Читать книгу "Карта Вселенной - Приямвада Натараджан"

Хотя теория Ньютона предлагала также и описание падения тел на Землю, однако сейчас уже ясно, что оно не является ни полным, ни исчерпывающим. Например, законы Ньютона не описывают движение частиц на очень малых, субатомных расстояниях, а также на очень больших, космических масштабах. Для понимания этих закономерностей нам необходимо глубже ознакомиться с эйнштейновской интерпретацией гравитации. Конечно, следует помнить, что он не мог предвидеть будущих требований к его теории. Система GPS навигации полностью основана на принципах эйнштейновской теории гравитации. Требуемое для GPS точное определение местоположения аппарата и управление его движением осуществляются за счет функционирования на заданных орбитах Земли 24 спутников, на борту каждого из которых установлены точнейшие доступные атомные часы. Навигационное устройство в вашем автомобиле получает радиосигнал от ближайшего спутника и сравнивает его с сигналами от четырех других близких спутников. Именно это сравнение позволяет определить позицию автомобиля с точностью около 1 м. Эта исключительно сложная задача требует учета поправок в рамках обеих теорий относительности Эйнштейна (и специальной, и общей). В соответствии с СТО время на двигающихся часах (то есть на спутниках) течет медленнее, чем на Земле. С другой стороны, необходимо учитывать, что часы на спутниках, условно говоря, «погружены» в гравитационное поле Земли и поэтому должны идти быстрее, так как это поле «искривляет» пространство и меняет течение времени. В результате действия этих конкурирующих механизмов атомные часы на орбитальных спутниках идут чуть-чуть быстрее наземных (примерно на 40 мкс в день), однако именно эта ничтожная поправка учитывается и играет важную роль при определении координат вашего автомобиля (в противном случае вместо Манхэттена в Нью-Йорке вы рискуете оказаться где-то в штате Нью-Джерси — это действительно большая разница). Теория Эйнштейна вовсе не отменяет ньютоновскую концепцию тяготения. Каждая из теорий имеет собственную область применения — предлагает адекватное описание реальности в некоторых условиях. Эйнштейн как-то заметил, что «наилучшую судьбу имеет та физическая теория, для которой можно указать способ ее включения в рамки другой, более обширной теории в качестве предельного случая»{12}. Ньютон указал на универсальность гравитации, а Эйнштейн сумел объяснить эту универсальность в терминах искривления пространства-времени. Например, в пределах Солнечной системы отклонения от теории Ньютона, предсказываемые ОТО, исключительно малы и составляют лишь около одной миллионной доли от измеряемых величин.

При создании карты Солнечной системы важную роль вновь сыграли неравномерности в движении планет. Эйнштейн постулировал, что еще одним проверяемым наблюдательным следствием будет прецессия орбиты планеты Меркурий. Эта планета является ближайшей к Солнцу и поэтому испытывает более сильное гравитационное воздействие, чем планеты, более удаленные. Искажение пространства-времени в окрестностях Солнца вызывает незначительные, но доступные для измерения аномалии траектории Меркурия, которые тоже соответствуют предсказаниям Эйнштейна. Самые последние и точные эксперименты с использованием космических зондов подтвердили расчеты колебаний орбиты Меркурия на основе ОТО с очень высокой точностью.

