Глава 1
Специальная теория относительности спасает физику

Физики XIX века столкнулись в своих исследованиях с серьезным вопросом: почему материя и свет ведут себя по-разному? Специальная теория относительности Эйнштейна разгадала эту загадку, изменив классические представления о времени и пространстве.

В Италии XVII века гениальный Галилео Галилей (1564–1642) открыл принцип, характеризующий движение материи, который позднее будет назван принципом относительности. В 1905 году юному Эйнштейну удалось расширить этот принцип на совершенно новую область – на распространение электромагнитных волн, то есть не только на область видимого света, но и на невидимые излучения: инфракрасные, ультрафиолетовые, радио.

Эйнштейн обосновал определяющую роль принципа относительности, развивая выводы Галилея. И в то же время он отверг ту теорию величайшего ученого Возрождения, которая описывала кинематику. Этот раздел физики описывает движение «свободных» объектов (на которые не действует никакая сила), в отличие от динамики, описывающей движение под влиянием различных силовых воздействий. Эйнштейн заменил кинематику Галилея новой, собственной кинематикой. Он разработал новую теорию, при этом радикально отбросив прежние представления о пространстве и времени, заменив их пространством-временем, некой единой сущностью с очень странными свойствами.

Так в чем же состоит принцип относительности, впервые обнаруженный Галилеем и потом развитый Эйнштейном? И тот и другой сформулировали его так: «Законы физики формулируются одинаково для различных наблюдателей (физиков, осуществляющих измерения), движущихся относительно друг друга».

Однако есть одно обязательное и важное условие, чтобы этот принцип выполнялся: наблюдатели должны быть инерционными, то есть не подвергаться воздействию внешней силы и двигаться исключительно по причине собственной инерции. Из этого принципа выпадает, например, космонавт, запущенный в космос с помощью ракетных двигателей, или планета, втянутая в орбиту Солнца силой гравитации… Все инерционные наблюдатели движутся относительно друг друга равномерно, то есть по прямой и с постоянной скоростью (это, кстати, изложение другого принципа – принципа инерции).

Наблюдатель в состоянии покоя (который не движется) тоже считается инерционным. Принцип относительности, таким образом, требует, чтобы все законы физики формулировались для инерционного наблюдателя так, будто он находится в состоянии покоя! В этом и состоит сущность принципа, сформулированного Галилеем в виде красивой формулы «движение [равномерное] равно состоянию покоя».

Именно такой подход определил использование термина «относительность». Принцип требует, чтобы все инерционные наблюдатели играли строго идентичные роли, чтобы законы физики были одинаковыми для всех. В подобных условиях отличить наблюдателя в состоянии покоя от движущегося равномерно невозможно. Говоря иначе, единственным определением движения, имеющим смысл, становится движение разных наблюдателей относительно друг друга, и выражения «абсолютное движение» и «абсолютный покой» попросту бессмысленны, в природе они не существуют.

Принцип относительности Галилея стал основой для физики Ньютона. Он показывает, как эти ученые трактовали понятия пространства и времени в своих теориях.

Эйнштейн же смог распространить этот принцип на явления электромагнетизма. Основные принципы электромагнетизма были сформулированы шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860 году: он построил единую теорию для электрических и магнитных взаимодействий. А эйнштейновский принцип относительности, распространенный на эти явления, лег в основу новой теории – специальной теории относительности. Как и его прообраз у Галилея, новый принцип относительности описывает инерционных наблюдателей, движущихся равномерно. Но при этом он принимает во внимание электромагнитные взаимодействия, что сразу меняет картину, поскольку порождает исчезновение отдельных абсолютных понятий пространство и время и заменяет их единым пространством-временем! А еще десять лет спустя Эйнштейн распространит новые принципы на неинерционных наблюдателей и неравномерное движение. Так были сформулированы принципы общей теории относительности (ее мы обсудим в следующей главе), рассматривающей уже «искривленное» пространство-время. Такова была его миссия…

1905, «ГОД ЧУДЕС»

В 1905 году Альберт Эйнштейн работал в Федеральном бюро интеллектуальной собственности в Берне. Он должен был оценивать новизну и значение подаваемых в бюро заявок на патенты. «Без этой работы, – писал он, – […] я сошел бы с ума». Эйнштейн радуется материальной независимости, которая позволяет ему размышлять о том, что его интересует, и публикует пять фундаментальных статей, оказавших революционное влияние на физику. Это был воистину волшебный год!

В первой же статье «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» он выдвигает гипотезу о существовании «кванта света». Эта гипотеза легла в основу квантовой физики, и за нее он получит Нобелевскую премию 1921 года (единственную за всю его научную карьеру, что поразительно).

Две другие статьи, «Новое определение размеров молекул» и «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты», связаны с темой его докторской диссертации. Он объясняет явление броуновского (совершенно хаотичного) движения частиц в жидкости соударениями частиц с молекулами жидкости. Этот вывод подтверждает гипотезу о существовании атомов и молекул…

Выводы четвертой статьи «К электродинамике движущихся тел» легли в основу специальной теории относительности, а пятая статья «Зависит ли масса тела от содержащейся в нем энергии?» породила самую знаменитую формулу физики E = mc².

Однако как Эйнштейну удалось обойтись без времени? Благодаря удивительной нерешенной задаче, которая возникла из галилеевой кинематики.

Последняя, как мы уже упоминали, описывает движения свободных объектов, не вступающих ни в какие взаимодействия. Подобное движение, таким образом, не может зависеть ни от чего, кроме как от собственных свойств времени и пространства! И кинематика предстает как проявление свойств пространства и времени и взаимодействий, которые их связывают.

Кинематика Галилея (или Ньютона) имеет одно важное ограничение: скорости объектов в рассматриваемых ею задачах складываются линейно, арифметически: если вы идете со скоростью V1 в поезде, мчащем со скоростью V2, то относительно рельсов вы движетесь со скоростью V1 + V2. Этот очевидный и априорный вывод породил тем не менее научный кризис…

Физики еще в XIX веке понемногу начали замечать, что свет не подчиняется законам механики Ньютона: вместо того чтобы прибавлять к собственной скорости скорость источника света, свет движется всегда одинаково! Несоответствие игнорировать не получалось, оно было подтверждено в 1887 году эпохальным опытом Майкельсона и Морли. Эксперимент убедил научное сообщество: свет не подчиняется законам кинематики, в отличие от материи. Но как интерпретировать это несоответствие, если считать, что кинематика отражает фундаментальные взаимоотношения пространства и времени? Как свойства пространства и времени могут отличаться в зависимости от того, что вы рассматриваете – свет или материю? Это была настоящая тайна.

ЭФИР НЕ ПРОСМАТРИВАЕТСЯ

В том же XIX веке физики полагали, что свету, чтобы распространяться, нужна некая среда, занимающая собою все пространство. Эту среду они называли «светоносным эфиром». Свет казался волной, похожей на волны на воде, а эти последние распространяются во вполне конкретной среде. Ученые предполагали, что эфир может играть для света ту же роль, что, скажем, море – для волн. Однако если бы свет распространялся в эфире согласно законам механики Галилея и Ньютона, его скорость суммировалась бы со скоростью источника света при условии, что свет движется. Физики полагали, что можно определить скорость движения Земли в эфире, измеряя скорости (априори предполагавшиеся разными) нескольких лучей света: один луч распространялся бы в направлении вращения Земли по орбите вокруг Солнца, а другой – против или перпендикулярно орбите.

В 1887 году американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли использовали интерферометр (весьма точный инструмент, изобретенный Майкельсоном) для проведения этого опыта. Результат оказался отрицательным: в какую бы сторону ни направлялся световой луч, скорость света оставалась неизменной и никаких признаков «эфирного ветра» обнаружено не было…

Некоторые физики предполагали, что у загадки есть ответ. В начале ХХ века Джордж Фицджеральд, Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре предлагали независимо друг от друга формулы, позволяющие решить неудобную проблему. Они изменяли (кинематический) принцип сложения скоростей: предлагалось не складывать скорости арифметически, но подвергать их математическому преобразованию, которое позднее получило название «преобразование Лоренца». Формулы учитывали особенности поведения и материи, и света^[1].

При первом приближении, когда скорости изучаемых объектов невелики, результат преобразования почти равен сумме, полученной при классическом арифметическом сложении. Это правило распространяется на все объекты из нашей обычной жизни, для них формула Галилея дает вполне адекватную точность.

Однако если одна из двух скоростей равна с, то есть скорости света в вакууме, результат оказывается все равно равным с; таким образом поучается, что скорость света неизменна и постоянна! К тому же формула подразумевает что ни один материальный объект не может достичь этой скорости с – и она стала абсолютным пределом.

Таким образом новая формула позволила найти решение задачи со скоростями. Однако физикам казалось непонятным, как и почему эта формула «смешивала» координаты времени и пространства, да еще самым удивительным образом. Людям было очень трудно совместить ее с привычными представлениями о времени и пространстве, и формула оставалась неразрешимой головоломкой для ученых, ускользая от любых попыток ее интерпретации вплоть до 1905 года… Эйнштейн понял, что она требует полного пересмотра классических представлений, бывших в ходу со времен Галилея и Ньютона, и прежде всего отказа от привычных понятий времени и пространства. Немного позднее немецкий физик Герман Минковский (бывший учитель Эйнштейна) предложил новое понятие пространства-времени. И именно оно стало идеальным фоном для формулирования новых кинематических преобразований и специальной теории относительности Эйнштейна.

СО СКОРОСТЬЮ СВЕТА

В 1676 году, наблюдая за спутниками планеты Юпитер, датский астроном Олаф Рёмер первым в истории понял, что свет распространяется со скоростью, имеющей конечное значение. Но тогда еще ничего не было известно о том, что эта скорость какая-то особенная. Только в XIX веке в представлениях ученых произошли изменения: Максвелл открыл, что свет имеет электромагнитную природу. Самым революционным открытием стало обнаружение того факта, что скорость света не суммируется с другими скоростями (как происходит у материальных объектов), но остается неизменной и постоянной.

Альберт Эйнштейн объяснил все эти странности в специальной теории относительности: скорость света как константа (обозначаемая в физических формулах с) является неотъемлемым свойством пространства-времени. И любое другое электромагнитное излучение распространяется с той же скоростью с. Сегодня физики считают эту скорость фундаментальной константой самого Мироздания, характеристикой собственно пространства-времени, а не света.

Мы привыкли считать, что с равна примерно 300 000 км/с, или 300 000 000 м/с. Однако теория относительности сводит пространство и время воедино. Наша привычка измерять длительность (в секундах) и длину (в метрах) разными единицами начинает выглядеть в свете новой теории совершенно дикой! А согласно теориям Эйнштейна измерять длину и длительность в одних единицах оказывается вполне логичным и правомерным. Это и делают астрономы, измеряя расстояния в световых часах или световых годах. В этой единой системе измерения «световая секунда и секунда» равны просто единице… Система эта очень удобна для физиков, позволяя не использовать гигантские числа, но совершенно не применима в повседневной жизни. Мы по-прежнему используем метры и секунды, и константа с служит «коэффициентом преобразования» между единицами измерения.

Эти выводы были приняты во внимание в 1983 году во время определения эталона длины: согласно официальному предписанию Международного бюро Мер и Весов единицей длины считается секунда; метр стал ее производной и определяется как 1/299 792 458 секунды. Нужно время, чтобы к этому привыкнуть.

Эйнштейн почувствовал одним из первых, что нужно отказаться от понятий абсолютного пространства и абсолютного времени, введенных в физику еще Ньютоном. Наше восприятие единого пространства и единого времени всего лишь иллюзия: на самом деле в них нет никакого физического смысла. То, что мы воспринимаем как «течение времени», каждому из нас следует воспринимать всего лишь как течение «индивидуального времени», имеющего значение лишь для конкретного человека и ни для кого больше. Это время не абсолютно и не универсально. Тем не менее на Земле личное время людей мало отличается друг от друга: это позволяет нам, землянам, объединять время в единую временную шкалу и называть его «всеобщим временем».

Как же эта концептуальная революция может отразиться на наших повседневных представлениях? Это еще предстоит понять… Наш опыт взаимодействия с окружающими нас явлениями весьма невелик, учитывая то, что мы имеем дело лишь с весьма незначительными возмущениями пространства-времени. Этими возмущениями в масштабах Земли вполне можно пренебречь, и систему, включающую нашу Землю или даже Солнечную систему и, конечно, само человечество, в масштабах релятивистской Вселенной можно рассматривать как цельное микроскопическое «физическое тело». В этом приближении собственное единое время, ассоциируемое с этим телом, и является временем человечества в целом. Именно его мы называем «универсальным временем».

Это отлично работает в привычной нам жизни, и универсальное время вполне применимо для измерения множества различных физических параметров, от которых не требуется специальной точности. Но как только значение точности измерений возрастает, становится невозможным «смешивать» всех земных существ и все земные объекты в одну кучу, как если бы они и в самом деле составляли единое физическое тело; невозможно допустить, что общее время (универсальное или какое-то еще) течет для всех одинаково. И какова бы ни была требуемая точность, эта гипотеза совсем прекращает работать, когда речь идет об объектах, перемещающихся очень быстро, например таких, как микрочастицы в ускорителе или космическое излучение (оно тоже состоит из частиц, получивших ускорение за счет естественных процессов в космосе).

Точность параметров, необходимых нам для нашей обыденной жизни, не позволяет заметить, что на Земле на самом деле не существует никакого «единого времени». Однако важно понимать, что на фундаментальном уровне, на уровне теоретической концепции, явления природы невозможно соединить с понятием единого времени, которое текло бы одинаково для всех тел. Это понятие сегодня окончательно устарело. Оно больше не используется в теоретических выкладках физики или философии, описывающих природу вещей. Осталось только индивидуальное время, оно стало понятием, имеющим отношение не к описанию того, как устроен мир, а к тому, как мы его воспринимаем…

При этом (на самом деле – и к счастью) основа, на которой разворачиваются все события, вполне себе существует, и ей уже дано достаточно исчерпывающее определение – это и есть то самое пространство-время. Оно является общим для всех физических тел, всех наблюдателей и всех физических явлений: мы все, без исключения, существуем в пространстве-времени, а не «в пространстве и во времени».

Новая теория Эйнштейна – специальная теория относительности – формулируется именно для пространства-времени. Сформулированные для пространства-времени законы физики как по волшебству принимают более простую и элегантную форму! Например, комбинация скоростей по формуле Лоренца, никак не укладывавшаяся в головах физиков начала ХХ века, превращается в простое вращение в пространстве-времени (то есть четырехмерное воплощение обычного трехмерного вращения). Изменение скорости (в общепринятом смысле) в пространстве-времени превращается в угол… Кинематика, воспринимавшаяся ранее как изменение параметров со временем, становится геометрией пространства-времени, «хроногеометрией».

Вспомним, к примеру, ньютоновскую формулировку принципа инерции: «свойство тела сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения». В специальной теории относительности принцип определяется как «свойство тела сохранять прямолинейное движение в пространстве-времени». Мы получаем простоту формулировок и концепций.

«ВСЁ СЛЕДУЕТ УПРОЩАТЬ ДО ТЕХ ПОР, ПОКА ЭТО ВОЗМОЖНО, НО НЕ БОЛЕЕ ТОГО».

Альберт Эйнштейн

Теория Альберта Эйнштейна, как оказалось, упростила формулировки законов физики. Конечно, само по себе это не доказывает ее правильность. Однако многие физики, включая и самого Эйнштейна, всегда считали, что простота, ясность и универсальность теории – суть признаки ее верности. Конечно, никто не сомневается, и Эйнштейн всегда настаивал на этом, что конечным критерием правильности теории служит эксперимент: элегантности и простоты недостаточно для того, чтобы та или иная теория верно описывала мир. Правила физики весьма суровы: однако специальная теория относительности прошла и полную экспериментальную проверку.

С математической точки зрения пространство-время имеет четырехмерную сущность. Его можно рассматривать как обобщение понятий поверхности (два измерения) или пространства (три измерения). Математики называют такие обобщения «многообразием». Использование этого термина позволяет избежать формулировок типа «четырехмерное пространство», из-за которых легко запутаться.

Суть пространства-времени в том, что оно обладает четкой геометрией, из которой вытекают странности (кажущиеся) теории относительности. Прежде всего то, что математики именуют «метрикой» – математическим инструментарием, позволяющим делать измерения. Если мы можем измерить углы и расстояния в обычном пространстве (так называемое «евклидово пространство»), это значит, что оно обладает метрикой, именуемой «евклидовой». В любом случае, геометрия пространства-времени позволяет определить (и измерить) и расстояния, и углы. На самом деле, конечно, термин «расстояние» не совсем подходит для описания пространства-времени, поскольку наводит на мысль о «космических» расстояниях, измеренных в пространстве; было бы правильнее называть их «метрическим интервалом». В обычном пространстве любой отрезок кривой обладает длиной (определяемой исходя из метрики пространства). Точно так же в пространстве-времени любой отрезок кривой характеризуется определенным значением метрического интервала. Однако, как мы еще увидим, пространство-время допускает существование различных типов кривых. Самые интересные – это те, что представляют собой историю, процесс. Это «временны́е кривые», и их «длина» (или метрический интервал) представляет собой продолжительность истории, процесса; продолжительность, которую проживает и измеряет тот, кто живет в этой истории, и которую мы считаем ее собственной продолжительностью. Заметьте, мы даже не вспоминаем про понятие времени: мы к этому еще вернемся.

Геометрию обычного пространства называют евклидовой, а геометрию пространства-времени – геометрией Лоренца или Минковского (Лоренц и Минковский сыграли важную роль в создании специальной теории относительности). Вместо термина «геометрия» в этом случае правильнее было бы использовать термин «хроногеометрия».

Точка в пространстве-времени – это событие. В физике Ньютона событие происходит в некоторой точке в пространстве (локализация) и в некий момент времени (дата). Физика исследует в основном события (к примеру, столкновение частиц; эмиссию или поглощение фотонов света), но ее интересуют и процессы, которые мы, люди, называем «историями», как уже упоминалось выше. Любое материальное тело (частица, объект, физик-наблюдатель…) проживает историю, состоящую из непрерывной последовательности отдельных событий, пережитых им. Эту историю можно назвать его линией жизни или специальным термином – мировой линией; кусочек этой линии – отрезок истории данного объекта.

Если событие является точкой в пространстве-времени, то непрерывная последовательность событий – это кривая, линия жизни, прочерченная в пространстве-времени. Любое материальное тело, таким образом, представлено собственной траекторией, состоящей из точек, то есть мгновений жизни, пережитых событий.

Однако не всякая кривая, нарисованная в пространстве-времени, обязательно представляет собой мировую линию. Мировая линия – весьма специфическая кривая в геометрии Лоренца, описывающей пространство-время: эту кривую называют «временно́й». (Однако внимание! Это никоим образом не значит, что время существует отдельно в пространстве-времени!) Каждый отрезок этой кривой, согласно геометрии Лоренца (метрике), имеет свой метрический интервал (обобщенную длину-длительность) в точности так же, как в обыкновенном, знакомом нам евклидовом пространстве любой отрезок кривой обладает длиной. Однако в пространстве-времени отрезок кривой означает историю, прожитую неким объектом: и его, скажем так, «длина» соответствует продолжительности этой истории. Лучше даже назвать ее «собственной длительностью» (не просто длительностью), чтобы напомнить, что это конкретное значение касается только рассматриваемого объекта и никак не связано с временем как таковым. Эта собственная длительность (в обыденном смысле) – и есть та, что ощущалась и была замерена конкретным тем, кто прожил свою конкретную историю.

Всякое материальное тело, таким образом, обладает собственной мировой линией. Можно даже сказать, рассуждая о кинематике процесса, что теория отождествляет материальное тело с его мировой линией (это верно и для общей теории относительности). В тех случаях, когда на тело не действуют никакие силы (оно инерциальное), линия превращается в прямую: так формулируется релятивистский вариант принципа инерции Ньютона. Если допустить, что гравитационным воздействием других звезд и планет можно пренебречь, Солнце мы можем рассматривать как инерциальное тело, а его мировую линию считать прямой. Но на самом деле, в реальной Вселенной, практически любое тело находится во взаимодействии с другими телами, на каждое тело действует гравитация. Однако фотон (его траекторию мы видим как луч света) вполне можно считать инерциальным.

Собственное время, прожитое материальным телом в той или иной истории, представляет собой метрический интервал его личного отрезка мировой линии, обозначающей эту историю. Рассматривая длительность этого отрезка как «длину» кривой в пространстве-времени, мы понимаем, что она имеет смысл только для данного тела, которому соответствует эта кривая, это его, и ничья больше, мировая линия. Именно поэтому мы не можем говорить о времени вообще. И именно поэтому к слову «время» добавляется прилагательное «собственное». Собственное время наблюдателей (любого из нас) служит для фиксации событий их собственных историй на их собственной мировой линии. Эти события происходят там, где находится конкретный наблюдатель в момент наблюдения. Но они никоим образом не могут служить для фиксации иных событий (или историй), происходящих в другом месте и с другим наблюдателем, поскольку там они просто не определяются. Землянин не может использовать свое собственное время, свой собственный временной отрезок для фиксации того, что происходит на Марсе. Эйнштейн, таким образом, пришел к простому выводу, что невозможно определить общую длительность (и тем более единое время) для двух разных тел (измерение при этом, конечно, должно обладать высокой точностью, чтобы не перепутать тела).

Наряду с временными кривыми в пространстве-времени существуют «световые» кривые. Они представляют собой траектории не материальных объектов, а световых лучей, то есть мировых линий фотонов. Они не похожи на обычные временные кривые, поскольку их метрический интервал всегда равен нулю. Так в теории относительности отражается постоянство скорости света. Отсюда следует, что «с точки зрения фотона» за моментом возникновения фотона (даже если это произошло в очень далекой галактике) мгновенно следует момент наблюдения, никакой длительности у фотона нет.

В этой книге мы не будем рассматривать третий вид кривых, так называемых пространственных.

