Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

Поразительно то, что окружающий мир – булавочные головки, люди, планеты и протоскопления галактик – состоит из элементарных частиц всего лишь трех типов: верхних кварков (u-кварков), нижних кварков (d-кварков) и электронов. Как буквы составляются в слова, предложения, абзацы и книги, так и эти три частицы составляют атомы, молекулы, сложные вещества – буквально каждый объект, который вы можете себе представить.

Что касается фундаментальных сил природы, физикам известны только четыре, две из которых действуют на очень близких дистанциях – в масштабе атомного ядра, поэтому называются сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Две другие силы – электромагнитное и гравитационное взаимодействия – проявляются в макромире, о чем известно каждому, кому случалось включить свет или уронить стакан.

Я сейчас упускаю великое множество деталей. Нейтрино, нестабильные элементарные частицы, знаменитый бозон Хиггса, темная материя, суперсимметричные частицы, тетракварки, возможно существующее пятое взаимодействие – список можно продолжать. Интересующихся я отсылаю к популярным книгам об элементарных частицах, поэтому не стану вдаваться в подробности, хотя еще вернусь к нейтрино и темной материи.

В нашем разговоре о пространственно-временном континууме и гравитационных волнах важна загадка силы гравитации. Всем известны ее наглядные проявления. Однако в некотором отношении гравитация резко отличается от других фундаментальных взаимодействий. Альберт Эйнштейн объяснял это тесной связью гравитации с пространством и временем.

Попытаемся объяснить это Исааку Ньютону. Ньютон, разумеется, не знал истинной природы гравитации. Он просто вывел универсальную формулу, эффективно описывающую силу притяжения двух масс, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Но, как большинство его современников, Ньютон считал пространство и время независимыми, абсолютными понятиями.

Фактически взгляды Ньютона на пространство и время во многом близки нашим интуитивным представлениям. Пространство попросту существует – трехмерное ничто, простирающееся бесконечно. Физический объект (будь то элементарная частица или планета) может находиться в некотором положении в пространстве или двигаться из одного положения в другое. Если выбрать определенную точку отсчета, все остальные местоположения можно будет задать всего лишь тремя координатами. Ведите отсчет от избранной точки, и три числа укажут, на какое расстояние нужно переместиться вперед или назад, вправо или влево, а также вверх или вниз, чтобы попасть в другую точку. Пространство – нечто вроде трехмерной миллиметровки. Это пустой неизменяющийся задник, на фоне которого происходят все события во Вселенной.

А время? Воображаемые часы природы отсчитывают и мгновения обычного дня, и каждую секунду после рождения Вселенной. Время – это абсолютный, непогрешимый метроном космоса, отмечающий все и каждое событие уникальной меткой. Кстати, оно одномерно: если выбрана точка отсчета, требуется только одно число, чтобы узнать, в какое время произошло любое другое событие.

Вы с легкостью представите пространство и время так, как их мыслил Ньютон. Это естественное восприятие. Наш мозг так устроен, что приходит именно к этой наглядной картине.

Увы, она ложна.

Эйнштейн показал, что пространство и время связаны. Трехмерное пространство и одномерное время в действительности сплетены в четырехмерный пространственно-временной континуум.

Эйнштейн также доказал, что пространство и время не абсолютны, а относительны. Именно поэтому его революционная теория называется теорией относительности. Каково расстояние между двумя точками в пространстве? Зависит от того, кого вы спрашиваете. Для путешественника, перемещающегося со скоростью, равной половине скорости света, расстояние между двумя точками пространства намного меньше, чем для находящегося в состоянии покоя (покоящегося относительно двух точек). Это справедливо и для отрезка времени между двумя событиями. Чем быстрее вы движетесь, тем медленнее идут ваши часы. Единственное, что является абсолютным – одинаковым для всех наблюдателей, независимо от их движения, – это четырехмерный промежуток между двумя событиями (в двух местоположениях) пространственно-временного континуума.

Наконец, Эйнштейн показал, что масса (а также энергия) оказывает влияние на четырехмерный пространственно-временной континуум. Плоскости слегка искривляются под воздействием массивных объектов, например звезд или ЧД. (Эффект более маленьких и легких объектов – астероидов или яблок – пренебрежимо мал.) Вследствие этого все, что движется по прямой, будь то свет или планета, в присутствии массивного тела начинает двигаться по криволинейной траектории. То, что мы воспринимаем как гравитацию, в действительности является следствием воздействия кривизны пространственно-временного континуума на движение других тел. Поскольку мы говорим об искривлении пространственно-временного континуума, время также испытывает влияние массивных тел – вблизи ЧД часы замедляются.

