Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Джон Уиллер появился с грандиозным планом коренным образом изменить физику через теорию относительности и с выводком фонтанирующих новыми идеями студентов и докторантов. Они продвинули теорию относительности еще дальше, до точки, в которой она стала походить на клоунаду. В программе появились «электромагнетизм без электромагнетизма» и «заряд без заряда», а также «спин без спина» и «элементарные частицы без элементарных частиц». На протяжении всей конференции в центре внимания оказался клан Уиллера, бросающий в толпу идеи, которые следовало тщательно рассмотреть или отбросить прочь. Джон Уиллер был в своей стихии.

В основном релятивисты в Чапел-Хилл задавали себе вопрос, дает ли теория Эйнштейна возможность делать реалистичные прогнозы. Без этого она не сможет достичь высокого статуса. Так, например, теория электромагнитных взаимодействий успешно предсказывает практически любые явления, связанные со светом, электричеством и магнетизмом. При этом Шварцшильд, Фридман и Леметр давали прогнозы только в рамках сильно упрощенных идеализированных систем. Как выйти за пределы таких упрощений, было неясно. Поэтому участники конференций в Чапел-Хилл спрашивали себя, можно ли решить уравнения Эйнштейна в общем виде и достоверно узнать, как именно развивается пространство-время? Казалось, что до ужаса запутанный характер общей теории относительности делает невозможным даже выбор начальных условий, не говоря уже о расчете путей эволюции. Попытка решить уравнения на компьютере оказалась еще более сложной.

Эта встреча, поражающая творческим потенциалом и вдохновляемая изобретательностью Уиллера и воображением Фейнмана, стала увлекательным событием для новых приверженцев теории относительности. Но теория пространства-времени вперед не продвинулась. В отрыве от реального мира были бесполезными вся математическая гениальность, предложения унификации, дискуссии о гравитационных волнах, кротовые норы, геоны и пена пространства-времени Уиллера.

С момента первой проверки теории Эйнштейна — измерений, проведенных Эддингтоном во время затмения, — прошло почти сорок лет. Почти тридцать лет отделяли присутствующих от подтвердивших расширение Вселенной измерений Хаббла. К моменту собрания в Чапел-Хилл новых экспериментальных данных давно не появлялось. Не было ничего, что могло бы в дальнейшем подтвердить или, наоборот, низвергнуть теорию Эйнштейна. Коллега Уиллера по Принстону Роберт Дикке в своем выступлении «Экспериментальные основы теории Эйнштейна» описал ситуацию так: «Теория относительности выглядит чисто математическим формализмом, практически не имеющим отношения к наблюдаемым в лабораториях явлениям». Однако оказалось, что искать ответы нужно было не в лабораториях, а среди звезд.

В 1963 году голландский астроном Мартин Шмидт работал с телескопом, названным в честь Джорджа Эллери Хейла, патрона Паломарской обсерватории. Он думал об одном из источников, указанных в составленном радиоастрономами Мартином Райлом и Бернардом Лавеллом каталоге 3С. Пока Уиллер со своей командой пытался вдохнуть новую жизнь в общую теорию относительности, радиоастрономы решили внимательнее осмотреть находящиеся в их распоряжении радиоисточники. Как у любых звездочетов, у них была цель выяснить, что эти объекты представляют собой на самом деле. А для этого требовалось найти как можно больше таких объектов и более тщательно их исследовать, чтобы понять, что именно является источником радиоволн.

За более чем десять лет, призвав на помощь ту самую изобретательность, которая помогала им при разработке радаров, Райл и Лавелл на несколько порядков повысили точность своих измерений, указав положение радиоисточников на небе настолько корректно, что астрономы получили возможность нацелить туда свои телескопы и заняться исследованием их природы. Каталог радиоисточников Райла, или каталог 3С, включал в себя данные о точном положении сотен источников.

Группа Лавелла обратила внимание на альфу Лебедя, один из радиоисточников, который Гроут Ребер идентифицировал как испускающий галактический радиошум. В каталоге Райла 3С он значился под номером 405. Оказалось, что каждый из двух конгломератов радиоволн, из которых состоит этот странный объект, имеет практически прямоугольную форму. Гигантские структуры, размер которых в поперечнике составлял сотни световых лет, казалось, управлялись чем-то расположенным между ними. А когда астрономы направили телескопы на другой источник, числящийся в каталоге под номером 48, то вместо замысловатой структуры, обнаруженной у альфы Лебедя, перед ними появилось простое яркое пятно, в котором доминировал цвет синей части спектра. Объект своей простотой и невыразительностью напоминал звезду. Но при попытке измерить его спектр и определить, из чего же ЗС48 состоит, считанный лес спектральных линий не совпал ни с одной из известных звезд. Более того, оказалось невозможным даже просто идентифицировать элементы, входящие в его состав. Причем объектов, не поддающихся идентификации, было много. Космические радиоисточники оказались многочисленными и разнообразными, и никто не знал, как далеко от нас они находятся.

Мартин Шмидт сфокусировался на источнике с ничем не примечательным именем 3С273. Он напоминал звезду, но спектральные линии снова не совпадали ни с одним уже известным спектром. Внимательно изучив результаты измерений, Мартин обнаружил примечательную вещь: по сути, это были спектральные линии водорода, но смещенные почти на 16% в красную часть спектра. Однако для подобного смещения объект 3C273 должен был либо удаляться от нас со скоростью, близкой к скорости света, либо располагаться так далеко, что на его спектр влияло расширение Вселенной. Шмидт был ошеломлен. Вечером он сказал жене: «На работе сегодня произошло кое-что ужасное».

Это было знаменательное открытие. Шмидт обнаружил, что подобные объекты рассеяны по всему космосу на расстоянии миллиардов световых лет от нас. Однако столь удаленные объекты могут быть доступны для наблюдений в радиодиапазоне или через большие телескопы, только если они выделяют огромное количество энергии. Фактически от источников 3C273 и 3C48 шло столько же света, сколько от сотни галактик. Они представляли собой как бы супергалактики, более мощные, чем всё с чем астрономы сталкивались ранее.

Еще эти источники должны были быть очень маленькими, меньше любой галактики. Это утверждение касалось всех объектов из каталога 3C — некоторые из них были в десятки и даже сотни раз меньше обычных галактик. При более тщательном исследовании их размер в поперечнике оказался меньше, чем несколько триллионов километров. Как в то время писал журнал Time: «по стандартам космологии это настоящие малыши». Небольшая область пространства, удаленная от нас на колоссальное расстояние, вырабатывала огромные количества энергии.