Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Феррейра Педро

Эту работу Андрей Сахаров опубликовал в 1967 году, когда его голова была занята другими вещами. За долгие годы работы над проектом бомбы он получал награды от советского режима. Играя ключевую роль он, как и Зельдович, три раза награждался медалью Героя Социалистического Труда. Но близость к ядерному оружию заставила его остро осознать катастрофические последствия гонки вооружений, в которую были вовлечены Советский Союз и Соединенные Штаты Америки. Все усиливающиеся протесты Сахарова против ядерного оружия привели к тому, что он утратил свой статус. В 1968 году он пошел против режима, опубликовав статью «Размышления о прогрессе, мирном сосуществовании и интеллектуальной свободе», в которой недвусмысленно изложил свои возражения против одной из основных оборонных программ Советского Союза — развития противоракетной

обороны. Это был конец пребывания Андрея Сахарова в роли идеального советского гражданина. Как ярко выраженный диссидент, он был лишен привилегий и наград, возможности работать над секретными проектами и сослан в Горький. Зельдович неодобрительно относился к так называемой социальной работе Сахарова, говоря своим коллегам, что «такие люди, как Хокинг, посвящают себя науке. Ничто не в силах их отвлечь». Но как писал в своих мемуарах Сахаров, сила его переживаний из-за ситуации в Советском Союзе была столь велика, что «я был просто вынужден говорить, действовать, отложив в сторону все, до определенных пределов даже науку».

Неудачи в научной карьере Сахарова не помешали его гипотезе о том, как кванты могут изменить общую теорию относительности, снова и снова всплывать на поверхность в следующие десятилетия. Его статья предвосхитила шквал квантовых идей, обрушившихся на общую теорию относительности в 1970-е. Некоторые релятивисты считали, что корректировка теории предложенным Сахаровым способом приведет ее в соответствие с квантовыми представлениями и решит проблему с заполняющими ее бесконечностями. Но к концу десятилетия Стивен Вайнберг и Эдвард Виттен доказали, что бесконечности в данном случае являются неустранимыми. Корректировкой теории убрать их было невозможно, требовалось нечто более существенное.

«Супертеории» — теории супергравитации и суперструн — были определенно более основательными и на первый взгляд обещали довольно много в плане преобразования теории Эйнштейна. Фундаментальная идея, лежащая в основе общей теории относительности, не изменилась — центральная роль при понимании гравитации по-прежнему отводилась пространству-времени. Просто это уже не было четырехмерное пространство-время, изначально предполагавшееся Эйнштейном. В девяти- и одиннадцатимерном пространстве-времени супертеорий уравнения выглядели похожим образом, но на практике дополнительные измерения породили область новых фундаментальных частиц и силовых полей, влияющих на наблюдаемый нами четырехмерный мир.

Отдельные одинокие голоса сопротивлялись подобному насилию над общей теорией относительности, но подавляющее большинство считало, что она нуждается в исправлении при попытках ее квантования, в областях высокой плотности или кривизны рядом с сингулярностями, а также при рассмотрении Большого взрыва.

Теория Эйнштейна прекрасно работает, если избегать минного поля квантовой гравитации и не рассматривать Вселенную в начале ее существования, когда она была горячей, плотной и хаотичной. В больших масштабах в астрофизике и космологии общая теория относительности продолжает давать прекрасные результаты.

Если бы астрономия была индустрией, генеральные ассамблеи Международного астрономического союза можно было бы сравнить с мероприятиями, на которых практически каждый пытается что-то продать. На ассамблее 2000 года в Манчестере, в Великобритании тысячи людей собрались порадоваться последним открытиям и рассказать о новых проектах, которыми они собираются заниматься. На заседаниях того года присутствовала великолепная группа космологов, включая меня. Несколько лет назад были оглашены данные о сверхновой, указывающей на ускоряющееся расширение Вселенной. В этом году анонсировались измерения геометрии Вселенной. Наблюдения указывали на простую, но очень странную модель с темной материей и космологической константой. Причин для разногласий и дебатов больше не было — личные предпочтения перестали иметь значение. Это была качественная, убедительная наука, данные радовали ясностью и согласованностью, и казалось, что других вариантов просто не существует.

