Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной

«Наиболее ярким и захватывающим пропагандистом идей Эйнштейна всегда был сам Эйнштейн».

Стивен Хокинг. «Самая упрямая иллюзия» (A Stubbornly Persistent Illusion, 2008)

Эйнштейн о себе

В 2010 году в Иерусалиме, в Израильской академии естественных и гуманитарных наук, впервые во всей полноте была представлена оригинальная рукопись Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности».

Эйнштейн написал свою 46-страничную статью в 1916 году, а через три года после этого наблюдение солнечного затмения предоставило первое убедительное подтверждение общей теории относительности. В статье говорилось о возможной проверке теории, а также предсказывалось поведение перигелия орбиты Меркурия, которое до появления общей теории относительности считалось аномальным. В статье также обсуждался вопрос о возможности создания всеобъемлющей теории материи с помощью объединения теорий электромагнитного и гравитационного поля.

В 1916 году Эйнштейн еще не знал о существовании двух других сил, которые также необходимо учитывать, – слабое и сильное ядерное взаимодействие. Но поднятый Эйнштейном вопрос был очень важным и остается открытым до сих пор. Легионы физиков пытаются дать ответ на аналогичный вопрос в процессе поиска пути объединения общей теории относительности и квантовой механики, чтобы создать окончательную теорию всего.

Что-то завораживающее есть в чтении строк, написанных самим Эйнштейном (оцифрованные версии этой и других его статей можно найти в Интернете). Его уникальный философский стиль временами обманчиво прост, полон познавательных мысленных экспериментов и всегда подвергает сомнению наши самые устоявшиеся взгляды на действительность. В 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике за его «заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Свет изгибается

Как теория Эйнштейна выглядит в свете практических испытаний?

Теория относительности часто рассматривается как торжество чистого интеллекта и как одна из наиболее элегантных фундаментальных физических теорий. Но элегантность и интеллект ничего не значат в физике, если не подтверждаются наблюдениями окружающей природы.

Теория гравитации Ньютона на протяжении 200 лет и более с честью выдерживала проверку практикой. В ее основе лежал закон всемирного тяготения: сила тяготения между любыми двумя телами пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон Ньютона позволял очень точно предсказывать движение планет в нашей Солнечной системе. Власть закона была так велика, что в 1846 году французский астроном Урбен Леверье (1811–1877) смог с его помощью предсказать существование планеты Нептун.

И только в одном случае теория Ньютона не смогла справиться с поставленной задачей. Леверье обнаружил, что орбита Меркурия слегка смещается по сравнению с предсказаниями теории Ньютона – меньше чем на одну сотую градуса за столетие. Это противоречие озадачивало ученых вплоть до 1916 года, когда Эйнштейн показал, что его общая теория относительности приводит именно к такому наблюдаемому смещению орбиты Меркурия. Общая теория относительности практически сразу прошла свое первое испытание.

Эйнштейн также предсказал, что массивный объект, такой как Солнце, должен искривлять путь света: по сути дела, искривленная геометрия пространства должна работать как линза, фокусируя свет (рис. 1.1). (Стоит отметить, что теория Ньютона также предсказывала искривление светового луча, но в два раза меньшее, чем в общей теории относительности.)

Счастливое затмение

11 августа 1999 года небо над родным городом Эйнштейна, городом Ульмом в Германии, потемнело – Луна затмила Солнце. Это была достойная дань уважения человеку, который преобразил нашу картину мира, и достаточно удивительное событие. Дело в том, что полные солнечные затмения случаются где-нибудь на Земле каждые 18 месяцев. Но в любом отдельно взятом месте между последующими затмениями проходит примерно 350 лет. Каковы же были шансы, что величайший ученый двадцатого века удостоится чести быть отмеченным последним полным солнечным затмением тысячелетия? Но, наверное, нам не стоит слишком удивляться этому совпадению; для Эйнштейна затмения всегда были счастливыми.

Возьмем, к примеру, похожее полное затмение, происшедшее около ста лет тому назад и сыгравшее основополагающую роль в подтверждении правильности общей теории относительности Эйнштейна. Статьи Эйнштейна, контрабандой вывезенные из Германии во время Первой мировой войны, попали в Кембридж к британскому физику Артуру Эддингтону (1882–1944). Эддингтон понял, что полное солнечное затмение, которое должно было произойти 29 мая 1919 года над островом Принсипи у берегов Западной Африки, может предоставить золотую возможность для проверки одного из главных предсказаний общей теории относительности.

Рис. 1.1. Свет отклоняется искривленным пространством-временем

Экспедиция, возглавляемая Эддингтоном, прибыла на Принсипи и своевременно произвела фотосъемку затмения. Они хотели наблюдать Гиады – яркое звездное скопление – во время прохождения Солнца перед ним. Чтобы заслонить солнечный свет, Эддингтону требовалось полное солнечное затмение. Если теория Эйнштейна верна, то положения звезд скопления Гиады окажутся сдвинутыми примерно на 1/2000 градуса.

Первый снимок Гиад Эддингтон сделал ночью в Оксфорде. Затем, 29 мая 1919 года, он сфотографировал Гиады на острове Принсипи во время солнечного затмения, когда скопление звезд находилось практически за Солнцем. Потребовалось много времени, чтобы обнаружить это отклонение света – смещение в положении звезд было очень маленьким. Но в сентябре 1919 года Эддингтон, в конце концов, заявил, что Эйнштейн был прав. Сравнив два измерения, Эддингтон обнаружил, что смещение оказалось в точности таким, каким его предсказывал Эйнштейн. Полученный результат сделал Эйнштейна международной знаменитостью.

