Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

Был также предложен спутник, предназначенный для изучения внутреннего строения черных дыр и поиска мощных всплесков рентгеновского излучения, в конце 1960-х и 1970-х открывшего столь удивительное окно во Вселенную. На этот раз можно пойти дальше и посмотреть, как чрезмерно закрученное пространство-время в центре этих объектов будет рвать в клочья материю и свет в соответствии с предсказаниями Зельдовича, Новикова, Риса и Линден-Белла. На первый раз достаточно измерить физические процессы, происходящие рядом с печально известным горизонтом событий, сферой Шварцшильда, которая так долго была для нас загадкой.

Во время этих собраний мне стало ясно, что общая теория относительности в XXI веке останется в центре внимания физики и астрономии. А это непросто. В мире ужатых бюджетов, бедности и экономического кризиса многие дважды подумают, прежде чем тратить миллиарды евро или долларов на спутниковые полеты. Не приходится удивляться тому, что правительство США прекратило финансирование проекта LISA, хотя думать об этом крайне грустно.

Проект LISA должен был стать последним шагом, необходимым для открытия гравитационных волн. Эта антенна могла бы не только обнаружить неуловимую рябь, но и стать огромной, совершенной обсерваторией, которая использовала бы гравитационные волны для наблюдения за столкновениями черных дыр и за нейтронными звездами, вращающимися вокруг общего центра. Мы получили бы возможность многое узнать о фантастических объектах, предсказанных общей теорией относительности. Первый этап проекта LIGO имел огромный успех, хотя и не позволил сделать никаких наблюдений. Он доказал, что используемая технология, безумная мешанина лазеров, квантов и точной инженерии, действительно работает и ее можно настроить, добившись еще более продуктивной работы. Следующая стадия этого проекта, известная как Advanced LI GO, уже могла получать результаты и готовила почву для проекта LISA. Однако сейчас, после отказа в финансировании, проект LISA близок к краху. Кто захочет в период, когда существует множество более насущных нужд, вкладывать деньги в огромную махину, цель работы которой понятна лишь нескольким посвященным?

Однако поиск гравитационных волн слишком важен, чтобы просто взять и отказаться от него. Поэтому европейцы силами Европейского космического агентства решили двигаться вперед. Предлагаемый интерферометр при меньших размерах все равно довольно впечатляющий. Он по-прежнему стоит миллиарды, хотя и дешевле своего предшественника. Чрезвычайно огорченные американские релятивисты также не собираются сдаваться. Без лишнего шума разбросанные по всей стране группы пытаются разработать собственный проект, более дешевый и компактный и менее амбициозный, но тем не менее позволяющий заглянуть в глубины пространства-времени, чтобы иметь резервный план на случай, если европейцы изменят вектор своих интересов или тоже станут жертвами финансового кризиса.

Но не нужно ждать запуска спутников. Вокруг нас уже происходят фантастические вещи. Мы помним, как менялось отношение к сингулярностям, какими противоестественными их считали многие великие умы, от Альберта Эйнштейна и Артура Эддингтона до Джона Уиллера (пока он не понял, как обстоят дела). Открытие квазаров, нейтронных звезд и рентгеновского излучения, а также потрясающий творческий потенциал таких ученых, как Уиллер, Кип Торн, Яков Зельдович, Игорь Новиков, Мартин Рис, Дональд Линден-Белл и Роджер Пенроуз, привели к тому, что черные дыры стали для нас обыденной вещью. К концу периода 1960-хи 1970-х, который Кип Торн называл золотым веком общей теории относительности, черные дыры стали такой же реальной частью астрофизики и физики, как звезды и планеты.

На моей полке стоят два учебника по общей теории относительности, выпущенные в конце золотого века. Они сильно отличаются друг от друга. Один из них называется «Гравитация» и написан Джоном Уиллером и парой его способных студентов — Чарльзом Мизнером и Кипом Торном. Его объем превышает тысячу страниц, большая черная обложка напоминает готическую телефонную книгу, он тщательно иллюстрирован и содержит все сведения о пространстве-времени, которые вам могут потребоваться. Там вы найдете весь странный материал, включая все афоризмы Уиллера, которые он изрекал во время докладов и конференций. Второй учебник написан одним из отцов стандартной модели физики частиц Стивеном Вайнбергом. Получив репутацию одного из ведущих умов в квантовой физике, он также решил заняться общей теорией относительности. Его книга «Гравитация и космология» является тщательным и продуманным введением в теорию Эйнштейна. Ее содержание в какой-то степени пересекается с содержанием первого учебника, но никакого сумасбродства в ней нет. Учитывая захватывающие открытия десятилетия, предшествующего ее выходу, книга Вайнберга содержит не очень много сведений о черных дырах. Это явление аккуратно упомянуто в конце одной из центральных глав как нечто, на что следует обратить внимание в качестве результата радикального расширения границ общей теории относительности.

