Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

Каку Митио

Воспользовавшись решением Шварцшильда, можно рассчитать, насколько нужно сжать обычное вещество, чтобы достичь этой волшебной сферы, то есть так называемого радиуса Шварцшильда, на котором должен произойти полный коллапс звезды. Для Солнца, к примеру, радиус Шварцшильда составляет 3 км. Для Земли он меньше сантиметра. (Поскольку в 1910-е гг. такая степень сжатия не поддавалась физическому осмыслению, физики решили, что никто и никогда не встретит во Вселенной подобный фантастический объект.) Но чем больше Эйнштейн изучал свойства таких звезд, которые позже физик Джон Уилер окрестил черными дырами, тем более странными они представлялись. Так, если вы будете падать на черную дыру, прохождение горизонта событий займет всего лишь долю секунды. Пролетая сквозь него, вы увидите свет, захваченный и обращающийся вокруг черной дыры может быть целые эпохи – а возможно, уже миллиарды лет. Последняя миллисекунда падения будет для вас не особенно

приятной. В этот момент на вас подействуют настолько мощные гравитационные силы, что атомы вашего тела будут попросту раздавлены. Смерть станет неизбежной и ужасной. Но наблюдатели, разглядывающие эту космическую смерть с безопасного расстояния, увидят совершенно иную картину. Свет, излученный или отраженный вашим телом, растянется под действием гравитации, и снаружи покажется, что вы как бы застыли во времени. Для всей остальной Вселенной вы будете недвижно висеть над черной дырой, вечно.

Эти звезды, надо сказать, выглядели настолько фантастично, что большинство физиков было уверено, что такие объекты невозможно обнаружить во Вселенной. Эддингтон, к примеру, сказал: «Должен существовать какой-то закон природы, который не давал бы звезде вести себя подобным абсурдным образом». В 1939 г. Эйнштейн попытался математически показать, что черная дыра невозможна. Он начал с изучения процесса формирования звезды, то есть с рассмотрения набора частиц, циркулирующих в пространстве и постепенно стягиваемых в одно место силой взаимного притяжения. Расчеты Эйнштейна показали, что обращающиеся вокруг общего центра частицы будут постепенно сближаться, но в конечном итоге остановятся на 1,5 радиусах Шварцшильда; следовательно, черная дыра не сможет сформироваться.

Расчет казался безупречным, но Эйнштейн, очевидно, упустил из виду возможность схлопывания вещества в самой звезде, вызванного сжимающим действием гравитационных сил, превосходящих все действующие в веществе ядерные силы. Такой более детализированный расчет опубликовали в 1939 г. Роберт Оппенгеймер и его ученик Хартланд Снайдер. Начали они не с набора частиц, обращающихся вокруг общего центра, а со статичной звезды, достаточно большой, чтобы ее мощная гравитация могла преодолеть действующие внутри звезды квантовые силы. Нейтронная звезда представляет собой большой шар размером с Манхэттен (примерно 30 км в поперечнике), состоящий из нейтронов, – этакое своеобразное гигантское ядро. От коллапса этот нейтронный шар удерживает сила Ферми, которая не позволяет более чем одной частице с определенными квантовыми числами (например, спином) находиться в одинаковом состоянии. Если гравитационная сила достаточно велика, она может преодолеть силу Ферми и таким образом сжать звезду до радиуса Шварцшильда и больше; науке неизвестны силы, которые могли бы при этом предотвратить полный коллапс. Однако должно было пройти еще около 30 лет, прежде чем нейтронные звезды и черные дыры были обнаружены, поэтому статьи о потрясающих свойствах черных дыр долгое время считались совершенно умозрительными.

Эйнштейн по-прежнему скептически относился к черным дырам, но был убежден, что рано или поздно сбудется другое его предсказание: будут открыты гравитационные волны. Как мы уже видели, одним из триумфальных достижений уравнений Максвелла было предсказание того факта, что электрическое и магнитное поля образуют движущуюся волну, доступную наблюдению. Аналогично, размышлял Эйнштейн, не допускают ли его уравнения существование гравитационных волн? В ньютоновом мире гравитационных волн быть не может, поскольку сила тяготения действует мгновенно по всей Вселенной, затрагивая все объекты одновременно. Но в общей теории относительности гравитационные волны в определенном смысле должны существовать, поскольку колебания гравитационного поля не могут распространяться быстрее, чем со скоростью света. Таким образом, к примеру, катаклизм, такой как столкновение двух черных дыр, породит ударную волну гравитации – гравитационную волну, распространяющуюся со скоростью света.