Тем не менее сам Эйнштейн не верил, что для предложенных им полевых уравнений, описывающих гравитацию, может быть найдено хоть какое-то простое решение. Однако уже в 1915 г. немецкий физик Карл Шварцшильд получил точное решение для специального случая пространства-времени, создаваемого крошечным, но очень массивным объектом. Предложенное Шварцшильдом решение описывает искажение или модификацию формы пространства, гравитационный колодец в окрестности точечной массы — черной дыры. Другим физикам также удалось получить еще несколько точных решений системы полевых уравнений Эйнштейна. Например, как уже рассказывалось в предыдущей главе, Александр Фридман и Жорж Леметр получили решение, соответствующее пространству-времени в расширяющейся Вселенной, а ближе к нашим дням специалист по релятивистской физике Рой Керр нашел решение для поля, создаваемого вращающейся черной дырой{13}. Решение Шварцшильда для черной дыры не приближенное, а математически точное, что было для физиков довольно необычно и интуитивно непонятно. Для них было странным в этом решении, что черная дыра содержит в себе сингулярность, точку, где законы физики ломаются и больше не работают. Кроме того, решение Шварцшильда имело другую весьма необычную особенность, так как подразумевало и включало в себя наличие еще одного параметра — границу между видимой и невидимой частями черной дыры. Она получила название горизонта событий, или радиуса Шварцшильда. Горизонт событий можно назвать точкой невозвращения. Любые физические объекты (включая лучи света), перешедшие эту границу, навсегда теряются для внешнего наблюдателя и перестают обнаруживать себя какими-либо проявлениями вообще. Более того, радиус горизонта событий оказался пропорциональным утроенной массе черной дыры, то есть он возрастает с увеличением ее массы. Поэтому физики воспринимали полученное Шварцшильдом решение (включая содержащееся в нем представление о горизонте событий и скрытую сингулярность) в качестве математического курьеза, поскольку оно явно не описывало реальные объекты. Одной из главных причин неприятия физиками понятия черных дыр стала именно проблема, тесно связанная с природой сингулярности. Сингулярности всегда представляли собой некий вызов, поскольку их существование подвергает испытанию пределы применимости наших теорий, а также указывают границы мира, где перестает работать интуиция. Физикам приходится терпеть наличие этих неприятных понятий, поскольку они понимают, что им неизбежно придется столкнуться с ними при рассмотрении искривления пространства-времени в окрестности черной дыры. При этом возникают сложности и ограничения, которые физики-теоретики давно мечтают преодолеть за счет создания новой объединяющей теории, которая позволила бы осуществить слияние физики мельчайших масштабов (квантовой механики) и теории гравитации. Несколько поколений физиков, включая Эйнштейна и Эддингтона, мечтали о такой финальной теории, так называемой теории всего, однако она оставалась неуловимой. Важным прорывом в данном направлении стало понимание того факта, что сингулярность лежит не на горизонте событий, а заключена внутри самой черной дыры, что позволяет понять, как реально формируются черные дыры, на примере конечной стадии коллапса обычной звезды.

Процесс превращения «умирающей» звезды в черную дыру требует более подробного описания. Представьте себе типичную среднюю звезду класса нашего Солнца (относящуюся к так называемым звездам главной последовательности). Температура ядра такой звезды очень высока (15 млн °С) и существенно превосходит температуру ее поверхности. При этом субатомные частицы (электроны и атомные ядра) внутри звезды непрерывно сталкиваются и отскакивают друг от друга в результате ядерных реакций. Такие столкновения создают внутри ядра очень высокое давление, которое, в свою очередь, компенсирует мощные силы гравитации и предотвращает естественный коллапс звезды.

Понятно, что такое равновесие, основанное на тонком балансе сил, не может сохраняться бесконечно долго. Наличие источника энергии в центре Солнца, термоядерного реактора, который превращает водород в гелий, сохраняет баланс сил с самого начала. Но по мере выгорания водорода в ядре звезды силы гравитации выигрывают гонку и сжимают ядро. В этот период может начаться синтез более тяжелых химических элементов, однако постепенно, по мере потери своего ядерного горючего, звезда начинает охлаждаться. Например, из расчетов известно, что наше Солнце примерно через 5 млрд лет, когда баланс сил сместится в сторону гравитации, начнет остывать и превратится в белого карлика. Более экзотичной оказывается судьба звезд, масса которых заметно превышает массу Солнца. Такие объекты могут сжиматься и дальше, превращаясь в конечном счете в нейтронные звезды либо в черные дыры.