Инерциальный наблюдатель, то есть наблюдатель, не взаимодействующий ни с кем и ни с чем, движется в пространстве-времени по прямой, и это соответствует тому, что скорость его неизменна. Для изменения скорости нужно, чтобы на него воздействовала некая сила, и он сразу перестанет быть инерциальным. Его мировая линия начнет изгибаться.

Вывод: изменение скорости в пространстве-времени соответствует изменению направления, то есть повороту, вращению.

Наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, могут быть представлены в виде мировых линий самых разных направлений. Углы между этими прямыми показывают относительные скорости наблюдателей (см. схему выше).

Принцип относительности гласит, что все направления прямых имеют одинаковое значение – ни одно из направлений не играет особой роли. Естественно, что мы хотели бы придать нашей мировой линии особое значение (впрочем, мы это и делаем, когда используем наше универсальное время), но это наш субъективный взгляд. Результатом может стать назначение некоего объекта во Вселенной особенным (в конкретном случае нас самих), назначение его точкой «абсолютного покоя», тогда как другие тела считать движущимися относительно себя. Такой подход элементарно противоречит принципу относительности – может получиться, что каждый решит, будто обладает правом объявить себя в состоянии покоя, считая, что движутся только другие. Невозможность определить какое-либо физическое тело или какую-либо физическую систему координат как находящиеся в состоянии покоя является неотъемлемым свойством пространства-времени и называется изотропностью^[2].

Изотропность пространства-времени сегодня считается одним из основных и фундаментальных постулатов физики: ученые называют ее также «инвариантностью Лоренца», поскольку она означает симметрию всех явлений относительно поворотов/вращений в четырехмерном пространстве-времени, которые, напомним, отождествляются с преобразованиями Лоренца. Результаты эксперимента, поставленного Майкельсоном и Морли (см. выше вставку «ЭФИР НЕ ПРОСМАТРИВАЕТСЯ»), могут быть интерпретированы как первое подтверждение этого постулата. Если бы эксперимент дал иной результат, это бы свидетельствовало о том, что в пространстве-времени существует некое особое направление, и мы бы могли назвать это направление «временем». Подобное явление выглядело бы не менее странно, чем какое-то особое направление в пространстве!

Нам частенько приходится слышать – и читать, конечно, – после создания Эйнштейном теории относительности «время не течет одинаково для всех». Это ошибочная интерпретация термина «относительность». Как мы уже убедились, понятия времени на самом деле не существует вовсе. Теория позволяет использовать понятие индивидуальных для каждого наблюдателя длительностей, но они имеют значение только для конкретного наблюдателя. Он может их использовать, чтобы вычислить собственное время, измеряя эти собственные длительности начиная с момента, который он произвольно назначает стартовым: со дня взятия Бастилии, с момента рождения… ну, и так далее. Мое собственное время течет для меня точно так же, как собственное время какого угодно другого наблюдателя течет для него. Пытаться их противопоставлять имеет не больше смысла, чем попытка противопоставить отрезок в километрах между Парижем и Лионом и отрезок в километрах между Лос-Анджелесом и Сан-Франциско.

Вдобавок мы не можем дать определение, имевшее бы хоть какой-то смысл, понятию «время» (в дальнейшем мы увидим, как на практике дать определение понятиям, более или менее, с некоторыми допущениями, приближенным к нему). Мое собственное время определяется там, где я нахожусь, и нигде в ином месте. В некоторых случаях я могу «распространять его значение» на места с иными координатами; в принципе, это возможно, но всегда будет носить искусственный, умозрительный характер: подобное распространение не соответствует никаким измеримым величинам, ничему, что мы могли бы рассматривать как физически существующее. Это просто некое условное обозначение событий, создающее определенные удобства: то, что в космологии называют «космическим временем», позволяющим как-то упорядочить события в истории Вселенной; однако «космическое время» не соответствует никоим образом длительности астрофизических процессов.

Таким образом, мое собственное время и мои собственные длительности имеют значение только для меня, и я один могу их измерять. У меня нет никакой возможности измерять продолжительность некоего процесса на планете Марс, даже если мои познания в области теории Эйнштейна могут мне позволить восстановить этот процесс на основе ряда наблюдений.

Итак, собственное время t(A) и t(B) наблюдателей А и В не имеет между собой ничего общего: не существует никакого участка пространства-времени, в котором можно было бы определить их одновременно (за исключением той ситуации, когда А и В находятся непосредственно вместе); и нет никакого способа их сравнить! Важно еще подчеркнуть, что в любом случае t(A) течет с точки зрения А, в точности так же как t(B) течет с точки зрения В: собственное время каждого из них течет одинаково, даже если никто никогда не пытался определить некое глобальное время. Это непростая для восприятия идея, но она весьма важна. В реальности не существует никакого «замедления времени», никакого «сокращения (или растяжения) длительности».

Наблюдатель А может измерить длительность d(A) некой истории (или процесса), имеющей отношение к нему, то есть составляющей часть его мировой линии. У наблюдателя В к этой длительности доступа нет, он ее измерить не может. Но при этом он может наблюдать историю А и измерить собственную длительность. Он измеряет не длительность истории А, которая происходит не с ним, но длительность собственного наблюдения (им, В) истории А. Это наблюдение становится частью его собственной истории (истории В) и имеет собственную длительность, которая не имеет ничего общего с d(A).

В астрономии подобные взаимоотношения между двумя наблюдателями называется обычно «смещением» (чаще всего – «красным смещением»). Представим, к примеру, взрыв сверхновой, который продолжается неделю. Часы, будь они в месте взрыва, показали бы собственную длительность (длительность взрыва, которая в то же время и длительность работы часов) dSN – то есть неделю. Мы тоже можем наблюдать этот взрыв. Между сигналом, полученным в обсерватории в начале взрыва, и сигналом, пришедшим в момент окончания взрыва, пройдет промежуток dobs (это длительность процесса, которую мы прожили, которую измерили наши часы). И эта длительность не равна неделе. Отношение между длительностями и определяет смещение (или красное смещение):

z = dobs/dSN – 1

Оно становится равно нулю, только если собственные длительности равны, что является лишь частным случаем (в случае совпадения координат наблюдателя и наблюдаемого объекта).

Мое собственное время течет вдоль моей мировой линии. Измерение времени в обычной жизни не обладает необходимой точностью, поэтому мы часто путаем нашу собственную мировую линию с линиями наших соседей. Я могу в силу незначительности отклонений моего собственного времени от времени моего окружения пренебречь различиями в длительности и расширить собственное время на моих ближних. Это именно то, что мы привыкли называть «временем». На самом деле это тотальная иллюзия – предполагать, что общее время действительно существует, поскольку оно кажется весьма реальным; и она, эта иллюзия, позволяет нам без проблем использовать физику Ньютона. Однако подобная ситуация – исключение в масштабах Вселенной! В астрономии, в теории электромагнитных полей, в навигации спутников, коммуникациях между Землей и космическими зондами, в физике микрочастиц невозможно использовать понятие общего времени. Тем не менее это понятие трудно игнорировать, ведь оно прочно закрепилось в общественном сознании.

ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННАЯ СВЯЗЬ

Специальная теория относительности заставила время исчезнуть, поэтому не удивительно, что большинство свойств, связанных в нашем представлении со временем, пропали тоже: временные рамки, понятие одновременности, предшествование, прошлое, настоящее и будущее в хронологическом смысле. Зачистка была мощной. Однако при этом обнаружилась более фундаментальная сущность Вселенной: причинно-следственные связи лежат и в основе пространства-времени.

Мы не можем более называть то или иное событие одновременным, предшествующим или последующим по отношению к другому в хронологическом смысле. Однако мы можем выяснить, есть ли между событиями причинно-следственная связь или ее нет, причем в строго математическом смысле. Если связь есть, то одно событие «является причиной и предшествует» другому.

Одно событие может не предшествовать другому хронологически, поскольку хронология более не имеет смысла, кроме как в условиях крайне локальных и весьма субъективных обстоятельств.

Когда материальные тела перемещаются с огромными скоростями (близкими к скорости света), свойства пространства-времени начинают проявляться в виде так называемых релятивистских эффектов. Они ясно демонстрируют, что не существует никакого «единого времени», и порой сбивают столку людей, не знакомых с физикой. Астрофизика, физика космоса и физика микрочастиц (движущихся с большими скоростями в космосе или в лаборатории) изобилуют примерами подобного рода.

Возьмем, к примеру, космические лучи. Эти электрически заряженные частицы, обладающие большой энергией, распространяются в космосе. Когда их траектория проходит мимо Земли, они взаимодействуют с атомами воздуха в высоких слоях атмосферы, на высоте в несколько десятков километров. Некоторые соударения атомов с частицами выделяют достаточно энергии для образования новых потоков частиц. Среди них встречаются мюоны, частицы, похожие на электроны, но в 207 раз массивнее. Мюон нестабилен: его средняя продолжительность жизни составляет всего 1,5 микросекунды (одна миллионная секунды) от образования до распада.

Возникнув в верхних слоях атмосферы, мюоны достигают поверхности Земли на скорости, близкой к скорости света; некоторые попадают в детекторы микрочастиц. Наблюдатель, находящийся на Земле (физик в лаборатории), может наблюдать «время жизни» мюона на пути к Земле, до момента попадания на детектор, и оно длится примерно десять микросекунд! Это не аномальный результат: то, что мы называем «временем жизни» мюона (1,5 микросекунды), – это собственная длительность его истории; только он сам может ее измерить (или ощутить), с «его собственной точки зрения». Ни одному наблюдателю оно не доступно (только если он не совершает полет непосредственно на мюоне)! Все, что наблюдатель может измерить, – это длительность процесса наблюдения за мюоном с его стороны (как долго он наблюдал). И наблюдатель, и мюон ощущают свое собственное течение истории. Но между ними нет ничего общего: ни та ни другая длительность не являются временем.

Понятие собственной длительности породило ожесточенные дебаты. Одна из самых знаменитых дискуссий была инициирована французским физиком Полем Ланжевеном в 1911 году, всего несколько лет спустя после публикации теории Эйнштейна. Физик предложил провести «мысленный эксперимент» с двумя близнецами, один из которых остается жить на Земле, а второй улетает в космос на высокоскоростной ракете. Спустя годы он возвращается на Землю и обнаруживает, что его брат… старше его!

Эта ситуация – на первый взгляд кажущаяся парадоксальной – объясняется просто. На самом деле каждый из братьев проживает свою собственную историю, отличную от истории другого. Эти истории представлены двумя разными отрезками кривых в пространстве-времени (даже если у них одно начало и один конец). Эти два разных отрезка имеют и разную «длину», поскольку соответствуют двум разным собственным длительностям, которые проживают (ощущают, измеряют) два разных человека. Эти кривые не зависят друг от друга, у них разные характеристики.

Чтобы ответить на часто задаваемый вопрос, следует понять, что истории близнецов вовсе не идентичны: между ними нет «симметрии».

На самом деле близнец-путешественник испытывает неоднократно ускорение и замедление (взлетая с Земли, совершая разворот в космосе, приземляясь), в то время как с земным близнецом ничего подобного не происходит.

Иначе говоря, историю путешественника можно представить в виде разорванной (или искривленной) мировой линии, поскольку в пространстве-времени ускорения можно представить в виде изменения направления. И наоборот, история близнеца-домоседа (инерциального) изображается в виде прямой. Между двумя точками-событиями, которыми можно обозначить отлет путешественника и новую встречу братьев, длина (собственная длительность) отрезка прямой отличается от длины отрезка искривленной или разорванной линии.

Результат мысленного эксперимента был подтвержден в 1971 году, уже с помощью техники. Сверхточные атомные часы облетели Землю на борту двух самолетов – один летел на восток, другой на запад. Третьи часы оставались на Земле в качестве контрольных (см. рисунок ранее).

Теория относительности предполагает, что трое часов должны были измерить три различные «собственные длительности» между взлетом и посадкой самолета. И так и получилось, разница в показаниях часов составила от 60 до 273 наносекунд (миллиардных долей секунды). Конечно, это очень незначительные различия, но тем не менее они подтвердили верность теории!

Глава 2
Общая теория относительности открывает геометрию Вселенной

Для Ньютона гравитация была некой силой, действующей в абсолютных пространстве и времени. Эйнштейн, создав общую теорию относительности, превратил ее в геометрическую характеристику Вселенной: искривление пространства-времени.

Сформулировав в 1905 году специальную теорию относительности, Эйнштейн понимал, что она описывает Вселенную не исчерпывающим образом, хотя и объясняет многое. Специальная теория никак не описывала феномен гравитации: например, почему тела падают на землю, а планеты вращаются вокруг звезд. Именно поэтому Эйнштейн начал кропотливую работу над теорией гравитации, разработанной великим Ньютоном в XVII веке: несмотря на то что она многое объясняла, тем не менее со временем к ней накопились вопросы.

Основной труд Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, сокращенно «Начала») был опубликован в 1687 году. Он лег в основу всей современной физики: Ньютон впервые ввел в нем понятия времени и пространства, которые использовались физиками в течение более двух сотен лет. Одним из его основных достижений стало введение в науку понятия всемирной гравитации – она получила такой эпитет из-за того, что действует одинаково повсюду, постоянно и на все тела на свете. Точнее, это означает, что вес всех земных тел, а также движение Луны (естественного спутника Земли), планет, комет и звезд в небе обусловлено одной и той же силой тяготения: для XVII века это была настоящая научная революция!

Фундаментальный закон всемирного тяготения Ньютона гласит: «Все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними». Можно сказать, что Ньютон увидел гравитацию как нечто, что заставляет тела изменять их движение в пространстве, подталкивая их друг к другу с ускорением, которого бы не возникло, если б тяготения не существовало.

На практике теория Ньютона работает на ура. Она объясняет одинаково хорошо как падение тел на землю, так и движение планет и спутников. И заодно тот факт, что их орбиты имеют эллиптическую форму, что обнаружил еще Иоганн Кеплер в самом начале XVII века. Подтверждая законы Кеплера, теория Ньютона описывает параметры этих эллипсов. Она предсказывает периодическое возвращение комет, и даже более того – изучив траекторию орбиты Урана и предположив гравитационное воздействие со стороны другой планеты, французский ученый Урбен Леверье в 1846 году открыл планету Нептун. Конечно, никаких причин сомневаться в столь солидной теории, которой, казалось бы, подчиняются все земные и небесные тела, не было.

И тем не менее у Эйнштейна закон всемирного тяготения, как и многие другие, вызвал сомнения и с концептуальной, и с философской точек зрения. Дело приняло новый оборот, поскольку в физике появились серьезные проблемы, которые не вписывались в старую теорию, несмотря на ее столь высокую эффективность. И эти сомнения побудили Эйнштейна пуститься в интеллектуальное приключение, которое продлилось с десяток лет.

Первым недостатком, который Эйнштейн нашел в ньютоновской физике, было действие гравитации «на расстоянии». Объекты действуют друг на друга, никак не контактируя, не имея никакого средства для передачи взаимовлияния, – это походило на какое-то волшебство. Ньютон, конечно, упоминал некую среду, которую он называл «гравитационным эфиром» и которая, по его мнению, служила для передачи взаимодействия, однако она не вписывалась ни в одну из теорий.

Вторым недостатком физики Ньютона Эйнштейн считал понятие «абсолютного пространства», лежавшего в основе ньютоновских выкладок, – это пространство невозможно увидеть, невозможно ощутить, а значит, и доказать его существование экспериментально. Разве все это не повод сомневаться в его существовании? К тому же Лейбниц, современник Ньютона, предполагал уже тогда некую «относительность» понятия пространства: пространство Лейбница было не столько некой абсолютной сущностью, независимой от объектов, которые оно вмещает, сколько совокупностью всех взаимосвязей между объектами. Отсюда вытекало весьма любопытное следствие: по-настоящему пустое пространство (не содержащее никаких объектов) не могло бы существовать в принципе! Эта оригинальная концепция, предложенная Лейбницем, стала предметом размышлений и дискуссий для философа Иммануила Канта и философа и физика Эрнста Маха. Их труды (среди прочих) оказали заметное влияние на Эйнштейна во время его работы над теорией относительности.

Была в теории Ньютона еще одна загадка, которая мучила Эйнштейна: принцип эквивалентности. Еще Галилей отмечал некоторые моменты действия этого принципа. Ньютон включил принцип в свою теорию, но при этом не смог ни подтвердить, ни убедительно объяснить его. Эйнштейн же сосредоточился на этой проблеме и использовал ее как ориентир в своих размышлениях. Он не только учел принцип эквивалентности, но и сделал его (в новой, скорректированной формулировке) отправной точкой общей теории относительности!

Этот принцип позволяет предсказать некоторые явления, даже не производя каких-либо специальных расчетов: например, его непосредственным проявлением можно считать отклонение лучей света, о котором мы расскажем чуть дальше.

Но в чем же состоит этот знаменитый принцип? Впервые он был сформулирован как «принцип свободного падения» (без объяснений) еще Галилеем: если бросить одновременно несколько предметов с одинаковой высоты, они все получат одинаковое ускорение и упадут на землю одновременно, какова ни была их природа или состав. Камешек, бутылка, молоток или бревно, без разницы, – все они окажутся на земле одновременно. Если наш повседневный опыт и противоречит этому принципу, то только лишь потому, что разные предметы испытывают разное сопротивление воздуха, которое воздействует на них как посторонняя сила: надежно этот принцип можно проверить в вакууме. Поразительно, как Галилей смог сформулировать принцип – ведь он не мог его наблюдать непосредственно (несмотря на то что легенды рассказывают, будто он кидал предметы с Пизанской башни).

В своей теории гравитации Ньютон показал, что «универсальность свободного падения» обязана своим существованием тому факту, что вес предметов пропорционален их массе. Или, точнее, что инерционная масса (противодействующая приведению тела в движение) тождественна гравитационной массе (которая, наоборот, лежит в основе движения тела под действием гравитации). Именно эта компенсация обеих масс обеспечивает универсальность действия принципа свободного падения.

Эйнштейн придал принципу фундаментальный характер, сделав его, повторим, отправной точкой общей теории относительности. Он его формулирует для частного случая (то есть для наблюдателя, производящего измерения непосредственно в месте своего нахождения) следующим образом: невозможно обнаружить разницу между явлениями ускорения и гравитации – они в принципе неразличимы.

Чтобы понять эту новую формулировку, можно провести мысленный эксперимент (в реальности его проводить ни в коем случае не надо!). Речь идет о так называемом «лифте Эйнштейна»: земной наблюдатель находится в лифте с оборванным кабелем. Лифт свободно падает, с постоянным ускорением. Наблюдатель падает с той же скоростью, что и лифт: он «парит» в кабине вместе со всеми предметами, что его окружают, и не испытывает никакой действующей на него силы. Для него ситуация ничем не отличается от ситуации, когда лифт сохранял бы неподвижность в пространстве в отсутствие какой-либо силы тяжести (то есть вне влияния гравитационного поля, далеко от Земли). Из этого вытекает, что внутри кабины лифта невозможно понять, где находится наблюдатель – в свободном падении в поле земного притяжения или в космосе, вне действия силы тяжести, в зоне, свободной от влияния гравитации. Явление ускорения, таким образом, компенсирует воздействие гравитации, то есть оба эффекта имеют одинаковую природу.

Эйнштейн прекрасно владел искусством проводить «мысленные эксперименты». По поводу истории с лифтом (до лифта он воображал рабочего, падающего с крыши), которую он очень долго обдумывал, пытаясь четче сформулировать свои мысли, он сам сказал, что это была «лучшая идея в его жизни».

Сегодня мы можем представить более реалистичную историю, изображающую тот же самый процесс, – ведь уже созданы космические корабли. В космосе, когда двигатели корабля выключены, астронавты попадают в условия невесомости. Когда же двигатели вновь включаются, корабль получает ускорение, и астронавты вновь начинают ощущать силу тяжести, действующую в направлении, противоположном направлению ускорения. Если величина ускорения станет равна земному ускорению свободного падения, астронавты окажутся в ситуации (и с земным весом), ощущаемой так же, как если бы ракета находилась на Земле перед стартом. Никакой эксперимент на борту корабля не позволит астронавтам понять, где на самом деле они находятся. Только выглянув в иллюминатор, можно понять, разгоняются ли они в космосе, или дело происходит на стартовой площадке.

Благодаря научно-фантастическим рассказам и фильмам мы хорошо представляем космический корабль, находящийся далеко от Земли, там, где не действует гравитация. Невесомость не очень комфортна для жизни астронавтов, поэтому вполне реально воссоздать силу тяжести (искусственную гравитацию), заставив корабль вращаться. Ускорение, порожденное центробежной силой, воссоздаст условия, при которых астронавты (и их вещи) окажутся под воздействием силы тяжести, действующей в направлении той стенки корабля, которую будет решено сделать полом.

Тождество между явлениями ускорения и гравитации – лучшая идея Эйнштейна, и она представляет собой новую формулировку принципа эквивалентности. Его следствием, собственно, и является то, что физические законы действуют одинаково, вне зависимости от того, проявляются ли они в гравитационной среде или если наблюдатель находится под действием ускорения. Эйнштейн сформулировал новый принцип относительности, обобщив его и на случаи неравномерного движения.

Перечислим новые условия, которые были поставлены перед Эйнштейном в его работе над теорией. Прежде всего, он хотел расширить область действия специальной теории относительности на явление гравитации, которое в ней не рассматривалось. Затем, он хотел решить загадку эфира: каким образом гравитация может распространяться в пустоте? И, наконец, нужно было сформулировать принцип эквивалентности в релятивистской форме. Чрезвычайно сложная задача! Общая теория относительности тем не менее смогла выполнить все условия. И даже превзойти ожидания: она почти сразу же была подвергнута многочисленным испытаниям – и обнаружила свое полное превосходство над физикой Ньютона, предсказав многие еще не известные результаты.

«ДЛЯ НАС, УБЕЖДЕННЫХ ФИЗИКОВ, РАЗЛИЧИЕ МЕЖДУ ПРОШЛЫМ, НАСТОЯЩИМ И БУДУЩИМ – НЕ БОЛЕЕ ЧЕМ ИЛЛЮЗИЯ, ХОТЯ И ВЕСЬМА НАВЯЗЧИВАЯ».