Если все это кажется вам бредом, познакомьтесь с астронавтом Джо Купером из фантастического фильма «Интерстеллар». Вместе с партнерами по команде Амелией Бранд и Дойлом он провел лишь несколько часов в мире, названном планетой Миллер, на орбите гигантской ЧД Гаргантюа. Из-за чрезвычайной близости орбиты планеты к ЧД искривление пространственно-временного континуума оказалось очень сильным, и время там буквально ползло. К возвращению Купера, Бранд и Дойла на «Эндьюранс» четвертый член команды Николай Ромилли постарел на 23 года.

Сильное искривление пространственно-временного континуума проявляется в облике самой Гаргантюа. ЧД окружена в области экватора плоским диском перегретого газа, из которого материя падает в дыру. По идее, вы должны были бы увидеть только ближнюю сторону диска. В конце концов, его дальняя сторона находится за ЧД. Но в силу искривления пространственно-временного континуума свет дальней стороны изгибается и обходит всю Гаргантюа. ЧД предстает в окружении яркого кольца.

Думаю, временами одержимость Кипа Торна должна была раздражать художников по спецэффектам и компьютерной анимации лондонской фирмы Double Negative, которой пришлось превращать его уравнения, описывающие пространственно-временной континуум, в захватывающие кадры. Иногда последнее слово оставалось не за физиком Калифорнийского технологического института, и научная достоверность отчасти страдала. В своей книге «Интерстеллар: Наука за кадром» (The Science of Interstellar), изданной в 2014 г., Торн вспоминает, что режиссер фильма Кристофер Нолан не хотел слишком усложнять зрителям жизнь. В конечном счете Торн остался очень доволен. «Как я был рад, когда впервые увидел эти кадры! – пишет он. – Впервые за всю историю в голливудской картине ЧД и ее диск были изображены так, как мы, люди, увидим их в реальности, когда научимся совершать межзвездные перелеты».

_________

Итак, мы можем описать и визуализировать влияние искривления пространственно-временного континуума, меняющее траекторию света и ход времени. Но как представить этот четырехмерный конструкт, тем более его искривление?

В 1917 г. Альберт Эйнштейн написал о своей новой теории небольшую книгу, названную без затей «О специальной и общей теории относительности (общедоступное изложение)» [8] . Впоследствии об относительности писали и другие авторы. Одна из самых забавных работ – «Мистер Томпкинс в Стране Чудес», написанная в 1940 г. космологом Георгием Гамовым [9] . Она до сих пор издается, и это не случайно. В раннем подростковом возрасте я залпом прочел другую книгу – «Экскурсия по пространству и времени» (Guided Tour Through Space and Time) [10] венгерского физика Эвы Феньо, написанную в 1959 г. Если вы хотите серьезно углубиться в предмет, непременно прочитайте захватывающую книгу Кипа Торна «ЧД и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна» [11] (1994). В ней более 600 страниц, но она адресована массовому читателю.

8

См.: Эйнштейн А. Работы по теории относительности 1905–1920 гг. Собрание научных трудов в четырех томах. Т. 1. – М.: Наука, 1965–1967. Классическое, с юмором написанное введение на тему высших измерений: Эббот Э. Э. Флатландия. – М.: Мир, 1976.

9

Гамов Г. Мистер Томпкинс в Стране Чудес, или Истории о «с», «G» и «h». – М.: Едиториал УРСС, 2003.

10

Eva Fenyo, A Guided Tour through Space and Time (Эва Феньо. Экскурсия по пространству и времени) [Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1959]

11

Торн К. Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна. – М.: Физматлит, 2007.

Для визуализации четырех измерений используется нехитрый прием – забыть об одном из них. Разумеется, мы не станем игнорировать временн'oе измерение, но отбросить одно из пространственных – допустимо. Таким образом, остаются два пространственных измерения и одно временн'oе. Пространственно-временной континуум становится трехмерным, а с тремя измерениями мы знакомы.

В двухмерном пространстве предметы могут перемещаться только вперед или назад и влево или вправо. Верх и низ отсутствуют. Давайте сосредоточимся на движениях, совершаемых в двух измерениях, в горизонтальной плоскости.

Представьте два объекта, движущиеся в плоскости по прямой. Один из них – луч света звезды, имеющий скорость 300 000 км/с, другой – планета, перемещающаяся в том же направлении, но в 10 000 раз медленнее, со скоростью не более 30 км/с. Если ни на один из этих объектов не оказывается никакое внешнее воздействие, оба будут двигаться по неизменной прямой, хотя и с очень разными скоростями.

Теперь поместим Солнце в эту плоскость примерно в 150 млн км от прямой. Мы знаем, что масса Солнца создает искривление пространственно-временного континуума. Вследствие этого траектория движения как света, так и планеты искривляется. Но вот что странно: траектория света меняется крайне мало (мы вернемся к воздействию Солнца на траекторию света в главе 3), а планеты – назовем ее Землей – гораздо сильнее, превращаясь в круговую орбиту. Что произошло? Если на оба объекта воздействует одна и та же сила, разве они не должны следовать траекториями одинаковой кривизны?