Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной

Герке находился в контакте с широким кругом оппонентов Эйнштейна, от астрономов и философов до школьных учителей, включая лауреатов Нобелевской премии, физиков Йоханнеса Штарка и Филиппа Ленарда. Была создана организация под названием Академия наций, которая своим титулом и официальными документами пыталась создать о себе впечатление полноценной академии наук. А фактически она объединяла вокруг себя международную сеть противников Эйнштейна. Ее основателем был некто Арвид Рейтердаль (1876–1933), американский ученый шведского происхождения, декан факультета машиностроения и архитектуры в Университете святого Томаса в Сан-Пауло (штат Миннесота, США).

Обеспокоенная тем, что наука становится узкоспециализированной, Академия наций поставила своей целью воссоединить различные отрасли знания путем интеграции научных открытий и придать им оттенок религиозного толкования окружающего мира. Для Рейтердаля ничто лучше не символизировало современную специализацию и непостижимость науки, чем теория относительности. Почти половина всей деятельности Академии наций сводилась к полемике с теорией Эйнштейна. Клеветническая кампания, которой дирижировала эта якобы почтенная научная академия, показывает, что Эйнштейн имел дело с непримиримыми противниками.

«Безумная причуда»

Американская секция Академии включала некоторых действительно выдающихся ученых, таких как астроном Томас Си (1866–1962) из Военно-морской обсерватории США в Мар-Айленде (штат Калифорния). В начале 1920-х годов он опубликовал несколько статей, в которых обвинял Эйнштейна в плагиате и называл его теорию «безумной причудой».

Рейтердаль стремился наладить контакты с оппонентами Эйнштейна во всем мире, и в 1921 году он обратился к Герке с идеей организовать немецкое отделение Академии. Первыми «рекрутами» Герке были немецкие физики, утверждавшие, что нет никакой необходимости в теории относительности, поскольку классическая физика может объяснить результаты всех астрономических наблюдений. Философы, инженеры и врачи также объединились против Эйнштейна; к ним примкнул даже генерал-лейтенант в отставке.

Почему же возникло это противостояние между дилетантами и учеными? Определяющей причиной было то, что оппоненты Эйнштейна были действительно обеспокоены будущим науки. Все усложняющийся математический аппарат теоретической физики противоречил той точке зрения, что наука должна быть простой механикой, понятной образованному неспециалисту. Теория относительности была угрозой, это была теория, которую могут понять «только 12 мудрецов», как заявил Эйнштейн на страницах New York Times в 1919 году (рис. 2.6). Казалась, возрастающая роль новейшей математики разъединяет физику и реальность.

Кроме того, 1920-е годы были нестабильными для Германии, с гиперинфляцией, политическими потрясениями, радикальными изменениями в культуре, такими как дадаизм и экспрессионизм. В этом непостоянном мире люди хотя бы в науке пытались найти твердую почву, на которую можно опереться.

Некоторые оппоненты нападали на Эйнштейна как на личность – демократа, пацифиста, еврея. Другие обращались к антисемитским теориям заговора. Рейтердаль писал в 1923 году: «Наша беда заключается в том, что все научные журналы в Америке закрыты для антирелятивистов и подвержены еврейскому влиянию. Ежедневная пресса почти полностью находится под контролем евреев».

Рис. 2.6. Заголовки в New York Times, сообщающие о подтверждении общей теории относительности Эйнштейна в результате наблюдения полного солнечного затмения на острове Принсипи в 1919 году (см. главу 1)

К середине 20-х годов XX столетия противники теории относительности начали получать повсеместный отпор, и большинство из них уже не осмеливались публично нападать на теорию относительности. Многие попросту отказались от борьбы, и Академия наций перестала выполнять свою функцию центрального организатора кампании против Эйнштейна. Хотя и по сей день встречаются люди, которые высказываются против теории относительности. На сайте Консервапедия (Conservapedia) написано, что теорию относительности «активно поддерживают либералы». Там же можно найти 32 причины, по которым эта теория неверна. Но сейчас, по крайней мере, не так много людей науки поддерживают антирелятивизм, и это течение гораздо менее распространено, чем в 1920-е годы. Вряд ли сегодня вы встретите официанта, желающего подискутировать о справедливости теории относительности.

Куда могут завести рассуждения об искривлении пространства-времени?