Альберт Эйнштейн

Эта задача была реализована при сохранении достижений специальной теории относительности: исчезновения абсолютных пространства и времени и введения понятия пространства-времени. Пространство-время перестало быть просто «фоном» для материи, став динамичной средой, взаимодействующей с материей, которую также включает в себя.

Местом применения теории остается пространство-время. Но геометрия этого пространства-времени сложнее, чем у пространства-времени Минковского, где действует специальная теория относительности. Сохраняя четырехмерность, это пространство-время имеет форму, которую математики описывают величиной под названием «кривизна». Кривизну эту можно представить как обобщение понятия кривизны поверхности, или некоего объекта. Кривизна пространства-времени соответствует распределению массы (и энергии) во Вселенной.

Главная идея теории относительности состоит в том, что гравитация представляет собой эту же пространственно-временную кривизну: это одно и то же! Следует отметить, что это утверждение представляет собой окончательную формулировку эйнштейновского принципа эквивалентности.

Как теория Ньютона описывала гравитацию? Массивное тело S (Солнце) порождает гравитационную силу, которая действует на расстоянии на тело Т (Землю).

Эта сила придает телу Т ускорение, которое изменяет его движение. Согласно общей теории относительности, тело S не порождает никакой силы. Однако его свойства (масса и энергия) действуют на пространство-время, деформируя его, и создают, таким образом, кривизну. Одно из уравнений Эйнштейна четко описывает этот закон. Тело Т не подвергается воздействию силы, но вынуждено двигаться как бы по прямой, но на деформированном участке пространства-времени. То есть оно вынуждено следовать «прямо» за кривизной, двигаться по изогнутой траектории – перемещаться вдоль «естественных» искривлений, повторяя на своем пути их формы. Эти линии называют «геодезическими». Когда кривизна равна нулю, линия становится просто прямой, однако прямых в пространстве-времени не существует! Эту роль в пространстве-времени играют геодезические линии. Земля движется, таким образом, по геодезической пространства-времени, искривленной Солнцем. И все это подтверждается расчетами – орбита получается эллиптической!

Так выглядят основы общей теории относительности: понятие гравитации заменяется геометрией четырехмерного пространства, создаваемой всевозможными телами во Вселенной. Однако о какой геометрии идет речь? Чтобы понять это, нужны некоторые разъяснения и уточнения.

Геометрия, которую мы изучаем в школе, была создана очень давно: все ее положения были разработаны древнегреческим математиком Евклидом, жившим примерно за 300 лет до н. э. (более точных данных не найдено). «Отец геометрии», как его часто называют, сформулировал пять постулатов, или аксиом, то есть математических (геометрических) законов, не имеющих доказательств, но позволяющих доказать все остальные законы геометрии. Эта теория получила название евклидовой.

Среди этих аксиом последняя, пятая, всегда играла особую роль еще со времен Евклида. Это аксиома «о параллельных прямых», гласящая, что через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной. Многие математики считали, что пятый постулат может быть доказан с помощью первых четырех; тогда бы он стал теоремой и был бы исключен из списка. Попытки доказательства предпринимались многократно, повторялись в течение веков – и всякий раз безрезультатно. В конце концов было доказано, причем только уже в XIX веке, что постулат в принципе недоказуем. Это означало, что его, по идее, можно отбросить, заменив противоположным утверждением: «через точку, не лежащую на данной прямой нельзя провести прямую, параллельную этой прямой», или «через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести множество прямых, параллельных этой прямой». Новые утверждения положили начало новым геометриям, отличающимся от евклидовой.

Первым ученым, увидевшим возможность создания неевклидовых геометрий, был немецкий математик Карл Фридрих Гаусс (1777–1855), работавший в этом направлении в период между 1810 и 1820 годами. В числе пионеров неевклидовой геометрии можно также назвать венгерского ученого Яноша Бойяи (1802–1860). Но основной вклад внесли русский математик Николай Иванович Лобачевский (1792–1856) и его немецкий коллега Бернхард Риман (1826–1866). Первый положил начало «геометрии Лобачевского» (или гиперболической геометрии); второй – «римановой геометрии» (или эллиптической геометрии). Лобачевский утверждал, что через точку, не лежащую на данной прямой, проходят по меньшей мере две прямые, находящиеся с этой прямой в одной плоскости и не пересекающие ее; Риман вывел несколько аксиом, например: через каждые две точки проходит одна прямая; каждые две прямые, лежащие в одной плоскости, пересекаются в одной точке; каждые две плоскости пересекаются по одной прямой. Все эти новые геометрии пригодились в теории Эйнштейна, поскольку, в противоположность евклидовой, рассматривают кривые. С этой точки зрения евклидова геометрия пространства и геометрия пространства-времени Минковского имеют нулевую кривизну.

КУЧА ВАРИАНТОВ

Для описания пространства с произвольным числом измерений, а также чтобы ввести понятие кривизны, математики используют термин «многообразие». Так, линия (прямая или нет) является одномерным многообразием. Поверхность (плоскость или сфера) – это двумерное многообразие. Наше «обычное пространство» (пространство Галилея или Ньютона) – это трехмерное многообразие. Пространство-время – многообразие четырехмерное.

Можно создать геометрию для пяти-, шести- и вообще n-мерных многообразий (n – некое целое число), сегодня для этого нет никаких технических препятствий, хотя представить их в воображении вряд ли получится.

Каждое многообразие характеризуется определенным значением кривизны. Она всегда равна нулю (по определению) для евклидовых пространств и отличается от нуля для неевклидовых многообразий.

Сфера (самая обычная) с радиусом r обладает постоянной положительной кривизной, равной 1/r². На поверхности сферы нет прямых, их заменяют геодезические, которые играют роль минимального расстояния между двумя точками.

На сфере геодезические представляют собой «большие окружности» (у них тот же центр, что и у сферы, они «оборачивают» ее); именно таким образом они играют роль прямых, соединяющих точки. Две окружности всегда пересекаются в двух диаметрально противоположных точках, поэтому «параллельных данной прямой» просто не существует; геометрия сферы представляет собой частный случай «эллиптической геометрии». Наоборот, гиперболическая плоскость характеризуется постоянной отрицательной кривизной, и на ней можно начертить бесконечное множество «параллельных данной прямой». Да уж, гиперболическую геометрию представить себе не так уж просто.

В трехмерном многообразии существуют аналогичные структуры: «сферическое пространство» с постоянной положительной кривизной и «гиперболическое пространство» с постоянной отрицательной кривизной.

Кривизна пространства-времени Минковского (четырехмерного), в котором действует специальная теория относительности, равна нулю. Это естественно, поскольку специальная теория не учитывает гравитацию. Но в общей теории относительности все по-другому: уже в 1912 году Эйнштейн понял, что его теория требовала неевклидовой геометрии.

Пространство-время из общей теории относительности устроено сложнее. Его кривизна меняется от точки к точке, в зависимости от наполняющих его тел.

И пространство-время, и его кривизну представить действительно трудно. Чтобы облегчить себе работу, физики порой проводят мысленные эксперименты, разрезая четырехмерное пространство-время на «трехмерные пространственные слои», хотя теория и гласит, что это не обязательно имеет физический смысл. Это немного похоже на ситуацию с книгой (трехмерной), состоящей из страниц (двумерных); или как если бы мы рассматривали евклидово пространство в виде бесконечной стопки плоскостей. В случае когда геометрия пространства-времени достаточно правильная, без сильных возмущений, картинка достаточно легко визуализируется.

Несмотря на искусственность подобного воображаемого разрезания на слои, метод позволяет рассматривать теорию относительности как динамичную. Слои можно интерпретировать как версии пространства в разные моменты времени (конечно, понятия времени и момента не совсем строги, но мы даем волю воображению). Пространство-время интерпретируется в этом случае как динамичное развитие трехмерной пространственной геометрии (представьте перелистываемую книгу в виде одной-единственной страницы, просто меняющейся во времени). Каждый отдельный слой представляет собой состояние пространства в определенный миг его эволюции. В точности как мы нумеруем страницы книги, мы можем пронумеровать и слои пространства, и эта нумерация станет еще одним параметром, помогающим показать процесс эволюции. Совершенно естественно, что этот параметр называется, как правило, «временем» (например, «космическое время» в космологии). Конечно, это весьма упрощающий ситуацию язык, поскольку такой параметр, помогающий ориентироваться в динамике пространства-времени, весьма далек от всех тех свойств, с которыми у нас обычно ассоциируется то, что мы именуем «временем». Впрочем, мы можем придумать еще бесконечное количество различных вариантов, таких же произвольных, как и вышеописанный, и это ничего не изменит.

Что нам это дает? Мы рассматриваем пространство-время не «целиком» – мы рассматриваем пространство, чьи свойства изменяются со «временем», и так нам гораздо проще его вообразить, подсказывает интуиция. Нам проще провести параллели с привычными знаниями и опытом. Однако внимание, даже если «время» похоже на то, что мы привыкли называть «временем», не следует забывать, что это всего лишь искусственная и произвольная конструкция, вовсе не реальность!

В итоге всеобщая теория относительности устранила все противоречия, оставшиеся после теории Ньютона и мучавшие Эйнштейна. Ответы получились более чем впечатляющие…

Прежде всего, исчезло понятие абсолютного пространства, оно было заменено релятивистским пространством-временем, все свойства которого определяются материей (и энергией), которую оно включает в себя.

Опять же больше не нужно представлять взаимодействие на расстоянии: тело (как Солнце, например) деформирует пространство-время вокруг себя; эта деформация распространяется (со скоростью света) и приводит к тому, что все пространство-время становится деформированным. Это искривление интерпретируется как следствие определенной «эластичности» пространства-времени (мы увидим дальше, что в некоторых случаях можно зарегистрировать это распространение кривизны в форме того, что называется «гравитационными волнами»). И явление постоянства скорости света в вакууме показывает, что эта эластичность имеет постоянную величину: оба утверждения эквивалентны.

Гравитация обрела смысл: она связана с кривизной пространства-времени. Именно она играет роль неуловимого гравитационного эфира Ньютона. Точнее, гравитация и есть эта кривизна: таким образом планеты, вращающиеся по орбитам вокруг Солнца, всего-навсего следуют кривизне, которая их удерживает.

И наконец, принцип эквивалентности, до сих пор не разгаданный до конца, лег в основу теории: несколько тел, оказавшихся в одном месте пространства-времени, испытывают одинаковую его деформацию: отсюда следует, что они падают совершенно одинаково…

Глава 3
Как проверить теорию Эйнштейна

В физике, как и в других науках, получение новых знаний происходит в постоянных взаимодействиях теории с экспериментом (или с наблюдением за небесными явлениями в случае астрофизики). Если новая теория подтверждается большим количеством экспериментальных результатов, как известных давно, так и вновь полученных, у нее есть все шансы быть принятой научным сообществом. Но по-настоящему интересной она становится, когда может предсказать те или иные явления лучше и адекватнее, чем другие теории, или когда предсказывает результаты, которые не вытекают ни из какой иной из существующих доктрин.

Результаты, вытекающие из теории относительности, были протестированы как посредством сравнения с уже известными данными, так и путем постановки специальных экспериментов и организации оригинальных наблюдений. Три фундаментальных доказательства правильности теории были получены в период между 1915 и 1960 годами и вошли в анналы истории науки.

В нашей Солнечной системе всякая планета вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите. Однако положение эллипсов не постоянно: самая ближняя к Солнцу точка орбиты (перигелий) слегка смещается всякий раз, как та или иная планета проходит орбиту. Это явление называется прецессией перигелия и в теории Ньютона объясняется влиянием силы притяжения других планет.

Астрономические наблюдения подтверждали выводы Ньютона для всех планет, кроме… Меркурия, самой близкой к Солнцу планеты.

Астроном Урбен Леверье, прославившийся открытием Нептуна с помощью вычислений, доказал около 1840 года, что прецессия Меркурия «слишком велика»: 574 угловые секунды в столетие (то есть 0,16 градуса в столетие, если принять угловую секунду равной 1/3600 градуса), хотя уравнения Ньютона давали результат всего в 43 угловые секунды в столетие. Откуда же взялось отклонение, небольшое, но при этом все-таки существенное? Поскольку орбита Меркурия расположена вблизи Солнца (перигелий этой планеты находится на расстоянии 46 миллионов километров от Солнца, в то время как перигелий Земли – на расстоянии 147 миллионов километров), гравитационное поле действует на нее особым образом.

С точки зрения теории Эйнштейна Меркурий вращается в той области, где масса Солнца наиболее заметно искривляет пространство-время: и именно эта кривизна вызывает прецессию перигелия, чья величина становится гораздо существеннее, чем предсказанная теорией Ньютона. Значение было рассчитано Эйнштейном в 1915 году и полностью совпало с результатами наблюдений, к его большой радости! То есть первую проверку теория прошла успешно почти сразу после ее создания.

Как мы уже видели, в релятивистском искривленном пространстве-времени прямых не существует. Их роль играют другие линии, геодезические, и движущийся объект следует по геодезической «естественным образом». Например, всякое тело в Солнечной системе (планета, комета, астероид и т. д.) описывает геодезическую линию вокруг Солнца: это его мировая линия – кривая в пространстве-времени, отвечающая положению частицы в пространстве в каждый момент времени. Тело и не может двигаться по прямой, ведь ее просто не существует. Но и лучи света точно так же следуют по линиям кривизны, созданным массивными объектами, – по геодезическим линиям. В не искривленном пространстве-времени специальной теории относительности были особые «световые прямые». В общей теории относительности есть то же самое: луч света следует по «световой геодезической». Как и в специальной теории относительности, такие кривые имеют нулевую длину в релятивистской геометрии пространства-времени. Иными словами, свет на своем пути не «испытывает» никакой длительности (собственной или иной).

Путь луча света, испущенного далекой звездой, может проходить вблизи очень и очень массивного тела, расположенного между звездой и Землей, и следует кривизне, созданной массой. В результате у земного наблюдателя создается впечатление, что свет исходит совсем из другой точки, а не из того места, где на самом деле расположена звезда… Говоря иначе, положение звезды на небесном своде кажется смещенным. Но еще в 1911 году Эйнштейн пришел к выводу, что отклонение света, вызванное массой Солнца, вполне можно наблюдать и измерить. Точнее, положение звезды, чьи световые лучи проходят мимо Солнца, достигая Земли, должно быть зрительно смещено относительно других звезд, наблюдаемых одновременно. Эйнштейн даже рассчитал ожидаемое смещение, причем еще до того, как окончательно сформулировать все положения своей теории.

«ОПЫТ ОСТАЕТСЯ ЕДИНСТВЕННЫМ КРИТЕРИЕМ ПОЛЕЗНОСТИ ДЛЯ ВЫВОДОВ И В ФИЗИКЕ, И В МАТЕМАТИКЕ. ИСТИНА – ЭТО ТО, ЧТО ВЫДЕРЖИВАЕТ ИСПЫТАНИЕ ОПЫТОМ».

Альберт Эйнштейн

Однако как провести подобное наблюдение? Всем известно, что днем, когда Солнце светит, звезды не видны, тем более те, чьи лучи проходят вблизи от светила, где сияние наиболее интенсивно. Единственным способом представляется полное солнечное затмение, когда Луна закрывает собой солнечный диск, небо становится темным и на нем проступают звезды (конечно, всего на несколько минут).

Во время полного солнечного затмения 21 августа 1914 года немецкие астрономы попытались понаблюдать явление смещения света с территории России, но разведка Николая Второго взяла их в плен еще до того, как они смогли начать работу. После войны британский физик сэр Артур Эддингтон (1882–1944), один из первых ученых, кому удалось понять теорию Эйнштейна, получил-таки положительный результат во время затмения 29 мая 1919 года. Следует отметить, что доказательство потребовало вложения средств в организацию двух экспедиций: одной на остров Принсипи возле берегов Африки, второй в городок Собрал в Бразилии. Наблюдаемое отклонение равнялось 1,74 угловой секунды, то есть углу обзора объекта в один сантиметр с расстояния в один километр, и подтвердило верность всеобщей теории относительности. На многие годы это наблюдение стало самым убедительным доказательством верности теории: микроскопическое отклонение сыграло огромную роль!

Любой процесс, любое явление, всякая история имеет свою собственную длительность. Но можно наблюдать процесс и извне: наблюдатель при этом измеряет длительность наблюдения за процессом, но не длительность самого процесса, как мы уже писали выше.

В обыденной жизни продолжительность любого процесса будет равна продолжительности наблюдения. Нам даже в голову не придет отделять одно от другого, и в конечном счете это позволяет использовать понятие единого времени, общего для всех, то есть нашего универсального времени. Будь это по-другому (то есть если бы релятивистские эффекты проявлялись на уровне человеческой жизни), было бы трудновато назначать свидания или не опоздать на поезд!

Но в иной реальности, к примеру для ракеты, которая летит с огромной скоростью, для космических лучей или, скажем, микрочастиц в ускорителе, эти величины различаются. Если наблюдатель быстро движется (относительно системы, которую наблюдает), значения могут существенно различаться. Разница между длительностью наблюдения и длительностью процесса (принятого за единицу) называется смещением (часто спектральным смещением, по причинам, о которых будет рассказано ниже).

Все это было описано и в специальной теории относительности, которая не учитывала гравитацию, но приняло окончательный вид во всеобщей теории относительности.

Влияние гравитации делает ситуацию еще более непростой. Когда процесс протекает в условиях гравитации, отличающихся от тех, в которых находится наблюдатель, это сказывается на разнице между длительностью процесса и длительностью наблюдения за ним. Два наблюдателя, находящиеся под влиянием гравитационного поля разной интенсивности (например, один расположился на уровне моря, а второй – на вершине горы) не могут синхронизировать свои часы (при условии, что они обладают высочайшей точностью), даже сохраняя неподвижность.

На Земле и в Солнечной системе гравитация действует не очень интенсивно, поскольку такие звезды, как Солнце, и такие тела, как планеты Солнечной системы, не обладают такой уж высокой плотностью. Смещения, вызванные ими, незначительны, и чаще всего этими смещениями вполне можно пренебречь, особенно если не требуется сверхвысокая точность наблюдений. На практике наблюдатели могут считать показания своих часов совпадающими и утверждать, что они измеряют «время».

Изучим, однако, то, что происходит на самом деле, например, с двумя идентичными часами, установленными на разных высотах (см. рисунок далее): часами Н1 (внизу) и часами Н2 (наверху). Предположим, они тикают ежесекундно, то есть выдают один «тик-так» в секунду. Наблюдатель, дежурящий у часов Н2, измеряет интервал между ударами и убеждается в том, что он составляет одну секунду. Этот же наблюдатель может следить и за другими часами – Н1. Например, он может получать световые сигналы при каждом ударе Н1. Таким образом, он может измерить длительность, разделяющую получение двух последовательных сигналов; она не будет равна одной секунде, часы Н2 измеряют ее как 1 + z секунд. Разница z между двумя длительностями и показывает так называемый эффект Эйнштейна. Следует отметить, что и те и другие часы не изменяют ритма и продолжают отбивать каждую секунду в своем собственном времени. При этом не наблюдается никакого ни «расширения», ни «сжатия» времени – эти утверждения можно порой прочесть в ошибочных, но распространенных публикациях.

На практике эффект Эйнштейна наблюдается и подлежит физическим измерениям во время экспериментов с отдельными атомами, которые можно рассматривать в качестве «природных сверхточных часов». Атомы разных веществ (водорода, гелия и пр.) испускают и поглощают – при создании соответствующих физических условий – энергию в виде света определенных длин волн (определенной частоты). Совокупность возможных частот – каждой частоте соответствует линия света, который атом может поглощать или испускать, – составляет спектр, исчерпывающе характеризующий атом: нечто вроде «паспорта атома». Период колебаний, или излучения, является не чем иным, как собственной длительностью между двумя максимумами частоты излучения. И все эффекты, описанные выше для собственных длительностей разных процессов, точно так же проявляются в случае излучения света атомами.

Наблюдатель, находящийся «прямо рядом с атомом», измеряет период излучения спектральной линии, то есть собственное время наблюдения, совпадающее с собственным временем атома, и определяет «стандартное» значение, записанное во всех учебниках по атомной физике. Однако если его коллега наблюдает тот же самый атом издалека (например, с другой точки, расположенной выше в гравитационном поле), он получит сигнал, период которого будет отличаться от продолжительности излучения из учебника (он будет умножен на 1 + z). Смещение z называется смещением спектральных линий.

Пришлось ждать «золотого пятилетия» с 1959 по 1964 год (Эйнштейн к тому времени уже умер), чтобы измерить незначительную величину этого смещения. Первые эксперименты были поставлены в 1959 году американскими физиками Робертом Паундом (один из первооткрывателей явления магнитного ядерного резонанса) и его учеником Гленом Ребкой. Они использовали для наблюдений две точки с разницей высот всего в 22,5 метра, у основания и на вершине башни Гарвардского университета. На башне несколько атомов железа испускали с определенной периодичностью излучение, характеризующееся высоким уровнем энергии, а у подножия его ловил очень точный приемник. С помощью хитроумной конструкции физики измеряли микроскопическое смещение, вызванное этим микропадением света в поле земной гравитации. В результате предсказания теории относительности были подтверждены с точностью до 1 %, что стало великолепным результатом остроумного эксперимента, осуществленного с использованием совсем небольшой разницы высот.

Этот эффект проявляется также при наблюдении с Земли излучения атомов, расположенных на поверхности Солнца. Согласно всеобщей теории относительности, измеренный период оказывается больше, чем период излучения, который можно измерить «на месте» (для каждого атома имеется определенное значение); разница, правда, очень мала: одна миллионная секунды. Этот эффект можно проверить, наблюдая атомы на поверхности других звезд. Все результаты подтверждают неизменно теорию Эйнштейна, с точностью до одной десятитысячной (0,01 %).

Со времен Галилея у принципа эквивалентности было несколько версий. Эйнштейна этот принцип вдохновил на рождение идеи о том, что гравитация эквивалентна кривизне пространства-времени. Так называемая слабая версия (универсальность принципа свободного падения для всех тел, установленная Галилеем) может быть проверена путем сравнения ускорения двух тел разного состава, падающих с одинаковой высоты. Эти испытания позволяют измерить универсальную гравитационную постоянную (обозначаемую как G), используемую в законах Ньютона.

