятие модели Большого взрыва иллюстрируют авторитетную роль, которую играют влиятельные ученые в признании или отторжении новых идей. Но еще эти перипетии показывают, что именно экспериментальные доказательства и данные выносят финальный вердикт. Мощное взаимное влияние теории и наблюдений в 1920-х и 1930-х гг. – совместное и плодотворное сотрудничество, которое «вывело» Вселенную из неподвижного состояния, – также обозначило рождение новой дисциплины, а именно космологии – науки о свойствах Вселенной и входящих в ее состав элементах. Новая наука с тех пор значительно нарастила влияние и авторитет. Кроме того, одна из базовых гипотез космологии Большого взрыва, с момента первоначального открытия Хаббла нашедшая подтверждение благодаря немалой поддержке наблюдений, представляет собой космологический принцип, согласно которому Вселенная однородна, то есть одинакова в любой точке, и изотропна, то есть одинакова во всех направлениях. Если масштабировать данные Хаббла в отношении самых дальних пределов Вселенной, окажется, что вся Вселенная подчиняется космологическому принципу. Другая ключевая гипотеза, подразумеваемая в рамках интерпретации данных Хаббла, звучит так: физические законы, которые мы открыли, действительны в каждой точке Вселенной – не только в нашей Галактике, но и в любой другой в ближних или дальних пределах. Модель Большого взрыва – Вселенной с горячей и плотной плазмой в начале, которая затем стала расширяться с постоянной скоростью, – продолжала укрепляться.

3. Черная сердцевина

Черные дыры становятся реальностью

Черные дыры, представляющие собой наиболее массивные и компактные из всех известных астрономии объектов, дают обильную пищу для человеческой фантазии. В качестве примера мне хочется отметить серию японских рисунков манга Inuyasha, созданную художником Румико Такахаси: их герой по имени Мироку несет на руке полученный от предка знак проклятия, под воздействием которого все, к чему он прикасается, мгновенно и безжалостно затягивается в некий туннель пустоты. С течением времени эта черная дыра растет, угрожая затянуть и уничтожить самого Мироку[47]47
  Rumiko Takahashi, Inuyasha, originally serialized in Weekly Shōnen Sunday from 1996 to 2008. Miroku also appears in season 1, episode 16 of the Inuyasha anime, which first aired on February 19, 2001. See also Rupert W. Anderson, The Cosmic Compendium: Black Holes (self-published through Lulu.com, 2015), 57.


[Закрыть]. Такой зловещий образ таинственного объекта, поглощающего и уничтожающего все на своем пути, уже давно стал общепринятым литературным тропом и применяется практически ко всему. В 2008 г. все американские газеты после финансового краха писали о «черной дыре» на Уолл-стрит, а газета The New York Times практически постоянно использует этот образ при описании самых разных событий и ситуаций – от действий террористов и докладов разведки о ситуации в Северной Корее до состояния финансов при Митте Ромни. Во всех случаях понятие «черная дыра» подразумевает полное отсутствие информации о каких-либо объектах или обстоятельствах.

Как было показано выше, признание некоторых научных идей гелиоцентрической модели Солнечной системы или теории расширяющейся Вселенной протекало, как говорят физики, нелинейно. Такая же судьба ожидала концепцию черных дыр, которая из экзотического математического понятия превратилась в общепринятую научную теорию и затем в популярный объект современной культуры.