Этот вопрос сродни тому, над которым космологи ломают голову вот уже сто лет. Только они формулируют его немного иначе: «Если пространство расширяется, то во что оно расширится?» Краткий ответ заключается в следующем: оно не должно расширяться ни во что.

Для того чтобы понять, как расширяется пространство, мы часто пользуемся двумерной аналогией. Например, если надувать воздушный шарик, отдельные точки на его поверхности будут удаляться друг от друга. Двумерная поверхность шарика служит аналогом наших трех измерений в пространстве. Конечно, мы видим, что шарик расширяется в другое измерение. Но если бы мы находились внутри, мы по-прежнему могли бы получать сведения о двумерной поверхности и о том, как она искривляется. Мы могли бы изучать свойства отдельных точек на поверхности и то, как ведут себя искривленные линии и углы по мере расширения шарика. По этим данным можно сделать вывод, насколько поверхность шарика отличается от плоского листа бумаги, не задумываясь о более высоких размерностях.

Здесь мы сталкиваемся с тем, что называется внутренней кривизной поверхности шарика. Подобным образом, изменения в пространстве-времени, вызванные массивными телами или гравитационными волнами, можно описать с помощью внутренней кривизны пространства-времени. Для этого нам нужны только три измерения в пространстве и одно во времени.

Однако, хотя более высокие измерения и не являются необходимыми, они вполне могут существовать. Некоторые умозрительные физические теории рассматривают Вселенную как искривленную мембрану (для краткости – «брану»), которая плавает в пространстве большего количества измерений.

Глава 3

Черные дыры

За последние сто лет черные дыры превратились из сомнительной выдумки в объекты, играющие центральную роль в нашем понимании мира. Что же они собой представляют и что происходит, когда они начинают поглощать вещество?

Искривленное пространство-время

Зимой 1915–1916 года физик Карл Шварцшильд (1873–1916) служил в рядах немецкой армии и оказался на русском фронте. Оттуда он направил несколько своих работ Альберту Эйнштейну. Шварцшильд предложил первое решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна и показал, что происходит с пространством-временем внутри и вне массивного объекта. В данном случае он рассмотрел полностью сферическую невращающуюся звезду. Это открытие потрясло Эйнштейна.

Он не был бы так восторжен, если бы знал, какое предсказание последует в конце концов из работы Шварцшильда. Сделайте звезду очень массивной или плотной, и она создаст такое сильное гравитационное поле и так искривит пространство-время, что даже свет не сможет вырваться из ее объятий.

Спустя всего несколько месяцев после переписки с Эйнштейном Шварцшильд скончался. И разбираться с деталями курьезных объектов, известных как сингулярности Шварцшильда, пришлось другим ученым. Главным из них был молодой индийский физик по имени Субраманьян Чандрасекар (1910–1995). В 1930 году он сел на корабль, направлявшийся в Соединенное Королевство, где получил стипендию для обучения в Кембриджском университете. Коротая время в 18-дневном путешествии, он изучал свойства звезд, называемых белыми карликами. Он обнаружил, что, если бы эти звезды имели массу, превосходящую солнечную более чем в 1,4 раза, они бы схлопнулись под действием собственной гравитации и образовали бы сингулярность Шварцшильда.

Поначалу молодому ученому не удалось доказать свою правоту. На совещании Королевского астрономического общества в 1935 году именитый астрофизик Артур Эддингтон заявил, что «должен существовать закон природы, предохраняющий звезды от такого безрассудного поведения». В 1939 году Эйнштейн сам опубликовал статью, в которой объяснил, почему сингулярности Шварцшильда могут существовать лишь как плод умствований теоретиков.

Коллапсирующие звезды

Ситуация оставалась безнадежной вплоть до 1960-х годов, когда физик Роджер Пенроуз (род. 1931) доказал, что черные дыры – этот термин появился примерно в это же время и был введен в обиход астрофизиком Джоном Уилером (1911–2008) – являются неизбежным следствием коллапса массивных звезд. В центре черной дыры различные физические величины, а вместе с ними и кривизна пространства-времени, становятся бесконечными, нарушая условия, при которых соблюдаются уравнения общей теории относительности. Кроме того, внутренности черной дыры будут постоянно скрыты за горизонтом событий поверхностью, откуда не возвращается свет. Это также означает, что ничто из того, что происходит внутри, не может влиять на события вне звезды, поскольку ни материя, ни энергия не могут вырваться наружу.