Один из пленарных докладов прочитал Джим Пиблс. Это мероприятие стало своего рода прославлением идей Пиблса и последствий, к которым они нас привели. Все открытия предыдущих лет тем или иным образом были обусловлены областью, которую основал Пиблс вместе с другими учеными. Но он был убежденным противником массовых течений, даже основанных им самим. В своем докладе он попытался обуздать истерию, спросив, зачем нам требуются точные измерения Вселенной. И сам ответил: для проверки наших предположений. Он рассмотрел все аспекты модели Большого взрыва. Почему сначала температура была высокой? Откуда взялась крупномасштабная структура? Как сформировались галактики? В середине доклада он указал на некий очевидный факт. Как было позднее написано в материалах ассамблеи: «Элегантная логика общей теории относительности и проверка ее точности позволяют рекомендовать ее как предпочтительную рабочую модель для космологии». Однако Пиблс предупредил, что, возможно, космологам не нужно спешить с выводами. В масштабе Солнечной системы общая теория относительности работала с максимальной точностью — прекрасным примером была прецессия Меркурия, — но мы не имеем представления, можно ли обеспечить тот же самый уровень точности в масштабе Вселенной. По его словам, в данном случае имела место «показная экстраполяция». Пиблс был прав, хотя по большому счету, участники ассамблеи не смогли воспринять значение его утверждения.

Французский астроном Леверье увлеченно доказывал, что для корректного объяснения прецессии орбиты Меркурия должна существовать новая, еще не открытая планета Вулкан, находящаяся в центре Солнечной системы. Вера в ньютоновскую гравитацию заставила его предсказать существование нового, странного и невидимого объекта. Без Вулкана ньютоновская модель не работала. Разумеется, выяснилось, что Леверье был не прав. Однако для корректировки модели потребовалась не новая планета, а новая теория гравитации.

Сейчас, в начале XXI века, мы оказались в похожей ситуации. У нас есть прекрасная теория гравитации, которая для объяснения космологических данных требует, чтобы более 96% Вселенной состояло из невидимой и нераспознаваемой нами субстанции. Может быть, это еще одна трещина в здании, возведенном Эйнштейном почти сто лет назад? Возможно, его теорию следует скорректировать с учетом принятой без лишней суеты квантовой физики. Но проверка общей теории относительности в крупном масштабе имеет свои особенности. Если убрать из картины темную материю и темную энергию, красивую теорию Эйнштейна придется пересматривать. Эту перспективу многие астрофизики воспринимают как применение кувалды, чтобы загнать машину в гараж.

Израильский релятивист Яаков Бекенштейн начал задумываться о модификации теории Эйнштейна еще в начале 1970-х, будучи аспирантом Джона Уиллера в Принстоне. В процессе размышлений об энтропии и черных дырах его крайне заинтересовали общая теория относительности и альтернативная теория, предложенная Дираком. «В какой-то момент, — сказал он, — я почувствовал, что не понимаю, почему некоторые вещи в общей теории относительности делаются определенным образом, почему важны некоторые аспекты, почему нужно следовать линии, задаваемой этой теорией. Мне показалось, что следует сопоставить ее с другими направлениями».

Из «других направлений» Бекенштейн выбрал предложенное в 1980-х годах его соотечественником, израильским астрофизиком Мордехаем Милгромом. Идея Милгрома состояла в совершенно новом взгляде на поведение гравитации в галактиках. Он указал, что свидетельства наличия темной материи при вращении галактик проявлялись только в случае очень слабой гравитационной силы. И действительно, если ньютоновская гравитация применяется в режиме экстремально слабых взаимодействий, имеет смысл ввести в рассмотрение невидимую материю, усиливающую гравитационное притяжение. Но стоит ли в такой ситуации вообще применять законы Ньютона? Милгром сделал смелое предположение, что звезды на внешнем крае галактики должны быть более тяжелыми, а значит, из центра галактики на них действует намного более сильное притяжение, чем думали изначально. И благодаря этому более сильному притяжению звезды могут двигаться с большей скоростью. Это объясняет наблюдения Веры Рубин и других астрономов, обнаруживших, что внешние части галактик движутся вокруг своих центров со скоростями, превосходящими ожидаемые. Новую теорию Милгром назвал модифицированной ньютоновской динамикой (Modifi ed Newtonian Dynamics, MOND).