Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

LIGO — это настоящее технологическое чудо. Каждая установка состоит из двух труб диаметром 1,2 метра, согнутых в виде буквы L. По ним в абсолютном вакууме движутся мегаватты лазерных лучей. В конце каждой трубы свет отражается от 42-килограммового зеркала, подвешенного на стекловолокне толщиной всего в два человеческих волоса. Эти зеркала так хорошо отполированы, что отражают 99,999% света. Легчайшее движение зеркал сигнализирует о прохождении гравитационной волны. Эта система настолько чуткая, что её однажды вывело из строя землетрясение в Китае. «Она может прийти в движение от приливного воздействия небесных тел, проседания земли, слабейшего изменения температуры, квантовых вибраций или давления лазерного луча», — пишет Левин.

Некоторые считают, что LIGO не то, чем кажется. Левин рассказывает, как однажды летел самолётом в Батон-Руж, штат Луизиана, и когда они пролетали над установкой LIGO, его сосед рассказал, что это устройство предназначено для путешествий во времени. «По одной трубе можно попасть в будущее, а вторая отбрасывает тебя в прошлое», — сообщил он со знанием дела.

Благодаря успеху LIGO в 2016 году перед нами открылась новая эра астрономии. Мы похожи на глухого, к которому только что вернулся слух, но который пока что не умеет пользоваться им в полной мере. Он услышал дальний отголосок грома, но ему ещё предстоит познакомиться с такими звуками, как пение птиц, музыка или плач ребёнка. Кто знает, какое звучание Вселенной откроется нам в будущем благодаря LIGO и иным экспериментам с гравитационными волнами?

Несмотря на то что о регистрации гравитационных волн было официально заявлено 11 февраля 2016 года, что вызвало огромный восторг в научной среде, к тому моменту учёные уже располагали косвенными данными, подтверждающими их существование. Данные поступили от двойного пульсара под названием PSR B1913+16. В этой системе две нейтронные звезды с очень большой плотностью вращаются по спирали вокруг друг друга и в связи с этим теряют орбитальную энергию.

Нейтронная звезда формируется после взрыва массивной звезды в конце её жизненного цикла. В то время как внешние слои звезды стремительно расширяются в пространстве (мы называем это взрывом сверхновой), её ядро схлопывается, создавая очень плотную нейтронную звезду — как если бы вся масса нашего Солнца была сконцентрирована в объекте величиной с Эверест (см. дополнительную информацию о нейтронных звёздах в разделе «Нейтронные звёзды»главы 7).

Одна из нейтронных звёзд в системе PSR B1913+16 является пульсаром. Она стремительно вращается, выбрасывая в космос пучки радиоволн, как маяк. Внимательно понаблюдав за этой системой, американские астрономы Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаружили, что звёзды теряют орбитальную энергию точно с такой же скоростью, с которой они бы двигались, если бы излучали гравитационные волны. За это открытие Халс и Тейлор в 1993 году получили Нобелевскую премию по физике.

Для того чтобы превратить свою догадку о материи, которая искривляет пространство-время, и о пространстве-времени, которое представляет собой гравитацию, в теорию, Эйнштейну пришлось иметь дело со сложной математикой искривлённого пространства. К сожалению, во время учёбы в Высшей технической школе в Цюрихе он прогуливал лекции по математике, предпочитая возиться с батареями и конденсаторами в университетской лаборатории. Как говорил сам Эйнштейн, это была ошибка, которую он осознал слишком поздно. [168] Einstein A. Autobiographische Skizze // Helle Zeit — Dunkle Zeit: In memoriam Albert Einstein / Seelig C., ed. — Zurich: Europa Verlag, 1956. — P. 11.

К счастью, у него был давний друг Марсель Гроссман, который учился на один курс старше его в той же Высшей технической школе и изучал математику. Именно благодаря контактам отца Гроссмана Эйнштейн и получил работу мечты в бернском патентном бюро. Но самое главное, Гроссман разбирался в геометрии искривлённых пространств, а значит, мог научить Эйнштейна всему, что ему требовалось для выражения своих революционных идей о гравитации и пространстве-времени.

В этой области работали несколько математиков, самыми известными из которых были жившие в XIX веке Карл Фридрих Гаусс и Бернхард Риман. До них геометрия рассматривалась лишь как наука о фигурах на плоскости, основателем которой был древнегреческий математик Евклид . [169] Bellos A. Here’s Looking at Euclid! — New York: Free Press, 2010. В своих «Началах», написанных в III веке до нашей эры, он перечислил пять очевидных истин о прямых и углах. Используя эти аксиомы как основание для своих логических построений, он создал множество теорем, например теорему о том, что сумма всех углов треугольника составляет 180 градусов.

Пятый постулат Евклида гласит, что параллельные линии никогда не пересекаются. Гаусс и Риман расширили этот постулат, включив в него геометрию объёмных тел, например сфер. Если нарисовать на сфере две параллельные линии, поднимающиеся вверх от экватора, то они сойдутся на Северном полюсе.

Работа над описанием гравитации как искривлённого пространства-времени (то есть, по сути, над её обобщением) заняла у Эйнштейна целых восемь лет. За это время он успел переехать из Цюриха в Берлин.

Эйнштейн родился в Ульме на юге Германии, но в 1896 году в возрасте 20 лет отказался от немецкого гражданства из-за отвращения к царившему на его родине милитаризму. Несмотря на это, когда ему предложили пост в университете в Берлине, он согласился, и Берлин стал его домом с 1914 года до прихода Гитлера к власти в 1933 году. После этого евреям стало слишком опасно оставаться в Германии, и Эйнштейн эмигрировал в США.

В Берлин его заманили Макс Планк и Вальтер Нернст. Эти два светоча немецкой (да и всемирной) науки однажды приехали в Цюрих с предложением, от которого Эйнштейн не мог отказаться: получить прибыльное место профессора в Берлинском университете без чтения лекций студентам. Берлин быстро превращался в центр научного мира, и возможность ежедневно общаться с лучшими учёными планеты была крайне привлекательна для человека, который многие годы провёл в своего рода интеллектуальном отшельничестве в Швейцарском патентном бюро. Кроме того, отъезд помог ему освободиться от уз тяготящего его брака.

Пока Эйнштейн поднимался всё выше и выше на интеллектуальный Олимп, Милеву затягивали быт и воспитание детей. Уже этого одного было достаточно, чтобы посеять неприязнь между супругами, но в довершение всего Эйнштейн оказался совершенно не приспособлен к семейной жизни. Он был не в состоянии сочетать глубокую концентрацию, необходимую для фундаментальных научных открытий, с повседневными обязанностями или межличностными отношениями.