Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

С точки зрения многих астрономов, результаты выглядели слишком фантастично, один из присутствующих вспоминал о полном недоверии на лице «некоего авторитетного участника». Остальные удивлялись тому, что Уиллер наконец начал гофрить о Вселенной. Казалось, что общая теория относительности, о которой он столько времени думал, действительно уместна и может дать ключ к пониманию новых радионаблюдений.

Вот как это собрание описывал журнал Life: «Ученые, полет воображения которых поразил бы даже писателей-фантастов, в конце обсуждения были озадачены не меньше, чем перед его началом… природа радиоисточников столь необычна, что нельзя исключать никакие возможности». В своей послеобеденной речи Томас Голд дал характеристику неожиданному повороту событий на симпозиуме: «Этот случай позволяет предположить, что релятивисты со своей изощренностью являются не только великолепным культурным украшением, но и могут принести реальную пользу науке! Довольны все: релятивисты, почувствовавшие себя экспертами в области, о существовании которой они раньше не подозревали, и астрофизики, империя которых расширилась за счет присоединения к ней еще одной области — общей теории относительности». Закончил он осторожным высказыванием: «Давайте надеяться, что это правильно. Будет жаль, если нам снова придется списать релятивистов со счетов».

Воскрешение умиравшей теории Эйнштейна курировал обладающий невероятной проницательностью и настойчивостью Джон Уиллер. Посвятив свой устрашающий интеллект и творческий потенциал подготовке нового поколения блестящих молодых релятивистов и поддержке рассеянных по всей стране новых центров, он выпестовал новое живое сообщество, которое могло серьезно задуматься о гравитации. В конце концов, данные наблюдений требовали действий, и вместе с готовыми к решению больших задач астрономами, физиками и математиками Техасский симпозиум провозгласил начало новой эры. Общая теория относительности вернулась!

Глава 8.

Сингулярности

В то время как большая часть аудитории на Техасском симпозиуме 1963 года слушала выступление Джона Уиллера с непониманием, один молодой математик восторженно следил за речью, произносимой на фоне тщательно выписанных на доске уравнений и графиков. «Речь Уиллера произвела на меня громадное впечатление», — вспоминал Роджер Пенроуз. И хотя Уиллер упрямо отказывался принять концепцию существования сингулярностей, он задал правильный с точки зрения Пенроуза вопрос: «Можно ли признать эти сингулярности существенной частью общей теории относительности?». Речь Уиллера на симпозиуме в Техасе возвестила начало нового десятилетия, которое (по выражению одного из учеников Уиллера, Кипа Торна) назовут «золотым веком общей теории относительности», а Роджер Пенроуз станет одним из одаренных мыслителей, посвятивших свою жизнь работе в данной области.

Всю свою жизнь Пенроуз «играл» с пространством-временем: разрезая его, склеивая вместе отдельные фрагменты и доводя модели до предельных значений. Обладая математическим складом ума и интуитивным пониманием пространства и времени, он иначе, чем все остальные, смотрел на вещи. Рисунки, известные как диаграммы Пенроуза, разворачивают пространство-время, открывая его самые странные свойства. Они наглядно показывают, что происходит со светом при приближении к поверхности Шварцшильда, как свет ведет себя, если развернуть отсчет времени в сторону Большого взрыва, и даже как растянуть пространство и время, придав им вид пены на поверхности океана.

Впервые тягу к общей теории относительности Пенроуз ощутил еще студентом, изучая математику в Лондоне. По книге Эрвина Шрёдингера «Структура пространства-времени» он самостоятельно изучил основы. Но по-настоящему задуматься о деталях его заставили пропагандирующие теорию стационарного состояния лекции Фреда Хойла. Было нечто притягательное и вместе с тем странное в описываемой Хойлом Вселенной — она не вписывалась в представления Пенроуза об относительности. Он решил посетить своего брата Оливера, который также был математиком и готовился к получению докторской степени в Кембридже. Роджер надеялся, что Оливер поможет ему разобраться в так привлекающей его странной теории.

Кембридж 1950-х, несмотря на степенную атмосферу вековых монастырей и удушающую ритуальность колледжей и университета, постепенно превращался в весьма привлекательное место. Блестящие изысканные лекции по квантовой механике читал Поль Дирак — английский физик, сыгравший важную роль в доказательстве идентичности квантовых теорий Гейзенберга и Шрёдингера. Герман Бонди отвечал за лекции по общей теории относительности и космологии вместе с Фредом Хойлом, активно продвигающим их совместную концепцию стационарной Вселенной. Кроме того, там работал Деннис Сиама.

