Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Недавно я консультировал Европейское космическое агентство. Оно отвечает за отправку в космос научно-исследовательских спутников, часто совместно с NASA. Одним из их наиболее известных экспериментов является космический телескоп Хаббл, позволивший получить ряд удивительно четких и чистых снимков глубокого космоса.

Спутники — это новые форпосты науки, неописуемо сложные лаборатории для самых удивительных экспериментов, плавающие в пространстве на границе нашей досягаемости. Стоят они дорого, от полумиллиарда до нескольких миллиардов долларов каждый. Их нельзя просто так взять и запустить в небо. Годы, а порой даже десятилетия занимает планирование и принятие решения об оправданности запуска.

В Европейском космическом агентстве мы говорили о том, что будущие космические полеты должны проходить в соответствии с предложениями крупных международных групп ученых. В процессе длительных собраний, переполненных презентациями в Power Point, диаграммами Ганга и сметами возможных расходов, от которых у меня на глазах появлялись слезы, я часто терялся. Все это сильно отличалось от свободных исследований, необузданного творчества и красивой математики, так привлекавших меня в аспирантуре. Шокировало и то, что далеко идущие захватывающие проекты обсуждались как акционерные предприятия. Как будто мы открывали новые фабрики в какой-то далекой стране.

Однако в разгар нудных технических речей меня сильно поразил тот факт, что во многих предложениях по запуску спутников центральным объектом интереса указывалась общая теория относительности. Она в явном виде упоминалась во многих предложениях, чудесным образом сопровождая обсуждаемые нами детали и технические характеристики. Нас просили финансировать полеты стоимостью миллиарды долларов, в которых теория Эйнштейна должна была проверяться или применяться для исследования глубин космоса и внутренних механизмов плотных массивных объектов. Это было будущее космической науки в XXI веке. Не все предложения можно было финансировать, запускались далеко не все спутники, но выбирать было из чего.

В одном из полетов предлагалось регистрировать рябь пространства и времени, гравитационные волны, расходящиеся от закончившегося взрывом столкновения двух черных дыр. Это было порождение проектов LIGO и GEO600, монструозный интерферометр, состоящий не из одного, а из трех спутников, вращающихся вокруг Солнца и оснащенных сверхточными лазерами, лучи которых отскакивали от зеркал, разнесенных на миллионы километров. Подобная космическая антенна, использующая принцип лазерного интерферометра (Laser Interferometer Space Antenna, LISA), уточняет результаты вновь начавшихся наземных экспериментов, фиксируя слабые сигналы, которых не замечают обсерватории LIGO и GEO.

Это еще не все. Другой полет предлагается посвятить измерению истории расширения Вселенной вплоть до момента, когда ее возраст составлял одну сотую от текущего. Для этого потребуются методы физической космологии, исследующие разбитое на полосы небо для создания каталогов с сотнями миллионов галактик. Затем, глядя на то, как галактики собираются в огромную космическую сеть, тщательно изучая, как в процессе гравитационного коллапса скопления и нити света объединяются вокруг пустот, можно оценить влияние темной материи и темной энергии или узнать, справедливо ли мнение, что теория Эйнштейна перестает работать в крупном масштабе.

Был также предложен спутник, предназначенный для изучения внутреннего строения черных дыр и поиска мощных всплесков рентгеновского излучения, в конце 1960-х и 1970-х открывшего столь удивительное окно во Вселенную. На этот раз можно пойти дальше и посмотреть, как чрезмерно закрученное пространство-время в центре этих объектов будет рвать в клочья материю и свет в соответствии с предсказаниями Зельдовича, Новикова, Риса и Линден-Белла. На первый раз достаточно измерить физические процессы, происходящие рядом с печально известным горизонтом событий, сферой Шварцшильда, которая так долго была для нас загадкой.

Во время этих собраний мне стало ясно, что общая теория относительности в XXI веке останется в центре внимания физики и астрономии. А это непросто. В мире ужатых бюджетов, бедности и экономического кризиса многие дважды подумают, прежде чем тратить миллиарды евро или долларов на спутниковые полеты. Не приходится удивляться тому, что правительство США прекратило финансирование проекта LISA, хотя думать об этом крайне грустно.

Проект LISA должен был стать последним шагом, необходимым для открытия гравитационных волн. Эта антенна могла бы не только обнаружить неуловимую рябь, но и стать огромной, совершенной обсерваторией, которая использовала бы гравитационные волны для наблюдения за столкновениями черных дыр и за нейтронными звездами, вращающимися вокруг общего центра. Мы получили бы возможность многое узнать о фантастических объектах, предсказанных общей теорией относительности. Первый этап проекта LIGO имел огромный успех, хотя и не позволил сделать никаких наблюдений. Он доказал, что используемая технология, безумная мешанина лазеров, квантов и точной инженерии, действительно работает и ее можно настроить, добившись еще более продуктивной работы. Следующая стадия этого проекта, известная как Advanced LI GO, уже могла получать результаты и готовила почву для проекта LISA. Однако сейчас, после отказа в финансировании, проект LISA близок к краху. Кто захочет в период, когда существует множество более насущных нужд, вкладывать деньги в огромную махину, цель работы которой понятна лишь нескольким посвященным?

Однако поиск гравитационных волн слишком важен, чтобы просто взять и отказаться от него. Поэтому европейцы силами Европейского космического агентства решили двигаться вперед. Предлагаемый интерферометр при меньших размерах все равно довольно впечатляющий. Он по-прежнему стоит миллиарды, хотя и дешевле своего предшественника. Чрезвычайно огорченные американские релятивисты также не собираются сдаваться. Без лишнего шума разбросанные по всей стране группы пытаются разработать собственный проект, более дешевый и компактный и менее амбициозный, но тем не менее позволяющий заглянуть в глубины пространства-времени, чтобы иметь резервный план на случай, если европейцы изменят вектор своих интересов или тоже станут жертвами финансового кризиса.

Но не нужно ждать запуска спутников. Вокруг нас уже происходят фантастические вещи. Мы помним, как менялось отношение к сингулярностям, какими противоестественными их считали многие великие умы, от Альберта Эйнштейна и Артура Эддингтона до Джона Уиллера (пока он не понял, как обстоят дела). Открытие квазаров, нейтронных звезд и рентгеновского излучения, а также потрясающий творческий потенциал таких ученых, как Уиллер, Кип Торн, Яков Зельдович, Игорь Новиков, Мартин Рис, Дональд Линден-Белл и Роджер Пенроуз, привели к тому, что черные дыры стали для нас обыденной вещью. К концу периода 1960-хи 1970-х, который Кип Торн называл золотым веком общей теории относительности, черные дыры стали такой же реальной частью астрофизики и физики, как звезды и планеты.