Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной

Главный редактор – Элисон Джордж, редактор серии «Специалисты комментируют» для журнала New Scientist.

Редактор – Стивен Бэттерсби, автор научных и научно-популярных книг по физике, консультант журнала New Scientist.

В данную книгу вошли доклады, прочитанные в рамках мастер-класса, организованного журналом New Scientist в 2016 году, а также статьи, ранее публиковавшиеся в журнале New Scientist.

Майкл Дафф – почетный профессор теоретической физики в Имперском колледже Лондона, основоположник теории супергравитации.

Педро Феррейра – профессор астрофизики Оксфордского университета, специалист в области общей теории относительности. Занимается исследованием природы темной материи и темной энергии.

Джон Гриббин – астрофизик и автор научно-популярных книг. Приглашен для работы в качестве научного сотрудника по астрономии в Сассекский университет, где исследует проблему определения возраста Вселенной.

Мартин Хендри – профессор гравитационной астрофизики и космологии Университета Глазго, специалист по гравитационно-волновой астрономии.

Дэн Хупер – младший научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми в Батавии (штат Иллинойс, США) и доцент кафедры астрономии и астрофизики Чикагского университета.

Сабина Хоссенфелдер – научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований, занимается исследованием квантовой гравитации.

Юджин Лим – космолог-теоретик в Королевском колледже Лондона. Широкий спектр его интересов простирается от теории струн до той роли, которую играет распространение квантовой информации в космосе.

Эндрю Понтцен – лектор в Университетском колледже Лондона, занимается проблемами образования галактик и вычислительной космологии.

Марика Тейлор – профессор теоретической физики Саутгемптонского университета, специалист по черным дырам.

Милена Важецк – историк науки, занимается социальными и политическими проблемами современной науки.

Также благодарим следующих авторов:

Анил Анантасвами, Джейкоб Арон, Майкл Брукс, Маркус Чоун, Стюарт Кларк, Дэниэл Коссинс, Аманда Гефтер, Лиза Гроссман, Наоми Любик, Говерт Шиллинг, Джошуа Сокол, Колин Стюарт, Ричард Вебб, Йон Уайт.

Невозможно забыть или с чем-нибудь перепутать этот блеск светлых пушистых волос: в нем отражается совершенно новая картина мира, где время и пространство слиты воедино, масса превращается в энергию, обнажается структура и ткань Вселенной, которая затем разрывается в клочья…

Прошло более ста лет с тех пор, как Альберт Эйнштейн выковал теории относительности, ставшие величайшими достижениями человеческого разума. Но и поныне мы пытаемся понять всю их суть, до сих пор сокрытую от нас. Одним из следствий появления теорий относительности стало то, что мы стали лучше понимать жизнь Вселенной, ее зарождение в Большом взрыве и последующие этапы ее расширения. Еще один вывод, который следует из вычислений самого Эйнштейна, проведенных им в 1920-е годы, – существование темной энергии, доминирующей во Вселенной.

В 2016 году мы столкнулись, вероятно, с самым «релятивистским» моментом в истории, когда ученые сумели обнаружить гравитационные волны, рожденные в результате столкновения двух черных дыр и блуждавшие в расширяющемся пространстве-времени миллиарды лет. Вскоре гравитационно-волновые детекторы и радиотелескопы начнут исследовать природу горизонта событий, черту невозврата на краю черной дыры, чтобы узнать, действует ли теория относительности в этих экстремальных условиях. Между тем на стыке теории относительности и квантовой механики возникают все новые и новые гипотезы, от суперструн до квантовых треугольников и других необычных идей, соревнующихся друг с другом в попытке более глубоко объяснить сущность реальности. Рано или поздно даже Эйнштейн должен быть превзойден!

В книгах этой серии собраны мысли ведущих физиков и лучшие статьи, опубликованные в журнале New Scientist. Они познакомят вас с последними достижениями в области теории относительности Эйнштейна и с тем влиянием, которое идеи относительности оказали на наше восприятие Вселенной.

В 1915 году в голове клерка из швейцарского патентного бюро родилась идея, которая перевернула наши представления о пространстве и времени. Этим клерком был Альберт Эйнштейн (1879–1955), а идея, которую он выдвинул, называется общей теорией относительности. Эта глава описывает путь, пройденный автором и приведший его к судьбоносному открытию.

Во-первых, следует пояснить с самого начала: Эйнштейн не был одиноким гением. Его вклад в науку колоссален, но он появился не на пустом месте.

Эта история началась тогда, когда шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) создал теорию, в которой сумел объединить казавшиеся ранее разнородными физические понятия. В 1860-е годы ему удалось собрать воедино различные теории магнитного и электрического поля и описать их с помощью единой системы уравнений. Не менее замечательным оказалось следующее предсказание Максвелла: объединившись, электрические и магнитные поля образуют волну, которая распространяется со скоростью света. К концу XIX столетия становится ясно, что это далеко не случайность: ведь сам свет состоит из таких «электромагнитных волн».

Удивительно, но из уравнений следовало, что волны всегда распространяются с одной и той же скоростью, независимо от того, находится ли в движении их источник. Более того, ваша скорость как наблюдателя тоже не имела значения. В этом было что-то неправильное. Если я бросаю предмет вперед из движущегося экипажа, он должен лететь быстрее, чем если бы я его бросил, стоя на месте. Почему свет должен быть исключением?

Исходя из этой логики, ученые начали проводить исследования, ставившие своей целью найти изменения скорости света. Самым известным стал эксперимент, проведенный в 1887 году американскими физиками Альбертом Майкельсоном (1852–1931) и Эдвардом Морли (1838–1923). Они пытались наблюдать изменения скорости света по мере того, как Земля вращается вокруг оси и вокруг Солнца. Луч света расщеплялся на два пучка, которые посылались вдоль двух направлений под прямым углом друг к другу. Физики хотели обнаружить небольшую разницу во времени прохождения пучков света вдоль этих направлений. Ведь установка была по-разному ориентирована по отношению к движению Земли. Но, несмотря на всю скрупулезность и тщательность измерений, результат был одним и тем же: скорость света оставалась неизменной.

В 1895 году голландский математик Хендрик Лоренц (1853–1928) предложил свое объяснение постоянства скорости света. Он разработал ряд правил, которые связывают увиденное наблюдателем, находящимся в движении, с тем, что он должен видеть в состоянии покоя (см. главу 2). В этих правилах он ввел понятие некоего «фиктивного» времени: если вы двигаетесь с высокой скоростью, вам надлежит использовать именно это время, которое будет отличаться от времени, отсчитанного нормальными часами. Благодаря этому математическому трюку все становится на свои места, и скорость света оказывается одинаковой для всех.