Стоит отметить, что первоначально термин «черная дыра» был создан вовсе не для описания особых свойств астрономических объектов, а ведет происхождение из истории одной тюрьмы. 20 июня 1756 г. наваб (правитель Бенгалии) Сирадж уд-Даула захватил Калькутту, которую до этого удерживали войска английской Ост-Индской компании под командованием Джона Холвелла (провозгласившего себя губернатором Бенгалии). Наваб отправил Холвелла и других европейцев в одиночную камеру тюрьмы, построенную самой компанией. Эта была совсем маленькая камера (6 м на 4 м и двумя крошечными окнами), известная в народе как «Черная дыра». Наваб держал в ней без воды и в ужасной духоте 146 заключенных, из которых выжили только 23 человека, после чего камера получила печальную известность. Несмотря на то что ученые, такие как Дж. Г. Литтл, подвергали сомнению точность этих сведений, название тюрьмы – «Черная дыра» – сохранилось, и можно предположить, что оно осталось в подсознании и языке мрачной метафорой безжалостного уничтожения. Например, когда 25 мая 1887 г. ужасный пожар стер с лица земли здание театра Опера-Комик в Париже, корреспондент The New York Times кратко описал пожарище словами «громадная черная дыра»[48]48
  Stanley Wolpert, A New History of India, 8th ed. (New York: Oxford University Press, 2009), 185; J. H. Little, “The Black Hole – the Question of Holwell’s Veracity,” in Bengal, Past and Present: Journal of the Calcutta Historical Society 12 (1916), part 1, serial 23: 32–42, 136–71; and “Only One Topic in Paris,” New York Times, May 29, 1887, accessed September 15, 2015, http://query.nytimes.com/mem/archive-free/pdf?res=9C04E0DB1730E633A257 5AC2A9639C94669FD7CF.


[Закрыть].

Задолго до использования в физике термин «черная дыра» стал в литературе устоявшимся символом мрачной темницы. В 1844 г. Эдгар По опубликовал в Philadelphia Dollar Newspaper ставший затем знаменитым рассказ в жанре хоррор «Погребенные заживо», описывающий страдания погребенных заживо людей. Во введении к рассказу вновь упоминается описанная выше трагедия в тюрьме Калькутты (По называет ее «Черной ямой Калькутты»)[49]49
  Edgar A. Poe, “The Premature Burial,” Philadelphia Dollar Newspaper, July 31, 1844, available at www.eapoe.org/works/info/pt048.htm#text02


[Закрыть]. Даже в наши дни известный своим богатым воображением Томас Пинчон неоднократно упоминает «Черную яму Калькутты» в популярной музыкальной драме «Мейсон и Диксон» (Mason and Dixon) в качестве символа ужаса.

Удивительно, но некоторые из этих литературных примеров очень удачно описали природу еще не открытых в то время астрофизических объектов. В современной астрономии так стали обозначать объекты, откуда вещество не может вырваться. Пытаясь проследить истоки этого понятия и термина, историк науки Марция Бартусяк отмечает, что его предлагал и часто использовал знаменитый физик Джон Арчибальд Уиллер[50]50
  Бартусяк в деталях исследовал этот вопрос в: Black Hole: How an Idea Abandoned by Newtonians, Hated by Einstein, and Gambled On by HawkingBecame Loved (New Haven: Yale University Press, 2015), глава 7.


[Закрыть]. По-видимому, впервые он использовал его в 1964 г. на съезде Американской ассоциации содействия развитию науки, после чего термин прижился в физике (и вообще в современной культуре), хотя сам Уиллер никогда не претендовал на авторство.

Сейчас нам известно, что черные дыры располагаются в центрах большинства (если не всех) известных галактик, включая нашу собственную Галактику Млечный Путь, в центре которой обнаружена гигантская черная дыра, масса которой превышает массу нашего Солнца примерно в 4 млн раз. В далеком космосе светящийся падающий газ затягивается внутрь активных, растущих черных дыр под воздействием мощнейшего гравитационного притяжения и постепенно превращается в видимые нам квазары, которые представляют собой самые яркие «маяки» ранней Вселенной. Квазары становятся видимыми, когда возраст Вселенной достигает примерно 1 % от времени ее существования. На основе достаточно подробного изучения соседних галактик мы уже знаем, что в их центрах часто скрываются чудовищные по размеру черные дыры, которые обнаруживают себя лишь гравитационным воздействием на звезды и внутренние области окружающих их галактик. К счастью, наша Солнечная система располагается настолько далеко от черной дыры в центре Млечного Пути, что мы можем пренебречь этим воздействием.

В настоящее время астрономы уверены, что черные дыры (несмотря на их необыкновенные свойства) возникают в результате обычных физических процессов, протекающих в ходе эволюции звезд. Теория звездной эволюции предполагает, что топливом для звезд с массой, в 15–20 раз превышающей массу нашего Солнца, служит водород. После выгорания водорода эти звезды заканчивают свою жизнь как черные дыры. Черные дыры могут иметь экзотические свойства, но они – важная составляющая Вселенной, играющая значительную роль в формировании и эволюции галактик.

