Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Фальке Хайно

На первый взгляд задача найти универсальную применимость физических законов кажется очевидной. Но размышления над этой “очевидной” проблемой позволили Эйнштейну в 1915 году объединить понятия пространства, времени и гравитации в одну универсальную теорию, а именно – в общую теорию относительности.

Осенило Эйнштейна еще в пору его работы в патентном бюро в Берне. Трудно сказать, был ли он очень прилежным патентным клерком, но служба явно оставляла ему много времени для размышлений. Это творческое озарение стало основой теории, которая сегодня описывает расширяющуюся Вселенную не менее прекрасно, чем гравитацию черных дыр или колебания пространства-времени, вызванные гравитационными волнами.

“Это была самая счастливая мысль в моей жизни”, – скажет позже Эйнштейн. Под “этой счастливой мыслью” подразумевалась идея о том, что нет принципиальной разницы между гравитацией и любой другой нормальной ускоряющей силой. “Если человек выпрыгивает из окна с закрытыми глазами, он не может

в этот момент сказать, парит ли он в космическом пространстве или находится в свободном падении, – по крайней мере, до удара”. Так – или примерно так – думал тогда Эйнштейн [51] . Может быть, он также представил себе, что, закрыв окно, сумеет вообразить, будто летит через пространство внутри гигантского лифта. Если лифт продолжит ускоряться, то человека вдавит в кресло. Как он тогда сможет узнать, возникает ли сила, удерживающая его в кресле, из-за гравитационного притяжения Земли или из-за ускорения лифта? Он будет неспособен определить это [52] !

51

Albert Einstein. How I Created the Theory of Relativity. Воспроизведено в: Y. A. Ono. // Physics Today 35, no. 8 (1982): 45. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.2915203.

52

Строго говоря, принцип эквивалентности применим только к точечным массам. В примере Эйнштейна ноги человека притягиваются к Земле слегка сильнее, чем голова. Это результат действия так называемых приливных сил. Земля мала, и воздействие этих сил минимально. Но при падении в черную дыру Эйнштейн определенно заметил бы этот эффект: человека фактически бы растянуло, как макаронину.

Локально гравитация и ускорение неразличимы. Этот принцип известен сегодня как принцип эквивалентности Эйнштейна и являет собой базовое предположение, а не доказанную теорему. Он – догма, которую необходимо постоянно объяснять и проверять с помощью экспериментов [53] .

И наоборот, этот принцип говорит нам, что когда человек неподвижно сидит на стуле, он одновременно ускоряется. Да-да, именно так! Даже когда мы удобно сидим и не движемся, должны действовать те же законы относительности, что и в быстро движущемся лифте или быстро ускоряющейся ракете, и, согласно этим законам, пространство, участвующее в ускоренном движении, как будто искривляется, подобно простыне.

53

Замечательная проверка принципа эквивалентности была проведена с помощью радиоастрономических измерений пульсара в тройной системе, где, кроме него, имелись еще два белых карлика: https://www.mpg.de/14921807/allgemeine-relativitaetstheorie-pulsar; G. Voisin, et al. An Improved Test of the Strong Equivalence Principle with the Pulsar in a Triple-Star System. // Astronomy & Astrophysics 638 (2020): A24, https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2020/06/aa38104-20/aa38104–20.html.

Но поскольку Эйнштейн не может решить, сидит ли он в лифте, обставленном как патентное бюро, или в реальном патентном бюро в гравитационном поле Земли, значит Земля также должна иметь возможность искривлять пространство исключительно с помощью силы тяжести, создаваемой ее массой. На деле же оказывается, что гравитация искривляет не только пространство, но и время! Пространство и время следует рассматривать совместно.

Отсюда последовал радикальный вывод: гравитация – не сила. Она проявляет себя через геометрию пространства-времени. Поскольку мы до сих пор не можем представить себе искривленное четырехмерное пространство, давайте снова представим пространство-время в виде натянутой простыни. Если на ней ничто или никто не лежит, она ровная и гладкая. Если поместить в ее центре шар для боулинга, образуется большая вмятина. А если ближе к краю поместить еще и бильярдный шар, то он образует меньшую выемку – и меньший шар покатится к шару для боулинга. На самом деле оба шара будут двигаться навстречу друг другу: бильярдный шар очень быстро, а шар для боулинга едва-едва. Чем ближе они будут подкатываться друг к другу, тем быстрее

станут двигаться, потому что углубление будет становиться все круче. Таким образом, кривизна простыни соответствует силе гравитационного притяжения.

