Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Феррейра Педро

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

И это еще не все. Астрономы и релятивисты направили свои усилия

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

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

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

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

Эта увлеченность радует, хотя порой случаются и курьезы. Мой сын назвал меня безответственным за желание приблизить запуск Большого адронного коллайдера, и в этом мнении он был не одинок. В средствах массовой информации неоднократно повторялось, что теория струн, которая является одним из претендентов на теорию квантовой гравитации, предсказала формирование черной дыры после запуска коллайдера. При столкновении лучей протонов среди множества попадающих на детекторы объектов должны быть микроскопические черные дыры — мини-порталы в другие измерения. Мой сын знал, что черные дыры засасывают всё вокруг себя. Это же известно всем. Так зачем же мне и остальным людям в здравом уме потребовалось создавать такие безумно опасные вещи? Это же глупо.

Один из физиков пытался остановить включение Большого адронного коллайдера через суд. Во время интервью на шоу Джона Стюарта у него спросили про вероятность катастрофы, и он нарочито демонстративно ответил: «Пятьдесят процентов». Суд он проиграл, коллайдер запустили, а мы все еще живы. К сожалению, обнаружить миниатюрные черные дыры не удалось.

На каждой публичной

лекции о моей работе мне задают один и тот же вопрос: «Что было до Большого взрыва?». Я прибегаю к различным объяснениям. Один из вариантов ответа: «До Большого взрыва времени не существовало». Моя коллега, Джоселлин Белл Бёрнелл, отвечает в стиле дзен-буддизма: «Это все равно что на Северном полюсе спрашивать, что такое север». Все было бы намного проще, если бы я мог прибегнуть к математике, но в этом случае большая часть аудитории не поймет, о чем речь. Целые десятилетия благодаря теориям сингулярности Стивена Хокинга и Роджера Пенроуза мы верили, что до Большого взрыва ничего не было. Это одна из тех математических истин, появившихся в золотой век общей теории относительности, которые невозможно обойти.

Недавно я обнаружил, что мои ответы на такие вопросы стали более разнообразными, но менее точными. В последние годы благодаря открытиям в области квантовой гравитации и космологии вопрос начального времени стал широко обсуждаться. Когда вы поворачиваете время вспять и делаете Вселенную более плотной, более горячей и более хаотичной, начинают действовать квантовая пена, струны, браны и даже петли. Некоторые считают, что в этот момент пространство-время прекращает свое существование, и разговор о начальной сингулярности перестает иметь смысл.

Так что же происходило до Большого взрыва? Есть версия, что наша Вселенная появилась из пустоты. Пузырь пространства-времени рос и рос, пока не приобрел нынешний вид. Существует много других вселенных, подобных нашей, также появившихся из пустоты. Другая версия родилась из идей теории струн и М-теории, утверждающих, что у Вселенной существует намного больше четырех измерений, а мы живем на трехмерной «бране» в данном пространстве-времени и поворачиваемся вместе с ним. Наше место жительства, то есть наша брана, ощущается как трехмерная вселенная, которая то и дело сталкивается с другой аналогичной браной. В момент столкновения происходит выделение тепла, и наша Вселенная начинает ощущаться, как пережившая горячий Большой взрыв. Вместо сингулярности существует только бесконечная последовательность горячих «больших взрывов», — циклическая Вселенная, которой могли бы гордиться советские ортодоксальные философы, а возможно, и сам Фред Хойл. Создатели этой модели назвали каждый из таких больших взрывов Экпиросисом. Это греческий термин, обозначающий периодическое разрушение Вселенной, за которым обязательно следует возрождение.

Скорее всего, такое количество квантовой гравитации указывает на то, что при взгляде на пространство-время через всевидящий микроскоп оно окажется фрагментированным. Отматывая время к моменту, когда пространство-время еще было сконцентрировано в точке, мы обязательно увидим кусочки, из которых состоит ткань пространства. Известные нам законы физики перестанут работать еще до достижения сингулярности. Адепты теории петлевой квантовой гравитации считают, что существовал момент, когда Вселенная коллапсировала до квантового барьера и магическим образом снова начала расширяться. Она прошла через стадию, которая стала известна как «отскок».

Возможно, не стоило рассматривать эту странную темную эпоху, когда заметную роль начала играть квантовая гравитация, а многочисленные мнения о происходящем привели к не менее многочисленным гипотезам. Возможно, пространство-время является намного более пустым, чем нам казалось до этого, и наша Вселенная — всего лишь одна из множества частей, составляющих мультивселенную. А в этой мультивселенной появляются отдельные вселенные и увеличиваются до космических масштабов, каждая со своей скоростью и своим способом. И проследив за историей нашей Вселенной, мы обнаружим, что она, как прыщик, встроена в намного более протяженное пространство-время, которое существовало вечно. Мультивселенная — это дикий огромный мир в состоянии статического равновесия: в устойчивом состоянии создания и разрушения.