Первые точные эксперименты по доказательству принципа эквивалентности были поставлены между 1885 и 1890 годами венгерским физиком Лорандом Этвёшем. При помощи хитроумных весов, специально созданных для этой цели, Этвёш установил, что ускорение падения двух тел равно с точностью до одной миллионной (с учетом точности измерений). Эти испытания были повторены с лучшим результатом в начале ХХ века: физики показали к 1910 году, что ускорение разных тел равно с точностью до одной стомиллионной (1/10⁸). В 1980-х годах появились теории, предполагавшие существование «пятой силы» (вдобавок к электромагнетизму, ядерным взаимодействиям и гравитации), которая могла бы повлиять на результат, однако никаких отклонений обнаружено не было. Сегодня, к примеру, расстояние от Земли до Луны известно с точностью до двух сантиметров благодаря установленным астронавтами программы «Аполлон» в разных местах лунной поверхности микрорефлекторам световых лучей. Изучая тщательно изменения этого расстояния (а заодно и ускорение Луны в гравитационном поле Земли), ученые получили точность измерений в одну тысячемиллиардную (1/10¹²)!

Однако ученые продолжают достигать все лучших и лучших результатов, и им помогают в этом спутники, выведенные на земную орбиту. Например, нельзя не отметить европейский проект MICROSCOPE. Двадцать пятого апреля 2016 года для наблюдения за принципом эквивалентности, согласно которому наблюдатель никоим образом не может отличить действие гравитационного поля от силы инерции, возникающей в системе отсчета, которая движется с ускорением, был запущен микроспутник, созданный в Национальном центре космическихисследований Франции (CNES). Движения двух масс разного химического состава, находящихся на спутнике, измерялись в течение двух лет, а в условиях космоса, где исключаются любые случайные колебания, измерение ускорения свободного падения дает точность в сто раз бо́льшую, чем во время земных исследований.

Итальянский проект «Галилео Галилей», разработанный Итальянским космическим агентством, обеспечивает точность измерения тем же самым методом, что обеспечивает и французский MICROSCOPE, в одну стомиллионную миллиардной (1/10¹⁷)!

На нашей планете множество людей ежедневно пользуются системой навигации GPS (Global Positioning System). С ее помощью можно построить оптимальный маршрут для автомобиля, сориентироваться в городе, исследовать незнакомую местность или плавать в открытом море, и все это с точностью в несколько метров. Это очень удобный инструмент, без которого многие уже не могут обходиться. Система GPS использует целую флотилию спутников (на сегодняшний день не менее тридцати), летающих по земной орбите на высоте примерно 20 тысяч километров. Оснащенные атомными часами, они испускают очень точные радиосигналы. Приемник пользователя получает сигнал по меньшей мере от четырех спутников и определяет время пробега сигнала до него. Далее он рассчитывает расстояние до каждого из спутников и, зная их точное положение, вычисляет собственное расположение в пространстве.

Ничего сложного, казалось бы… однако теория относительности Эйнштейна гласит, что собственное время спутника не совпадает с собственным временем приемника, расположенного на Земле. С этой проблемой можно справиться посредством корректировок: одна учитывает движение спутника (эффект специальной теории относительности), а другая – гравитационное поле Земли (эффект всеобщей теории относительности). Значения коэффициентов очень невелики, порядка одной миллиардной относительной величины, однако они играют важную роль в правильном функционировании GPS: если их не вводить, система утратит точность показаний всего за несколько минут (лишняя микросекунда будет стоить потери точности в 300 метров). Пользуясь успешно GPS (то есть строя с ее помощью правильные маршруты), мы постоянно подтверждаем верность теории относительности, даже не отдавая себе в этом отчета!

Разработка теории относительности не положила конец исследованиям физиками пространства-времени и гравитации. После публикации трудов Эйнштейна многие ученые предложили различные идеи, ставшие основой для исследований за пределами теории относительности. Появились гипотезы о существовании новых измерений и иных геометрий. Их названия звучат экзотично: теория струн, браны, квантовая гравитация… Пока многие из них все еще в стадии становления, однако некоторые – уточняющие, опровергающие или расширяющие теорию относительности – мы сможем проверить уже в ближайшие годы.

В настоящий момент теория Эйнштейна кажется вполне устойчивой. Три ставших классическими эксперимента доказали, что она наилучшим образом описывает гравитацию в Солнечной системе. И ни один из современных экспериментов не смог ее опровергнуть или поставить под сомнение. Тем не менее в относительно слабом гравитационном поле «солнечной окраины» трудно пока отделить выводы, сделанные на основе теории относительности, от выводов других теорий. Для того чтобы подтвердить правоту той или иной гипотезы, нужно проверить ее в особых условиях, например в мощнейшем гравитационном поле двойного пульсара (см. главу 7) или исследовать распространение гравитационных волн (см. главу 8). Пока результаты исследований подтверждают теорию относительности, но ученые не сказали последнего слова! Продолжение следует.

Глава 4
Настоящая космическая наука

Споры о природе Вселенной, когда-то бывшие лишь одним из видов мифологии, после открытий Ньютона начали обретать все более научный характер. Но только теория относительности Эйнштейна придала космологии статус раздела физики.

Человечество издревле задавало себе вопросы о природе небесных явлений и их причинах. С этой точки зрения космология, наука о строении Вселенной, воистину «стара как мир». Однако между моментом ее зарождения в глубокой древности и тем, что мы имеем сегодня, эта наука прошла весьма серьезную трансформацию: из собрания мифов она превратилась в область научных знаний с развитым математическим аппаратом. Первые изменения в космологию внесли открытия Ньютона в конце XVII века, а довершила ее переформатирование в ХХ веке теория относительности.

«НАУКА БЕЗ ГНОСЕОЛОГИИ – ЕСЛИ ЕЕ ВООБЩЕ МОЖНО РАССМАТРИВАТЬ В ПОДОБНОМ КЛЮЧЕ – ПРИМИТИВНА И УБОГА».

Альберт Эйнштейн

Практически все древние цивилизации на разных этапах развития прошли через период создания мифов, рассказывающих о сотворении мира. Мифы передавались из уст в уста, от поколения к поколению. Этот свод представлений получил название «космогония», от греческих корней cosmo (мир) и gon (порождать). Надо признать, что он представлял собой причудливую смесь жизненных навыков и мифов о сверхъестественном и божественном.

Только во времена античной Греции появились первые предвестники будущих теорий строения Вселенной и зачатки приближенной к современной космологии. За несколько веков до нашей эры некоторые философы уже начали задумываться о причинах небесных явлений, пытаясь обнаружить в них закономерности и гармонию. Например, Пифагор (ок. 580 – ок. 495 до н. э.) и его последователи заявляли, что миром управляют числа, о чем свидетельствовали, по их мнению, природные ритмы и правильные пропорции. То есть пифагорейцы полагали, что Вселенной правит математика.

Примерно столетие спустя великий философ Платон (ок. 428 – ок. 348 до н. э.) первый ввел в обиход понятие «космос» – в нем были обединены гармония, порядок и даже красота: кстати, слово «косметика» имеет то же самое происхождение, от «космоса». Предположив, что космос организован гармоничным образом, Платон выдвинул идею о том, что геометрия может стать ключом к законам, управляющим Вселенной. Гипотеза о геометрически правильной «мировой системе» предвосхитила современные методы науки, которые смотрят на природу и с математической, и с геометрической точек зрения. И самый лучший пример подобного подхода – создание всеобщей теории относительности. Почти двадцать пять веков спустя после эпохи Платона теория Альберта Эйнштейна подтвердила древнюю гипотезу и привела к созданию современной космологии! Ну что же, мы можем сказать, что Платон опередил свое время.

Вселенная Платона была геоцентрической (то есть в центре ее находилась Земля) и обладала строгой иерархией. Она была построена на основе весьма гармоничной в силу строгой симметричности фигуры – сферы. Видимые человеческим глазом небесные тела (планеты и звезды), согласно Платону, находились внутри концентрических «сферических слоев», вставленных один в другой и вращающихся относительно друг друга, вовлекая тем самым в движение и звезды с планетами.

Аристотель (384–322 до н. э.), ученик и соратник Платона, подхватил гипотезу геоцентрического иерархического космоса. Он ввел строгое разделение мира на «земной» и «небесный». Первый, подлунный мир, простирался до орбиты Луны. В этом мире все постоянно менялось: живые существа, как и неживая материя, рождались, росли, разрушались, умирали. Все, что существовало в этом мире, состояло из четырех «основных элементов» в разных пропорциях: земли, воды, воздуха и огня. А небесный, надлунный мир, включал в себя небеса и звезды. Там все, наоборот, было вечным и недвижным. Надлунный мир был заполнен субстанцией, тотально отличающейся от четырех земных элементов: по мнению философа, это было прозрачное кристаллоподобное вещество, из которого состояли небесные сферы (на них висели звезды). Все движения естественным образом вписывались в эти сферы, а мир, опять же по версии Аристотеля, был замкнут в границах последней сферы материального мира, на которой крепились звезды (видимые). За все небесные перемещения отвечал таинственный Перводвигатель. В принципе, вполне удобно устроенная Вселенная…

Концепции Платона и Аристотеля царили в умах довольно долго, оставаясь главенствующими теориями строения Вселенной вплоть до XVII века. Многие астрономы и математики, к примеру Евдокс Книдский (ок. 400 – ок. 355 до н. э.), Каллипп Кизикский (ок. 370 – ок. 300 до н. э.) или Птолемей (ок. 90 – ок. 168), пытались усовершенствовать их, сохраняя неизменными основные принципы, как правило, сферическую структуру мира. Эта структура в разных вариациях пережила Античность, Средние века и Возрождение: потрясающая устойчивость!

Однако со временем геоцентрические модели стали подвергаться все более открытой критике со стороны самых разных ученых: арабских астрономов и математиков, христианских мыслителей. Известные ученые, такие как Николай Коперник (1473–1543), Джордано Бруно (1548–1600), Тихо Браге (1546–1601), Иоганн Кеплер (1571–1630), Галилео Галилей (1564–1642) и Рене Декарт (1596–1650), – и это только самые знаменитые из плеяды – положили начало великой дискуссии. Только в XVII веке наконец сложилась новая концепция мироустройства, и ее суть была изложена в 1687 году в Philosophiae naturalis principia mathematica Ньютона, великого предшественника Эйнштейна.

В «Началах» Ньютон вывел законы, определяющие движение твердых тел (то есть их динамику), и сформулировал закон всемирного тяготения (гравитации). Этот закон подтвердил эллиптические траектории планет Солнечной системы, выявленные ранее Кеплером. В целом именно сила всемирного тяготения определяет всю гамму движений небесных тел. Основным вкладом Ньютона стало введение в науку понятия геометрии бесконечного и вечного пространства, служащего обрамлением для физических процессов. В этом «самом простом» пространстве, где действует евклидова геометрия, происходят все основные процессы мироздания. Оно имеет жесткую структуру, в нем отсутствует кривизна (математики называют его «плоским»), и оно неизменно (явления, происходящие в нем, не оказывают на него никакого воздействия). Впервые в истории науки у физиков появилась единая картина мира. К тому времени астрономы уже открыли, что все звезды (кроме Солнца) расположены на огромном расстоянии от Земли, хотя измерить его пока не представлялось возможным. Прежний «замкнутый мир» (по Платону и Аристотелю) исчез и сменился космосом, границы которого терялись в бесконечности.

Физика Ньютона с успехом проходила все виды экспериментальных проверок вплоть до конца XIX века: она объяснила форму орбит планет, движение комет, позволила Урбену Леверье открыть Нептун… Теория Ньютона легла в основу современной физики! Кроме того, она позволила космологии стать научной дисциплиной, поскольку физика наконец обрела универсальный характер. Однако вплоть до начала ХХ века космология оставалась достаточно скромной отраслью науки, поскольку ей не хватало наблюдений высокой точности за удаленными объектами во Вселенной. Ей недоставало еще и «единой концепции» (универсальной основы, которая связала бы все используемые понятия в единое целое): и именно теория Эйнштейна сформировала ее.

В 1915 году общая теория относительности полностью изменила восприятие всемирного тяготения: гравитация перестала быть силой притяжения. Как мы уже отмечали, евклидово пространство Ньютона утратило актуальность. В некотором роде оно «слилось» со временем, и местом действия физики стало пространство-время, деформированное гравитацией. Эта концептуальная революция перевернула одним махом всю космологию, поскольку в масштабах Вселенной гравитация – главный вид взаимодействия: всеми другими видами, электромагнитным и ядерными, можно и пренебречь. Никому даже в голову не придет измерять уровень электромагнитного взаимодействия между галактиками.

В 1917 году Эйнштейн предложил первую «модель релятивистской космологии»: решение уравнений его теории в виде пространства-времени, обладающего глобальными геометрическими свойствами, было распространено на всю Вселенную.

В основу модели Эйнштейн поставил три условия.

– Первое условие: материя распространена во Вселенной равномерно. Большинство космологических моделей впоследствии сохранят в своей основе это условие, которое получило название космологического принципа. Конечно, речь не идет об абсолютной гомогенности: условие соблюдается только в гигантских масштабах, гораздо бо́льших, чем размеры галактик! Однако космологи в первом приближении и не интересуются «локальными» свойствами, такими как изменения пространственно-временной кривизны массивными объектами, заполняющими Вселенную, планетами, звездами, галактиками. Они пренебрегают этими мелкими деформациями, почти как географ, который считает земной шар «круглым», игнорируя детали его реальной формы: горы, долины и океанские впадины. Глобальное искривление Вселенной является предметом исследования релятивистской космологии: оно априори не является ни нулевым, ни постоянным.

– Второе условие: Вселенная замкнута и конечна, то есть ее расширение и объем не бесконечны: это вытекает из принципа Маха.

ЭЙНШТЕЙН И ПРИНЦИП МАХА

Среди многочисленных критиков ньютоновских представлений об абсолютных пространстве и времени выделялся австрийский философ и физик Эрнст Мах (1838–1916). Его выводы были исключительно убедительными, вполне возможно, в силу его двойной специализации. Мах полагал, что понятие абсолютности пространства не имеет никакого смысла, из чего вытекает, что невозможно определить некое абсолютное ускорение (или вращение).

Представим себе, что астронавт летит в космосе и задается вопросом, вращается ли он вокруг своей оси или нет. Трактовка Маха предполагает, что заметить вращение можно только относительно других объектов (звезд, галактик), присутствующих во Вселенной. Если бы астронавт оказался в совершенно пустом космосе, в отсутствие материи и энергии, его вопрос утратил бы всякий смысл.

Однако, если он на самом деле вращается вокруг своей оси, астронавт должен почувствовать центробежную силу, которая начнет тянуть его руки в стороны. Согласно ньютоновской логике, эта центробежная сила представляет собой одно из проявлений «сил инерции», возникающих в результате движения относительно абсолютного пространства. Однако, согласно представлениям Маха, такого пространства не существует, поэтому центробежную силу следует приписать влиянию совокупности масс, содержащихся во Вселенной!

Эйнштейн использовал значительную часть этих предположений, назвав их «принципом Маха». Он положил их в основу разработки общей теории относительности и релятивистской космологии. По его мнению, пространство (скорее, пространство-время) действительно не может обладать свойством абсолютного бытия, то есть существовать само по себе, независимо от своего материального и энергетического содержимого. Он заявил: «Если бы все в мире исчезло, то, по мнению Ньютона, осталось бы инерционное пространство Галилея; а по моему мнению, не осталось бы ничего». Но, несмотря на эти высказывания, в своих теориях Эйнштейн далеко не буквально следовал принципу Маха: уравнения общей теории относительности все же допускают существование Вселенной без какого-либо содержимого, в виде пространства-времени с рудиментарной геометрией! Тем не менее теория относительности созвучна идеям Маха по многим направлениям: пространство-время имеет «относительный характер», поскольку зависит от масс и энергий, заключенных в универсуме.

Именно принцип Маха подсказал Эйнштейну мысль о замкнутости Вселенной (ее объем конечен). Если принять, что инерционные силы обязаны своим существованием совокупности масс, содержащихся во Вселенной, то становится трудно представить, как это воздействие может быть порождением материи, разбросанной в бесконечном континууме? Однако, если принять конечность Вселенной, подобный вопрос не возникает.

Внимание: утверждение, что универсум конечен, не означает, что у него есть граница или стенка. Космический путешественник, который предпринял бы попытку пересечь Вселенную (в том виде, как ее описывает теория Эйнштейна), двигаясь «все время прямо», не встретил бы никаких границ на своем пути. Наоборот, он… вернулся бы в исходную точку, совершив «круговселенное» путешествие (конечно, это путешествие может быть только воображаемым, поскольку для него понадобились бы миллиарды лет). В точности, как земной путешественник (который движется все время прямо, невзирая на препятствия) окажется в итоге в месте старта после кругосветного похода вокруг Земли – сферы с поверхностью, имеющей конечные размеры, но при этом не имеющей никаких границ!

– Третье условие, выдвинутое Эйнштейном для его модели: Вселенная статична, то есть она не сжимается, не растет и остается неизменной. В 1917 году Эйнштейн не мог еще вообразить, что Вселенная может расширяться, поскольку тогда еще не были известны результаты соответствующих наблюдений.

Однако уже тогда у него были основания для некоторого беспокойства: уравнения теории относительности плохо согласовывались с идеей статической Вселенной! Эйнштейн решил слегка подкорректировать теорию, введя дополнительный фактор, который он назвал «космологической поправкой». В подкорректированном варианте Вселенная могла «держаться на месте». Новая константа, которая прекрасно вписалась в систему уравнений и сыграла важную роль в современной космологии, позволила Эйнштейну завершить релятивистскую космологическую модель в соответствии со своими представлениями. Сегодня она получила название «модели Эйнштейна».

Однако вскоре и она была заброшена (после открытия явления расширения), хотя успела окончательно изменить представления о Вселенной. Космос был чем-то неоформленным, туманным, и вдруг превратился во вполне конкретный физический объект! Именно теория Эйнштейна позволила идентифицировать пространство-время как «гибкий» каркас, заполненный материей и излучениями и обладающий вполне определенной геометрической формой. Отныне именно эта форма стала объектом исследования космологии. Математически она выражается в виде кривизны (заданной системой уравнений) и топологии (которая показывает, как связаны отдельные точки пространства-времени – сложным или простым образом).

Спустя несколько лет после создания модели Эйнштейна была измерена первая величина, характеризующая геометрию пространства-времени (или хроногеометрию): скорость расширения Вселенной, или постоянная Хаббла (см. далее). То, что некоторые важнейшие характеристики Вселенной оказалось возможным измерить физически – прежде всего постоянную Хаббла, а также ряд других важных параметров, – придало космологии статус «серьезной науки, основанной на наблюдениях».

Десять лет спустя после создания Эйнштейном его модели Вселенной бельгийский физик (и каноник) Жорж Леметр нашел другие решения для уравнений теории относительности, в которых Вселенная предстала расширяющейся. Его труды легли в основу современной космологии. Но еще до его появления на сцене мировой науки два открытия, сделанных астрономами во время наблюдения за космосом, перевернули на пару с теорией относительности все представления о Вселенной и подготовили почву для новых космологических моделей. Это были замеры расстояний до других галактик и обнаружение того факта, что Вселенная все-таки расширяется.

Ни астрофизика, ни космология не могут существовать без определения конкретного положения и особенностей распределения звезд в окружающем нас космосе.

В XVIII веке технический прогресс позволил создать достаточно мощные телескопы, благодаря которым астрономы Шарль Мессье (1730–1817) и Уильям Гершель (1738–1822) открыли и каталогизировали целый ряд «туманностей». Эти удивительные космические объекты в виде рассеянного облака не похожи ни на планеты, ни на звезды. Джон Гершель (1792–1871), сын Уильяма, опубликовал в 1864 году «Общий каталог туманностей и звездных скоплений» (General Catalogue of Nebulae and Clusters) с указанием координат 5000 космических объектов. Некоторые из них обладали спиральной структурой, что делало их еще более загадочными: были ли это удаленные на огромные расстояния скопления звезд, похожие на нашу собственную галактику? Астроном Томас Райт (1711–1786) и философ Иммануил Кант (1724–1804) уже предсказывали существование подобных объектов, последний даже называл их поэтично «островами Вселенной». Американский астроном Гебер Кёртис (1872–1942) подхватил эту идею и сформулировал ее более четко в 1914 году: по его мнению, спиральные туманности вполне могли бы представлять собой галактики, удаленные на немыслимые расстояния, превращающие их для человеческого глаза в крошечные светящиеся пятнышки. В те же 10-е годы ХХ века астрономы начали задаваться важными вопросами и по поводу нашей собственной галактики. Какова ее структура? Размеры? Каково ее место в окружающем космосе? Каково расположение Солнца относительно других небесных тел? Эти вопросы породили масштабные дискуссии, которые так и не привели ученых к единому мнению.

И только американцу Эдвину Хабблу (1889–1953) удалось после долгих перипетий наконец разрешить в 1920-х годах возникшие противоречия. Он работал в обсерватории Маунт-Вилсон, в окрестностях Сан-Франциско, когда там был установлен большой телескоп диаметром 2,5 метра. Мощность телескопа позволила Хабблу понять, что спиральные туманности действительно состоят из звезд. Астроном пристально наблюдал их ночь за ночью и обнаружил в некоторых туманностях звезды особого типа, названные цефеидами. Эти звезды обладают весьма привлекательным для исследователя свойством: их светимость периодически изменяется, причем период довольно точно привязан к максимальной силе свечения. Если измерить «период изменения светимости» цефеиды (то есть время, за которое она становится менее яркой и вновь возвращается к максимуму), то это позволит вычислить ее собственную яркость, то есть общее количество энергии света, которое она выделяет. С другой стороны, с Земли можно наблюдать и кажущуюся светимость той же звезды. Последняя величина зависит и от собственной яркости, и от расстояния до светила. И наконец, результаты одновременных наблюдений кажущейся светимости цефеиды и ее периода (который позволяет определить собственную яркость) позволяют вычислить расстояние до нее и, соответственно, до туманности, в которую она входит!

