Читать книгу "Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг"

Научно-технический прогресс, однако, оказался более стремительным, чем я предполагал. Едва ли кто ожидал, что первые же дни использования детектора принесут успех. Как результат, большую часть исследований и работы над рукописью мне пришлось проделать после эпохального открытия. Теперь, когда книга окончена, я вижу, что все сложилось наилучшим образом – открытие стало не постскриптумом, а неотъемлемой частью повествования.

Историю гравитационно-волновой астрономии писали и до меня. В этой книге она лишь часть сюжета. В ней речь идет также о развитии науки, путях, ведущих к открытиям, событиях сегодняшнего дня и видах на будущее, в котором изучение гравитационных волн станет полноценной областью астрономии. Обнаружение GW150914 – сигнала, зарегистрированного в памятный понедельник, – это и кульминация вековых поисков, и первая страница совершенно новой главы в исследовании Вселенной.

1

Знакомство с пространственно-временным континуумом

Джо Купер облачается в скафандр НАСА и надевает шлем. Если при запуске возникнут неполадки, ему понадобится кислород. Техники помогают ему войти в космический аппарат, расположенный на самом верху ракеты. По радиосвязи он слышит обратный отсчет и чувствует, как адреналин разливается по кровеносной системе. Купер не робкого десятка, но невозможно сохранить абсолютное хладнокровие, когда готовишься устремиться в космос на столбе пламени.

Вскоре он и трое других астронавтов в пути. Все идет по плану. За маленькими окнами корабля синева небес уступает место черноте безвоздушного пространства. Двигатели выключаются, возникает невесомость. Им остается сблизиться с огромной космической станцией, обращающейся вокруг Земли со скоростью более 8 км/с, и пристыковаться. Проще простого.

Казалось бы, рядовой полет к Международной космической станции (МКС) на борту российского корабля «Союз». Обычное дело… или нет? Никто не слышал об астронавте НАСА по имени Джо Купер. И трех спутников у Купера быть не могло. Любой астронавт объяснит, что «Союз» слишком мал для четверых – в нем и троим тесно.

История продолжается. Корабль, к которому пристыковываются астронавты, называется «Эндьюранс» и не имеет ничего общего с МКС. Наконец, они летят на «Эндьюранс» к Сатурну, исчезают в «кротовой норе», выныривают в другой галактике, выходят на орбиту гигантской ЧД под названием «Гаргантюа» и посещают чужие планеты. Купер даже наведывается в гиперпространство.

Это сюжет голливудского блокбастера 2014 г. «Интерстеллар»[4], снятого Кристофером Ноланом с актером Мэттью Макконахи в роли астронавта Купера. Если вы интересуетесь космической тематикой, то всё поняли по одному только имени героя. Возможно, вы даже посмотрели «Интерстеллар» большее число раз, чем я. Это выдающееся кино.

Из ряда научно-фантастических фильмов «Интерстеллар» выделяет наряду с прочим подбор исполнительных продюсеров. Это Джордан Голдберг («Бэтмен», «Начало»), Джейк Майерс («Выживший»), Томас Тулл («Мир Юрского периода»), а также Кип Торн, почетный фейнмановский профессор теоретической физики Калифорнийского технологического института в Пасадене. Не многие физики-теоретики по совместительству продюсируют фильмы.

Что происходит, когда ученый участвует в работе над научно-фантастической картиной? Можно надеяться, что результат не будет противоречить научным знаниям. «Интерстеллар» соответствует им на очень высоком уровне. Торн помог выстроить сюжетную линию. Он познакомил сценариста, режиссера, команду создателей спецэффектов и актеров с астрономией и ОТО. Торн даже написал уравнения на доске одного из персонажей, профессора Джона Бранда (в исполнении Майкла Кейна). К сожалению, Торн не появился на экране в роли самого себя. Очевидно, впрочем, что робот КИПП назван в его честь.

Трудно было бы найти человека, более подходящего на роль научного консультанта фильма о ЧД, чем Кип Торн. Он один из немногих людей, понимающих удивительные свойства пространственно-временного континуума. В 1990 г. Торн даже выиграл пари, которое заключил 15 годами ранее с британским коллегой и другом Стивеном Хокингом в отношении истинной природы космического источника рентгеновского излучения – Лебедь Х-1. (Призом стала годовая подписка на журнал «Пентхаус».) Вышедшая в 1994 г. книга Торна «Черные дыры и складки времени» стала национальным бестселлером.

В начале 2016 г. имя Торна вновь было у всех на слуху. 11 февраля ученые объявили о первом успехе в прямой регистрации гравитационных волн. В отдаленной области Вселенной коллапсировали и слились две ЧД. Столкновение вызвало возмущения пространственно-временного континуума. Проделав путь, превышающий 1 млрд св. лет, волны 14 сентября 2015 г. достигли Земли. Два гигантских детектора LIGO в США зафиксировали мельчайшую дрожь. LIGO – это детище Торна и его коллег-физиков Райнера Вайсса и Рональда Древера.

_________

Никто не видел ЧД вблизи. Никто не знает, существуют ли «кротовые норы». Гравитационные волны настолько малы, что их можно зарегистрировать только сверхчувствительными приборами. Искривление пространства, замедление времени – все это слишком сложно и оторвано от повседневного опыта. Чтобы действительно понимать подобные вещи, нужно разбираться в ОТО Эйнштейна.

Широко известна история об английском астрономе Артуре Стэнли Эддингтоне. В начале XX в. Эддингтон – мы вновь встретимся с ним в главе 3 – был одним из крупнейших популяризаторов новой теории пространственно-временного континуума, предложенной Эйнштейном. После публичной лекции один из слушателей спросил его: «Профессор Эддингтон, правда ли, что только три человека в мире действительно понимают общий принцип относительности?» Поразмыслив, Эддингтон произнес: «Интересно, кто третий?»

Разумеется, все не настолько сложно. Десятки тысяч физиков-теоретиков по всему миру владеют базовыми принципами ОТО. Постоянно появляются новые теоретические разработки, особенно касающиеся ЧД, где становятся важны квантовые эффекты: теория испарения ЧД Стивена Хокинга, «кротовые норы» как кратчайшие пути в пространстве в представлении Кипа Торна, голографический принцип Герарда т’Хоофта и «стена огня» Леонарда Сасскинда.

Я не стану сейчас вдаваться в детали, но, если величайшие умы современности продолжают высказывать поразительные догадки (и спорить о них), следовательно, они еще не овладели ОТО в полной мере. Приведенные примеры – немногие идеи, не кажущиеся высосанными из пальца. В журнале Physical Review Letters выходят статьи об 11-мерном пространственно-временном континууме, путешествиях во времени и множественной Вселенной. И вы считали, что в «Интерстеллар» слишком много натяжек?

Вероятно, поэтому многие интересуются этой, казалось бы, оторванной от жизни темой. Незачем знать, что такое ЧД, чтобы баллотироваться в президенты. Гравитационные волны не решат проблему глобального потепления. Можно прожить жизнь, не задумываясь об общем принципе относительности (единственное впечатляющее исключение я приберег для главы 3). Но это очень интересно, захватывающе и, бесспорно, будоражит воображение – возможно, достаточно веские причины.