Давайте теперь рассмотрим черные дыры начиная с того момента, когда этот термин перестал быть объектом воображения и превратился в объект, который можно обнаружить и описать. История термина связана с «башней из слоновой кости»[51]51
  В американском английском используется для обозначения академических кругов. – Прим. науч. ред.


[Закрыть] – Кембриджским университетом в Англии XVIII в. Кембридж и Оксфорд были тесно связаны с англиканской церковью, и большинство студентов были выходцами из мелкопоместного дворянства и духовного сословия. По окончании университета все они подписывали официальный документ «символа веры» государственной англиканской церкви, состоящего из 39 статей (так называемые «39 статей англиканского вероисповедания», Thirty-Nine Articles of Anglican Faith), поэтому неудивительно, что многие из выпускников в дальнейшем связывали свою судьбу с церковью[52]52
  Michael Sanderson, Education, Economic Change and Society in England 1780–1870 (Cambridge: Cambridge University Press, 1995), 40.


[Закрыть]. Один из блестящих выпускников Оксфорда сумел представить и описать совершенно необычные небесные тела, а именно настолько массивные звезды, что их свет просто не может покинуть породившее его светило.

Когда в 1783 г. английский сельский священник Джон Мичелл первым предложил идею существования каких-то темных звезд, он, разумеется, даже не мог себе представить, что когда-нибудь мы сможем их наблюдать и регистрировать. Сам Мичелл был полиматом (этим словом тогда обозначали талантливых ученых, занимавшихся сразу несколькими областями науки). Он родился в 1724 г. и учился в Кембридже, где впоследствии преподавал языки (древнееврейский и греческий), а также математику и геологию. Портреты Мичелла не сохранились, но современники описывали его как «низенького, смуглого и толстого человека». Он принял духовный сан и получил приход в местечке Торнхилл вблизи города Лидса. Несмотря на свои религиозные обязанности, Мичелл активно занимался разнообразными и самыми передовыми научными исследованиями, а также встречался и регулярно переписывался со многими ведущими учеными своего времени (например, с Бенджамином Франклином и Генри Кавендишем) и регулярно обсуждал с ними разнообразные проблемы. Им было что обсудить. Научная деятельность Мичелла охватывала проблемы земного магнетизма, теории распространения волн от землетрясения по поверхности Земли и т. д. Именно за работы по сейсмологии в 1760 г. Мичелл был избран членом Королевского общества, однако, несмотря на все свои достижения в области натуральной философии, он прославился гораздо меньше многих своих современников, возможно вследствие неумения пропагандировать и распространять научные идеи[53]53
  “Case Study: John Michell and Black Holes,” excerpt from Cosmic Horizons: Astronomy at the Cutting Edge, ed. Steven Soter and Neil deGrasse Tyson (New York: New Press, 2000), на сайте Американского музея национальной истории: www.amnh.org/education/resources/rfl/ web/essaybooks/cosmic/cs_michell.html


[Закрыть].

