Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - Митио Каку

Прежде некоторые космологи считали, что количества вещества во Вселенной может оказаться достаточно, чтобы остановить расширение и обратить его вспять; тогда со временем Вселенная начала бы сжиматься и космические объекты демонстрировали бы уже не красное, а синее смещение. (Физик Стивен Хокинг даже считал, что время может обратиться вспять при сжатии Вселенной, а история – повториться в обратном порядке. Это означало бы, что люди молодели бы, а затем впрыгивали в материнскую утробу, что они выскакивали бы ногами вперед из бассейна и приземлялись сухими на вышку, что яичница впрыгивала бы со сковородки обратно в скорлупу, которая тут же вновь становилась бы целой. Однако позже Хокинг признал, что ошибся.) В конце концов Вселенная схлопнулась бы сама в себя, выделив в процессе «большого сжатия» громадное количество тепла. Кое-кто даже предполагал, что после этого Вселенная может пережить новый Большой взрыв; в этом случае она получилась бы пульсирующей.

Однако теперь экспериментальные данные о том, что расширение Вселенной ускоряется, позволили исключить все эти варианты. Простейшее объяснение, в которое укладываются, судя по всему, все известные данные, состоит в том, что Вселенная пронизана громадным количеством темной энергии, работающей как антигравитация, расталкивающая галактики. Чем больше становится Вселенная, тем больше в ней энергии вакуума, которая, в свою очередь, распихивает галактики еще сильнее и дальше друг от друга, заставляя Вселенную расширяться все быстрее.

Это очень напоминает одну из версий идеи об «инфляционной вселенной», первый вариант которой предложил физик из МТИ Алан Гут[31]; это модификация первоначальной теории Большого взрыва Фридмана и Леметра. Грубо говоря, в инфляционной картине имеются две фазы расширения. Первая – стремительное экспоненциальное расширение, когда во Вселенной доминирует большая космологическая константа. Со временем это экспоненциальное расширение замедляется до величин, соответствующих традиционной расширяющейся Вселенной Фридмана и Леметра. Если это так, значит, видимая Вселенная вокруг нас представляет собой всего лишь точку в гораздо более обширном пространстве-времени, представляющем настоящую Вселенную. Недавние эксперименты со стратосферными зондами тоже дали достоверные свидетельства инфляционного расширения; они показали, что Вселенная представляется приблизительно плоской, что указывает на громадность ее реальных размеров. Мы подобны муравьям, сидящим на огромном воздушном шаре; нам кажется, что наш мир плоский, только потому, что мы сами невероятно малы по сравнению с ним.

Помимо всего прочего, темная энергия вынуждает нас переоценить нашу истинную роль и положение во Вселенной. Еще Коперник показал, что человечество не занимает в Солнечной системе никакого особого положения. Существование скрытой массы (темной материи) показывает, что в атомах, из которых сложен наш мир, тоже нет ничего особенного, поскольку 90 % вещества во Вселенной составляет загадочная скрытая масса. Теперь же результат работы с космологической константой показывает, что темная энергия подавляет своей величиной скрытую массу, по сравнению с которой, в свою очередь, кажется незначительной энергия звезд и галактик. Космологическая константа, которую когда-то неохотно ввел Эйнштейн, чтобы стабилизировать Вселенную, является, вероятно, крупнейшим источником энергии в ней. В 2003 г. новый спутник для регистрации реликтового излучения WMAP подтвердил, что 4 % вещества Вселенной заключено в обычных атомах, 23 % – в какой-то форме неизвестного темного вещества и 73 % – в темной энергии.

Еще одно странное предсказание общей теории относительности – черные дыры, которые считались фантастикой, пока Шварцшильд в 1916 г. не вернул к жизни концепцию «темных звезд». К настоящему времени телескоп «Хаббл» и радиотелескоп VLA подтвердили существование более чем пяти десятков черных дыр, в основном в центрах крупных галактик. Мало того, сегодня многие астрономы считают, что примерно у половины из триллионов галактик имеются черные дыры в центре.

Эйнштейн понимал, что распознавание этих экзотических небесных объектов будет представлять серьезные трудности: они по определению невидимы, поскольку даже свет не может их покинуть, и потому обнаружить их очень трудно. Но сегодня космический телескоп «Хаббл», вглядываясь в глубину далеких квазаров и галактик, сумел сделать потрясающие фотографии вращающегося диска, окружающего черные дыры в центрах таких галактик, как M87 и NGC 4258. Можно даже увидеть, как часть этого вещества вращается вокруг черной дыры со скоростью порядка миллиона километров в час[32]. Самые подробные фотографии «Хаббла» показывают, что в центре черной дыры имеется точка около одного светового года в диаметре, мощности которой достаточно, чтобы закрутить вокруг себя целую галактику около 100 000 световых лет в поперечнике. После многих лет спекулятивных построений в 2002 г. было показано, что у нас под боком, в галактике Млечный Путь, имеется собственная черная дыра, которая весит примерно столько же, сколько четыре миллиона солнц. Таким образом, Луна обращается вокруг Земли, Земля – вокруг Солнца, а Солнце вокруг черной дыры.

Согласно расчетам, сделанным еще в XVIII в. Джоном Мичеллом и Пьером-Симоном Лапласом, масса темной звезды или черной дыры пропорциональна ее радиусу[33]. Радиус черной дыры в центре нашей Галактики соответствует примерно одной десятой радиуса орбиты Меркурия. Поразительно, что такой маленький объект может влиять на динамику всей Галактики. В 2001 г. астрономы, исследовавшие эффект линзирования по Эйнштейну, объявили, что в пределах галактики Млечный Путь обнаружена блуждающая черная дыра. По мере движения она искажала свет находящихся рядом с ней звезд. Отследив движение этого искажения света, астрономы смогли рассчитать траекторию объекта. (Блуждающая черная дыра, приближающаяся к Земле, могла бы вызвать катастрофические последствия. Она съела бы Солнечную систему целиком и не подавилась.)

В 1963 г. исследование черных дыр получило новый толчок, когда новозеландский математик Рой Керр обобщил теорию шварцшильдовой черной дыры так, чтобы включить в нее вращающиеся черные дыры. Поскольку все во Вселенной, кажется, вращается, и поскольку объекты вращаются все быстрее, когда сжимаются, было естественно предположить, что любая реальная черная дыра будет вращаться с фантастической скоростью. К всеобщему удивлению, Керр нашел точное решение уравнений Эйнштейна, в котором звезда коллапсировала во вращающееся кольцо. Гравитация в этом случае пытается схлопнуть кольцо, но центробежные эффекты могут оказаться достаточно сильными, чтобы противостоять гравитации, и вращающееся кольцо будет стабильным. Релятивистов больше всего удивило, что при пролете сквозь кольцо вас бы не раздавило. Гравитация в центре кольца сильна, но конечна, так что в принципе вы могли бы пролететь прямо сквозь кольцо, в другую Вселенную. Путешествие по мосту Эйнштейна – Розена не обязательно должно окончиться смертельным исходом. Если кольцо оказалось бы достаточно большим, через него можно было бы безопасно попасть в параллельную Вселенную.