Братья Пенроуз встретились в ресторане Кингсвуд в Кембридже, чтобы обсудить радиолекции Фреда Хойла. Роджер не понимал, каким образом в модели стационарной Вселенной галактики могут ускоряться и разбегаться в стороны с таксой скоростью, что в какой-то момент скрываются за космическим горизонтом. С его точки зрения, должно было происходить кое-что другое, что можно было показать при помощи его диаграмм. Оливер указал на соседний столик и сказал: «Можешь спросить Денниса. Он знает об этом все». Он подвел Роджера к Деннису Сиама и познакомил их друг с другом. Они немедленно нашли общий язык.

Сиама был всего на четыре года старше Пенроуза, но уже втянулся в теорию Эйнштейна со страстью, которой он в течение почти пятидесяти лет будет увлекать учеников и коллег. В Институт перспективных исследований он прибыл за год до смерти Эйнштейна. В одной из своих бесед с Эйнштейном Сиама смело и несколько опрометчиво заявил, что он здесь, чтобы поддержать «старика Эйнштейна против всего нового». Эйнштейн посмеялся над его дерзостью. Сиама, пока это было возможно, учился у Поля Дирака, кроме того, его привлекла работа Хойла, Бонди и Голда. Но будучи убежденным сторонником стационарной Вселенной, он не оставлял без внимания открытия радиоастрономов. В дальнейшем его заинтриговали результаты группы Райла. Он видел, каким образом они могут разрушить модель Хойла.

В тот вечер в Кингсвуде Пенроуз объяснил Сиаме, почему галактики не могут исчезать из вида. Они будут тускнеть и издалека казаться замершими во времени аналогично тому, как, согласно выкладкам Оппенгеймера и Снайдера, поведет себя взорвавшаяся звезда при прохождении ее поверхности через радиус Шварцшильда. Сиама увидел, как блестят глаза Пенроуза, и оценил его свежий подход к пространству-времени. Их дружба будет продолжаться пятьдесят лет.

В конце концов Пенроуз переедет в Кембридж, чтобы получить степень доктора математики, но его внимание будет занято математическими странностями, обнаруженными в геометрии пространства-времени. Он отчаянно хотел понять их. Завершив работу над степенью, он решительно погрузился в общую теорию относительности. Следующие несколько лет он путешествовал, работая с Уиллером в Принстоне, с Германом Бонди в Лондоне, с Питером Бергманом в Сиракузах. Наконец, осенью 1963 года он присоединился к группе Шильда в Остине, штат Техас.

Техас был прекрасным местом для занятий общей теорией относительности, ведь все исследования прекрасно финансировались. «Мы не спрашивали, откуда приходят деньги или почему считается, что их имеет смысл тратить на теорию относительности, — говорил Пенроуз. — Но мне всегда казалось, что это просто какая-то ошибка». Одним из его коллег был молодой новозеландский математик Рой Керр. В жарком и влажном климате Техаса Керр боролся с уравнениями Эйнштейна, пытаясь найти для них более сложные и реалистичные решения. Он придумал элегантный набор уравнений, соответствующих простой геометрии пространства-времени. Решение Керра можно рассматривать как обобщенную форму геометрии Шварцшильда. Шварцшильд описывал симметричное относительно точки пространство-время, и именно в этой точке находилась печально известная сингулярность, в то время как решение Керра было симметрично относительно линии, насквозь пронзавшей пространство-время. Он как бы закрутил решение Шварцшильда вокруг оси, вращая пространство-время. Для возвращения к оригинальному решению достаточно было прекратить вращение.

Пенроуз немедленно взялся за результат Керра. Они часами обсуждали открытие с коллегами в Остине, меняя формулировки нового пространства-времени на свой лад. Как и Сиаму, Шильда ошеломил взгляд Пенроуза на вещи. Его математическая интуиция и диаграммы представили решение Керра в совершенно ином свете. Свои удивительно простые и мощные выкладки Керр отправил в журнал Physical Review Letters, который всего несколько лет назад запретил публикации на любые темы, связанные с теорией относительности. Но статья внезапно была принята и за несколько месяцев до Техасского симпозиума в Далласе, в сентябре 1963 года, опубликована. Таким образом, результаты Керра дошли до астрофизиков.