Следуя постулатам Ньютона, Мичелл рассматривал свет в качестве потока крошечных частиц (корпускул) и поэтому полагал, что массивные звезды должны оказывать на эти частицы такое же гравитационное воздействие, как и на другие оказавшиеся вблизи астрономические объекты (например, кометы). Поскольку гравитационное воздействие прямо пропорционально массе звезды, Мичелл далее предположил, что могут существовать исключительно массивные звезды, способные полностью останавливать свет. В письме к Генри Кавендишу, датированном 27 ноября 1783 г., он верно догадался, что такие «темные звезды» должны обнаруживаться лишь по гравитационному воздействию, которое они могут оказывать на окружающие их тела. Эту идею (фактически, определение черных дыр в рамках ньютоновской механики своего времени) Мичелл опубликовал в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Он не был одинок в этих теоретических построениях. Всего через 13 лет похожую концепцию предложил в своей книге «Изложение системы мира» (Exposition du système du monde) французский математик Пьер-Симон Лаплас, который пришел к выводу: «…возможно, что по этой причине остаются невидимыми для нас самые большие светящиеся тела во Вселенной». Впрочем, когда позднее корпускулярная теория света Ньютона потеряла свою популярность (вследствие чего была забыта и идея о «темных звездах»), Лаплас полностью выбросил все упоминания об этой гипотезе из более поздних изданий своей книги[54]54
  John Michell, “On the Means of Discovering the Distance, Magnitude, andc. of the Fixed Stars, in Consequence of the Diminution of the Velocity of Their Light, in Case Such a Diminution Should Be Found to Take Place in Any of Them, and Such Other Data Should Be Procured from Observations, as Would Be Farther Necessary for That Purpose. By the Rev. John Michell, B. D. F. R. S. In a Letter to Henry Cavendish, Esq. F. R. S.and A. S.,” Philosophical Transactions of the Royal Society of London 74 (1784): 35–57; and Charles Coulston Gillispie, Pierre-Simon Laplace, 1749–1827: A Life in Exact Science, with the collaboration of Robert Fox and Ivor Grattan-Guinness (Princeton: Princeton University Press, 2002), 175.


[Закрыть].

Прошло еще 150 лет, и представление об этих астрономических объектах воскресло в рамках ОТО Эйнштейна. Эта теория выросла из более простой идеи. Еще в 1905 г. Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), в которой постулировал, что ни один объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Существование предельной скорости имело для науки очень глубокие последствия. Прежде всего, была установлена невозможность передачи вещества или информации со скоростью больше максимально возможной. Из этой теории возникла и знаменитая формула эквивалентности энергии и массы, выражаемая ставшей общеизвестной формулой E = mc². Однако в 1915 г. Эйнштейн предложил общую теорию относительности, глубоко изменившую наши представления о массе, гравитации и пространстве, что и позволило возродиться идее о черных дырах[55]55
  A. Einstein, “Ist die Tragheit eines Korpers von seinem Energieinhalt abhangig?” [Does the inertia of a body depend on its energy content?], Annalen der Physik, 4th ser., vol. 18 (1905): 639–41; and Einstein, “Erklarung der Perihelbewegung des Merkur aus der allgemeinen Relativitatstheorie” [Explanation of the perihelion motion of Mercury from the general theory of relativity], Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften 2 (November 18, 1915): 831–39.


[Закрыть]. Математика ОТО позволяет по-новому визуализировать окружающую нас реальность. Как описывалось в предыдущей главе, новая теория привела к возникновению новой модели Вселенной, ставшей первым крупным пересмотром картины мира со времен Ньютона. При этом, однако, к глубокому разочарованию самого Эйнштейна, эта теория допускала существование черных дыр.

Рискуя навлечь на себя обвинения в искажении светлого образа Эйнштейна, мы должны отметить, что он выступал против концепции расширяющейся Вселенной и ненавидел идею черных дыр. Это может быть объяснено, кстати, следующим обстоятельством: восхищение физиков работами Эйнштейна связано, хотя бы частично, с тем фактом, что ему удалось построить великую ОТО буквально из ничего (ex nihilo), то есть без объяснения каких-то наблюдаемых явлений. Это безупречно настолько, насколько может быть безупречна физическая теория. Поэтому ОТО вызывала особое уважение в качестве примера демонстрации могущества умозрительных рассуждений, позволяющих достичь чисто математического описания природы. Его теория предполагала глубокое понимание природы гравитации – таинственной силы, удерживающей в единстве не только Солнечную систему, но и Вселенную в целом. В течение всей своей научной деятельности Эйнштейн руководствовался стремлением постичь единство и простоту устройства мира. Именно эти философские убеждения иногда мешали ему воспринимать и признавать необычные результаты, даже если они вытекали из его собственных работ и теорий. Так было и в случае черных дыр.