Хотя мы не можем непосредственно наблюдать черную дыру, в 1970 году астрономы при изучении компактного объекта в созвездии Лебедя увидели рентгеновские струи. Это согласовывалось с теоретическими предсказаниями о возникновении излучения от горячего вещества, падающего по спирали по направлению к горизонту событий. С тех пор наша уверенность в существовании черных дыр только окрепла.

Однако характеристики черных дыр по-прежнему являются объектом горячих дискуссий, в том числе из-за того, что попытки объединить общую теорию относительности с квантовой теорией, которая объясняет поведение вещества на атомном и внутриатомном уровне, по-прежнему безуспешны. Градус дискуссии повысился в 1970-е годы, когда физики Яаков Бекенштейн (1947–2015) и Стивен Хокинг (1942–2018) показали, что черные дыры должны иметь некоторую температуру. Тела с температурой обязательно обладают энтропией, а в квантовой механике энтропия – мера беспорядка – предполагает существование микроструктуры. Между тем уравнения Эйнштейна описывают черные дыры как гладкие, безликие искажения пространства-времени. Хокинг также показал, что квантовые эффекты внутри и вокруг горизонта событий предполагают, что черная дыра должна непрерывно испаряться, испуская поток фотонов и элементарных частиц, называемый сейчас излучением Хокинга.

Парадокс «огненной стены»

Если черная дыра в конце концов истончается и превращается в ничто, что тогда происходит с веществом, которое падает на нее? На фундаментальном уровне материя и энергия несут информацию, а квантовая механика утверждает, что информация не может быть уничтожена. Возможно, закодированная информация ускользает наружу вместе с излучением Хокинга, но эта идея упирается в другую проблему: это приводит к тому, что черную дыру должна окружать «огненная стена» из пылающих частиц с большой энергией, что опять-таки противоречит общей теории относительности.

Парадокс «огненной стены» (файервол) до сих пор является предметом жарких споров. Одним из перспективных и заманчивых предположений по поводу того, как можно разрешить парадокс, является следующее: гладкая ткань эйнштейновского пространства-времени возникает из частиц внутри и вне горизонта событий, квантово-механически связанных друг с другом через структуры, известные как кротовые норы. В августе 2015 года Хокинг выдвинул еще одну идею, согласно которой информация никогда на самом деле не поглощается черной дырой. Она продолжает упрямо присутствовать на горизонте событий черной дыры в искаженной форме, трудно поддающейся расшифровке. Через месяц после этого Нобелевский лауреат Герард’т Хоофт (род. 1946) из Утрехтского университета в Нидерландах предположил, что при падении материи и энергии внутрь горизонта событий содержащаяся в них информация просто отскакивает назад.

Исследуя невидимое

Измерение параметров черных дыр вызывает большие затруднения. По определению черная дыра не может излучать свет, поэтому мы не можем просто наблюдать ее в телескоп. Но мы можем видеть ее гравитационные эффекты.

В 1971 году было объявлено, что объект под названием Лебедь X-1 является черной дырой звездной массы (возникшей в результате гравитационного коллапса массивной звезды), так как этот объект оказывал сильное гравитационное влияние на соседнюю звезду. Три года спустя последовало открытие Стрельца A*, сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Орбиты окружающих ее звезд свидетельствуют о том, что там находится нечто очень массивное, что-то, чья масса в четыре миллиона раз превосходит массу Солнца.

Существуют и другие способы обнаружения черных дыр. Хотя горизонт событий не может излучать свет, многие черные дыры окружены аккреционными дисками из газа, падающего по спирали на черную дыру. Эти горячие диски излучают в широком диапазоне частот, от радиоволн до видимого и рентгеновского диапазона. А если черная дыра вращается вокруг своей оси, она может испускать огромные струи вещества.

Вскоре мы сумеем подобраться гораздо ближе к тому, чтобы реально увидеть черную дыру. Проект под названием «Телескоп горизонта событий» имеет своей целью сделать снимки Стрельца A* и других сверхмассивных черных дыр (см. интервью о фотографировании черных дыр ниже). И мы собираемся многое узнать о черных дырах с помощью гравитационных волн (см. главу 4). Возможно, этого окажется достаточно, чтобы узнать, что реально происходит на горизонте событий.

