Коллектив авторов - Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной [litres]

Какое событие, с вашей точки зрения, было наиболее выдающимся в физике за годы вашей работы?

Открытие малых вариаций температуры космического микроволнового фона, сделанное космической обсерваторией COBE (Cosmic Background Explorer) , и последующее подтверждение космическим аппаратом WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) того, что эти вариации прекрасно согласуются с предсказаниями теории инфляции. Космическая обсерватория «Планк» может обнаружить следы гравитационных волн, предсказанных теорий инфляции. И тогда все небо будет свидетелем справедливости теории квантовой гравитации.

[Спутники COBE и WMAP измеряли космический микроволновой фон (КМФ) – послесвечение, оставшееся от Большого взрыва, которое пронизывает все пространство. Его температура практически не меняется. Этот факт активно поддерживает теорию инфляции, которая предполагает, что вселенная в своем развитии прошла через период ускоренного расширения сразу после Большого взрыва, в результате чего все ее неровности были разглажены. Если инфляция действительно имела место, то она должна была вызвать рябь – гравитационные волны – в пространстве-времени. Они бы привели к вариациям КМФ, настолько слабым, что до настоящего времени их не обнаруживали. И после этого интервью спутник Европейского космического агентства «Планк» безуспешно искал эти волны. Предполагается, что другие создаваемые телескопы будут более точными, чем «Планк» (см. главу 5).]

Эйнштейн называл космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой». Как вы считаете, что было вашей «самой большой ошибкой»?

Раньше я думал, что информация разрушается в черных дырах. Но AdS/CFT соответствие заставило меня изменить эту точку зрения. Это и было моей самой большой ошибкой, по крайней мере, в науке.

[Черные дыры пожирают все, что оказалось слишком близко к ним, включая информацию. Но в 1975 году совместно с израильским физиком Яаковом Бекенштейном Хокинг показал, что черные дыры медленно излучают, что приводит к их испарению и в конечном итоге к исчезновению. А что происходит с информацией, которую они поглощают? В течение нескольких десятков лет Хокинг утверждал, что информация разрушается, а это противоречило идеям непрерывности и причинно-следственной связи. Однако в 1997 году теоретик Хуан Малдасена разработал математическую теорию, упростившую подход к конформной теории поля, так называемую антидеситтеровскую модель (Anti-de Sitter/conformal field theory correspondence (AdS/CFT)) . Этот подход связывает события внутри искаженной геометрии пространства-времени (как, например, в черной дыре) с более простой физикой на границах этого пространства.

В 2004 году Хокинг использовал эту теорию и показал, как информация может просачиваться назад из черной дыры в нашу Вселенную через квантово-механические пертурбации на границе черной дыры, т. е. на ее горизонте событий. Из-за этой ошибки Хокинг проиграл пари своему коллеге-теоретику Джону Прескиллу, заключенное десятилетием раньше.]

Какое открытие будет самым революционным с точки зрения нашего понимания Вселенной?

Открытие суперсимметричных партнеров известных фундаментальных частиц, возможно, на Большом адронном коллайдере (БАК). Это будет сильным свидетельством в пользу М-теории.

[Поиск суперсимметричных частиц – это главная цель БАК в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Стандартная модель физики элементарных частиц будет окончательно сформирована, когда будет найден бозон Хиггса. Но у нее есть много проблем, которые будут разрешены, если обнаружится, что все известные элементарные частицы имеют более тяжелых «суперпартнеров». Наличие суперсимметрии подкрепило бы М-теорию, 11-мерную версию теории струн, которая на сегодняшний момент является наилучшей попыткой создать теорию всего, объединяющую гравитацию с другими силами природы.]

Представьте себе, что вы – молодой начинающий физик. Что бы вы стали изучать?

Я бы хотел иметь новую идею, которая открыла бы новое поле для исследований.

Уже более века мы знаем, что на свете должны существовать гравитационные волны, но эта рябь в пространстве и времени была обнаружена только в 2016 году, когда лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) сумела зафиксировать характерные слабые растяжения и сжатия пространства-времени, вызванные движением массивных объектов.

Когда 11 февраля 2016 года физики объявили, что им впервые удалось зарегистрировать гравитационные волны, это вызвало сенсацию среди ученых во всем мире. Гравитационные волны помогут нам в исследовании фундаментальных физических законов, в изучении самых таинственных объектов во Вселенной и даже, возможно, прольют свет на самые ранние периоды ее жизни. Гравитационный сигнал был пойман 14 сентября 2015 года двумя обсерваториями LIGO в США, в Хэнфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана) (рис. 4.1). Он возник в результате того, что две черные дыры, вращаясь друг вокруг друга, все более и более сближались и в конце концов слились в одну. Частота гравитационных волн оказалась доступна для человеческого уха. Разрушительное столкновение звучит как шквалистый порыв ветра, а в ускоренном темпе – как щебетание.

Этот звук в точности совпадает с тем, что предсказывает общая теория относительности. Измеряя, как возрастают и падают частота волн и их громкость, физики смогли вычислить массы черных дыр, участвующих в процессе слияния: примерно 36 и 29 солнечных масс. Они также выяснили, что в результате слияния новая черная дыра оказалась легче суммарной массы двух прежних дыр на 3 солнечные массы. Вся недостающая энергия излучилась в виде гравитационных волн, что говорит нам о том, какой грохот стоял на месте происшествия. И, сравнивая этот грандиозный процесс со слабыми вибрациями, обнаруженными LIGO , вспомним о чудовищном расстоянии, отделяющем нас от этого события, – 1,3 миллиарда световых лет.

Благодаря этому открытию удалось наконец разрешить спорный вопрос о самом существовании двойных систем, состоящих из черных дыр. Такие темные объекты, как черные дыры, очень трудно обнаружить. Это удается сделать только в том случае, если какой-нибудь яркий объект, например звезда, вращается по орбите вокруг черной дыры.

Массы черных дыр, измеренные в первом событии слияния, озадачили астрономов. Существовало мнение, что черные дыры образуются при коллапсе ядер звезд-гигантов. А такие ядра должны приводить к формированию черных дыр с массами не более 20 солнечных масс.

Рис. 4.1. Великое открытие крошечного импульса: сигналы от гравитационных волн, пойманные обсерваториями LIGO в 2015 году. Серым обозначены данные из Хэнфорда, черным – из Ливингстона.