Используя этот остроумный метод, косвенный, но весьма эффективный, Эдвин Хаббл определил в 1924 году расстояние до самой яркой из спиральных туманностей, различимых невооруженным глазом при ясной погоде: туманности Андромеды, код М31 в каталоге Шарля Мессье. И вычислил невероятное значение в миллион световых лет (сегодня это значение увеличено до 2,5 миллиона световых лет); туманность оказалась расположена на весьма значительном расстоянии от нашей галактики. Гипотеза «островов Вселенной» подтвердилась самым блестящим образом; спиральные туманности и впрямь оказались другими галактиками, далекими звездными системами внушительных размеров. Вселенная внезапно увеличилась до объемов, трудно поддающихся воображению, заполнилась «газом» из «молекул» в виде галактик, похожих на нашу и разделенных головокружительными пространствами! А Хаббл на этом фундаментальном открытии не остановился и сыграл важную роль в создании теории расширяющейся Вселенной.

Американскому астроному Весто Слайферу (1875–1969) удалось первому обнаружить явление быстрого перемещения спиральных туманностей, еще до того, как Хаббл открыл их галактическую природу. В начале ХХ века Слайфер работал в Ловелловской обсерватории в Аризоне. Он измерял скорости вращения туманностей с помощью только что созданной техники спектроскопии. Она позволяла визуализировать световой спектр, излучаемый той или иной звездой, то есть разложить его на сумму излучений с разной длиной волны.

Например, стеклянная призма преломляет белый солнечный свет и позволяет наблюдать его разноцветный спектр. Каждый цвет соответствует составляющей определенной длины волны, синий – самые короткие волны, красный – самые длинные. Радуга возникает при преломлении света в мириадах капель воды во время дождя, каждая капля играет роль крошечной призмы.

Мы привыкли к понятию длины волны, однако следует вспомнить, что свет представляет собой волну распространяющуюся. Таким образом, можно также характеризовать его при помощи периода излучения, который равен его длине волны при постоянном распространении вблизи наблюдателя.

Однако мы уже отмечали, что, если источник света перемещается относительно наблюдателя, видимый период излучения (или длина волны) отличается от излучаемого периода. Отклонение, как правило незначительное, измеряется в виде спектрального смещения, обозначаемого z. Если оно имеет положительное значение, то принимаемый период (или длина волны) больше, чем испускаемый; в этом случае мы говорим о «красном смещении» (redshift по-английски), поскольку красная часть спектра соответствует большим длинам волн. И напротив, если z имеет отрицательное значение, мы наблюдаем «синее смещение» (blueshift), в сторону более коротких волн. Эти термины используются традиционно и для невидимой части спектра (например, радиоволны, ультрафиолетовое излучение).

Измерение спектрального смещения источника света позволяет вычислить его скорость относительно наблюдателя (по крайней мере, радиальную составляющую этой скорости в направлении наблюдателя); оно имеет положительное значение, если источник удаляется, и отрицательное – если приближается. Это явление называется эффектом Доплера – Физо (см. рисунок далее). Этот эффект имеет ту же природу, что эффект Доплера в звуковых волнах, с которым мы сталкиваемся ежедневно. Например, сирена «скорой помощи» кажется нам более высокой по тону, когда она движется в нашу сторону (поскольку длина уловленной звуковой волны меньше, чем длина излученной звуковой волны), и более низкой – когда удаляется.

Вернемся же к Весто Слайферу, который пытался измерить скорость вращения спиральной туманности с помощью эффекта Доплера – Физо. Он исследовал разные участки туманности, вращение которых, по его мнению, должно было происходить с разной скоростью. Однако результаты измерений оказались совершенно неожиданными: почти все туманности показывали красное спектральное смещение и казались удаляющимися от нас, да вдобавок на приличной скорости – в несколько сотен километров в секунду!

Результаты исследований были доложены физиком на собрании коллег-астрономов в 1914 году и вызвали удивление и восторг (однако Эйнштейн узнал о них гораздо позднее).

Слайфер сделал два революционных вывода из своих наблюдений. С одной стороны, туманности, удаляющиеся на столь высокой скорости, не могут находиться в нашей галактике. Он предвидел вывод, который подтвердил Хаббл десять лет спустя, показав, что речь шла о других спиральных галактиках. С другой стороны, задействованные скорости и явная распространенность явления показали, что ученый открыл некое всеобщее движение, которое он назвал расширением, несмотря на отсутствие в тот момент теоретической основы для выводов.

В годы, последовавшие за этим удивительным открытием, астрономы накапливали результаты замеров красного смещения, причем величина его оказывалась все более значительной. Стало очевидно, что ученые имели дело с глобальным явлением космического масштаба. В 1922 году британский физик Артур Эддингтон (1882–1944) назвал его «одной из самых таинственных загадок космологии». А Хаббл вновь поразил всех в 1929 году. Исходя из полученных им данных измерений расстояний и скоростей, он вывел эмпирический закон, который сделал его знаменитым и получил его имя (несмотря на то что Жорж Леметр уже открыл его за два года до Хаббла): скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию, при постоянной пропорциональности Н0, названной постоянной Хаббла:

V = H0 D

Но как понять это общее разбегание галактик? Космологические модели 20-х годов ХХ века сводились в основном к моделям Эйнштейна и другого ученого, голландского астронома Виллема Де Ситтера (1872–1934). Ни одна из них не подходила для объяснения феномена красного смещения: модель Эйнштейна была статичной, а другая, модель Де Ситтера, была рассчитана для пустой Вселенной без материи, то есть не существующей в реальности! Все были согласны, что релятивистская модель создала весьма надежную теоретическую базу, но никто не мог найти решение уравнений, позволявших понять результаты наблюдений Слайфера и Хаббла. Ученые понимали, что столкнулись с поразительным явлением космического масштаба, но его природа оставалась для них загадкой…

Глава 5
Долгая история Вселенной

Одновременно с астрономами, выдвинувшими идею расширения Вселенной, бельгийский физик предложил фундаментальную гипотезу, вытекающую из релятивистских уравнений Эйнштейна: Вселенная продолжает эволюционировать. Эта идея привела к созданию теории Большого взрыва и легла в основу современной космологии.

Результаты наблюдений Весто Слайфера и открытие закона Хаббла поставили космологию в весьма деликатное положение: ученые согласились с тем, что Вселенная расширяется, но объяснения этому явлению найти не могли.

Однако уныние в научной среде царило недолго: бельгийский физик Жорж Леметр (1894–1966) заявил об открытии. Он изучил материалы симпозиума в Кембридже и написал своему преподавателю, Артуру Эддингтону, что уже три года как нашел решение мучившей всех проблемы! Оказалось, что Леметр на самом деле опубликовал еще в 1927 году (к сожалению, в совсем малотиражном научном издании) новые формулировки уравнений общей теории относительности, описывающие расширяющуюся Вселенную. В статье, озаглавленной «Гомогенная Вселенная постоянной массы и увеличивающегося радиуса», он показал, что переделанные им уравнения прекрасно описывают явление красного смещения, открытое Слайфером. Из них также следовал и закон Хаббла, который будет сформулирован только два года спустя!

Другой физик, советский ученый Александр Фридман (1888–1925), одновременно с Леметром в период между 1922 и 1924 годами тоже сформулировал новые уравнения общей теории относительности. Однако Фридман создал их чисто математическим путем, не используя для описания конкретных процессов во Вселенной. Среди решений этой системы уравнений, получившей название «метрика Фридмана – Леметра», нашли свое место и статическая Вселенная Эйнштейна, и Вселенная без материи Ситтера – теперь они были лишь частными случаями. Однако новые уравнения описывали расширяющуюся Вселенную, и их решения прекрасно совпали с результатами наблюдений.

Эддингтон, понимая значение работы Леметра, перевел ее на английский язык в 1931 году и постарался распространить как можно шире. Однако история была жестока к ученому: абзацы статьи, посвященные зависимости между скоростью галактик и расстоянием до них (та самая константа), переведены не были: это может служить объяснением того, что Леметр не стал столь знаменит, как Хаббл!

Тем не менее научное сообщество отнеслось к результатам теоретических исследований с восторгом и признало тот факт, что они прекрасно совпадали с результатами наблюдений. Леметру пришлось вступить в несколько дискуссий, в частности по поводу «космологической постоянной» (см. вставку КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ далее), но скоро его интерес к ней угас: его увлекла квантовая механика, находившаяся в начале своего становления. Как и большинство ученых того времени, он задумался о возможностях и последствиях развития этой области науки. Эта тема породила ожесточенные дебаты, в которых Эйнштейн не принимал активного участия, заняв позицию, и сегодня вызывающую споры.

Заслуга Жоржа Леметра состоит в том, что ему удалось соединить в одно целое теорию (общую теорию относительности) и результаты наблюдений, создав тем самым фундамент современной космологии. Однако каким образом следует понимать концепцию «расширяющейся Вселенной»? Общая теория относительности придает этому термину особое значение: речь идет о расширении пространства, но это не то расширение, при котором сдвигаются какие-либо границы или пространство занимает все больше места! На самом деле нет ничего, что можно было бы считать «внешним» по отношению к пространству, и последнее увеличивается, не нарушая ничего, что находилось бы «вовне». Воображение и интуиция не приходят нам на помощь в этой ситуации. К счастью, существует математика, и неевклидова геометрия прекрасно справляется с описанием явления: она интерпретирует расширение как особое свойство кривизны пространства-времени.

++Попробуем уточнить терминологию. Привычная лексика предполагает расширение Вселенной чем-то вроде «увеличения», «расширения» пространства во времени; при этом сами понятия «пространство» и «время» не имеют четкого определения (а точнее, совсем его не имеют) в теории относительности. Таким образом, эти термины не стоит воспринимать буквально, в бытовом смысле, – они скорее служат для интуитивного описания процесса, который на самом деле имеет вполне четкие характеристики (см. «Слои Вселенной» в главе 2). В процессе расширения галактики остаются «привязаны» к пространству: они неподвижны относительно него, но их увлекает расширение пространства, и взаимное удаление небесных тел постоянно растет. С чем это можно сравнить? Галактики похожи на изюмины в пекущемся хлебе или на звездочки, нарисованные на поверхности надуваемого воздушного шарика. Конечно, все эти аналогии обманчивы, поскольку расширение происходит не в некоей «иной среде», которая была бы «внешней» относительно пространства.

В реальности галактики не привязаны жестким образом к определенному месту пространства. Та или иная галактика, притянутая соседками или скоплением галактик, начинает собственное отдельное движение, накладывающееся на процесс расширения, и это усложняет космологический анализ.

ПОСТОЯННАЯ ХАББЛА

Расстояние, разделяющее некие две галактики, увлекаемые процессом расширения, постоянно растет. И наша собственная галактика, естественно, тоже подвержена этому явлению: все другие галактики удаляются от нас (все в равной степени), и расстояние увеличивается все быстрее по мере удаления. Это увеличение представляет собой скорость расширения, которая лежит в основе спектральных смещений, описанных в предыдущей главе. Следует при этом помнить, что космическое расширение не имеет центра: конечно, все галактики удаляются от нашей, но удаляются при этом точно так же, как любая другая галактики, выбранная наугад! Еще одно доказательство того, что наглядно это расширение представить себе практически невозможно.

Закон Хаббла гласит, что наблюдаемая скорость разбегания галактик равна расстоянию до нашей галактики, умноженному на коэффициент пропорциональности. «Актуальный коэффициент расширения» Вселенной представляет собой постоянная Хаббла (V = H0D).

Жорж Леметр и Эдвин Хаббл дали в своих статьях оценку постоянной, однако позднее оказалось, что ее значение почти в десять раз больше. Астрономам понадобился почти век, чтобы с помощью все более мощных и совершенных телескопов получить значения H0 с точностью до нескольких единиц процента. Недавние измерения, выполненные с помощью орбитальных телескопов, позволили определить значение H0, равное примерно 67 километрам в секунду на мегапарсек (парсек – мера расстояния в космосе, около 3,26 светового года: один мегапарсек равен миллиону парсеков). Это значит, что галактика, расположенная в миллионе парсеков от нашей (3,26 миллиона световых лет), удаляется в результате разбегания со скоростью 67 километров в секунду. Галактика, находящаяся на расстоянии десяти миллионов парсеков от нас, удаляется в десять раз быстрее, то есть со скоростью 670 километров в секунду, и так далее (однако закон усложняется для очень больших расстояний).

В начале 1930-х годов прошлого века, после создания новых уравнений теории относительности, Жорж Леметр продолжил работу в области космологии. Он понимал, что расширение Вселенной предполагает снижение плотности и температуры ее содержимого. Получалось, что в далеком прошлом содержимое было более плотным и горячим. То есть, если повернуть время вспять, можно было бы увидеть галактики сближающимися друг с другом вплоть до полного слияния, слипание вначале молекул друг с другом, а затем и атомов. Плотность материи Вселенной стала бы такой же, как в атомном ядре! Леметр предположил, что современная Вселенная получилась путем расширения-разрежения некоего исходного очень плотного состояния, которое он назвал «первоначальным атомом». Это же название он дал и своей модели происхождения Вселенной.

Теория «первоначального атома» стала предвестником теории Большого взрыва. В основу теории легла идея существования очень плотного и очень горячего ядра, плотность и температура которого превосходили все известные нам сегодня величины и в котором протекали соответствующие физические процессы. Название «Большой взрыв» появилось позднее, в 1949 году: британский астрофизик Фред Хойл (1915–2001) зло пошутил во время радиопередачи над идеями Леметра. Сам он придерживался противоположных взглядов и отстаивал конкурирующую идею «статичной Вселенной» (см. вставку ИДЕЯ СТАТИЧНОЙ ВСЕЛЕННОЙ). Однако название понравилось широкой публике, и с тех пор идея Леметра получила новое название!

Основная идея теории Большого взрыва проста: если материя неизменна во Вселенной (не возникает и не исчезает самопроизвольно), то ее изначальное количество распространяется во все возрастающем объеме в результате разбегания (рассеивания). Согласно известным физическим законам, это рассеяние материи сопровождается все бо́льшим охлаждением. Плотность и температура (средние) Вселенной продолжают снижаться, и она не всегда выглядела так, как сегодня. У Вселенной есть история, она прошла настоящую эволюцию! В наши дни это уже стало очевидным, однако научное сообщество долго сопротивлялось идеям Леметра. Эйнштейну тоже не нравилась концепция «первоначального атома», от которого якобы началась история Вселенной: он полагал, что все это слишком похоже на божественную идею «сотворения мира» (хотя Леметр, напомним, священник, всегда подчеркивал, и обоснованно, что его теория не предусматривала никакого «сотворения»).

Эти базовые теории четко определили программу развития космологии с 30-х годов ХХ века: первичной задачей науки стало детальное воссоздание истории Вселенной, начиная с периода максимальной плотности до сегодняшних галактик.

ИДЕЯ СТАТИЧНОЙ ВСЕЛЕННОЙ

Астрофизики Фред Хойл, Томас Голд (1920–2004) и Герман Бонди (1919–2005) предложили альтернативное решение в 1948 году. В двух статьях (одну написали Бонди и Голд, другую – Хойл) они дали описание своей априори парадоксальной модели «расширяющейся Вселенной, рассматриваемой как статичная». Эта модель была основана на универсализации признанного всеми космологического принципа, который гласит: если рассматривать Вселенную в достаточно большом масштабе, окажется, что она обладает одинаковыми свойствами по всем направлениям, в каком бы ее месте ни находился наблюдатель. «Уточненный космологический принцип», предложенный Бонди, Голдом и Хойлом, пошел даже дальше: в него было добавлено, что перемещающиеся наблюдатели не смогут обнаружить никаких изменений в глобальных характеристиках Вселенной, она останется в целом точно такой же в любой момент своей эволюции. Иначе говоря, в этой модели у Вселенной нет истории, она всегда неизменна, «без возраста».

Идея, конечно, была весьма соблазнительной, так как возрождала миф о вечной и неизменной Вселенной. Однако, судя по всему, она изначально была неверной и не имела шансов победить в соревновании с идеей расширяющейся Вселенной, распространявшейся с начала 1930-х годов. Астрономы видели это собственными глазами – расширение предполагает рассеивание и охлаждение материи, то есть изменения непрерывны и неизбежны. Как можно было продвигать теорию, противоречащую наблюдениям?

Тем не менее Бонди, Голд и Хойл предложили весьма оригинальное объяснение наблюдавшимся явлениям: постоянное создание новой материи. Если материя постоянно образуется, в пропорциях, компенсирующих рассеяние, вызванное расширением, плотность остается неизменной и Вселенная сохраняет прежние глобальные свойства. Из этой новообразованной материи, согласно гипотезе, постепенно формировались новые галактики.

Расчеты Бонди и Голда показали: чтобы сохранить постоянную плотность материи во Вселенной, достаточно было бы возникновения одного атома на кубический метр каждый миллиард лет. Подобное «разумное создание» не казалось таким уж абсурдным… Во всяком случае, теория стационарной Вселенной одно время даже пользовалась признанием. К тому же модель Большого взрыва в то время испытывала большие трудности из-за проблем с определением возраста Вселенной.

Но все-таки эта теория не смогла утвердиться: более точные астрономические наблюдения показывали со все возрастающей ясностью, что Вселенная действительно эволюционирует. В 1950-х годах исследования радиосигналов, выполненные британским радиоастрономом Мартином Райлом (1918–1984), лауреатом Нобелевской премии по физике 1974 года, полностью зачеркнули идею статичной Вселенной. К тому же новые аргументы в пользу Большого взрыва пришли и из ядерной физики, которая как раз начала бурно развиваться: Фреду Хойлу пришлось все-таки признать в 1964 году, что стационарная модель оказалась неспособна объяснить обилие атомов гелия во Вселенной, в то время как оно было совершенно натурально для процесса «первичного нуклеосинтеза», предсказанного теорией Большого взрыва. И наконец, год спустя модели «стационарной Вселенной» были навсегда отброшены после открытия реликтового излучения (см. главу 6).

Если следовать рассуждениям Жоржа Леметра, в очень далеком прошлом все космические размеры должны были быть чрезвычайно крошечными, а плотность и температура – огромными. До такой степени, что в некоторый момент расстояния между отдельными составляющими были практически равны нулю, а плотность и температура стремились к бесконечности! Именно это экстремальное состояние и было названо «Большим взрывом», поскольку оно создает впечатление (тем не менее совершенно обманчивое), что Вселенная возникла внезапно, «взорвавшись».

Чем глубже мы погружаемся в прошлое, тем более свойства этого первичного универсума (высочайшая плотность и температура) предполагают существование явлений, весьма далеких от описанных в классической физике. В определенный момент прошлого физические законы утрачивают способность объяснять протекавшие процессы: «особые условия» предопределяют существование квантовых взаимодействий, как предсказывал Жорж Леметр. Современная наука способна вполне адекватно описывать процессы, происходящие на уровне атомов и микрочастиц, но она не может описать явления, которые разворачивались на фоне интенсивнейшей гравитации, царившей в универсуме вследствие крайне высокой концентрации материи: сегодняшние физические законы не применимы к тем особенным условиям. Наиболее ранний этап формирования Вселенной, который можно объяснить теоретически, получил название Планковская эпоха в честь немецкого физика Макса Планка (1858–1947), основоположника квантовой физики, совершившей вторую научную революцию ХХ века, сразу после переворота, сделанного общей теорией относительности. Состояние Вселенной до Планковской эпохи остается неизвестным, так как не поддается современным теоретическим объяснениям. (А что касается квантовой физики, то в 30-х годах ХХ века она стала самой популярной темой научных дискуссий, отодвинув немного в сторону космологию; увлекся ею и Эйнштейн.)

Модели Большого взрыва показывают, что от Планковской эпохи нас отделяет временной отрезок tU. Мы очень мало знаем об этом периоде развития Вселенной, но совершенно ясно, что он был ни на что не похожим, воистину особенным: Вселенная начала существование в ее современной форме только по его окончании, поэтому ее возраст считают равным этому отрезку tU.

Большинство моделей предполагают, что величина tU должна быть того же порядка, как и величина tH, обратная постоянной Хаббла, то есть чуть больше, чем десять миллиардов лет. Данные о составе Вселенной и геометрии пространства-времени, собранные во время астрономических наблюдений, показывают, что значение tU равно примерно 13,8 миллиарда лет. Но внимание! Это не значит, что Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад! На самом деле мы не знаем, что происходило в до-Планковскую эпоху и как долго она продолжалась.

Сегодня ученые могут узнать с помощью самых разных методов возраст некоторых объектов во Вселенной. Возраст самых древних – некоторых звезд и звездных скоплений – астрофизики оценивают в 12 миллиардов лет, то есть весьма близко к tU.

Этот результат имеет решающее значение, поскольку теория Большого взрыва на сегодняшний день является единственным способом объяснить, почему возраст небесных тел имеет предел. До сих пор не было выдвинуто ни одной гипотезы, которая могла бы объяснить это явление иными причинами, поэтому именно возраст значит так много для подтверждения правоты теории Большого взрыва.

Центральная идея теории Жоржа Леметра, предполагающая, что Вселенная невероятно изменилась со времен своей юности, не сразу завоевала научное сообщество. Поначалу физики отвергали ее или в лучшем случае принимали с прохладцей: при этом многие из них интересовались новым направлением науки – квантовой физикой. Как уже упоминалось, даже Эйнштейн без энтузиазма воспринимал концепцию «первоначального атома», поскольку она походила на «сотворение мира»! К тому же сама идея концентрации Вселенной в одной точке бесконечной плотности казалась ему абсурдной с физической точки зрения.

