Наука Плоского мира
Шрифт:
Теория гравитации Эйнштейна превзошла теорию Ньютона, поскольку лучше соответствовала результатам наблюдений. Тем не менее, теория Ньютона ни в коей мере не считается устаревшей, так как во многих случаях она остается достаточно точной и при этом проще теории Эйнштейна. Теперь же и самого Эйнштейна вот-вот потеснит другая теория, возможно та самая, которую он отверг, как самую большую ошибку.
В 1998 году результаты двух независимых наблюдений поставили теорию Эйнштейна под сомнение. Одно из них касается крупномасштабной структуры Вселенной, другое — событий, происходящих у нас под носом. Первая проблема до сих пор выдерживает все наши нападки, но вторая, возможно, имеет более простое объяснение. Поэтому начнем мы со второго любопытного открытия.
В 1972 и 1973 году для изучения Юпитера и Сатурна были запущены два космических аппарата «Пионер-10» и «Пионер-11». К концу 1980-х они уже находились в далеком космосе и направлялись к границе известной нам Солнечной
Вскоре трое ученых предложили свои объяснения аномалии. Двое из них видели причину в избыточной теплоте. «Пионеры» оборудованы ядерными генераторами, поэтому небольшое количество избыточной теплоты попадает в окружающее пространство. Давление излучения могло замедлить аппараты на наблюдаемую величину. Другое объяснение состоит в небольшой утечке топлива. Обдумав оба объяснения, Андерсон пришел к выводу, что оба не лишены недостатков.
Удивительнее всего то, что наблюдаемое торможение в точности совпадает результатом, который предсказывает оригинальная теория, разработанная в 1983 году Мордехаем Милгромом. Эта теория предлагает внести изменения не в закон тяготения, а в ньютоновский закон движения, согласно которому сила равна произведению массы на ускорение. Поправка Милгрома вступает в силу, когда ускорение очень мало, и была введена для решения другой загадки гравитации — ни теория Ньютона, ни теория Эйнштейна не в состоянии дать правильную оценку скорости вращения галактик. Обычное объяснение предполагает существование «холодной темной материи», которая оказывает гравитационное воздействие, хотя в телескоп ее увидеть нельзя. Если у галактик действительно есть ореол из холодной темной материи, то их скорость будет отличаться от скорости, рассчитанной только на основе данных о видимой материи. Многим физикам-теоретикам холодная темная материя приходится не по душе (ее нельзя наблюдать непосредственно — потому она и называется «холодной» и «темной»), так что теория Милгрома постепенно приобрела популярность. Дальнейшее изучение «Пионеров» покажет, справедлива она или нет.
Другое открытие связано с расширением Вселенной. Размер Вселенной увеличивается, однако наблюдения показывают, что ее отдаленные области расширяются быстрее, чем предсказывает теория. Этот поразительный результат, позднее подтвержденный более детальными исследованиями, был получен в рамках проекта «Supernova Cosmology» с Солом Перлмуттером во главе, а также проекта-конкурента «High-Z Supernova Search Team», возглавляемого Брайаном Шмидтом [35] . Визуально его можно представить в виде изгиба на графике зависимости видимой яркости сверхновой от ее красного смещения. Согласно общей теории относительности, график должен представлять из себя прямую линию, но на практике это не так. Поведение кривой указывает на то, что существует сила гравитационного отталкивания, но проявляется она только на чрезвычайно больших расстояниях — например, сравнимых с половиной радиуса Вселенной. По сути, это антигравитация.
35
«Космология сверхновых» и «Команда поиска сверхновых с высоким красным смещением» — прим. пер.
Недавние исследования, судя по всему, подтверждают это замечательное открытие. Но изобретательные ученые и здесь постарались и нашли альтернативные объяснения. В 2001 году Чаба Чаки, Джон Тернинг и Неманья Калопер предложили следующую теорию: отдаленные сверхновые кажутся нам менее яркими, чем ожидается, потому что частицы света — фотоны — превращаются во что-то другое. Точнее они превращаются в «аксионы», гипотетические частицы, предсказанные модной в наше время квантовой механикой. Предполагается, что аксионы редко взаимодействуют с другими видами материи, поэтому обнаружить их довольно сложно. Однако если они обладают чрезвычайно малой, но все же ненулевой массой (примерно
Надо сказать, мысль о том, что такая незначительная поправка известной физики за счет добавления частицы с пренебрежимо малой массой может иметь огромные последствия, действует отрезвляюще. Как бы то ни было, либо гравитация устроена не так, как мы думали, либо аксионы действительно существуют (вполне ожидаемо) и обладают массой (что, напротив, считается маловероятным). Возможно, что есть и третье объяснение, до которого пока никто не додумался.