Теория Эйнштейна была не только математически элегантной и независящей от наблюдений, но сделала несколько важных научных проверяемых предсказаний. При этом теория значительно обгоняла существующие потребности и возможности ее проверки или применения. В некотором смысле можно сказать, что в начале прошлого века ОТО представляла собой «стерильно чистую» область физики, далекую от мейнстрима научных изысканий эпохи. Она имела важное значение для астрономии, но и в астрономии не была связана с реально существующими физическими объектами, по крайней мере в самом начале прошлого века. ОТО стала использоваться для описания Вселенной (как единого целого) уже в первые десятилетия после своего создания. Поскольку предсказываемые теорией наблюдаемые эффекты были очень слабыми для астрономических объектов с небольшой массой, теория оставалась незадействованной в наблюдениях вплоть до обнаружения в космосе новых экзотических объектов (типа нейтронных звезд, пульсаров и квазаров), при описании которых и проявились ее богатые возможности. Таким образом, когда в начале 1960-х гг. астрономы обнаружили в космосе эти сверхтяжелые объекты, теория Эйнштейна уже была достаточно развита и разработана для их описания.

Сегодня наиболее убедительные доказательства существования черных дыр получены для спиральной галактики NGC4258, внутри которой располагается черная дыра, массивнее Солнца примерно в 40 млн раз. Чтобы почувствовать масштаб, представьте, что при картографировании внутренних областей этой галактики в радиодиапазоне астрономы обнаружили диск, который, по-видимому, является резервуаром газа, закручивающимся в черную дыру, настолько широким, что свету потребовался год, чтобы пересечь его (если газ не будет захвачен черной дырой). Именно эти объекты управляют движением звезд внутри галактик. Сейчас предполагается, что в центре самых ярких галактик также располагаются сверхмассивные черные дыры с массой, превышающей массу Солнца в миллиарды раз[56]56
  Mitchell Begelman and Martin Rees, Gravity’s Fatal Attraction: Black Holes in the Universe, 2nd ed. (Cambridge: Cambridge University Press, 2005), это полное введение в теорию черных дыр с большим количеством иллюстраций и диаграмм.


[Закрыть].

Для понимания природы и свойств черных дыр необходимо разобраться с гравитацией, предлагаемой в теории Эйнштейна. Гравитация является одной из известных нам фундаментальных сил природы (хотя и не самой мощной из этих сил), ничто не может ее избежать: ни звезды, ни планеты, ни галактики. Ньютон первым понял природу гравитации в качестве силы притяжения, обеспечивающей не только наш вес и притяжение тел к Земле, но и движение планет по их орбитам. Сила притяжения возрастает с ростом массы и плотности тел. В результате черные дыры с их огромной массой и плотностью являются источниками мощнейших сил притяжения во Вселенной. Из общего курса физики мы знаем о так называемой скорости убегания, то есть скорости, которую должно набрать какое-нибудь тело, чтобы оторваться от притягивающего его небесного тела. Например, для отрыва от гравитационного поля Земли ракета должна разогнаться до 40 000 км/ч[57]57
  Около 11 км/с – первая космическая скорость. – Прим. пер.


[Закрыть], и именно такую скорость развивают двигатели ракетных систем при запуске спутников на всех космодромах Земли, от мыса Канаверал (США) и Байконура (Казахстан) до Шрихарикоты в Индии. Для сравнения можно отметить, что скорость убегания для Солнца (масса которого превышает массу Земли в 330 000 раз) равна примерно 4 млн км/час, что все еще в 250 раз меньше скорости света. А что произойдет, когда скорость убегания от какого-то космического тела сравняется или превысит скорость света? Именно этот вопрос поставил перед собой Мичелл, размышляя о распространении света звезд, и получил ответ: возникнет черная дыра. Даже отраженный свет не раскрывает присутствие черных дыр. И они не просто звезды, скрытые экстремальным искривлением лучей света. Их сильное гравитационное притяжение буквально деформирует пространство и нарушает течение времени в своем ближнем окружении. Вот почему, чтобы понять черные дыры, нам нужно мыслить, как Эйнштейн.

Еще самая первая и основополагающая статья Эйнштейна, опубликованная в Annalen der Physik в 1905 г., содержала в себе замечательные идеи[58]58
  Einstein, “Tragheit eines Korpers.”


