Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

Это открыло новый «канал связи» с космосом: теперь Вселенную можно было не только увидеть, но и услышать. Эти исследования стали не только триумфом для физиков, они очень заинтересовали астрономов, ведь они позволяли делать выводы об устройстве и развитии Вселенной. Поэтому неудивительно, что в 2017 году создатели LIGO Райнер Вайсс[98], Кип Торн[99] и Барри Бариш[100] стали лауреатами Нобелевской премии по физике.

Первый сигнал был получен в сентябре 2015 года. Затем ловить пульсации пространства-времени стало для астрономов почти обычным делом: LIGO уже как минимум пять раз улавливала гравитационные волны от столкновений черных дыр с массой от 5 до 40 масс Солнца на расстоянии от одного до трех миллиардов световых лет. В одном случае вместе с детектором Virgo («Вирго»), который был построен в Италии, недалеко от Пизы в 2017 году. Кроме того, в том же месяце три интерферометра впервые обнаружили гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд. Эту катастрофу удалось также сфотографировать в электромагнитном спектре, от гамма-диапазона до радиодиапазона, что позволило точно определить местоположение в небе: на краю эллиптической галактики NGC 4993 в созвездии Гидры, на расстоянии 130 миллионов световых лет. Это открытие было началом новой эры в астрофизике. Оно подтверждает предположение о том, что самые тяжелые элементы, такие как золото, платина и уран, образуются в основном в результате подобных разрушительных явлений.

Столкновение черных дыр, согласно формуле Эйнштейна E = mc2, превращает массу двух-трех Солнц в энергию за доли секунды. Эту энергию нельзя увидеть, но она сотрясает пространство-время. Эта энергия равна излучению всех звезд в видимой Вселенной одновременно! Но это открытие невозможно было сделать – и понять – без теории относительности Эйнштейна.

Измерения гравитационных волн также позволяют проводить новые испытания. Согласно Эйнштейну, гравитационные сигналы распространяются со скоростью света – и это подтверждается с высокой точностью. Теория черных дыр также может быть проверена на основе формы зарегистрированных волн; здесь пока тоже нет повода для сомнений. И когда в будущем заработают четыре или пять детекторов – а в настоящее время в Японии и Индии строится по одному, – теории относительности предстоит еще одно испытание на прочность. Ведь она совершенно четко предсказала только два паттерна колебаний гравитационных волн. А другие теории допускают существование до четырех дополнительных типов волн. Если будет обнаружен хотя бы один из них – это поставит под сомнение теорию Эйнштейна.

Шест Эйнштейна

1. Что случается со светом, когда он проходит близко от Солнца?

◻ а. Он исчезает за Солнцем

◻ б. Он изгибается вокруг Солнца

◻ в. Он искривляется только во время солнечного затмения

2. Как работает гравитационная линза?

◻ а. Поглощает свет (черные дыры)

◻ б. Усиливает и преломляет свет

◻ в. Сдвигают свет в красную область

3. Где время течет медленнее всего?

◻ а. В библиотеке

◻ б. В Бундестаге[101]

◻ в. При движении со скоростью света

4. Что такое черная дыра?

◻ а. Результат экономической политики

◻ б. Сверхплотные концентрации вещества, которые не излучают свет

◻ в. Выгоревшие ядра звезд с низкой массой

5. Гравитационные волны…

◻ а. …это периодические сжатия и растяжения пространства-времени

◻ б. …всегда распространяются немного медленнее скорости света в вакууме

◻ в. …последствия прямолинейного и равномерного движения тел в пространстве

Ответы: 1б, 2б, 3в, 4б, 5a

Замкнутая вселенная может напоминать сферу, но из-за неравномерности распределения вещества может оказаться больше похожей на многомерную картофелину неправильной формы.

МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ

«Конечно, с точки зрения астрономии, я построил просторный воздушный замок. Но для меня острым был вопрос о том, может ли идея относительности быть закончена или она приводит к противоречиям».

Двое мужчин были больны, и по соседству гремела мировая война. Но в их письмах бушевала новая революция. Она была более разрушительной, чем все взрывы и политические потрясения, и ученые до сих пор ее изучают. В 1917 году Альберт Эйнштейн в Берлине и астроном Виллем де Ситтер[102] в университетском городке Лейдене в Голландии обсуждали природу Вселенной. И в отличие от прежних тысячелетий, когда этим занимались создатели мифов и религий, затем философы, а потом и физики, впервые новая теория создавалась на фундаменте, который сохраняется и по сей день. И о развитии современной космологии – научных представлений о мироздании. И более того: Эйнштейн создал язык для описания самого далекого прошлого и будущего, еще не зная об этом. Это оказалось возможным благодаря общей теории относительности, которую в феврале 1917 года он завершил после введения космологической постоянной. Масштаб этого события мы можем оценить только сто лет спустя.

Космическая инерция

«Я снова кое-что порушил в теории гравитации и теперь опасаюсь, что меня увезут в сумасшедший дом».

Эйнштейн написал эти строки 4 февраля 1917 года и отправил письмо в Лейден своему другу Паулю Эренфесту. Эта идея, которую он изложил всего через одиннадцать дней в научной статье, не только оказалась итогом попыток понять Вселенную, которые продолжались тысячи лет, а также означала начало новой эры естествознания: начало новой релятивистской космологии – науки о строении и развитии Вселенной.

Современная космология основана на так называемой стандартной модели Большого взрыва и представлениях о все более быстром расширении космического пространства. В начале 20 века это было немыслимо, хотя Эйнштейн, в принципе, мог бы уже прийти к этим идеям, если бы больше доверял своему видению физики.

Тем не менее он двигался постепенно. Он пытался понять Вселенную на основе общей теории относительности. Без них описание мира уже казалось невозможным.

Для Ньютона Вселенная – это абсолютное пространство, оно существует независимо от предметов, находящихся в нем. Он основывался на таком мысленном эксперименте: представьте себе ведро, полное воды.

Пока оно висит неподвижно, спокойна и поверхность воды (1).

То же самое, когда ведро только начинает вращаться (2).

Но вскоре по ее поверхности пойдут волны, так как центробежная сила начнет выталкивать воду к краям ведра (3).

Хотя относительно ведра она в этот момент не будет вращаться, а снова будет находиться в состоянии покоя, вода сохранит при этом вогнутую поверхность. Следовательно, вода должна вращаться,