Можно понять, почему некоторые продолжали относится к ситуации настороженно. Да, казалось, что все доказательства указывают на наличие повсюду плотных тяжелых объектов. И объяснить их без привлечения концепции черных дыр было непросто. Однако самих черных дыр при этом пока никто не видел. Впрочем, посмотреть непосредственно на черную дыру невозможно. Вы просто ничего не увидите — черные дыры, скрываются за сферой Шварцшильда и невидимы. Но тот факт, что мы не можем их увидеть, не означает, что их не нужно искать. Более того, большая черная дыра находится в центре нашей галактики Млечный Путь. Ее вес более чем в 100 миллионов раз превышает вес Солнца, а радиус составляет примерно 10 миллионов километров. Это много. Но так как она находится в десятках тысяч световых лет от нас, ее угловой размер на небе равен примерно стомиллионной градуса, то есть, с нашей точки зрения, меньше булавочной головки и намного меньше, чем можно рассмотреть в современный телескоп. И только благодаря уму и настойчивости астрономов мы уверены в том, что черная дыра там действительно есть.

Две группы исследователей — одна из Мюнхена, вторая из Калифорнии — настойчиво следили за движением нескольких звезд, расположенных вблизи центра Млечного Пути. За более чем десять лет они определили траектории этой группы звезд и обнаружили, что они перемещаются по сильно искривленным орбитам, явно притягиваемые большой гравитационной силой. Тщательно просчитав орбиты, астрономы смогли рассчитать не только силу гравитационного притяжения, но и местоположение гравитационного центра. Объединив результаты своих наблюдений, две группы исследователей с удивительной точностью узнали массу черной дыры и указали, в каком месте пространства-времени должна находиться сингулярность.

И это еще не все. Астрономы и релятивисты направили свои усилия на создание телескопа, позволяющего увидеть черную дыру. Так называемый телескоп горизонта событий имеет разрешение в миллиардную углового градуса, то есть долю размера черной дыры на небе, а значит, даст возможность увидеть сферу Шварцшильда — поверхность черной дыры, которая, как показали Оппенгеймер и Снайдер, является застывшим во времени мгновенным состоянием. Это будет темная тень, окруженная хаотичным водоворотом, который, по прогнозам Зельдовича и Новикова, должен окружать черную дыру, — аккреционные диски звезд, газ и пыль, увлекаемые гравитационным притяжением сингулярности.

Накапливающиеся данные крайне убедительны. Сдержанность Вайнберга понять легко, но в наше время сложно найти человека, который стал бы утверждать, что в центре Млечного Пути отсутствует черная дыра. Аналогичным образом остальные галактики должны иметь в центрах черные дыры, напоминающие массивные двигатели, окруженные гигантскими спиралями звезд.

Средства массовой информации считают все связанное с общей теорией относительности и великими идеями Эйнштейна увлекательным и заслуживающим упоминания в печати. Фотографии центра нашей галактики вызвали появление заголовков «Существование черной дыры в Млечном пути доказано» на ВВС и «Доказательства показывают на черную дыру в центре Млечного Пути» в New York Times. На момент написания этой книги новостной сайт ВВС опубликовал интервью моего оксфордского коллеги, рассказывающее о том, что ранее наблюдаемый квазар оказался сверхмассивной черной дырой с массой в миллиард Солнц. Меня изумляет, что почти через пятьдесят лет после измерений Мартина Шмидта и Техасского симпозиума черные дыры по-прежнему вызывают ажиотаж.

Месяца не проходит без новостей, рассказывающих о космологии или о черных дырах, о начале Вселенной или об отголосках других вселенных, признаках таинственной мультивселенной. Такие слова, как черная дыра, Большой взрыв, темная энергия, темная материя, мультивселенная, сингулярность, кротовые норы, глубоко проникли в массовую культуру от бродвейских постановок и песен до комедийных шоу и голливудских фильмов. Общая теория относительности бесчисленными путями просачивается в научно-фантастические романы и на телевидение. С точки зрения фантазии и творчества все это превосходит самые смелые мечты Уиллера. Буквально каждый считает себя специалистом по общей теории относительности.