Теория Леметра не находила признания еще и потому, что она казалась противоречащей всем известным фактам: если бы ученые полагались на ее выкладки, измерения космического расширения в 1929 году привели бы к оценке возраста Вселенной в менее чем два миллиарда лет. Однако в то время геофизики оценивали возраст Земли в шесть миллиардов лет (сегодня эта величина скорректирована до 4,54 миллиарда лет), а звезд… аж в тысячу миллиардов лет! Получалось, что Вселенная была заполнена телами намного старше ее самой, и, натурально, теорию Леметра игнорировали. Это объясняет и тот факт, что значительная часть научного сообщества склонялась на сторону конкурирующей теории «стационарной Вселенной» (похоже, что и Эйнштейн склонялся к этой гипотезе с 1931 года, однако быстро ее отбросил, не опубликовав ни слова на этот счет).

«ЕСТЬ ДВЕ БЕСКОНЕЧНЫЕ ВЕЩИ – ВСЕЛЕННАЯ И ЧЕЛОВЕЧЕСКАЯ ГЛУПОСТЬ. ВПРОЧЕМ, НАСЧЕТ ВСЕЛЕННОЙ Я НЕ УВЕРЕН».

Альберт Эйнштейн

Несмотря на явный провал, Леметр и некоторые другие сторонники Большого взрыва продолжали считать именно эту гипотезу правильной: к тому же кто бы мог подтвердить, что измерения 1929 года были выполнены корректно? И действительно, оказалось, что прав Леметр: ведь позднее, в 1952 году, первые оценки возраста Вселенной вновь оказались совершенно ошибочными. Когда ошибка была исправлена, выяснилось, что Вселенной около 14 миллиардов лет. Теория Большого взрыва вновь стала не только приемлемой, но вообще чрезвычайно удобной, поскольку возраст космоса совпал с возрастом древнейших звезд. Модели статичной Вселенной (и другие альтернативные Большому взрыву гипотезы) оказались неспособны объяснить подобный результат.

В 30-х годах ХХ века ядерная физика, предметом которой стала структура атомов и ядерные реакции, была совсем молодой областью знания и активно развивалась. Один из ее создателей, американский физик русского происхождения Георгий Гамов (1904–1968), с удивлением обнаружил, что различные атомы, существующие на Земле, распределены примерно в одинаковых пропорциях по всей Вселенной. Он предположил сначала, что все химические элементы возникли в результате ядерных реакций внутри звезд и потом распространились повсюду.

Однако в 1940-х годах Гамов понял, что так не могло быть со всеми элементами, и изменил гипотезу: воспользовавшись теорией Леметра, он установил вместе с коллегами Ральфом Алфером и Робертом Херманом, что некоторые из элементов могли возникнуть ранее, на первичной стадии развития Вселенной. На самом деле экстремальные плотность и температура, сопровождавшие зарождение Вселенной, представляли собой идеальные условия для запуска ядерных реакций! Алфер назвал илемом (илем – древнегреческое название первичной материи) «первичный бульон» из конденсированной материи, который заполнял тогда всю Вселенную. Он просто вспомнил имя, придуманное Аристотелем для «фундаментальной субстанции», из которой образовалась вся материя… Во всяком случае, идея возродила интерес научного сообщества к космологии. Статья, в которой были изложены основы «первичного нуклеосинтеза» (синтез атомов в юной Вселенной), вышла 1 апреля 1948 года. Гамов обладал очень ярким чувством юмора и назвал статью «Альфа Бета Гамма», по первым буквам фамилий авторов: Ральфа Алфера, Ханса Бете и Георгия Гамова. На самом деле Бете не принимал участия в написании статьи, однако Гамов добавил его фамилию в список авторов специально для первоапрельской шутки!

Модель «горячей Вселенной», предложенная Гамовым и его коллегами, вначале не получила широкого признания из-за слишком противоречивых на тот момент оценок возраста Вселенной – «стационарная модель» все еще была более успешной. Однако новые результаты наблюдений поменяли ситуацию: астрономы заметили, что пропорциональное содержание некоторых легких элементов (дейтерий, гелий, литий) носит повсеместный и универсальный характер. То есть эти атомы не могли быть созданы в недрах звезд, но только в условиях сверхплотной и очень горячей субстанции, описываемых теорией Большого взрыва! Предсказанные с помощью теории расчеты отлично совпали с наблюдаемыми результатами. Исследователи пришли к выводу, что иные атомные ядра образовались в недрах звезд, в процессе «звездного нуклеосинтеза». Однако показателей распределения легких атомов вполне хватило для подтверждения гипотезы Большого взрыва.

Гипотеза о первичном ядерном синтезе имеет и другое следствие, не менее важное: если он действительно имел место, как вытекает из теории Большого взрыва, отсюда следует вывод о существовании не более чем четырех семейств элементарных частиц, соответствующих довольно простым критериям. Этот вывод имел большое значение для физики, поскольку специалисты по элементарным частицам в то время предполагали существование около сотни различных частиц! Если попытаться сформулировать его кратко, то можно сказать, что различные семейства частиц были в некотором роде «аналогичны друг другу»: каждое из них состояло из одного и того же количества частиц, различающихся исключительно массой. К примеру, электрон (первое семейство) имеет более массивный аналог (именуемый мюоном) во втором семействе и еще более массивный (именуемый тау-лептоном или таоном) в третьем. Обычная материя (из которой состоят наши тела, планеты, звезды) состоит из частиц первого семейства, к которому принадлежат электроны: частицы других семейств нестабильны.

В 1989 году эксперименты, поставленные на Большом электрон-позитронном коллайдере, огромном ускорителе Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), установленном недалеко от Женевы, смогли подтвердить гипотезу первичного ядерного синтеза. Эксперименты наконец показали, что существуют только три семейства элементарных частиц. Это был неоспоримый аргумент в пользу теории Большого взрыва!

Открытие реликтового излучения в 1965 году (см. главу 6) нанесло окончательный удар по теориям, отрицавшим Большой взрыв. Основы современной космологии с тех пор были сформулированы окончательно: она базируется на уравнениях, сформулированных Александром Фридманом и Жоржем Леметром еще в 20-х годах ХХ века.

Однако для самого Большого взрыва также разработано несколько версий, ведь параметры, которые могли бы характеризовать его, во времена Гамова были еще практически не известны (мы знаем о них сегодня гораздо больше, но тоже еще далеко не все).

Одной из главнейших задач для специалистов по космологии было определение версии, наиболее адекватно описывающей реальную Вселенную. Каждая из версий характеризовалась собственной формулой эволюции некоего «коэффициента масштабирования», определяющего космическое расширение: текущая скорость эволюции (логарифмическая производная функции космического времени) отождествляется, например, с постоянной Хаббла. После проведения десятков измерений, точность которых постоянно росла, и ожесточенных споров астрономы смогли оценить как эту константу (примерно 67 километров в секунду на мегапарсек), так и возраст Вселенной (около 13,8 миллиарда лет).

Однако другие параметры, характеризующие наш космос, еще предстоит измерить и даже просто понять. Например, астрономы вполне обоснованно убеждены, что во Вселенной, помимо «обычной» материи, присутствует большое количество невидимой (или темной) материи. Вся эта материя – видимая и невидимая – должна вызывать в соответствии с законами Эйнштейна гравитационное притяжение, которое по идее должно замедлять разбегание Вселенной. Гравитация, которую мы знаем, всегда действует как притяжение: планеты, звезды и галактики притягивают другие небесные тела, но никогда их не отталкивают.

Однако измерения, начатые в конце 90-х годов ХХ века, показывают прямо противоположный результат: расширение Вселенной, кажется, ускоряется! Это подозревали некоторые астрофизики, исследовавшие возраст Вселенной и процессы образования галактик.

Ускорение было предсказано космологической постоянной, введенной Эйнштейном еще в 1917 году; весьма интересным это предположение считал Жорж Леметр (см. вставку ниже). Константа символизирует отталкивающий эффект гравитации, который проявляется только в масштабах целой Вселенной. И все результаты наблюдений (изменения ускорения, к примеру) прекрасно совпадают с предвидением Эйнштейна.

Леметр предполагал, что действие космологической постоянной может быть идентично так называемой энергии вакуума. Эта идея была подхвачена многими исследователями, которые считают, что ускорение может быть вызвано некой субстанцией подобного типа, названной темной энергией (или «странной энергией»). Однако природа этой гипотетической составляющей пока неведома, и ни одна теория даже не предполагает, что это могло бы быть.

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ

Когда Эйнштейн разрабатывал свою первую космологическую модель (в 1917 году), никаких результатов наблюдений, подтверждавших явление расширения Вселенной, еще не существовало, и ученый сам о нем и не подозревал. Однако его уравнения в их первоначальной форме не позволяли рассматривать Вселенную как статичный объект. И Эйнштейн их изменил, введя, помимо гравитационной постоянной Ньютона, вторую фундаментальную вышеупомянутую постоянную. Она получила название космологической, поскольку касалась существования Вселенной в целом и позволяла рассматривать ее как статичную в соответствии с данными наблюдений того времени.

Космическое расширение было открыто в 1920-х годах. Эйнштейн признал свою ошибку (он считал ее самой главной ошибкой своей жизни) и убрал постоянную, которую посчитал бессмысленной. Однако Жорж Леметр продолжал отстаивать ее необходимость, поскольку существование константы позволяло примирить теоретический возраст Вселенной (на самом деле ошибочный) с возрастом Земли (см. выше). Тем не менее его точка зрения не была поддержана в Европе: большинство коллег считали, что постоянная равна нулю, что позволяло отбросить ее за ненадобностью.

Спустя десятилетия результаты наблюдений (особенно те, что касались возраста звезд и формирования галактик) все-таки посеяли сомнения и частично реабилитировали постоянную, пока в последнее десятилетие ХХ века не были получены эффектные данные по очень далеким сверхновым (взрывы звезд). Эти данные и позволили предположить, что расширение Вселенной ускоряется. Согласно известным законам физики, материя и энергия (в форме излучения) могут только замедлять разбегание. Значит, ускорение вызвано некой иной силой, вот только какой?

Космологическая постоянная отлично согласуется с наблюдаемым ускорением расширения. Тем не менее, несмотря на поразительное совпадение, часть физиков отказываются признать существование этой константы. Они предпочитают допускать существование некой экзотической субстанции, которой можно было бы приписать действия по ускорению разбегания. Они называют ее «темной энергией», «квинтэссенцией», «ускорителем» (!), «энергией вакуума»… Выбор широчайший. Хотя гипотеза априори кажется интересной, тем не менее что общего может быть у физики микрочастиц с ускорением расширения? Даже без специальных расчетов естественный порядок величин, характерный для физики микрочастиц, потребовал бы явлений намного большей мощности, чем наблюдаемые в природе: примерно в 10¹²⁰ (1 со 120 нулями) мощнее! Трудно вообразить столь плохо согласующуюся с реальностью гипотезу. Самое удивительное, что некоторые ученые считают это «расхождение» проблемой космологической постоянной, при том что проблема возникает только тогда, когда мы отрицаем существование этой постоянной. Увы, отношения между физикой микрочастиц и космологией порой становятся весьма напряженными.

Должна ли наука вновь ввести постоянную в общую теорию относительности? Вышеприведенные аргументы подсказывают, что да. В этом случае статус Λ (для обозначения постоянной в уравнениях общей теории относительности используют греческую букву Λ, и по этой букве постоянную иногда называют «лямбда-член») стал бы аналогичным статусу других физических постоянных: значение Λ не выводится теоретически, оно может быть только измерено. В данном случае это так и происходит: постоянная на самом деле соответствует космическому ускорению (и совпадает с другими оценками).

Однако что же это означает с физической точки зрения? Согласно теории относительности, содержание Вселенной искривляет пространство-время. Эта константа влечет за собой наличие кривизны даже в абсолютно пустом пространстве-времени, лишенном материи. Еще в 1920-х годах голландский астроном Ситтер предложил модель пространства-времени, обладавшего постоянной не-нулевой кривизной. «Засунув» в подобный универсум материю, мы получаем пространство-время в точности как наше! К тому же модель Ситтера прекрасно совпадает с решением уравнений Эйнштейна для частного случая пространства-времени без материи: пустой универсум с ненулевой космологической постоянной (Ситтер считал ее фундаментальным свойством Вселенной). Она может быть интерпретирована как кривизна (постоянная) пустого пространства-времени.

Кривизна пространства (трехмерного, не путать с четырехмерным пространством-временем, хотя разделение времени и пространства в теории относительности всегда носит искусственный характер!) представляет собой другой параметр, который специалисты по космологии хотели бы оценить с достаточной точностью. Эйнштейн создал модель, в которой пространство имело конечные размеры и положительную кривизну, однако возможны и любые иные решения. Кривизна зависит от того, что находится в этом пространстве, а также от значения уже упомянутой космологической постоянной. Только измерения высочайшей точности (к примеру, диффузного внегалактического фонового излучения) позволяют ее оценить. Сегодняшние данные показывают, что кривизна пространства совсем невелика: некоторые исследователи полагают ее и вовсе равной нулю. Они даже говорят о «плоском универсуме». Однако осторожно, это вовсе не плоское пространство-время (то есть собственно Вселенная), это только плоское пространство! Вселенная не может быть плоской, поскольку в противном случае она бы не могла, помимо прочего, расширяться.

Глава 6
Свет, который летит издалека

Открытие в 60-х годах ХХ века излучения, пронизывающего всю Вселенную, подтвердило правоту сторонников модели Большого взрыва. Его исследование привело к весьма важным выводам.

Поначалу, когда Георгий Гамов предложил свою модель «горячей Вселенной» в 1948 году, гипотеза первичного нуклеосинтеза (то есть ядерного синтеза) столкнулась с рядом трудностей. Наблюдения показывали, что атомы гелия составляют около 24 % всей массы «обычной» материи во Вселенной, а атомы водорода – около 74 % (все остальные элементы входят в оставшиеся 2 %). Однако, согласно первым расчетам, первичный нуклеосинтез должен был бы породить гораздо больше гелия всего за первые несколько минут!

Для объяснения этого казавшегося весьма диким результата Алфер и Херман (коллеги и ученики Гамова) предложили весьма оригинальное решение: первичная Вселенная должна была быть заполнена огромным количеством фотонов – частиц, из которых состоит свет, а точнее, электромагнитное излучение, – они-то замедлили производство гелия. Однако каким образом, хотелось бы уточнить? Во времена первичного нуклеосинтеза материя была достаточно горячей и плотной, и легкие элементы создавались в результате последовательности слияний: сцепившиеся друг с другом протон и нейтрон становились ядром дейтерия, к ним прилеплялась такая же пара, и получалось ядро гелия (два протона + два нейтрона). Алфер и Херман предположили, что бесчисленные столкновения фотонов с ядрами дейтерия могли «мешать» их слиянию, из-за чего гелия было создано несколько меньше, чем могло бы.

Исследователи не остановились на этом в своих рассуждениях. Что случилось с «фотонами-нарушителями», когда плотность и температура снизились и стали недостаточными для слияния атомных ядер? Они не могли никуда исчезнуть и должны были продолжать «болтаться» в космосе, причем и в наши дни тоже! Расширение Вселенной, само собой, должно было «растворять» эти фотоны во все увеличивавшемся объеме. И это еще не все: оно должно было увеличить длину волны каждого из фотонов, снижая постепенно энергию первичного излучения, поскольку энергия фотона пропорциональна обратной величине длины его волны. Или, если сказать по-другому, делая его все менее и менее горячим, поскольку температура газа, или излучения, представляет собой усредненную энергию на одну частицу. Алфер и Херман посчитали, что излучение к настоящему моменту должно было бы иметь слишком большую длину волны, чтобы увидеть его невооруженным глазом.

В 1964 году это предположение было переформулировано сразу несколькими командами ученых: советскими физиками Андреем Дорошкевичем и Игорем Новиковым, американскими физиками Робертом Дикке и Джимом Пиблсом. Американские ученые поспешили провести в Принстонском университете эксперимент по выявлению древних фотонов. К сожалению, их опередили самым неожиданным образом – недалеко от Принстона телефонная компания Bell еще с конца 1950-х годов исследовала помехи спутниковой телефонной связи. Арно Пензиас и Роберт Уилсон, инженеры компании, создали антенну, предназначенную для выявления слабых сигналов, испускаемых спутниками. В 1963 году они решили переделать антенну в радиотелескоп, чтобы улавливать радиоволны, испускаемые звездами и галактиками.

С самого начала наблюдений Пензиас и Уилсон отметили, что во всех результатах присутствует некая постоянная помеха: в каком бы направлении они ни ориентировали антенну, полученный сигнал все время оказывался интенсивнее рассчитанного теоретически. Перепроверили несколько раз оборудование, прогнали голубей, которые свили в антенне гнездышко… но ничего не помогло, помеха продолжала упорно появляться на всех записях. Наконец они поняли (не без помощи некоторых коллег), что стоят на пороге великого открытия.

О своем открытии Пензиас и Уилсон официально объявили в статье, опубликованной в 1965 году. Однако объяснение феномену дали ученые из Принстона: это было то самое электромагнитное излучение, возникшее на стадии горячей и плотной юной Вселенной. Научное сообщество признало правоту теории Большого взрыва, поскольку только она смогла объяснить (и ее сторонники давно искали именно это доказательство) существование подобного реликтового излучения! Это открытие принесло Пензиасу и Уилсону Нобелевскую премию в 1978 году.

Наблюдения ученых установили, что каждый литр объема современной Вселенной содержит около 420 тысяч реликтовых фотонов. Это число может показаться гигантским, однако для сравнения можно напомнить, что каждый литр космического пространства на земной орбите на «дневной стороне» нашей планеты содержит около 4000 миллиардов фотонов, испущенных Солнцем.

Вернемся мысленно к плотной и горячей фазе формирования Вселенной, чтобы понять причины появления реликтового излучения. На этом этапе формирования Вселенной вся материя была ионизирована: того, что мы сегодня именуем атомами, попросту еще не существовало (то есть атомных ядер, к которым привязаны окружающие их электроны), заряженные частицы свободно циркулировали. Это были протоны (зачатки ядер водорода, некоторое количество ионизированных ядер будущих атомов гелия) и свободные электроны. Среда была переполнена энергией, бесконечно происходили соударения между чрезвычайно энергичными фотонами и остальной материей: стоило только электрону присоединиться к какому-нибудь ядру и сформировать первичный атом, как его немедленно атаковал фотон.

В свою очередь фотоны постоянно сталкивались не с нейтральными, а электрически заряженными электронами и ядрами протоатомов. Эти столкновения меняли направление их движения и изменяли их энергию: шел процесс «диффузии», рассеяния фотонов, похожий на тот, что происходит в тумане, когда свет отражается мириадами крошечных капелек воды. Результат был аналогичным – лучи света не могли распространяться свободно, ничего не было видно, среда была непрозрачна (хоть и заполнена электромагнитным излучением – немного похоже на то, как это происходит внутри Солнца).

Итак, первичная Вселенная была совершенно непрозрачна (обладала свойствами абсолютно черного тела), и ни один наблюдатель не смог бы и надеяться увидеть в ней хоть что-нибудь, сколько бы ни светил туда или ни пытался поймать исходящий луч света. Однако по мере расширения Вселенной шли процессы инфляции и охлаждения: снижение плотности и температуры изменило ситуацию. Соударения фотонов с материей становились все более редкими. Когда их количество уменьшилось, протоны смогли начать формировать устойчивые соединения с электронами, началось образование первых атомов водорода. Эта фаза называется фазой рекомбинации (между ядрами и электронами). Она завершила стадию непрозрачной, черной Вселенной. Фотоны активно взаимодействовали с ионизированной, электрически заряженной материей до рекомбинации атомов, но с атомами они перестали реагировать из-за их нейтральности, отсутствия у них электрического заряда. Когда основная масса материи предстала в форме нейтральных атомов водорода, реликтовые фотоны смогли начать свободно перемещаться, без столкновений. В этот момент Вселенная стала прозрачной.

Фаза рекомбинации закончилась 380 тысяч лет спустя после окончания первичного нуклеосинтеза (чуть раньше, чем 13 миллиардов лет назад). Материя начала долгий процесс концентрации под влиянием гравитации (фаза получила название гравитационной нестабильности), что привело к появлению звезд и галактик; первичные же фотоны продолжили распространяться, почти не встречая на своем пути препятствий. Они и представляют собой то самое реликтовое фоновое излучение, открытое Пензиасом и Уилсоном. Реликтовое излучение подтверждает существование той отдаленной эпохи, когда формировалась Вселенная, это ископаемое наследство времен ее юности. Его детальное исследование позволило ученым сделать множество открытий.

В ту эпоху, когда фоновое излучение наконец получило свободу, Вселенная все еще представляла собой раскаленный «суп», находившийся в термодинамическом равновесии при очень высокой температуре, как в разогретой донельзя печи. А законы физики утверждают однозначно, что излучение, испускаемое раскаленным объектом, обладает одним весьма существенным свойством: его цвет (а точнее, распределение длин волн, именуемое спектром) и интенсивность зависят только от температуры объекта, который излучает!

Излучение всегда состоит из фотонов с различной длиной волны. Спектр показывает пропорциональное соотношение фотонов (и, как следствие, интенсивность излучения) в зависимости от длины волны.

Если излучение испускается в условиях термодинамического равновесия, его спектр имеет весьма характерную и известную форму в виде «колокола», называемую спектром черного тела. Максимум интенсивности характерен для длин волн (то есть цвета), зависящих только от температуры излучающего объекта (см. ниже); мы вернулись к тому же самому…

Чем выше температура, тем меньше длина волны, расположенной в максимуме кривой (она обратно пропорциональна температуре). Чем выше температура, тем заметнее спектр смещается к более коротким волнам, то есть к волнам с более высоким уровнем энергии (от красного к синему для случая волн видимого диапазона).

В эпоху рекомбинации температура Вселенной приближалась к 3000 К. Кельвин (К) – абсолютная мера измерения температуры, в отличие от относительных мер, выражаемых в градусах. Значение в 0 К означает абсолютный ноль (тот самый, что равен минус 273,15 °C), самую низкую температуру, какую только можно вообразить, соответствующую состоянию – в реальности недостижимому, – в котором атомы становятся абсолютно неподвижны. Выше абсолютного нуля изменение в 1 кельвин соответствует 1 °C (то есть + 273,15 K = 0 °C).

