Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

Однако в разгар нудных технических речей меня сильно поразил тот факт, что во многих предложениях по запуску спутников центральным объектом интереса указывалась общая теория относительности. Она в явном виде упоминалась во многих предложениях, чудесным образом сопровождая обсуждаемые нами детали и технические характеристики. Нас просили финансировать полеты стоимостью миллиарды долларов, в которых теория Эйнштейна должна была проверяться или применяться для исследования глубин космоса и внутренних механизмов плотных массивных объектов. Это было будущее космической науки в XXI веке. Не все предложения можно было финансировать, запускались далеко не все спутники, но выбирать было из чего.

В одном из полетов предлагалось регистрировать рябь пространства и времени, гравитационные волны, расходящиеся от закончившегося взрывом столкновения двух черных дыр. Это было порождение проектов LIGO и GEO600, монструозный интерферометр, состоящий не из одного, а из трех спутников, вращающихся вокруг Солнца и оснащенных сверхточными лазерами, лучи которых отскакивали от зеркал, разнесенных на миллионы километров. Подобная космическая антенна, использующая принцип лазерного интерферометра (Laser Interferometer Space Antenna, LISA), уточняет результаты вновь начавшихся наземных экспериментов, фиксируя слабые сигналы, которых не замечают обсерватории LIGO и GEO.

Это еще не все. Другой полет предлагается посвятить измерению истории расширения Вселенной вплоть до момента, когда ее возраст составлял одну сотую от текущего. Для этого потребуются методы физической космологии, исследующие разбитое на полосы небо для создания каталогов с сотнями миллионов галактик. Затем, глядя на то, как галактики собираются в огромную космическую сеть, тщательно изучая, как в процессе гравитационного коллапса скопления и нити света объединяются вокруг пустот, можно оценить влияние темной материи и темной энергии или узнать, справедливо ли мнение, что теория Эйнштейна перестает работать в крупном масштабе.

Был также предложен спутник, предназначенный для изучения внутреннего строения черных дыр и поиска мощных всплесков рентгеновского излучения, в конце 1960-х и 1970-х открывшего столь удивительное окно во Вселенную. На этот раз можно пойти дальше и посмотреть, как чрезмерно закрученное пространство-время в центре этих объектов будет рвать в клочья материю и свет в соответствии с предсказаниями Зельдовича, Новикова, Риса и Линден-Белла. На первый раз достаточно измерить физические процессы, происходящие рядом с печально известным горизонтом событий, сферой Шварцшильда, которая так долго была для нас загадкой.

Во время этих собраний мне стало ясно, что общая теория относительности в XXI веке останется в центре внимания физики и астрономии. А это непросто. В мире ужатых бюджетов, бедности и экономического кризиса многие дважды подумают, прежде чем тратить миллиарды евро или долларов на спутниковые полеты. Не приходится удивляться тому, что правительство США прекратило финансирование проекта LISA, хотя думать об этом крайне грустно.

Проект LISA должен был стать последним шагом, необходимым для открытия гравитационных волн. Эта антенна могла бы не только обнаружить неуловимую рябь, но и стать огромной, совершенной обсерваторией, которая использовала бы гравитационные волны для наблюдения за столкновениями черных дыр и за нейтронными звездами, вращающимися вокруг общего центра. Мы получили бы возможность многое узнать о фантастических объектах, предсказанных общей теорией относительности. Первый этап проекта LIGO имел огромный успех, хотя и не позволил сделать никаких наблюдений. Он доказал, что используемая технология, безумная мешанина лазеров, квантов и точной инженерии, действительно работает и ее можно настроить, добившись еще более продуктивной работы. Следующая стадия этого проекта, известная как Advanced LI GO, уже могла получать результаты и готовила почву для проекта LISA. Однако сейчас, после отказа в финансировании, проект LISA близок к краху. Кто захочет в период, когда существует множество более насущных нужд, вкладывать деньги в огромную махину, цель работы которой понятна лишь нескольким посвященным?