[Закрыть].

Эйнштейн предложил глубокую и совершенно новую теорию, полностью меняющую общее понимание соответствий между массой, гравитацией и пространством. Ньютон рассматривал гравитацию в качестве сил притяжения, мгновенно действующих между любыми объектами, обладающими массой. СТО Эйнштейна постулирует конечность скорости света, что делает невозможным мгновенное взаимодействие. В отличие от идей Ньютона, в ОТО Эйнштейна обладающие массой объекты сами создают некое гравитационное поле, которое, в свою очередь, изменяет форму пространства. В этой картине гравитация соответствует не силам притяжения, а, скорее, некоторым искажениям пространства, которые вынуждают тела двигаться в ответ на присутствие массы. Центральным понятием в ОТО является единое четырехмерное пространство-время. Вся Вселенная и все ее содержимое – галактики, звезды и планеты – обитает в этом пространстве-времени. Это пространство-время можно представить себе в виде воронки, которая действует на движения объектов и поток времени. Визуально ее можно представить в виде некоторого рельефа (типа топографической карты), где впадины соответствуют присутствию массивных тел, как показано на рисунке выше.

Скачок, который совершил Эйнштейн, заменив ньютоновское представление о гравитации на предлагаемую им теоретическую модель, может служить редким примером так называемого индуктивного подхода в науке. Хотя чистая теория Эйнштейна и не основывалась на наблюдениях, она сделала конкретные проверяемые прогнозы, которые и помогли оценить ее действенность. Такой подход может показаться нетипичным для обычных отношений между теорией и наблюдениями в науке, где теории создаются для объяснения наблюдаемых фактов посредством дедуктивных выводов.

Например, ОТО предсказывает существование гравитационных линз, когда массивный объект настолько искажает пространство, что изгибаются пути прохождения световых лучей. Когда Земля и Солнце при солнечном затмении располагаются вдоль прямой определенным образом, гравитационный колодец может искажаться из-за взаимодействия масс и становиться глубже, вызывая искривление лучей света, которое можно проверить экспериментально. Идею такой проверки ОТО (по искривлению лучей света от звезд во время солнечных затмений) предложил астроном Эрвин Финлей-Фройндлих. Он сообщил Эйнштейну, что следующее удобное для таких астрономических измерений полное солнечное затмение будет наблюдаться летом 1914 г. на Крымском полуострове. Эйнштейн даже собрал фонд для организации экспедиции, но все его планы нарушило начало Первой мировой войны. Можно представить себе возмущение Эйнштейна, известного своими пацифистскими убеждениями, когда командование Русской армии в Одессе арестовало имущество экспедиции и самих ее участников. Наблюдения отложили до 1919 г., когда Артур Эддингтон возглавил одну из двух экспедиций, специально организованных британским правительством для измерения отклонений световых лучей при солнечном затмении.

Эддингтон сфотографировал и измерил положение нескольких звезд вблизи солнечного диска, свет от которых достигал Земли после прохождения участков пространства-времени, искаженных сильной гравитацией Солнца. Эти звезды должны казаться наблюдателю смещенными относительно своих обычных положений на небосклоне, зафиксированных за шесть месяцев до затмения, как показано на рисунке ниже. Измерения доказали, что Солнце действительно изгибает траектории световых лучей, причем на величину, точно соответствующую предсказаниям Эйнштейна. После доклада Эддингтона об этом событии, прочитанного им на совместном заседании Королевского общества и Королевского астрономического общества 6 ноября 1919 г., Эйнштейн мгновенно стал всемирно известным. Подтверждение теории относительности не только сделало образ Эйнштейна «иконой», но и открыло путь к дальнейшим исследованиям потенциальных возможностей приложения этой теории[59]59
  Michael White and John Gribbin, Einstein: A Life in Science (London: Simon and Schuster, 1993), 115–16; and Frank Watson Dyson, Arthur Stanley Eddington, and Charles Davidson, “A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of 29 May 1919,” Philosophical Transactions of the Royal Society 220A (1920): 291–333.


[Закрыть].