Реликтовое фоновое излучение образовалось при температуре в 3000 К. Это соответствует максимуму интенсивности для длины волны около одного микрона, характерной для видимого красного света. Постепенно расширение Вселенной «охладило» излучение, увеличив длину волны каждого из фотонов: сегодня она равна примерно миллиметру, что соответствует длине микрорадиоволн. Поэтому американцы и англичане называют излучение Cosmic Microwave Background (CMB, микроволновое фоновое излучение). Температура его снизилась до 2,735 K.

Чтобы доказать, что фоновое реликтовое излучение имело «спектр черного тела», потребовалось время. Пензиас и Уилсон наблюдали его уже с измененной длиной волны, недостаточной для определения изначального спектра. Лишь некоторые другие измерения позволили получить результаты, способствовавшие формированию представлений о первичном спектральном составе излучения. Однако для корректного анализа всего спектра пришлось выйти за пределы земной атмосферы, поглощающей значительную часть микроволновых излучений. Для окончательного решения задачи в 1988 году НАСА запустило спутник COBE (Cоsmic Background Explorer). Уже в 1989 году он показал, что данные фонового излучения с поразительной точностью совпадали с теоретическими расчетами для черного тела. Температура его равнялась около 2,73 К, вне зависимости от направления наблюдения. Больше никаких гипотез ученые не выдвигали: подтверждение теории было чрезвычайно убедительным.

ОТ COBE ДО «ПЛАНКА»: ВСЯКИЙ РАЗ ВСЕ БОЛЬШЕ ПОДРОБНОСТЕЙ

Американский спутник СОВЕ стал также пионером в наблюдении микроскопических анизотропий (изменений температуры в зависимости от расположения участка измерения в космосе) в фоновом космическом излучении. Результаты измерений были обнародованы в 1992 году и произвели сенсацию, принеся Джорджу Смуту и Джону Мазеру, руководителям проекта, Нобелевскую премию по физике 2006 года. Однако картина космического излучения оставалась по-прежнему не очень ясной, поскольку спутник COBE не мог выявить картину с точностью более чем 7° между направлениями наблюдения. Точный космологический результат получить было затруднительно. В следующем десятилетии было запущено несколько проектов, направленных на детальное исследование фонового излучения. В эксперименте BOOMERanG (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), к примеру, был использован телескоп, установленный на воздушном шаре. В 1999 году он измерил анизотропию фонового излучения с шагом в один градус, правда на довольно узком участке небесного свода. Зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), отправленный НАСА в 2001 году в стратосферу, был более успешен. К 2003 году ему удалось создать полные карты неба, причем для пяти разных длин волн, с шагом всего в 20 угловых минут (треть градуса). Наконец ученые получили ясную и четкую картину фонового излучения!

Третий спутник, произведший масштабные исследования фонового реликтового излучения, получил имя Планка в честь великого немецкого физика. Спутник был запущен в космос Европейским космическим агентством в мае 2009 года и предназначался для получения окончательных, уточняющих картину результатов. В марте 2013 года он прислал на Землю результаты в три раза более точные, чем предшественник, и по девяти различным длинам волн. Эти уточняющие данные позволили скорректировать значения многих космологических параметров. К примеру, возраст Вселенной (почти 13,8 миллиарда лет, чуть старше, чем ранее предполагалось), значение постоянной Хаббла (примерно 67,8 километра в секунду на мегапарсек). Анализ карт, созданных «Планком», до сих пор еще не завершен, но в совокупности с результатами других экспериментов он должен принести нам дополнительные знания. В частности, космологи (и остальные физики) с нетерпением ждут данных о гравитационных волнах (см. главу 8), которые могли образоваться на самой начальной стадии истории Вселенной.

Фотоны реликтового фонового излучения практически не взаимодействовали с материей с момента начала излучения. Поэтому они дают нам картину состояния Вселенной в эпоху рекомбинации. Поскольку к тому моменту еще не могли сформироваться звезды и галактики, «суп» из материи и излучения был весьма однородным. Теория гласит, что реликтовое излучение должно быть совершенно изотропным, то есть его температура и спектр должны быть одинаковы по всему небесному своду. Данное свойство излучения было проверено с большой точностью, примерно до одной стотысячной процента (0,001 %)! Это значит, что физические условия были одинаковы по всем направлениям пространства в эпоху рекомбинации. В очередной раз получается, что только теория Большого взрыва может объяснить существование подобного уровня гомогенности и изотропности.

Однако однородность реликтового излучения не так легко выявить, даже наблюдая его в космосе. Прежде всего следует учитывать, что все движется: Земля вращается вокруг Солнца, оно в свою очередь движется относительно центра галактики, а последняя движется в собственном направлении. В результате возникает эффект смещения, и излучение смещается в «синюю» часть спектра (в область более высоких энергий) по направлению нашего движения и в «красную» (в область более низких энергий) в противоположном направлении. Этот эффект (называемый дипольным) измерен достаточно точно и получил внятное объяснение. Он позволяет вычислить скорость, с которой мы перемещаемся по Вселенной! После измерения и отбрасывания составляющей движения остаются еще всевозможные посторонние влияния, которые необходимо идентифицировать: микроволновые излучения, испускаемые различными небесными телами, накладываются на реликтовое излучение и создают помехи для получения результатов наблюдений. Астрономам приходится идентифицировать их и удалять самым тщательным образом. Это не так просто, как кажется, однако астрономы полагают, что им уже удалось справиться с проблемами.

Это очень важно, поскольку на самом деле теория Большого взрыва не предполагает абсолютной однородности Вселенной: реликтовое излучение может быть почти изотропным, но не совсем! Вселенная не могла быть идеально однородной в эпоху рекомбинации (соответственно, и реликтовое фоновое излучение тоже), без малейших колебаний плотности. На самом деле, если бы все было идеально, материя и не смогла бы никогда (вследствие совершенства) начать процесс конденсации. А именно этот процесс (меняющейся гравитации) стал основой для постепенного создания галактик и звезд. Для его запуска было совершенно необходимо, чтобы небольшие неоднородности существовали еще на стадии рекомбинации.

Теория, таким образом, предполагает, что некоторые участки космоса могут быть теплее, чем другие, на карте реликтового излучения. И это было подтверждено наблюдениями: вначале данными со спутника COBE (см. вставку ОТ COBE ДО «ПЛАНКА»: ВСЯКИЙ РАЗ ВСЕ БОЛЬШЕ ПОДРОБНОСТЕЙ), затем уже более точными данными, полученными в более поздних проектах: температура реликтового излучения может варьировать между разными областями космоса примерно на одну тысячную градуса! Эта анизотропия наблюдается в полном соответствии с теорией Большого взрыва, ей отвечают и значения, и статистическое распределение. Еще одно, дополнительное подтверждение правоты теории. Оно сообщает нам о том, что существовали некие «флуктуации» материи, которые легли в основу космических структур будущего.

Скрупулезное исследование слабой анизотропии привело к потрясающим результатам. Ее распределение рассказало не только о существовании флуктуаций материи в эпоху рекомбинации, но и о глобальной геометрии пространства-времени: изучение анизотропии дало ученым в руки новый инструмент для измерения параметров этой геометрии.

В сочетании с другими данными она позволила точно определить различные характеристики Вселенной. Поскольку распространение световых лучей (космическая оптика) зависит от геометрии пространства-времени, любой отдаленный объект, а также та или иная область реликтового излучения могут быть деформированы, увеличены, уменьшены, усилены… в соответствии с кривизной! Детали распределения анизотропии показывают, к примеру, что наше пространство имеет очень небольшую, почти нулевую кривизну (это называется «плоским универсумом»), хотя теоретически возможно было бы любое значение кривизны.

Наблюдение за анизотропией реликтового излучения рассказывает исследователям многое и о наполнении Вселенной. Ее свойства зависят от общего количества и свойств совокупности материя-энергия.

Ведь именно она порождает кривизну (геометрию) пространства-времени, в соответствии с уравнениями Эйнштейна. Отсюда, к примеру, можно вывести среднюю плотность материи (видимой и невидимой вместе); плотность барионной составляющей, то есть обыкновенной материи; существование космологической постоянной… Все это согласуется с данными, которые нам дают другие наблюдения. Это подвигло космологов назвать модель Большого взрыва «согласованной моделью».

Анализ анизотропии позволяет также проверить различные теории, объясняющие процессы формирования космических структур (галактик и их скоплений). Наконец, некоторые особенности, запечатленные в реликтовом излучении, позволяют воссоздать ряд процессов, предшествовавших рекомбинации и оставивших слабые следы. Суммируя, можно сказать, что фоновое излучение раскрыло далеко еще не все свои тайны!

Глава 7
Как теория относительности проявляет себя в космосе

Когда мы имеем дело с мощным гравитационным полем, тут-то и становятся необходимы оригинальные выкладки теории относительности, проявляется ее отличие от ньютоновской физики. А некоторые небесные тела и астрофизические явления дают ей возможность показать себя в полном блеске.

Очень массивные звезды (те, чья масса больше чем в восемь раз превосходит массу Солнца) заканчивают свою жизнь весьма бурно. Когда они исчерпывают запасы ядерного топлива, их ядро схлопывается под действием гравитации, а внешние слои отлетают в окружающее пространство на огромной скорости, равной как минимум одной десятой скорости света!

Это явление получило название взрыв сверхновой – ведь гибнущая звезда может испускать сияние, по мощности сравнимое с излучением целой галактики…

После взрыва иногда сохраняется странный объект, именуемый нейтронной звездой. Он очень маленький (от 10 до 20 километров в диаметре), но при этом массивный (между 1,4 и 3,2 массы Солнца), а плотность его практически равна плотности в ядре атома: более 100 миллионов тонн на кубический сантиметр! Эта звезда состоит преимущественно из нейтронов, удерживаемых вместе гравитацией, и на самом деле никакой звездой не является, поскольку внутри нее не происходят ядерные реакции.

Нейтронная звезда, обладая массой нескольких солнц и размерами большого города, создает мощнейшее гравитационное поле. В окрестностях этого объекта деформация геометрии пространства-времени как минимум в 10 тысяч раз превышает кривизну, вызванную Солнцем! Таким образом, во Вселенной существуют уголки, где можно наблюдать специфические эффекты теории относительности во всей красе.

Однако как обнаружить столь небольшие объекты, удаленные от нас на внушительные расстояния, измеряемые миллионами световых лет? Оказалось, что труд астрономов может облегчить одно необычное свойство этих удивительных космических образований. Нейтронная звезда обладает мощнейшим электромагнитным полем и после взрыва, в результате которого она образовалась, очень быстро вращается вокруг своей оси; похоже на спятивший волчок: скорость составляет от одного до сотни оборотов в секунду, и иногда этот «спятивший волчок» крутится даже быстрее! Кроме того, сильно намагниченная нейтронная звезда испускает узкий пучок электромагнитного излучения (в диапазоне радио) в направлении вращения – это немножко похоже на луч вращающегося прожектора. Если расположение звезды удачное, то развертка луча (благодаря вращению звезды) периодически достигает Земли. Наблюдатель на Земле видит пульсирующее излучение, период которого равен периоду вращения объекта, – как свет от далекого маяка в море. Из-за этого своего свойства нейтронная звезда называется еще пульсар, сокращенно от английского pulsating radio source («пульсирующий источник радиоизлучения»). Самый первый представитель этого вида небесных тел был обнаружен в 1967 году британским астрофизиком Джоселин Белл; сейчас их известно около двух тысяч.

Нейтронные звезды не всегда одиноки: астрономы с 1974 года открыли некоторое количество двойных пульсаров. Это достаточно «тесные пары», в которых два объекта обращаются друг вокруг друга всего за несколько часов. Бинарные системы создают выдающуюся возможность наблюдать некоторые эффекты теории относительности. Еще раз, как в истории с Меркурием, ученые столкнулись с феноменом прецессии орбит. Напомним, что прецессия перигелия Меркурия (перемещение оси его орбиты вокруг Солнца) оказалась больше, чем предсказывала ньютоновская физика, и превышала расчетное значение на 43 угловые секунды за столетие, что как раз объясняла теория Эйнштейна.

Интенсивность гравитационного поля пульсаров значительно выше, поэтому у них прецессии существенно больше. Например, у первого же открытого двойного пульсара (и самого изученного на настоящий момент) прецессия более 4 градусов в год! У некоторых двойных пульсаров она превосходит и 10 градусов в год. В очередной раз результаты астрономических наблюдений подтвердили предсказания теории относительности. В то же время наблюдения за двойным пульсаром, открытым в 1974 году американцами Расселом Халсом и Джозефом Тейлором, впервые косвенно подтвердили существование гравитационных волн, предсказанных Эйнштейном, – непосредственно они были зарегистрированы только в 2015 году (см. главу 8).

В конце XVIII века ученыеначали задавать себе вопрос (исходя из положений теорий Ньютона), существуют ли небесные тела столь массивные, что они были бы способны удерживать свет, испускаемый ими. Англичанин Джон Мичелл (1724–1793) и француз Пьер-Симон Лаплас (1749–1827) обнаружили независимо друг от друга и с разницей в несколько лет, что подобные «черные тела» должны быть в сотни раз массивнее Солнца.

Позднее, после 1915 года, общая теория относительности предоставила новые данные для изучения этой проблемы и исследования поведения света в очень мощном гравитационном поле. В 1916 году немецкий физик Карл Шварцшильд предсказал, что, если масса звезды заключена в достаточно небольшом объеме, она становится очень плотной и деформирует геометрию пространства-времени, причем до такой степени, что может образоваться ситуация, когда ни один луч света не сможет вырваться наружу. Вдобавок любое тело, оказывающееся поблизости от этой «темной звезды», немедленно притягивается к ней за счет огромной гравитации и не может больше вырваться. Именно поэтому небесное тело, которое невозможно увидеть, прозвали черной дырой. Термин распространился благодаря американскому физику Джону Уилеру (1911–2008) к концу 60-х годов ХХ века.

Ничто не может препятствовать погружению материи в сердце черной дыры: она стремится сконцентрироваться в точке кажущейся бесконечной плотности, именуемой сингулярностью. Идея кажется совершенно удивительной… В черной дыре деформация пространства-времени достигает такой степени, что точка сингулярности оказывается окружена неким горизонтом, невидимой границей, из-за которой уже ничто не может вырваться, даже свет. Этот горизонт событий отделяет черную дыру от остальной Вселенной; снаружи мы не можем ничего узнать о том, что происходит внутри, и пересекающий горизонт навеки обрекает себя на невозможность выйти наружу.

Представление о том, что некая физическая количественная характеристика может достигать бесконечности (как, например, плотность материи в черной дыре), не нравилась Эйнштейну. По его мнению, подобное явление не могло быть физической реальностью. Это, с его точки зрения, скорее свидетельствовало об ошибках в теории. И сегодня значительное количество физиков полагают, что он был прав. Если принять во внимание «квантовые эффекты», вполне может получиться, что никакой сингулярности не существует; излучение может вырываться из дыры или по крайней мере создавать такое впечатление в соответствии с определяемыми как раз квантовой физикой закономерностями некоего процесса, существование которого предполагал Стивен Хокинг (1942–2018). В конце концов, черная дыра с точки зрения строгой теории (то есть классических положений общей теории относительности) вообще существовать не должна. Пока эти объекты остаются предметом умозрительных спекуляций и ожесточенных споров, а также весьма интенсивных исследований. Многие физики считают, что правильно описать подобные объекты, которые сочетают в себе одновременные проявления гравитации и квантовых эффектов, возможно только путем создания специальной теории квантовой гравитации. Увы, на сегодняшний день она все еще не существует.

После десятилетий споров большинство астрофизиков убеждены, что черные дыры существуют на самом деле (несмотря на то что существование этих объектов не было предсказано и не вписывалось в общую теорию относительности). Конечно, наблюдать черные дыры непосредственно невозможно.

Тем временем астрономы обнаружили также источники очень мощного излучения в рентгеновском диапазоне. Явление выглядело, как «напоминание о себе» черной дыры (невидимой, конечно) с массой звезды (то есть примерно такой же, как большинство звезд), поглощающей соседнюю обычную звезду. Совсем недавно существование черных дыр этого типа было весьма наглядно подтверждено фактом обнаружения гравитационных волн (см. следующую главу). Кроме того, существуют группы звезд, движущихся с уж очень большой скоростью и по странным образом искаженным траекториям. Ученые полагают, что причина искажений – гравитация, вызванная черной дырой (вывод методом исключения, поскольку иного объяснения просто нет).

Каким же образом могли возникнуть столь чудовищные объекты? Несомненно, в результате взрывов гигантских звезд (более десяти солнечных масс) и превращения их в сверхновые: коллапс звездного ядра может привести к такой плотности материи, что он становится слишком нестабильным для формирования нейтронной звезды. И по идее, ничто не может помешать дальнейшему коллапсу до состояния, которое называется «черной дырой». Так могли бы сформироваться «звездные черные дыры» (массой в несколько солнц). Возможно, в галактиках их очень даже много, и именно они могут быть источниками вышеупомянутых мощных излучений. Расчеты показывают, что речь может идти об объектах очень маленьких размеров: теория предполагает, что горизонт событий черной дыры с массой, равной солнечной, может находиться всего в трех километрах от ее центра. Такая черная дыра представляет из себя сферу всего шесть километров диаметром (конечно, если смотреть снаружи: искривление пространства-времени позволяет предположить, что внутренние размеры могут быть неизмеримо больше!).

Все более многочисленные и убедительные наблюдения показывают, что в центрах галактик (в том числе и нашей) существуют и совсем гигантские черные дыры, «супермассивные» (то есть их масса достигает массы нескольких миллионов солнц). Процесс их образования до конца не понятен, однако они играют, без всякого сомнения, важную роль в образовании и эволюции этих галактик.

Как уже мы отмечали в главе 2, ученые впервые смогли физически наблюдать кривизну пространства-времени в 1919 году, во время полного солнечного затмения: «картинка» звезды была смещена на небесном своде из-за искривления лучей света вблизи Солнца. В 30-х годах ХХ века Эйнштейн произвел теоретические расчеты подобной ситуации для очень далеких объектов: свет от них может отклоняться из-за галактик (или галактических скоплений), встречающихся на его пути. Результат был весьма вдохновляющим: искривление, вызванное крупными объектами, находящимися на переднем плане у наблюдателя, может увеличивать изображение далекого объекта, как линза телескопа! Это явление получило название «гравитационной линзы».

И это еще не все: гравитационная линза может еще и деформировать, и даже раздваивать изображение далекого небесного тела. В этом случае астрономы видят нечто вроде «множественных небесных миражей»: смещенное, деформированное и размноженное изображение объекта, чей свет был, до того как достичь наблюдателя, преломлен этими линзами причудливым образом.

Первая гравитационная линза была открыта в 1979 году. Ученые увидели сдвоенное изображение квазара, чрезвычайно яркого объекта, расположенного в миллиардах световых лет от Земли. А начиная с 1987 года астрономам удалось обнаружить множество «гравитационных дуг». Это изображения отдаленных галактик, искаженные невероятной массой галактического скопления, расположенного ближе к Земле. Порой эти изображения распределяются вокруг линзы и составляют «гравитационное кольцо».

Наблюдение всех этих явлений подтверждает вполне зримо правоту теории относительности, однако интерес к гравитационным линзам этим не ограничивается. С одной стороны, они позволяют изучать отдаленные объекты, которые светят очень слабо и без увеличения не были бы вообще видны. С другой стороны, анализ производимых ими эффектов – увеличения, деформации, размножения изображений – дает исследователям информацию о самой линзе: ее размерах, форме, массе… и даже о принципе распределения массы в недрах объекта, при том что сам он вполне может быть невидим! Эти исследования помогают астрономам создавать настоящую «карту» линз и обнаруживать невидимые объекты. Результаты картирования, похоже, подтверждают, что бо́льшая часть находящейся во Вселенной массы и впрямь существует вне видимого излучения, в виде «темной материи» неизвестной до сих пор природы.

В ближней к нам части космоса каждый из массивных и плотных объектов точно так же создает свою кривизну пространства-времени. Слабую, но вполне достаточную для того, чтобы служить микролинзой и создавать пусть небольшое, но все-таки заметное искажение света от звезды, движущейся позади наших невидимых соседей. Этот эффект, пусть и требующий ряда усилий для его интерпретации, может послужить одним из методов обнаружения вокруг нас, в окрестностях нашей галактики, невидимых массивных объектов. Несколько лет назад астрономы думали, что таинственная темная материя могла бы состоять из таких объектов, например из небольших очень слабо светящихся звезд и планет. Они дали им название MACHOs (MAssive Compact Halo Objects, «массивный астрофизический компактный объект гало»). Однако совсем новые исследовательские проекты по наблюдению – с помощью тех самых микролинз – показали, что они составляют совсем незначительную часть «спрятанной массы» (темной материи) галактики. Тайна остается неразгаданной!

Глава 8
Охота за неуловимыми гравитационными волнами

Новость была давно ожидаемой, но тем не менее ошеломила научный мир. Одиннадцатого февраля 2016 года команды LIGO и VIRGO сделали совместное заявление об обнаружении ими несколько месяцев назад, 14 сентября 2015 года, первой гравитационной волны. Явление получило код GW150914.

Научное сообщество не сомневалось в том, что это событие рано или поздно произойдет: его ждали почти сто лет, – однако было поражено скоростью, с какой волна была обнаружена после установки детектора, и мощностью катастрофы, которая, собственно, и стала источником волн: слияние двух массивных черных дыр. До того ученые думали, что подобные явления происходят крайне редко. Открытие в очередной раз подтвердило правоту теории относительности, которая предсказала существование гравитационных волн. Кроме того, оно подтвердило реальность существования самих черных дыр, которые все-таки продолжали вызывать некоторые сомнения. Черные дыры оказались столь массивными, что их обнаружение открыло новую страницу в истории теоретических и экспериментальных изысканий. Родилось новое направление гравитационной астрономии!