Одна из теорий, объясняющих силы отталкивания, использует экзотическую форму материи под названием «квинтэссенция» [36] . Эта разновидность энергии вакуума, которая охватывает все пространство и оказывает отрицательное давление (Когда мы это пишем, то представляем себе выражение лица Чудакулли. Но нам придется его проигнорировать. Это вам не волшебство, которое можно потрогать руками. Это наука — здесь даже в пустом пространстве можно найти много интересного). Что любопытно, вначале Эйнштейн учитывал отталкивающую силу такого рода в своих релятивистских уравнениях гравитации: он называл ее космологической постоянной. Впоследствии он передумал и убрал константу из уравнений, сетуя на то, что ввел ее по собственной глупости. До самой смерти Эйнштейн считал ее пятном на своей репутации, однако его первоначальная интуиция могла оказаться верной.
36
Это слово буквально означает «пятый элемент» — изначально имелся в виду пятый «элемент» после земли, воздуха, огня и воды. В Плоском Мире его роль играет «сюрприз».
Если, конечно, во Вселенной не существуют аксионы с массой.
Вводя космологическую постоянную, Эйнштейн автоматически принимал предположение о том, что квинтэссенция равномерно распределена по всему пространству. Но что если это не так? Распределение обычной материи не равномерно, она больше похожа на комковатую субстанцию. Дэвид Сантьяго отметил, что если квинтэссенция тоже неравномерна, то из уравнений Эйнштейна следует существование «анти-черных дыр», которые отталкивают материю вместо того, чтобы затягивать ее внутрь. Это не совсем то же самое, что и гипотетические «белые дыры», то есть черные дыры, которые извергают материю, потому что в них время течет вспять. Правда пока еще не ясно, могут ли анти-черные дыры быть стабильными. Обычная материя имеет комковатую структуру, потому что гравитация — это сила притяжения, другими словами, ей нравится создавать комки. Антигравитация — это сила отталкивания, которая по аналогии должна такие комки разрушать. Если это так, то анти-черные дыры нестабильны и, следовательно, не могут существовать. Их можно считать математическими решениями уравнений Эйнштейна, которым не соответствует реальный физический объект. Но пока кто-нибудь не займется расчетами, полной уверенности у нас нет.
Глава 11. Никогда не доверяйте искривленной Вселенной
Думминг Тупс поставил свой стол немного в отдалении от остальных и заставил его разным оборудованием — в первую очередь, для того, чтобы слышать свои мысли.
Все знали, что звезды — это просто светящиеся точки. Иначе одни бы выглядели больше других. Некоторые, правда, были ярче других, но, скорее всего, причиной тому были облака. Как бы то ни было, согласно сложившемуся закону Плоского Мира, звезды существовали для того, чтобы немного скрасить темноту ночи.
А еще все знали, что естественной траекторией для любых предметов является прямая линия. То, что вы уронили, упадет на землю, а не отклонится в сторону по кривой. Поток воды, которая переливалась через край мира, слегка отклонялся в сторону из-за вращения, но это соответствовало здравому смыслу. Внутри же Проекта вращение стало основой основ нового мира. Все было искривлено. Архканцлеру Чудакулли казалось, что такое поведение было сродни недостатку воспитания, например, привычке шаркать туфлями или нарушению субординации — только в более крупном масштабе. Нельзя доверять искривленной Вселенной. Она себе на уме.
В это время Думминг делал шарики из влажной бумаги. По его указанию садовник втащил большой каменный шар, который когда был частью древней катапульты, а последние несколько столетий провел в университетском саду камней. Диаметр шара составлял около 3 футов (1 метр — прим. пер.).
Он подвесил рядом несколько бумажных шариков на ниточках. И теперь с хмурым видом он бросал остальные над этой конструкцией и вокруг нее. Один-два шарика склеились, но только потому, что были влажными.