Читать книгу "Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - Митио Каку"

Помимо всего прочего, темная энергия вынуждает нас переоценить нашу истинную роль и положение во Вселенной. Еще Коперник показал, что человечество не занимает в Солнечной системе никакого особого положения. Существование скрытой массы (темной материи) показывает, что в атомах, из которых сложен наш мир, тоже нет ничего особенного, поскольку 90 % вещества во Вселенной составляет загадочная скрытая масса. Теперь же результат работы с космологической константой показывает, что темная энергия подавляет своей величиной скрытую массу, по сравнению с которой, в свою очередь, кажется незначительной энергия звезд и галактик. Космологическая константа, которую когда-то неохотно ввел Эйнштейн, чтобы стабилизировать Вселенную, является, вероятно, крупнейшим источником энергии в ней. В 2003 г. новый спутник для регистрации реликтового излучения WMAP подтвердил, что 4 % вещества Вселенной заключено в обычных атомах, 23 % – в какой-то форме неизвестного темного вещества и 73 % – в темной энергии.

Еще одно странное предсказание общей теории относительности – черные дыры, которые считались фантастикой, пока Шварцшильд в 1916 г. не вернул к жизни концепцию «темных звезд». К настоящему времени телескоп «Хаббл» и радиотелескоп VLA подтвердили существование более чем пяти десятков черных дыр, в основном в центрах крупных галактик. Мало того, сегодня многие астрономы считают, что примерно у половины из триллионов галактик имеются черные дыры в центре.

Эйнштейн понимал, что распознавание этих экзотических небесных объектов будет представлять серьезные трудности: они по определению невидимы, поскольку даже свет не может их покинуть, и потому обнаружить их очень трудно. Но сегодня космический телескоп «Хаббл», вглядываясь в глубину далеких квазаров и галактик, сумел сделать потрясающие фотографии вращающегося диска, окружающего черные дыры в центрах таких галактик, как M87 и NGC 4258. Можно даже увидеть, как часть этого вещества вращается вокруг черной дыры со скоростью порядка миллиона километров в час[32]. Самые подробные фотографии «Хаббла» показывают, что в центре черной дыры имеется точка около одного светового года в диаметре, мощности которой достаточно, чтобы закрутить вокруг себя целую галактику около 100 000 световых лет в поперечнике. После многих лет спекулятивных построений в 2002 г. было показано, что у нас под боком, в галактике Млечный Путь, имеется собственная черная дыра, которая весит примерно столько же, сколько четыре миллиона солнц. Таким образом, Луна обращается вокруг Земли, Земля – вокруг Солнца, а Солнце вокруг черной дыры.

Согласно расчетам, сделанным еще в XVIII в. Джоном Мичеллом и Пьером-Симоном Лапласом, масса темной звезды или черной дыры пропорциональна ее радиусу[33]. Радиус черной дыры в центре нашей Галактики соответствует примерно одной десятой радиуса орбиты Меркурия. Поразительно, что такой маленький объект может влиять на динамику всей Галактики. В 2001 г. астрономы, исследовавшие эффект линзирования по Эйнштейну, объявили, что в пределах галактики Млечный Путь обнаружена блуждающая черная дыра. По мере движения она искажала свет находящихся рядом с ней звезд. Отследив движение этого искажения света, астрономы смогли рассчитать траекторию объекта. (Блуждающая черная дыра, приближающаяся к Земле, могла бы вызвать катастрофические последствия. Она съела бы Солнечную систему целиком и не подавилась.)

В 1963 г. исследование черных дыр получило новый толчок, когда новозеландский математик Рой Керр обобщил теорию шварцшильдовой черной дыры так, чтобы включить в нее вращающиеся черные дыры. Поскольку все во Вселенной, кажется, вращается, и поскольку объекты вращаются все быстрее, когда сжимаются, было естественно предположить, что любая реальная черная дыра будет вращаться с фантастической скоростью. К всеобщему удивлению, Керр нашел точное решение уравнений Эйнштейна, в котором звезда коллапсировала во вращающееся кольцо. Гравитация в этом случае пытается схлопнуть кольцо, но центробежные эффекты могут оказаться достаточно сильными, чтобы противостоять гравитации, и вращающееся кольцо будет стабильным. Релятивистов больше всего удивило, что при пролете сквозь кольцо вас бы не раздавило. Гравитация в центре кольца сильна, но конечна, так что в принципе вы могли бы пролететь прямо сквозь кольцо, в другую Вселенную. Путешествие по мосту Эйнштейна – Розена не обязательно должно окончиться смертельным исходом. Если кольцо оказалось бы достаточно большим, через него можно было бы безопасно попасть в параллельную Вселенную.

Физики сразу же начали разбирать по косточкам все, что может произойти при падении в черную дыру Керра. Встреча с такой черной дырой, безусловно, стала бы незабываемым переживанием. В принципе, такая дыра могла бы подарить нам короткий путь к звездам, мгновенно перенося в другую часть Галактики или, может быть, вообще в другую Вселенную. Приближаясь к черной дыре Керра, вы прошли бы сквозь горизонт событий, так что вернуться в точку старта после этого уже невозможно (если только не существует другой черной дыры Керра, связывающей ту, параллельную вселенную с нашей в обратном направлении; тогда возможен круговой маршрут). Выяснилось, однако, что существуют проблемы со стабильностью этой системы. Если человек пролетает сквозь мост Эйнштейна – Розена, то созданные им искажения пространства-времени, могут вынудить черную дыру Керра закрыться, и тогда завершить проход по мосту окажется невозможным.

Какой бы странной ни казалась идея черной дыры Керра, служащей вратами или порталом между двумя вселенными, от нее нельзя просто отмахнуться по физическим соображениям, поскольку черные дыры и правда вращаются очень быстро. Однако очень скоро стало ясно, что эти черные дыры соединяют не только две отдаленных точки в пространстве, но и два времени и могут работать как машины времени.

Когда Гёдель в 1949 г. нашел первое решение уравнений Эйнштейна в форме путешествия во времени, физики рассматривали это как новацию, как изолированную аберрацию этих уравнений. Однако с тех пор были найдены десятки решений эйнштейновых уравнений, связанных с путешествиями во времени. Выяснилось, к примеру, что одно из старых решений, найденное в 1936 г. Виллемом ван Стокумом, в реальности позволяет путешествия во времени. Решение ван Стокума представляло собой бесконечный цилиндр, быстро вращающийся вокруг своей оси, как волчок. Если двигаться вокруг вращающегося цилиндра, то можно попасть в начальную точку раньше, чем вышел из нее, примерно как в решении Гёделя 1949 г. Это решение представляет интерес, но проблема в том, что цилиндр должен быть бесконечно длинным. Конечный вращающийся цилиндр, по-видимому, работать не будет. Поэтому, в принципе, и решение Гёделя, и решение ван Стокума могут быть исключены по физическим соображениям.

В 1988 г. Кип Торн из Калифорнийского технологического института с коллегами обнаружил еще одно решение уравнений Эйнштейна, разрешающее путешествия во времени сквозь кротовые норы. Ученые сумели решить проблему односторонности путешествия сквозь горизонт событий – они показали, что некий новый тип кротовых нор полностью проходим в обоих направлениях. Более того, они рассчитали, что путешествие сквозь подобную машину времени может оказаться столь же комфортабельным, как полет на обычном самолете.