Стоит отметить еще раз, что ОТО была разработана задолго до предположений о ее возможных применениях, хотя сегодня и теоретическая, и практическая ценность теории представляется несомненной. Например, одним из ее новейших приложений стало создание глобальной системы навигации GPS (Global Positioning System), применяемой сейчас в мобильных телефонах и расчетах, которые помогли посадить ровер на поверхность Марса.

Хотя теория Ньютона предлагала также и описание падения тел на Землю, однако сейчас уже ясно, что оно не является ни полным, ни исчерпывающим. Например, законы Ньютона не описывают движение частиц на очень малых, субатомных расстояниях, а также на очень больших, космических масштабах. Для понимания этих закономерностей нам необходимо глубже ознакомиться с эйнштейновской интерпретацией гравитации. Конечно, следует помнить, что он не мог предвидеть будущих требований к его теории. Система GPS навигации полностью основана на принципах эйнштейновской теории гравитации. Требуемое для GPS точное определение местоположения аппарата и управление его движением осуществляются за счет функционирования на заданных орбитах Земли 24 спутников, на борту каждого из которых установлены точнейшие доступные атомные часы. Навигационное устройство в вашем автомобиле получает радиосигнал от ближайшего спутника и сравнивает его с сигналами от четырех других близких спутников. Именно это сравнение позволяет определить позицию автомобиля с точностью около 1 м. Эта исключительно сложная задача требует учета поправок в рамках обеих теорий относительности Эйнштейна (и специальной, и общей). В соответствии с СТО время на двигающихся часах (то есть на спутниках) течет медленнее, чем на Земле. С другой стороны, необходимо учитывать, что часы на спутниках, условно говоря, «погружены» в гравитационное поле Земли и поэтому должны идти быстрее, так как это поле «искривляет» пространство и меняет течение времени. В результате действия этих конкурирующих механизмов атомные часы на орбитальных спутниках идут чуть-чуть быстрее наземных (примерно на 40 мкс в день), однако именно эта ничтожная поправка учитывается и играет важную роль при определении координат вашего автомобиля (в противном случае вместо Манхэттена в Нью-Йорке вы рискуете оказаться где-то в штате Нью-Джерси – это действительно большая разница). Теория Эйнштейна вовсе не отменяет ньютоновскую концепцию тяготения. Каждая из теорий имеет собственную область применения – предлагает адекватное описание реальности в некоторых условиях. Эйнштейн как-то заметил, что «наилучшую судьбу имеет та физическая теория, для которой можно указать способ ее включения в рамки другой, более обширной теории в качестве предельного случая»[60]60
  A. Einstein, Relativity: The Special and General Theory, translated by Robert W. Lawson, introduction by Roger Penrose (New York: Pi, 2005); and Mario Livio, Brilliant Blunders: From Darwin to Einstein – Colossal Mistakes by Great Scientists That Changed Our Understanding of Life and the Universe (New York: Simon and Schuster, 2013), 269. I discuss more generally the provisional nature of science, for instance how new theories displace older ones, in my review essay “What Scientists Really Do,” New York Review of Books, October 23, 2014, www.nybooks.com/articles/archives/ 2014/oct/23/what-scientists-really-do/


[Закрыть]. Ньютон указал на универсальность гравитации, а Эйнштейн сумел объяснить эту универсальность в терминах искривления пространства-времени. Например, в пределах Солнечной системы отклонения от теории Ньютона, предсказываемые ОТО, исключительно малы и составляют лишь около одной миллионной доли от измеряемых величин.

При создании карты Солнечной системы важную роль вновь сыграли неравномерности в движении планет. Эйнштейн постулировал, что еще одним проверяемым наблюдательным следствием будет прецессия орбиты планеты Меркурий. Эта планета является ближайшей к Солнцу и поэтому испытывает более сильное гравитационное воздействие, чем планеты, более удаленные. Искажение пространства-времени в окрестностях Солнца вызывает незначительные, но доступные для измерения аномалии траектории Меркурия, которые тоже соответствуют предсказаниям Эйнштейна. Самые последние и точные эксперименты с использованием космических зондов подтвердили расчеты колебаний орбиты Меркурия на основе ОТО с очень высокой точностью.