Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Феррейра Педро

Когда молодой студент спросил Джона Уиллера, каким образом лучше готовиться к работе над квантовой гравитацией: сделать упор на общую теорию относительности или на квантовую физику? — Уиллер ответил, что, вероятно, лучше всего будет, если студент выберет для себя какую-нибудь другую область. Это был мудрый совет. Неуступчивые бесконечности продолжали срывать все попытки квантования общей теории относительности, и казалось, что любые поползновения в области квантовой гравитации обречены на провал.

Но было верно и другое. Как показали выдающиеся результаты Хокинга, объединение общей теории относительности с квантовой физикой ведет к неожиданным вещам. У черных дыр обнаруживается энтропия и способность испускать тепло, что идет вразрез с идеей релятивистов об их поглощающей природе. Одновременно расчеты Бекенштейна и Хокинга

проливают странный свет на кванты, с которыми общая теория относительности творит невероятные вещи. В обычной заурядной физической системе, например в контейнере с газом, энтропия связана с объемом. Чем больше объем, тем больше способов перемешать молекулы в случайном порядке и создать беспорядок — отличительную черту энтропии. И вся эта неупорядоченность, этот беспорядок заключен внутри контейнера. Прямая связь между энтропией и объемом является неотъемлемой частью базового курса термодинамики. Но как мы помним, Бекенштейн и Хокинг показали, что энтропия черной дыры связана не с занимаемым ею в пространстве объемом, а с площадью ее поверхности. Как если бы энтропия заключенного в контейнер газа каким-то образом заключалась в стенках контейнера, а не в хаотичных движениях частиц. Каким же образом мы сохраняем энтропию на поверхности черной дыры, которая должна быть простой, «лишенной волос» и лишь равномерно светящейся из-за излучения Хокинга?

Трудноразрешимая и непостижимая, с новыми потрясающими данными о черных дырах, квантовая гравитация стала величайшим вызовом умным молодым физикам. Однако в то время как она превратилась в поле битвы идей, которым суждено было изжить себя за следующие десятилетия, вокруг общей теории относительности разгоралась другая битва. Вместо мысленных экспериментов и искусных математических вычислений в ход пошли инструменты и детекторы, призванные измерить в ткани пространства-времени слабые волны, возникающие при столкновении черных дыр.

Глава 10.

Увидеть гравитацию

Как было однажды объявлено, первым человеком, наблюдавшим гравитационные волны, является Джозеф Вебер. Он экспериментировал в этой области практически в одиночку. В конце 1960-х и начале 1970-х полученные им результаты прославлялись в качестве основных достижений теории относительности. Однако к 1991 году все закончилось. Как он сказал в интервью для местной газеты: «Хотя в этой области мы самые главные, с 1987 года меня никто не финансирует».

На первый взгляд ситуация казалась до странности несправедливой. На пике карьеры Вебера результаты его работы обсуждались на всех основных конференциях по общей теории относительности наряду с нейтронными звездами, квазарами, горячим Большим взрывом и излучающими черными дырами. Бесчисленные статьи пытались дать им объяснение. Вебер был бесспорным кандидатом на Нобелевскую премию. А затем с той же стремительностью, с которой он поднялся к вершинам известности, Вебер был низвергнут на задворки науки. Избегаемый коллегами, игнорируемый спонсорами, не имеющий возможности публиковаться в основных журналах, Вебер был приговорен к долгой и одинокой научной смерти, превратившись в избыточное и неудобное примечание к истории общей теории относительности. Некоторые даже утверждали, что только после падения Вебера начался реальный поиск гравитационных волн.

Гравитационные волны для гравитации — все равно что электромагнитные волны для электричества и магнетизма.

Показав, что электричество и магнетизм можно описать в рамках одной всеобъемлющей теории — электромагнетизма, Джеймс Клерк Максвелл заложил фундамент для открытия Генрихом Герцем колеблющихся с разными частотами электромагнитных волн. В видимом диапазоне эти волны воспринимаются нашими глазами как обычный свет. На меньших частотах речь идет уже о радиоволнах, атакующих наши радиоприемники, передающих данные между ноутбуками по беспроводному соединению и позволяющих наблюдать чрезвычайно активные квазары в далеких закоулках Вселенной.