Таким образом, Эйнштейну опять повезло. Достоверность результатов, полученных Эддингтоном, сегодня вызывает некоторые сомнения. Высказываются предположения, что эффект отклонения света на самом деле был слишком мал, и Эддингтон вряд ли мог его зафиксировать с большой точностью. И не будь он так увлечен теорией Эйнштейна, он вряд ли бы пришел к такому однозначному заключению так быстро.

С тех пор теория Эйнштейна не раз подвергалась многочисленным проверкам. Одно из предсказаний теории заключается в том, что луч света, выбираясь из искривленного пространства-времени возле массивного объекта, меняет свою длину волны, которая растягивается, т. е. свет «краснеет». В 1959 году американские физики Роберт Паунд (1919–2010) и Глен Ребка (1931–2015) измерили гравитационное красное смещение в своей лаборатории в Гарварде. Мы имеем достаточно много доказательств существования черных дыр (см. главу 3). А в 2016 году физикам из гравитационно-волновой обсерватории LIGO удалось обнаружить гравитационные волны (см. главу 4), перемещение искажений пространства-времени, которые Эйнштейн предсказал сто лет тому назад.

Был ли уникален мозг Эйнштейна?

Когда Эйнштейн умер, патологоанатом, горя желанием открыть источник необычайного интеллекта Эйнштейна, извлек его мозг, анатомировал и сфотографировал его. Мозг ученого с самого начала вызвал некоторое разочарование: он был слегка меньше средних размеров. Однако за последние десятилетия изображения мозга Эйнштейна дали исследователям пищу для новых идей. Исследование 1999 года показало, что теменная доля головного мозга Эйнштейна – часть мозга, ответственная за математическое и пространственное мышление – оказалась на 15 % шире, чем у среднего мозга. Национальным музеем здоровья и медицины в Чикаго даже было разработано специальное приложение Einstein Brain Atlas (Атлас мозга Эйнштейна). В приложении представлены более 350 оцифрованных слайдов, которые помогут исследователям «углубиться» в серое вещество великого человека. Согласно статье, опубликованной в 2012 году в неврологическом журнале Brain, блестящий интеллект Эйнштейна может объясняться особенностями префронтальной коры его мозга, которая ответственна за речь, формирование представлений о будущих событиях и предугадывание их последствий. По сравнению с обычным мозгом, префронтальная кора мозга Эйнштейна значительно увеличена. Исследователи также заметили большой выступ на двигательной коре головного мозга, посчитав его следствием того, что Эйнштейн с детства начал играть на скрипке.

Некоторые срезы мозга пропали без вести. Не исключено, что когда-нибудь они найдутся на чердаках ваших дедушек.

Пространственно-временная хроника

1905

Эйнштейн излагает свою специальную теорию относительности в статье «Об электродинамике движущихся тел».

1915

Эйнштейн представляет в Прусской академии наук в Берлине свои уравнения гравитационного поля в общей теории относительности.

1916

Эйнштейн использует общую теорию относительности для предсказания существования гравитационных волн, складок в пространстве-времени, возникающих в результате ускорения массивных тел.

1917

Эйнштейн вводит дополнительный член в свои уравнения, космологическую постоянную, чтобы уравновесить силы притяжения и получить статичную Вселенную, которая бы не расширялась и не сжималась.

1919

Артур Эддингтон наблюдает отклонения световых лучей под действием притяжения Солнца во время солнечного затмения на острове Принсипи – эффект гравитационной линзы, предсказанный Эйнштейном.

1921

Эйнштейн получает Нобелевскую премию за «заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

1922

Александр Фридман находит решение уравнений Эйнштейна, которое описывает равномерно расширяющуюся Вселенную. Пять лет спустя Жорж Леметр независимо от него получает те же результаты.

1929

Эдвин Хаббл и др. показывают, что далекие галактики удаляются от нас – первый намек на расширяющуюся после Большого взрыва Вселенную. Эйнштейн отказывается от своей космологической постоянной.

1948

Теоретики предсказывают, что если Вселенная расширяется из горячего и плотного состояния после Большого взрыва, то она должна оставлять после себя остаточное свечение: космическое микроволновое фоновое излучение.

1964

Радиоантенны улавливают космическое микроволновое фоновое излучение в виде шума. Наступает «золотой век» теории относительности.

1972

Рентгеновское излучение от источника X– 1 в созвездии Лебедя предоставляет первое доказательство коллапса звезды и превращения ее в черную дыру звездной массы.

1974

Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаруживают пару нейтронных звезд, чьи орбиты замедляются точно так же, как если бы они теряли энергию, испуская гравитационные волны.

1974

Стивен Хокинг теоретически показывает, что квантовые эффекты могут вынуждать черные дыры испаряться, испуская излучение Хокинга. Возникает вопрос: что происходит с информацией, которую поглощают черные дыры?

1980

Алан Гут и др. выдвигают предположение, что Вселенная, родившаяся в результате Большого взрыва, выровнялась после инфляции – периода ускоренного расширения в первые моменты после своего рождения.

1989

Космическое ведомство США (НАСА) запускает космическую обсерваторию COBE для исследования реликтового (космического микроволнового фонового) излучения. Обсерватория обнаруживает весьма однородное поле излучения, что подтверждает инфляционную теорию Большого взрыва.