Однако поиск гравитационных волн слишком важен, чтобы просто взять и отказаться от него. Поэтому европейцы силами Европейского космического агентства решили двигаться вперед. Предлагаемый интерферометр при меньших размерах все равно довольно впечатляющий. Он по-прежнему стоит миллиарды, хотя и дешевле своего предшественника. Чрезвычайно огорченные американские релятивисты также не собираются сдаваться. Без лишнего шума разбросанные по всей стране группы пытаются разработать собственный проект, более дешевый и компактный и менее амбициозный, но тем не менее позволяющий заглянуть в глубины пространства-времени, чтобы иметь резервный план на случай, если европейцы изменят вектор своих интересов или тоже станут жертвами финансового кризиса.

Но не нужно ждать запуска спутников. Вокруг нас уже происходят фантастические вещи. Мы помним, как менялось отношение к сингулярностям, какими противоестественными их считали многие великие умы, от Альберта Эйнштейна и Артура Эддингтона до Джона Уиллера (пока он не понял, как обстоят дела). Открытие квазаров, нейтронных звезд и рентгеновского излучения, а также потрясающий творческий потенциал таких ученых, как Уиллер, Кип Торн, Яков Зельдович, Игорь Новиков, Мартин Рис, Дональд Линден-Белл и Роджер Пенроуз, привели к тому, что черные дыры стали для нас обыденной вещью. К концу периода 1960-хи 1970-х, который Кип Торн называл золотым веком общей теории относительности, черные дыры стали такой же реальной частью астрофизики и физики, как звезды и планеты.

На моей полке стоят два учебника по общей теории относительности, выпущенные в конце золотого века. Они сильно отличаются друг от друга. Один из них называется «Гравитация» и написан Джоном Уиллером и парой его способных студентов — Чарльзом Мизнером и Кипом Торном. Его объем превышает тысячу страниц, большая черная обложка напоминает готическую телефонную книгу, он тщательно иллюстрирован и содержит все сведения о пространстве-времени, которые вам могут потребоваться. Там вы найдете весь странный материал, включая все афоризмы Уиллера, которые он изрекал во время докладов и конференций. Второй учебник написан одним из отцов стандартной модели физики частиц Стивеном Вайнбергом. Получив репутацию одного из ведущих умов в квантовой физике, он также решил заняться общей теорией относительности. Его книга «Гравитация и космология» является тщательным и продуманным введением в теорию Эйнштейна. Ее содержание в какой-то степени пересекается с содержанием первого учебника, но никакого сумасбродства в ней нет. Учитывая захватывающие открытия десятилетия, предшествующего ее выходу, книга Вайнберга содержит не очень много сведений о черных дырах. Это явление аккуратно упомянуто в конце одной из центральных глав как нечто, на что следует обратить внимание в качестве результата радикального расширения границ общей теории относительности.

Можно понять, почему некоторые продолжали относится к ситуации настороженно. Да, казалось, что все доказательства указывают на наличие повсюду плотных тяжелых объектов. И объяснить их без привлечения концепции черных дыр было непросто. Однако самих черных дыр при этом пока никто не видел. Впрочем, посмотреть непосредственно на черную дыру невозможно. Вы просто ничего не увидите — черные дыры, скрываются за сферой Шварцшильда и невидимы. Но тот факт, что мы не можем их увидеть, не означает, что их не нужно искать. Более того, большая черная дыра находится в центре нашей галактики Млечный Путь. Ее вес более чем в 100 миллионов раз превышает вес Солнца, а радиус составляет примерно 10 миллионов километров. Это много. Но так как она находится в десятках тысяч световых лет от нас, ее угловой размер на небе равен примерно стомиллионной градуса, то есть, с нашей точки зрения, меньше булавочной головки и намного меньше, чем можно рассмотреть в современный телескоп. И только благодаря уму и настойчивости астрономов мы уверены в том, что черная дыра там действительно есть.