Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Феррейра Педро

Всю свою жизнь Пенроуз «играл» с пространством-временем: разрезая его, склеивая вместе отдельные фрагменты и доводя модели до предельных значений. Обладая математическим складом ума и интуитивным пониманием пространства и времени, он иначе, чем все остальные, смотрел на вещи. Рисунки, известные как диаграммы Пенроуза, разворачивают пространство-время, открывая его самые странные свойства. Они наглядно показывают, что происходит со светом при приближении к поверхности Шварцшильда, как свет ведет себя, если развернуть отсчет времени в сторону Большого взрыва, и даже как растянуть пространство и время, придав им вид пены на поверхности океана.

Впервые тягу к общей теории относительности Пенроуз ощутил еще студентом, изучая математику в Лондоне. По книге

Эрвина Шрёдингера «Структура пространства-времени» он самостоятельно изучил основы. Но по-настоящему задуматься о деталях его заставили пропагандирующие теорию стационарного состояния лекции Фреда Хойла. Было нечто притягательное и вместе с тем странное в описываемой Хойлом Вселенной — она не вписывалась в представления Пенроуза об относительности. Он решил посетить своего брата Оливера, который также был математиком и готовился к получению докторской степени в Кембридже. Роджер надеялся, что Оливер поможет ему разобраться в так привлекающей его странной теории.

Кембридж 1950-х, несмотря на степенную атмосферу вековых монастырей и удушающую ритуальность колледжей и университета, постепенно превращался в весьма привлекательное место. Блестящие изысканные лекции по квантовой механике читал Поль Дирак — английский физик, сыгравший важную роль в доказательстве идентичности квантовых теорий Гейзенберга и Шрёдингера. Герман Бонди отвечал за лекции по общей теории относительности и космологии вместе с Фредом Хойлом, активно продвигающим их совместную концепцию стационарной Вселенной. Кроме того, там работал Деннис Сиама.

Братья Пенроуз встретились в ресторане Кингсвуд в Кембридже, чтобы обсудить радиолекции Фреда Хойла. Роджер не понимал, каким образом в модели стационарной Вселенной галактики могут ускоряться и разбегаться в стороны с таксой скоростью, что в какой-то момент скрываются за космическим горизонтом. С его точки зрения, должно было происходить кое-что другое, что можно было показать при помощи его диаграмм. Оливер указал на соседний столик и сказал: «Можешь спросить Денниса. Он знает об этом все». Он подвел Роджера к Деннису Сиама и познакомил их друг с другом. Они немедленно нашли общий язык.

Сиама был всего на четыре года старше Пенроуза, но уже втянулся в теорию Эйнштейна со страстью, которой он в течение почти пятидесяти лет будет увлекать учеников и коллег. В Институт перспективных исследований он прибыл за год до смерти Эйнштейна. В одной из своих бесед с Эйнштейном Сиама смело и несколько опрометчиво заявил, что он здесь, чтобы поддержать «старика Эйнштейна против всего нового». Эйнштейн посмеялся над его дерзостью. Сиама, пока это было возможно, учился у Поля Дирака, кроме того, его привлекла работа Хойла, Бонди и Голда. Но будучи убежденным сторонником стационарной Вселенной, он не оставлял без внимания открытия радиоастрономов. В дальнейшем его заинтриговали результаты группы Райла. Он видел, каким образом они могут разрушить модель Хойла.

В тот вечер в Кингсвуде Пенроуз объяснил Сиаме, почему галактики не могут исчезать из вида. Они будут тускнеть и издалека казаться замершими во времени аналогично тому, как, согласно выкладкам Оппенгеймера и Снайдера, поведет себя взорвавшаяся звезда при прохождении ее поверхности через радиус Шварцшильда. Сиама увидел, как блестят глаза Пенроуза, и оценил его свежий подход к пространству-времени. Их дружба будет продолжаться пятьдесят лет.

В конце концов Пенроуз переедет в Кембридж, чтобы получить степень доктора математики, но его внимание будет занято математическими странностями, обнаруженными в геометрии пространства-времени. Он отчаянно хотел понять их. Завершив работу над степенью, он решительно погрузился в общую теорию относительности. Следующие несколько лет он путешествовал, работая с Уиллером в Принстоне, с Германом Бонди в Лондоне, с Питером Бергманом в Сиракузах. Наконец, осенью 1963 года он присоединился к группе Шильда в Остине, штат Техас.