Теперь давайте бросим шарик для бильярда на простыню параллельно ее поверхности. На ровной плоскости он двигался бы прямо, а в искривленном пространстве он покатится по криволинейной траектории. В нашем случае он будет двигаться вокруг углубления, образованного шаром для боулинга, по эллиптическим орбитам, которые со временем будут становиться все yже. Из-за трения о поверхность простыни шарик вскоре потеряет скорость, будет подкатываться к тяжелому шару для боулинга все ближе и ближе и наконец упадет в воронку, на дне которой лежит большой шар. Если бы не было трения, шарик продолжал бы двигаться без помех и, подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца, долгое время катался бы по своей эллиптической орбите.

Чтобы перейти от этой первой идеи к безупречной формулировке общей теории относительности, теперь включающей и гравитацию, Эйнштейну потребовалось восемь лет (с 1907-го по 1915 год), наполненных беседами, письмами и спорами. Временами ученому казалось, что он нашел свою законченную теорию гравитации, концепцию – Entwurf (черновой вариант), но все же он один за другим отбрасывал очередные идеи. Только к концу 1915 года ему удалось изложить на бумаге эту теорию во всей полноте и последовательности. Эйнштейн был убежден, что теперь-то он отыскал правильное решение.

Ученый почувствовал невероятное облегчение, когда применил свою теорию для расчета прецессии перигелия Меркурия и она наконец объяснила то малюсенькое несоответствие расчетных данных и наблюдений, которое так долго никто не мог понять. Из-за углубления, образованного Солнцем на огромной простыне пространства-времени, длина окружности орбиты Меркурия казалась короче. Эллиптическая орбита Меркурия прецессировала немного быстрее, чем ожидалось ранее. Эйнштейн “несколько дней был вне себя от радости”. Его сердце колотилось, как отбойный молоток. Ньютон потерпел поражение, хотя еще и не окончательное [54] .

54

Hanoch Gutfreund and Jurgen Renn. The Road to Relativity: The History and Meaning of Einstein’s “The Foundation of General Relativity”. // Princeton: Princeton University Press. (2015).

Для того чтобы новая теория стала общепризнанной, ей совершенно недостаточно быть внутренне непротиворечивой и казаться логичной. Каждая теория должна подтверждаться экспериментами и реальной жизнью. Это немного похоже на возведение в чин святых католической церковью: после своей смерти кандидат в святые должен совершить два загробных чуда. Одного чуда достаточно лишь для причисления к лику блаженных.

Первым чудом, которое привело к победе теории, было то, что Эйнштейн нашел объяснение странной прецессии перигелия Меркурия. Но триумф теории был еще впереди. Следующее чудо, совершенное Эйнштейном, тоже оказалось связано со свойствами света.

Экспедиция во тьму

Зрение имеет для нас, людей, фундаментальное значение: оно позволяет нам сориентироваться и увидеть своими глазами, что данный факт действительно имеет (или не имеет) место. Особенно важно зрение для астрономов: оно дает возможность обнаруживать и воочию наблюдать объекты, от нас далекие. Большинству людей нужно сначала увидеть тот или иной предмет – только тогда они поверят, что этот предмет существует. Как говорится, “пока не увижу – не поверю”, и это справедливо.

Увидеть невозможно без света. Но иногда, чтобы лучше разглядеть суть вещей, нам, напротив, требуется темнота. Это и было продемонстрировано в ходе экспедиции для наблюдения затмения – вероятно, самого известного солнечного затмения в истории современной физики, – случившегося 29 мая 1919 года. Во время научной командировки физик Артур Эддингтон, желая проверить общую теорию относительности Эйнштейна [55] , решил показать, что свет звезд отклоняется Солнцем. Здесь особенно стоит отметить, что Эддингтон был британцем, а его эксперимент помог бы прославиться выходцу из Германии Альберту Эйнштейну. Незаурядный поступок, если учесть многолетнюю вражду между державами Антанты и Германским рейхом и то, что Первая мировая война закончилась всего несколько месяцев назад. Эта экспедиция потребовала необычайного мужества, и она воистину достойна занять важное место в истории физики.

55

Daniel Kennefick. Testing Relativity from the 1919 Eclipse: A Question of Bias. // Physics Today 62, no 3. (2009): 37. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.3099578.