Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

В середине 1960-х Зельдович по-прежнему был на гребне успеха, в то время как Ландау после автомобильной катастрофы потерял способность заниматься физикой. Работу Ландау продолжили его ученики; они первыми в Советском Союзе занялись проблемой сингулярности в пространстве-времени.

Двое молодых людей, прошедших суровую школу учебы у Ландау, Исаак Халатников и Евгений Лившиц, имели достаточную подготовку, чтобы броситься в бездну хитросплетений теории Эйнштейна и попробовать разобраться, что же происходит при сжатии материи под действием ее собственного притяжения.

Оппенгеймер и Снайдер построили решение для крайне простой ситуации — совершенно симметричной сжимающейся сферы. Изначально эта симметрия беспокоила таких ученых, как Уиллер, считавших подобную идеализацию чрезмерной. Поверхность Земли далека от идеала: она покрыта высокими горами, глубокими океанскими впадинами и долинами. А что, если сжимающаяся звезда имеет столь же неправильную форму? Не могут ли эти неровности и нарушения структуры настолько исказить процесс коллапса, что какие-то части начнут разрушаться быстрее остальных, отскакивать и снова подниматься вверх? Ведь в этом случае сингулярность может вообще не сформироваться.

Русские занялись этим вопросом, ослабив насильственно введенную Оппенгеймером и Снайдером симметрию. В расчетах Халатникова и Лившица пространство-время способно различными способами вращаться в произвольных направлениях. Представьте, что вы смотрите прямо на клокочущую массу материи, например на тяжелую звезду, в момент, когда она взрывается и начинает сжиматься. В общем случае этот процесс пойдет неравномерно. Верхний и нижний фрагменты сгустка могут сжиматься быстрее, чем его бока, настолько быстро, что прежде, чем боковые стороны успеют коллапсировать, для верха и низа начнется обратный процесс. И уже не вся материя упадет в центр, неотвратимо сформировав сингулярность, а какие-то части будут двигаться наружу, удерживая пространство-время от коллапса. И только абсолютная симметрия позволит всей материи сжаться одновременно, сформировав в итоге сингулярность. В своей работе, опубликованной в журнале «Советская физика», Халатников и Лившиц пришли к поразительному выводу, что в реальных условиях сингулярности никогда не смогут сформироваться. Решения Шварцшильда и Керра представляют собой абстракции, не имеющие реального воплощения. Выходило, что Эйнштейн и Эддингтон с самого начала были правы.

Временами советские ученые получали разрешение на участие в западных конференциях. На третьей международной конференции по общей теории относительности и космологии, которая прошла в Лондоне в 1965 году, присутствовало более двухсот релятивистов. Результаты Халатникова удостоились пристального внимания. Было очевидно, что в Советском Союзе начали заниматься теорией Эйнштейна, но западным ученым оказалось непросто понять, о чем именно шла речь. Основной советский журнал, «Советская физика», всегда переводился на другие языки с запозданием.

Пенроуз тихо слушал выступление Халатникова. Он полагал, что Халатников не прав, но считал «недипломатичным» высказываться на эту тему. «Практически таким методом ничего нельзя доказать, — произнес он, — в данном случае сделано слишком много допущений. Они не позволяют исключить возникновение сингулярности». На самом деле, в противовес утверждению Халатникова, Пенроуз мог бы доказать, что сингулярности формируются всегда. Причем его результаты были представлены в общем виде, так как он использовал собственное новое представление пространства-времени.

За прошедшие с момента встречи с Сиамой в ресторане Кингсвуд в Кембридже десять лет Пенроуз превратил свои диаграммы в набор правил, определяющих распространение в пространстве-времени света и любой другой материи. Он мог взять произвольное пространство-время и по ряду его основных свойств и виду содержащейся в нем материи узнать, что именно там будет происходить — коллапс и превращение в точку или взрыв и расширение до бесконечности. Применив свои правила к вопросу гравитационного коллапса, который Уиллер называл «проблемой конечного состояния», он получил неоспоримый результат — сингулярность. В итоге появилась статья «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности», отправленная в журнал Physical Review Letters. Как он писал в этой статье: «Отклонения от сферической симметрии не могут препятствовать формированию пространственно-временных сингулярностей». Даже почти полвека спустя эта работа считается шедевром краткости, ясности и строгости: идеальная статья объемом чуть менее трех страниц с краткой постановкой задачи, математическим инструментарием и небольшим абзацем с доказательством. Все проиллюстрировано фирменными диаграммами Пенроуза.

На момент доклада Халатникова Пенроуз уже отправил статью в журнал. Ее вот-вот должны были принять и опубликовать в декабре текущего года, но представленные там приемы были незнакомы большинству собравшихся релятивистов, особенно русским. Когда один из учеников Джона Уиллера, Чарльз Мизнер, взялся оспорить Халатникова, оперируя данными Пенроуза, у него ничего не получилось. Русские с недоверием отнеслись к результатам Пенроуза и отказались признать свой подход ошибочным. «Я спрятался в углу, — вспоминал Пенроуз, — так как чувствовал крайнее смущение».

Однако Пенроуз был прав. И вывод, который теперь называют теоремой Пенроуза, имел далеко идущие последствия. Он гласил, что если общая теория относительности верна, то во Вселенной должны существовать решения Шварцшильда и Керра, эти странные варианты пространства-времени с сингулярностью в центре. Они не были чисто математическими конструкциями. Эйнштейн и Эддингтон ошибались. Четырьмя годами позже свое поражение признали и Халатников с Лившицом. В 1969 году они повторили свои вычисления, на этот раз с одним из своих студентов, Владимиром Белинским. К их ужасу, там обнаружилась ошибка. И если в 1961 году они считали коллапс, приводящий к формированию сингулярности, специфическим и неестественным явлением, которого не могло существовать в нашем мире, с Белинским были получены противоположные результаты. Они по-своему подтвердили теорему Пенроуза: сингулярности формируются всегда. Советские ученые опубликовали полученные результаты на западе, публично признав свою ошибку.

Так Пенроуз доказал неизбежность сингулярностей при гравитационном коллапсе и ответил на вопрос Уиллера о конечном состоянии. Вскоре появилось и более глубокое подтверждение.

Когда сорвалась первая попытка Мартина Райла путем измерения радиоисточников опровергнуть господствующую в Кембридже теорию стационарного состояния, он улучшил результаты измерений. В 1961 году вышел каталог 4С, и большинство радиоастрономов согласилось с тем, что многие из ранее имевшихся неточностей в данных теперь исправлены. Однако конец концепции стационарной Вселенной инициировали ее же сторонники.