Читать книгу "Вселенная на ладони - Колин Стюарт"

Это событие было настолько катастрофическим, что гигантские волны, прокатившись по всей Вселенной, прорвали саму структуру пространствавремени. Промчавшись со скоростью света, они в итоге достигли Земли в сентябре 2015 года. К счастью, от нас требовалось всего-то включить прибор, способный уловить их. Новые случаи фиксации гравитационных волн, возникших в результате слияния черных дыр, последовали в декабре 2015-го, январе и августе 2017 года. Струйка превратится в поток и подобное станет происходить все чаще.

Первоначальное открытие знаменовало столетие с момента предсказания этого события. В 1915 году Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в рамках своей общей теории относительности. Но столь длительное время, потребовавшееся для подтверждения данной гипотезы и фактического обнаружения волн, объясняется тем, что, добравшись до Земли, эти волны становятся очень слабыми и трудноуловимыми. Они затухают подобно ряби на поверхности пруда, в который упал камень, а 1,3 миллиарда световых лет – действительно долгий путь для любого путешественника.

Гравитационные волны зафиксированы лазерным интерферометром гравитационно-волновой обсерватории в штате Вашингтон и в Луизиане. Каждый прибор состоит из двух идентичных 4-километровых полых труб, расположенных под прямым углом друг к другу. Лазерные лучи направлены вдоль по трубе и в конце упираются в зеркала. Как правило, отраженные лазерные лучи возвращаются к своему началу точно в то же самое время.

Однако если гравитационная волна приходит в момент прохождения лазерного пучка света, пространство в одной из труб немного расширяется и сжимается (гравитационные волны являются дестабилизирующим фактором для структуры пространства-времени как таковой). Отсюда следует, что пучок света от одного лазера обгоняет другой.

Лазерный интерферометр настолько чувствительный, что может уловить изменения в расстоянии до зеркал эквивалентного 1/10 000 ширины протона (положительно заряженная частица в центре атома). Это соответствует миллионной части от миллионной части метра. Это то же самое, как если бы расстояние в 40 триллионов километров до Проксимы Центавра (ближайшей к нам после Солнца звезде) изменилось на величину, равную диаметру человеческого волоса.

В октябре 2017 года три ученых, сделавших это открытие, были удостоены Нобелевской премии в области физики. Совершенно очевидно, что открытия носили революционный характер, так как были зафиксированы явления во Вселенной, которые излучают только гравитационные волны. А мы впервые смогли удостовериться в их существовании.

Замедление времени

Со времен эддингтоновского солнечного затмения 1919 года нам известно, что в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна массивные объекты искривляют структуру пространства вокруг них. Гравитационные волны еще убедительнее подтверждают эту идею.

Однако искривляется не только пространство, но и время. Как мы помним, по утверждению Эйнштейна пространство и время искривляются вместе в едином четырехмерном континууме, называемом пространством-временем. Это означает, что время бежит с различной скоростью в зависимости от того, как и насколько искривлено ваше локальное пространство-время. Окажитесь вы вблизи тяжелого объекта – и ваше время пойдет медленнее по сравнению со временем того, кто стоит дальше.

Даже на Земле эффект замедления времени может иметь важное значениею. Высокоточные атомные часы, хранящиеся на разных полках в лаборатории, потеряют синхронность, если одни из них будут находиться ближе к поверхности Земли. Часы, находящиеся на GPS-спутниках, также нуждаются в коррекции, так как на большем отдалении от поверхности Земли, где пространство-время искривлено в меньшей степени, время течет быстрее.

Однако вблизи черной дыры этот эффект был бы значительно более очевидным. В блокбастере «Интерстеллар» астронавты, совершающие вращение вокруг черной дыры, проживают один час за каждые семь лет, которые проходят на Земле.

Если бы мы понаблюдали за кем-нибудь, кто приближается к черной дыре, мы увидели бы, что с ними все происходит во все более замедленном движении. В конце концов, когда они приблизятся к точке пересечения с горизонтом события, или точке невозврата, они будут казаться застывшими. С нашей точки зрения, их время замедлилось до полной остановки. С их точки зрения, это произошло с нами.

Здесь мы имеем дело с гравитационным замедлением времени, однако есть похожий эффект, связанный со скоростью. Вы не удивились бы, если бы я сказал, что Усэйн Болт выиграет у вас в беге на сто метров. Он переместится через пространство быстрее вас, так как он бегает быстрее вас. Тем не менее вы, вероятнее всего, нашли бы странным, если бы я сказал также, что он переместился через время быстрее вас. Но это было бы правдой, потому что вы оба бежите сквозь пространство-время. В нашем примере разница столь мала, что вы никогда этого не заметите. Вместе с тем при значительно больших различиях в скоростях эффект замедления времени заметен намного сильнее.[4]

Космонавт Геннадий Падалка является рекордсменом по количеству дней, проведенных на орбите вокруг Земли, – в общей сложности 879 дней на станции «Мир» и Международной космической станции в период между 1998 и 2015 годом. Находясь в космосе, он перемещался со скоростью 28 тысяч километров в час. Учитывая обе формы замедления времени, можно утверждать, что он теперь на 0,02 секунды моложе, чем если бы он все время оставался на Земле. Это делает его самым великим путешественником во времени в истории человечества, поскольку он первым из землян переместился в свое будущее на пятидесятую долю секунды.

Белые дыры и кротовые норы

Если черная дыра – это нечто, откуда вы никогда не убежите, то белые дыры – это области Вселенной, куда вы никогда не сможете вернуться. У черных дыр есть только вход, а у белых дыр – только выход. В настоящий момент эти понятия существуют только в теории и представляют собой лишь математические возможности, возникающие вследствие решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна.

Они появляются тогда, когда физики рассуждают о том, что происходит с веществом по мере его приближения к сингулярности внутри вращающейся черной дыры. Новозеландский физик Рой Керр еще в 1960-х годах показал, что сингулярность внутри вращающейся черной дыры является не одной точкой, а кольцом. В норме нечто, попадающее в сингулярность, стирается из пространства и времени, но в случае с кольцом Керра вы сможете пройти сквозь ее середину и остаться невредимым.

Есть вероятность того, что пространство-время может искривиться так, что образуются краткие пути. Если это произойдет, мы получим возможность воспользоваться ими, в том числе и для путешествий во времени