Еще в 1916 г. Эйнштейн сумел показать, что в некотором приближении его уравнения действительно показывают волнообразные движения гравитации. Эти волны, как и ожидалось, распространялись по ткани пространства-времени со скоростью света. В 1937 г. Эйнштейну и его студенту Натану Розену удалось найти точное решение уравнений, выдающее (уже без всякого приближения) гравитационные волны. Эти волны стали уверенным предсказанием общей теории относительности. Однако сам Эйнштейн не надеялся когда-либо увидеть это явление. Расчеты показывали, что оно лежало далеко за пределами экспериментальных возможностей ученых того времени. Должно было пройти почти 80 лет с того момента, когда Эйнштейн впервые обнаружил гравитационные волны в своих уравнениях, прежде чем Нобелевская премия досталась физикам, получившим первые косвенные свидетельства их существования. Не исключено, что гравитационные волны будут зарегистрированы лет через девяносто

после его первого предсказания. В свою очередь, они вполне могут оказаться средством, при помощи которого можно будет разобраться в Большом взрыве и найти единую теорию поля.

В 1936 г. чешский инженер Руди Мандль предложил Эйнштейну еще одну идею, связанную со странными свойствами пространства и времени. Нельзя ли, спросил он, использовать гравитацию какой-нибудь близкой звезды в качестве линзы для усиления света далеких звезд, точно так же, как стеклянная линза используется для усиления света? В свое время, в 1912 г., Эйнштейн уже рассматривал такую возможность, но теперь, после вопроса Мандля, вернулся к этой теме и рассчитал, что линза, о которой идет речь, породила бы для земного наблюдателя кольцеобразную структуру. Представим, к примеру, свет далекой галактики, проходящий рядом с близкой галактикой. Гравитация близкой галактики может расщепить световой луч надвое, так что части луча пройдут от нее по разные стороны. Миновав близкую галактику, лучи вновь сольются. С Земли эти лучи видны будут как световое кольцо – оптическая иллюзия, порожденная тем, что свет далекой галактики отклоняется под действием гравитации и обходит близкую галактику. Однако Эйнштейн заключил, что у нас «мало надежды увидеть такой феномен непосредственно». Более того, он написал, что эта работа «не имеет особой ценности, но бедняга [Мандль] будет счастлив». И вновь Эйнштейн так далеко обогнал свое время, что прошло 60 лет, прежде чем линзы и кольца Эйнштейна были обнаружены и со временем стали незаменимыми инструментами, при помощи которых астрономы исследуют далекий космос.

Но какой бы успешной и масштабной ни была общая теория относительности, она не подготовила Эйнштейна в середине 1920-х гг. к главной схватке его жизни – работе над единой теорией поля, которая объединила бы законы физики, и одновременному сражению с «демоном» квантовой теории.

Часть III

Незавершенная картина

Единая теория поля

Глава 7

Обобщение и квантовый вызов

В 1905 г., почти сразу после того, как была завершена работа над специальной теорией относительности, Эйнштейн начал терять к ней интерес, поскольку впереди в прицеле уже замаячила новая, более крупная дичь: общая теория относительности. В 1915 г. история повторилась. Сформулировав теорию гравитации, Эйнштейн почти сразу переключился на еще более грандиозный проект: единую теорию поля, которая объединила бы его теорию гравитации с максвелловской теорией электромагнетизма. Предполагалось, что эта работа станет не только вершиной его творчества, но и итогом двух тысячелетий научного исследования природы гравитации и света. Эта теория должна была дать Эйнштейну способность «читать мысли Бога».

Эйнштейн не был первым, кто предположил существование связи между электромагнетизмом и гравитацией. Самые ранние эксперименты по исследованию взаимоотношений между этими двумя вездесущими силами провел Майкл Фарадей, работавший в лондонском Королевском институте в XIX в. Он бросал магниты вниз с Лондонского моста и смотрел, отличается ли скорость их падения от скорости падения обычных камней. Если магнетизм взаимодействует с гравитацией, то, может быть, магнитное поле противодействует тяготению и магниты падают с другой скоростью. Кроме того, он бросал куски металла из-под потолка лекционного зала на пол на специальную подушку, пытаясь понять, индуцируется ли при падении в металле электрический ток. Все эксперименты Фарадея дали отрицательный результат. Однако он отмечал: «Они не поколебали моей прочной убежденности в существовании некоей связи между гравитацией и электричеством, хотя и не дали доказательств того, что такая связь существует». Риман, основатель теории искривленного пространства любой размерности, был убежден, что и гравитация, и электромагнетизм могут быть сведены к чисто геометрическим доказательствам. К сожалению, он не обладал какой бы то ни было физической картиной уравнений поля, поэтому его идеи ни к чему не привели.

Эйнштейн как-то привел интересную метафору, сравнив мрамор и дерево. Мрамор, по его мнению, символизировал прекрасный мир геометрии, где поверхности изгибаются гладко и непрерывно. Звезды и галактики, населяющие Вселенную, вели свою космическую игру на чудесном мраморе пространства-времени. Дерево символизировало хаотический мир материи с путаницей элементарных частиц и абсурдными, с точки зрения здравого смысла, квантовыми правилами. Дерево, примером которого могут служить узловатые ползучие лианы, растет непредсказуемым и случайным образом. Новые элементарные частицы, которые то и дело открывали в атоме, делали теорию вещества поистине безобразной. Эйнштейн видел недостаток своих уравнений. Главной ошибкой было то, что структуру мрамора определяло дерево. Степень искривленности пространства-времени определялась количеством дерева в каждой точке.