Текст книги "Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной"

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.