Через несколько месяцев после разработки общей теории относительности Альберт Эйнштейн показал, что пространство-время может содержать волны. Эти волны вызывают рябь как в пространстве, так и во времени. В этом смысле пространство-время

напоминает пруд: стоит бросить в него камень, как по поверхности из одного конца в другой начинают разбегаться волны. И аналогично электромагнитным волнам и волнам на водной глади, гравитационные волны могут переносить энергию из одного места в другое.

Однако в отличие от электромагнитных волн обнаружить гравитационные волны оказалось крайне сложно. Они малопроизводительны в плане переноса энергии гравитационных систем. Вращаясь вокруг Солнца на расстоянии 150 миллионов километров от него, Земля медленно теряет энергию через гравитационные волны и сдвигается в сторону Солнца, сокращая расстояние на мизерную величину — примерно на ширину протона в день. Это означает, что за все время своего существования Земля приблизится к Солнцу примерно на миллиметр. Даже влияние достаточно массивного объекта, способного генерировать огромное количество гравитационных волн, в процессе путешествия через пространство-время превращается в слабый шепот. На самом деле пространство-время больше напоминает не пруд, а невероятно твердый лист стали, лишь слегка вздрагивающий даже от очень сильных ударов.

Остальные физики концепцию гравитационных волн не воспринимали. В течение почти полувека после того, как Эйнштейн обосновал их существование, многие отказывались верить в их реальность. Их считали еще одной математической странностью, которую можно было объяснить при глубоком понимании общей теории относительности. К примеру, Артур Эддингтон безапелляционно отвергал существование гравитационных волн. Повторив вычисления Эйнштейна и проследив, каким образом в теории появляются гравитационные волны, он продолжал утверждать, что это не более чем артефакт, зависящий от способа описания пространства и времени. Они явились следствием ошибки, неоднозначности в маркировке положений пространства и времени и от них можно избавиться. Это не настоящие волны, и в отличие от электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, Эддингтон отказывался признавать волны, распространяющиеся со «скоростью мысли». По удивительному стечению обстоятельств сам Эйнштейн решил, что в исходные вычисления вкралась ошибка, и в 1936 году вместе со своим молодым ассистентом Натаном Розеном опубликовал в журнале Physical Review статью, в которой доказывал невозможность существования гравитационных волн.

Самые убедительные аргументы в пользу гравитационных волн привел Герман Бонди на встрече в Чапел-Хил в 1957 году. Бонди, возглавлявший в Королевском колледже в Лондоне группу, занимающуюся теорией относительности, предложил простой мысленный эксперимент. Нужно пропустить стержень через два расположенных на небольшом расстоянии друг от друга кольца. Кольца должны быть плотно «надеты» на стержень, но при этом сохранять способность перемещаться вдоль него. Проходящая гравитационная волна на стержень влиять практически не будет, так как он слишком жесткий, чтобы ее ощутить. А вот кольца начнут смещаться вверх и вниз, как прыгающие на поверхности моря буйки. При прохождении волны они станут двигаться вдоль стержня взад-вперед, то сдвигаясь, то расходясь. Из-за трения о стержень в этом процессе будет выделяться энергия. А поскольку этой энергии неоткуда взяться, кроме как от гравитационной волны, следует вывод: гравитационные волны способны переносить энергию. Аргумент Бонди был простым и действенным. Аналогичные рассуждения представил присутствовавший на встрече Ричард Фейнман, что позволило убедить большинство собравшихся. Оставалось только на самом деле обнаружить гравитационные волны. Джо Вебера, который тоже был на конференции в Чапел-Хил, обсуждение просто заворожило. Бонди, Фейнман и остальные могли сколько угодно сидеть на месте, обсуждая реальность гравитационных волн, а он займется практической стороной вопроса и начнет их поиск.

Вебер был из того сорта людей, для которых не существует слова «невозможно». Одержимый стремлением делать все своими руками, он еще подростком научился чинить радиоприемники и зарабатывал этим на жизнь. Талантливый мечтатель, постоянно расширяющий границы известных технологий, он конструировал экспериментальные установки из минимального набора ресурсов и использовал их для исследования границ физического мира. Энергия пронизывала все сферы его жизни; каждое утро он пробегал три мили и почти до восьмидесяти лет целыми днями работал.