Техас был прекрасным местом для занятий общей теорией относительности, ведь все исследования прекрасно финансировались. «Мы

не спрашивали, откуда приходят деньги или почему считается, что их имеет смысл тратить на теорию относительности, — говорил Пенроуз. — Но мне всегда казалось, что это просто какая-то ошибка». Одним из его коллег был молодой новозеландский математик Рой Керр. В жарком и влажном климате Техаса Керр боролся с уравнениями Эйнштейна, пытаясь найти для них более сложные и реалистичные решения. Он придумал элегантный набор уравнений, соответствующих простой геометрии пространства-времени. Решение Керра можно рассматривать как обобщенную форму геометрии Шварцшильда. Шварцшильд описывал симметричное относительно точки пространство-время, и именно в этой точке находилась печально известная сингулярность, в то время как решение Керра было симметрично относительно линии, насквозь пронзавшей пространство-время. Он как бы закрутил решение Шварцшильда вокруг оси, вращая пространство-время. Для возвращения к оригинальному решению достаточно было прекратить вращение.

Пенроуз немедленно взялся за результат Керра. Они часами обсуждали открытие с коллегами в Остине, меняя формулировки нового пространства-времени на свой лад. Как и Сиаму, Шильда ошеломил взгляд Пенроуза на вещи. Его математическая интуиция и диаграммы представили решение Керра в совершенно ином свете. Свои удивительно простые и мощные выкладки Керр отправил в журнал Physical Review Letters, который всего несколько лет назад запретил публикации на любые темы, связанные с теорией относительности. Но статья внезапно была принята и за несколько месяцев до Техасского симпозиума в Далласе, в сентябре 1963 года, опубликована. Таким образом, результаты Керра дошли до астрофизиков.

Опасаясь, что презентация Керра окажется слишком сухой и математической, Шильд попытался уговорить Пенроуза выступить вместо Керра. Но Пенроуз не мог пойти на подобный шаг, ведь эта теория была чужим детищем. Беспокойство Шильда имело под собой основания. Когда Керр вышел на сцену, половина участников покинула зал. Керр был молодым и мало кому известным релятивистом, а у многих астрофизиков на тот момент были дела поинтересней. Он выступил перед оставшейся пестрой толпой, но, как вспоминал Пенроуз: «На него не обращали особого внимания». Суть представленных им результатов поняли не многие, а ведь это был первый шаг к обобщению решения Шварцшильда, попытка сделать это решение более реальным и более полезным для астрофизиков. Керр написал для материалов конференции небольшое примечание, но человек, отвечавший за обзор основных результатов симпозиума, его просто проигнорировал. Представленная информация была слишком связана с общей теорией относительности, чтобы астрофизики смогли ее воспринять.

На первом Техасском симпозиуме не было ни одного советского физика. Большая часть интеллектуальных ресурсов Советского Союза была занята ядерным проектом, и времени на общую теорию относительности у них просто не было. Однако многие советские ядерные физики, как и новое поколение релятивистов, появившееся из Манхэттенского проекта в США и работы над радарами в Великобритании, послужили делу возрождения общей теории относительности в Советском Союзе 1960-х.

Советский ядерный проект стартовал поздно. Во время Второй мировой войны все ресурсы шли на фронт, что помешало Сталину привлечь людей к работе над бомбой. Начиная с 1939 года, после статьи Джона Уиллера и Нильса Бора, в которой обсуждалось количество энергии, высвобождаемой при делении ядер тяжелых элементов, казалось, что поток работ по этой теме на Западе иссяк. Для Советского Союза это выглядело как прекращение исследований в области ядерного деления. Сталин начал что-то подозревать в 1942 году, когда советский физик Георгий Флеров в письме к нему обратил внимание на этот странный факт. Он догадался, что американцы ведут работу над бомбой, а значит, пора было тоже включаться в игру. Сразу после окончания войны Сталин привлек советскую научную элиту к работе над проектом бомбы. В команду входили Лев Ландау и Яков Зельдович.