Впервые существование гравитационных волн было предсказано в 1916 году. Обоснованность прогноза вызвала ожесточенные дискуссии в среде физиков. Долгое время считалось, что возмущения гравитационного поля исчезающе малы и «поймать» их невозможно, и только некоторые энтузиасты продолжали работать в этом направлении. Детекторы LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) и VIRGO (франко-итальянский детектор гравитационных волн, расположенный в Европейской гравитационной обсерватории, имя намекает на латинское название созвездия Девы, одной из главных целей исследователей) основаны на принципе лазерной интерференции, идея использования которой возникла еще в 60-х годах ХХ века. Разработка и техническое воплощение принципа в конкретные технические устройства заняли несколько десятилетий. После первого испытания в 2007 году установку пришлось еще несколько лет доводить до ума. В 2015 году «улучшенная» версия заработала – и почти сразу дала первые результаты.

В 1916 году, вскоре после окончательной формулировки принципов теории относительности, Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн – небольших колебаний кривизны пространства-времени, распространяющихся со скоростью света и чем-то напоминающих вибрации эластичной среды. Эластичным (как желе) в данном случае ему представлялось само пространство-время. Два года спустя он даже опубликовал уравнение, описывающее этот процесс. Публикация вызвала дискуссии столь ожесточенные, что даже Эйнштейн чуть не усомнился в своих выводах, но в конце концов в 1950-х годах научное сообщество все-таки пришло к согласию по поводу реальности гравитационных волн. Осцилляции гравитационного поля могут быть вызваны резкими и асимметричными движениями очень массивных объектов: например, взрывом массивной сверхновой, поглощением черной дырой парной с ней очень плотной звезды или другой черной дыры, вращающейся по смежной орбите. Проблема в том, что даже чрезвычайно массивные тела вызывают лишь очень слабые волны, которые весьма непросто обнаружить при непосредственном измерении.

В 1974 году первым доказательством их реального существования стали данные наблюдения за двойным пульсаром, открытым астрономами Расселом Халсом и Джозефом Тейлором. Ученые исследовали систему из двух нейтронных звезд с орбитальным периодом в 7 часов 45 минут и невероятной прецессией. Вдобавок многолетние наблюдения показали, что период обращения тел друг вокруг друга постоянно уменьшался на 76,5 миллионных секунды в год, то есть тела вращались все быстрее и быстрее и медленно сближались (каждый год на несколько метров). По идее, через несколько миллионов лет они должны бы столкнуться друг с другом. Микроскопические изменения превосходно вписываются в теорию относительности: быстрое движение звезд порождает гравитационные волны, которые приводят к снижению энергии системы. Это первое свидетельство стало причиной вручения Нобелевской премии по физике Халсу и Тейлору в 1993 году. Изучение других двойных пульсаров тоже оказалось не менее убедительным.

Еще с 50-х годов ХХ века астрономы лелеяли надежду засечь неуловимые волны непосредственно, в момент распространения. Это казалось невероятно сложным, поскольку любое прохождение гравитационной волны представляет собой лишь легкую осцилляцию геометрии пространства-времени, провоцирующую очень слабые колебания расстояний между двумя «фиксированными» объектами. Ожидаемая амплитуда этой волны, определяемая как относительное изменение расстояния, составляла 10^-21. Это соответствует смещению в 10^-16 метра между двумя объектами, расположенными на расстоянии в 100 километров друг от друга, то есть меньше, чем на диаметр протона! И задача состояла в том, чтобы обнаружить эти изменения, сколь бы незначительны они ни были. Первые усилия решить проблему смогли предпринять еще в 1960-х. Американский физик Джозеф Вебер (1919–2000) из Мэрилендского университета построил первый «детектор», представлявший собой огромный алюминиевый цилиндр (2 метра в длину, 50 сантиметров в диаметре); предполагалось, что он войдет в состояние резонансной вибрации под действием гравитационной волны. Однако, несмотря на ряд заявлений, впоследствии опровергнутых, чувствительность устройства оказалась далеко не достаточной, чтобы обнаружить возможные гравитационные колебания.

«В ТЕОРИИ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА НЕРАЗДЕЛИМЫ. НА ПРАКТИКЕ ЭТО НЕ ТАК».

Альберт Эйнштейн

В последующие годы некоторые физики осознали возможности использования лазерной интерферометрии для выявления микроскопических смещений. Вокруг профессора Кипа Торна из Калифорнийского технологического института сложилась группа ученых, которые занялись организацией производства гигантских детекторов, испускающих пучки лазерного излучения на очень большие расстояния. Согласно заявлению Национального научного фонда США, проект LIGO стал одним из самых дорогостоящих за всю историю американской науки (его бюджет равнялся стоимости одного часа войны в Ираке, увы). Этот детектор работает в сотрудничестве с европейским (в основном франко-итальянским) детектором VIRGO, специалисты которого первыми заявили об обнаружении гравитационной волны. В мире сейчас работают еще два похожих проекта: GEO600 в Германии и KAGRA в Японии.

Комплекс устройств проекта LIGO представляет собой два «гравитационных интерферометра», разнесенных на 3000 километров (это расстояние гравитационная волна преодолевает за 10 миллисекунд), – один установлен в штате Вашингтон, а другой – в Луизиане. В США устройства действовали с 2002 по 2010 год и возобновили работу в 2015 году, после усовершенствования детекторов (Advanced LIGO).

Каждый из детекторов снабжен специальным полуотражающим зеркалом, которое делит суперстабильный лазерный луч на два, отражая пучки в перпендикулярных направлениях. Два отраженных пучка распространяются внутри очень длинных плеч (трубок длиной три километра), в предельной пустоте, и отражаются в зеркалах, подвешенных на концах плеч так, чтобы избежать влияния сейсмической активности. Из-за бесконечных отражений пучки света пробегают длину плеча множество раз, их путь достигает 150 километров, а потом они вновь соединяются таким образом, чтобы процесс интерференции выявил разность хода между ними. Идея устройства состоит в том, что проход гравитационной волны должен изменить путь, пройденный одним из лучей, примерно на 10^-18 метров, и в результате спектральные полосы сместятся так, что разницу между ними можно будет измерить, даже если она исчезающе мала (меньше размера протона!). Главным врагом эксперимента были помехи: термический шум, сейсмический шум (от него полностью свободны только эксперименты в космосе) и другие паразитические шумы, которые могли сильно исказить результат. Справиться с помехами помогли специальные технологические решения.

Гравитационная волна, как и любая другая, характеризуется прежде всего амплитудой и частотой. VIRGO и LIGO способны зарегистрировать амплитуду, равную 10^-21, в частотном диапазоне от 10 до 1000 Герц: колебания земной поверхности (сейсмический шум) не позволяет исследовать более низкие частоты. Эти цифры показывают, какое явление сгенерировало гравитационные волны, обнаруженные детектором. В конкретном случае им могли бы стать гравитационный коллапс одной из звезд нашей Галактики, приведший к образованию черной дыры (такое наблюдается не чаще раза в столетие), или же столкновение далеких, но очень плотных небесных тел (нейтронных звезд или черных дыр).

Историческое совместное заявление было сделано 11 февраля 2016 года командами проектов LIGO и VIRGO. Зарегистрированный сигнал полностью подтвердил расчетное событие, а именно столкновение и слияние двух черных дыр массами в 36 и 29 солнц. Интенсивность сигнала позволила определить расстояние до события, которое равнялось 400 мегапарсекам, то есть 1,3 миллиарда световых лет.

«ТО, ЧТО МЫ НАБЛЮДАЛИ, ДЛИЛОСЬ ВСЕГО МГНОВЕНИЕ, НИКТО НЕ УСПЕЛ ДАЖЕ МОРГНУТЬ…»

Тибо Дамур, 2016

Черные дыры когда-то вращались по совместной орбите. Однако излучение гравитационных волн постепенно забрало у них энергию, и орбита сжималась, пока они не столкнулись друг с другом, слившись в одну-единственную черную дыру. Ее масса (62 солнечные массы) стала чуть меньше, чем сумма изначальных масс слившихся тел: разница соответствует количеству энергии, унесенной гравитационными волнами. Прекрасная иллюстрация уравнения эквивалентности массы и энергии E = mc²!

Как рассказал французский физик Тибо Дамур, который одним из первых делал расчеты результатов наблюдения, «то, что мы наблюдали, длилось всего мгновение, никто не успел даже моргнуть…». Черные дыры вращались друг вокруг друга сотни миллионов лет, и физики смогли зарегистрировать последние десятые доли секунды перед тем, как они слились в единое целое, последнее вращение и окончательное поглощение. Все это ученые увидели в сигнале, который шел до нас миллиард лет. Следует отметить, что, хотя гравитационные волны порождены гравитацией, они в свою очередь порождают гравитацию. Это иллюстрирует нелинейный характер взаимодействия (и это делает расчеты очень трудоемкими), в точности как его описывает всеобщая теория относительности.

Ученые очень ждали этого. Прежде всего, событие подтвердило правоту теории Эйнштейна и существование гравитационных волн. В том, что они действительно существуют, на тот момент мало кто сомневался, однако факт обнаружения стал очень красноречивым аргументом. Но самое важное – зарегистрированный сигнал доказал, что черные дыры также вполне реальны, и даже удалось выявить их особые свойства. Речь шла о достаточно серьезных массах: 36 и 29 солнц, а те дыры, что подозреваются в испускании рентгеновского излучения, имеют массу не более 15 солнц. Ранее специалисты полагали, что черные дыры сверхбольшой массы встречаются очень редко, а тут первый же эксперимент обнаружил сразу две! Такие массивные дыры ну никак не могут получиться из слияния двух нейтронных звезд, масса которых по отдельности не превышает трех солнечных! По идее, они должны образовываться после взрывов сверхновых звезд массой минимум в сто солнц (поскольку только ядро звезды коллапсирует и превращается в черную дыру)!

Вскоре после первой регистрации было объявлено о второй: две черные дыры массой в 14 и 7 солнц соответственно слились в одну массой в 21 солнечную. Все это привело к пересмотру теорий, описывающих формирование и эволюцию звезд, поскольку прежде предполагалось, что столь массивные звезды тоже весьма редки. Нам выпало счастье присутствовать при рождении новой ветви астрономии – астрономии гравитационных волн!

Помимо новых регулярных регистраций гравитационных возмущений наземными детекторами, специалисты нового направления астрономии планируют перенести эксперименты в космическое пространство, начав с амбициозного проекта eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna – «усовершенствованная лазерная интерферометрическая космическая антенна»): это «гравитационная антенна», сконструированная на базе тех же принципов, что и ее земные аналоги. Она состоит из трех зондов, находящихся в состоянии свободного падения, в которых установлены зеркала, стабилизированные с точностью до микрона и связанные между собой лазерным лучом (в межзвездной пустоте нет необходимости делать длинные рукава). Зонды формируют гигантский треугольник со стороной в 5 миллионов километров, и гравитационная волна может его достаточно заметно деформировать. Система «компенсации помех» в оболочках зондов защищает зеркала от различных возмущений (солнечный ветер, космическая пыль или частицы и т. п.). Технология была проверена в ходе специальной космической миссии LISA Pathfinder – она была отправлена в космос в 2015 году с космодрома Куру и протестировала рабочие характеристики и надежность будущего детектора. Треугольное рукотворное созвездие должно отправиться на орбиту в Солнечной системе в районе 2030 года. Космический детектор должен будет исследовать область более низких частот по сравнению с сегодняшними наземными детекторами (для проекта eLISA это будет диапазон от 0,0001 до 0,1 Герц). Предполагается, что eLISA удастся понаблюдать за бинарными системами очень плотных тел (черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики) и добыть данные о физических свойствах черных дыр, а может быть, даже и о реликтовых гравитационных волнах, возникших еще в самом начале зарождения Вселенной. Чувствительность устройств такова, что их задача состоит не просто в обнаружении источников, но и их идентификации в лавине поступающих сигналов. Первоначальной задачей миссии должна стать работа с уже известными источниками волн, например двойными пульсарами, чтобы проверить эффективность технологии. Запланировано и наблюдение за многочисленными иными потенциальными источниками гравитационных возмущений, особое внимание предполагается уделить слиянию черных дыр (уже обнаруженных миссией LISA). Новая технология позволит вести наблюдения достаточно долго (кроме прочего, наконец появится возможность точно определить местоположение взаимодействующих тел). В любом случае, проект станет одним из важнейших шагов на пути к созданию настоящей гравитационной астрономии.

В последнее время ученые обратили пристальное внимание и на пульсары, эти природные часы, и регистрация их сигналов достигла высокой степени точности. Группа из нескольких пульсаров вполне может быть использована как естественный космический детектор гравитационных волн в масштабе галактики, чувствительный к диапазону частот в районе микрогерц. Это может существенно расширить набор астрономических инструментов в современной науке. Уже в ближайшем будущем наблюдение за пульсарами принесет новые открытия в области гравитационных волн.

Кроме того, возможно также, что реликтовые гравитационные волны образовывались и на ранних стадиях существования Вселенной, например во время процессов, предшествовавших фазе рекомбинации. Это следует из многих распространенных сегодня представлений о развитии универсума: первичные фазовые переходы, инфляция, возникновение первых флуктуаций… пусть пока современная физика еще не в состоянии до конца понять это и объяснить. По идее, реликтовые волны должны были свободно распространяться, постепенно ослабляемые процессом расширения (почти так же, как электромагнитные волны реликтового излучения). И они должны были оставить слабые следы в фоновом космологическом излучении. Например, они могли изменить поляризацию (свойство, характеризующее электромагнитное излучение). Обнаружение этих следов предоставит ученым доступ к важнейшей информации. Заявление группы американских ученых о подобном открытии в 2014 году вызвало переполох, особенно среди тех ученых, которые ждали подтверждения гипотезы космической инфляции – предположительной фазы сверхбыстрого расширения в первые мгновения существования Вселенной. Увы, результаты подтверждения не получили и были опровергнуты. Но космологи вновь полны надежд и с нетерпением ожидают обнаружения этих неуловимых следов.

Эпилог
Гения неизбежно сменяет… новый гений

Эйнштейн своей теорией относительности совершил революцию в физике, перевернув представления о времени, пространстве и материи, которые царили еще со времен Исаака Ньютона. Изменения оказались столь кардинальными, что новые представления до сих пор не полностью вошли в обиход: мы должны делать усилия над собой, чтобы вообразить постоянную скорость света, искривленное пространство-время, мир, в котором время не существует…

Теория относительности была неоднократно подтверждена экспериментально, а совсем недавно ее правоту наглядно доказало обнаружение гравитационных волн; ХХ век стал свидетелем ее постепенного триумфа. Эйнштейн благодаря своей теории стал одним из самых крупных гениев истории науки. И, казалось, все идет отлично… Однако не так давно физики убедились, что это далеко не конец истории. Многие начали считать теорию относительности уже не искомой истиной в последней инстанции, а лишь приближением к истине… Впрочем, сам Эйнштейн, долго занимавшийся поисками теории, которая объединяла бы гравитационные и электромагнитные взаимодействия, говорил: «Для физической теории не существует лучшей судьбы, как стать отправной точкой для создания новой, более полной теории, в которую она вошла бы частным случаем».

«ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ НЕ СУЩЕСТВУЕТ ЛУЧШЕЙ СУДЬБЫ, КАК СТАТЬ ОТПРАВНОЙ ТОЧКОЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВОЙ, БОЛЕЕ ПОЛНОЙ ТЕОРИИ, В КОТОРУЮ ОНА ВОШЛА БЫ ЧАСТНЫМ СЛУЧАЕМ».

Альберт Эйнштейн

Прежде всего, как и любая другая теория, теория относительности имеет свои ограничения: она не работает в некоторых экстремальных ситуациях, таких как первые мгновения существования Вселенной или черные дыры. То есть в ситуациях, когда очень мощная гравитация накладывается на квантовые эффекты. Получается, гармонизировать теорию относительности и квантовую физику, заставив обе теории работать одновременно, пока что невозможно, а между тем многие «странные» явления требуют создания теории, которая могла бы объединить их.

Гравитация тоже является источником проблем для физиков-теоретиков, она слишком «отличается» от других видов взаимодействий: электромагнитных и ядерных. Последние на сегодняшний день описаны в терминах квантовой физики и действуют в соответствии с ее законами. Однако гравитация этим законам не следует. Для ее описания ученые используют методы и уравнения (определяемые как классические), которые идентифицируют ее с геометрической (или, точнее, хроногеометрической) структурой искривленного пространства-времени. А законы, определяющие другие взаимодействия, наоборот, действуют в плоском пространстве-времени, лишенном особой геометрии. К тому же некоторые физики думают, что интенсивность гравитационных взаимодействий подозрительно «слаба» относительно других видов взаимодействий. И впрямь, гравитация стоит уж как-то слишком особняком, и ученые хотели бы понять почему…

Вдобавок даже в отсутствие серьезных данных, которые бы противоречили теории Эйнштейна, ситуация снова кажется физикам тревожной. Они лелеют горячее желание, сформулированное еще и самим Эйнштейном, объединить все виды взаимодействий, чтобы картина мира стала единой и гармоничной! История науки уже не раз доказала, что физика развивается, соединяя порой несоединимое. Можно ли надеяться связать воедино и релятивизм с квантовыми процессами? Теоретики пробуют различные направления, ведь какое-нибудь из них, возможно, приведет к точке назначения…

Одной из зацепок может показаться теория струн (или суперструн), которая привлекла к себе большое внимание несколько лет назад. Ее основная идея – еще дальше обобщить общую теорию относительности, рассматривая все взаимодействия как изменения в геометрии; но она требует создания в качестве обрамления физических процессов такой геометрической среды, которая выходила бы за границы обычного четырехмерного пространства-времени. Это математическое образование должно иметь от 10 до 26 измерений, и понятие пространства-времени в нем становится только лишь одной из характеристик. Материя в подобном универсуме принимает форму не частиц, а микроскопических «струн», способных вибрировать или сворачиваться самым разным образом внутри многомерного континуума. Взаимодействия превращаются в разрывы или соединения струн…

Другой подход: квантовая гравитация (или квантовая геометрия) ищет способы найти «квантовую природу» гравитации. Прежде всего для этого ее надо описать с помощью математического аппарата (в значительной степени алгебраического) квантовой физики, как уже было проделано с другими видами взаимодействий. Искривление пространства-времени следовало бы перевести на язык квантовой геометрии, однако физики еще далеки от окончательного формулирования принципов этой геометрии – согласно законам квантового взаимодействия она должна стать «мерцающей», флуктуирующей… Несмотря на титанический труд, затрачиваемый на расчеты невероятной сложности, это направление – особенно та область, что получила название «петлевой гравитации», – развивается весьма обнадеживающими темпами.

Выдвигаются и изучаются и другие предложения по объяснению сложных физических процессов. Например, некоммутативная геометрия, придуманная французским математиком Аленом Конном и его единомышленниками, расширяет обычную геометрию, отказываясь от понятия точки. Невозможность определить точное положение может показаться достаточно экстравагантной. Однако «неопределенность» этой геометрии вполне соответствует тому, что декларирует квантовая физика: мы не можем точно определить местоположение микрочастицы, в нем всегда присутствует некая доля «неопределенности»! Некоммутативная геометрия похожа, таким образом, на квантовую геометрию. И этот подход вызывает большой интерес – ведь, чтобы «квантовать» гравитацию, нужно «квантовать» геометрию!

Как бы то ни было, возможно, что будущая единая теория возникнет из пока еще трудновообразимой геометрии: в точности как теория относительности взяла на вооружение «новую» геометрию, открытую в XIX веке, через несколько столетий после открытий Ньютона. И нет никаких сомнений, что эта еще сокрытая в будущем идея понравилась бы Эйнштейну, мечтавшему когда-то об «объединяющей теории всего».

Библиография

F. Balibar, Galilée, Newton, lus par Einstein, Paris, PUF, 1984.

F. Balibar, Einstein, la joie de la pensée, Paris, Découvertes Gallimard, 1993.

B. Cox et J. Forshaw, Pourquoi E = mc²? Malakoff, Dunod, 2012.

T. Damour, Si Einstein m’était conté, Paris, Éditions du Cherche-midi, 2005.

J. Eisenstaedt, Einstein et la relativité générale, les chemins de l’espace-temps, Paris, coll. «Histoire des sciences», Éditions du CNRS, 2002.

A. Einstein, La théorie de la relativité restreinte et générale, Malakoff, Dunod, 2012.

A. Einstein, OEuvres choisies, Paris, Éditions du Seuil, «Sources du savoir», 1991.

M. Jammer, Concepts d’espace, une histoire des théories de l’espace en physique, Paris, Vrin, 2008.

E. Klein, Le pays qu’habitait Albert Einstein, Arles, Actes Sud, 2016.

E. Klein et M. Lachièze-Rey, La quête de l’unité: l’aventure de la physique, Paris, Albin Michel, 1996.

M. Lachièze-Rey, Initiation à la cosmologie, 5e édition, Malakoff, Dunod, 2013.

M. Lachièze-Rey, Voyager dans le temps: la physique moderne et la temporalité, Paris, Seuil, 2013.

M. Lachièze-Rey, Au-delà de l’espace et du temps, Paris, Éditions Le Pommier, 2008 (2e ed).

M. Lachièze-Rey et J.-P. Luminet, De l’infini: Mystères et limites de l’Univers, 2e édition, Malakoff, Dunod, 2016.

D. Lambert, Un atome d’Univers. La vie et l’oeuvre de Georges Lemaître, Bruxelles, éd. Racine/éd. Lessius, 2000.

J.-P. Luminet, L’invention du big-bang, Paris, Seuil, «Folio Essais», 2004.

J.-P. Luminet, A. Friedmann et G. Lemaître, Essais de cosmologie, l’invention du big-bang, Paris, Le Seuil/Points Sciences, 2004.

J. Merleau-Ponty, Einstein, Paris, Flammarion, 1993.

J. Merleau-Ponty, Cosmologies du xxe siècle. Étude épistémologique et historique des théories de la cosmologie contemporaine, Paris, Gallimard, 1968.

(издания De Vive Voix: http://www.devivevoix.fr/)

F. Balibar et T. Damour, Einstein.

M. Lachièze-Rey, Cosmologie.

M. Lachièze-Rey, Le temps existe-t-il? Comprendre la relativité.

J.-P. Luminet, La forme de l’Univers.

J.-P. Luminet, Les trous noirs.