Некоторые ученые вообще избегали исследования этих проблем, по-прежнему считая, вслед за Эддингтоном и Эйнштейном, что черных дыр не существует. В 2014 году Лаура Мерсини-Хоутон из Университета Северной Каролины (Чапел Хилл) выступила с заявлением, что массивные звезды не могут коллапсировать в черные дыры, – излучение Хокинга во время коллапса просто не дает звезде превратиться в черную дыру. Следовательно, горизонта событий и сингулярностей не существует.

Но мало кто согласен с этим мнением. Напротив, парадокс «огненной стены» открыл новые возможности тем, кто пытается объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. В этой схватке между квантовой механикой и общей теорией относительности чаша весов, по-видимому, склоняется в сторону первой, так как, за исключением гравитации, она вполне успешно описывает все остальные силы природы. Наверное, это не порадовало бы Эйнштейна, который считал и черные дыры, и квантовую механику излишним мудрствованием. Не исключено, что черные дыры окажутся тем самым предсказанием, которое уничтожит его теорию.

Когда сталкиваются черные дыры

Представьте ситуацию: по соседству с нами возникла совершенно новая, никому не знакомая черная дыра с массой 140 миллионов солнечных масс. Эта «дерзкая выскочка» в 35 раз массивнее черной дыры, которая правит бал в центре Млечного Пути. А теперь давайте познакомимся с реальным чемпионом: с черной дырой, чья масса составляет 18 миллиардов солнечных масс.

Чтобы попасть в первые ряды зрителей этого космического матча по боксу, вам надо (осторожно) приблизиться к объекту OJ 287 в центре галактики, находящейся на расстоянии 3,5 миллиарда световых лет от нас. Здесь более мелкая черная дыра вращается вокруг своего крупного противника. С каждым витком она все больше и больше приближается к нему с тем, чтобы полностью раствориться в его объятиях через 10 000 лет. Но пока у нас еще есть возможность полюбоваться восхитительным поединком.

Несмотря на то, что эта двойная система из черных дыр находится так далеко, OJ 287 выделяет достаточно энергии, чтобы быть видимой на небе так же хорошо, как и Плутон. Астрономы снимают ее на фотопластинки начиная с 1880-х годов, но впервые она привлекла внимание Маури Валтонена в обсерватории Туорла в Турку (Финляндия) почти столетие спустя. Группа астрономов под его руководством обратила внимание на то, что в отличие от других объектов в центрах галактик, которые вспыхивают и затухают спорадически, этот объект придерживался строгого расписания. Примерно через каждые 12 лет на его месте наблюдается вспышка. Интервал между вспышками становится короче на 20 дней с каждым циклом. За те несколько десятков лет, в течение которых мы наблюдаем эту картину, мы проделали большой путь к выяснению того, за счет чего это происходит.

Объект OJ 287 – это своеобразная витрина того, что происходит в галактиках по всей Вселенной. Галактики растут, поедая себе подобных, и почти все они имеют в своем центре сверхмассивную черную дыру. Когда две галактики объединяются, их черные дыры либо вступают в схватку и борются до тех пор, пока одна из них не будет отброшена гравитационным толчком соперницы, либо они начинают по спирали приближаться друг к другу, пока не сольются в еще более крупную черную дыру.

Меньшая черная дыра в OJ 287 находится на пути полного слияния с более крупной черной дырой. Более массивная черная дыра растет также за счет окружающего диска из газа и пыли, которые постепенно оседают на ней. Каждый раз, когда менее массивная черная дыра заканчивает виток по орбите, она с грохотом проносится через этот диск на сверхзвуковых скоростях. Этот мощный удар раздувает пузырь горячего газа, который затем расширяется, истончается и испускает поток ультрафиолетового излучения. Даже если вы находитесь на расстоянии 36 световых лет от этого источника, вы загорите быстрее, чем на Земле от солнечных лучей.

Хотя эти вспышки и производят огромное впечатление, орбитальный танец черных дыр излучает энергию в десятки тысяч раз более мощную, чем волнообразные колебания в пространстве-времени, называемые гравитационными волнами (см. главу 4). Конец менее массивной черной дыры предрешен. Гравитационные волны уносят энергию с орбиты двойной системы, пара черных дыр сближается друг с другом, и каждый последующий виток становится короче.

В 2015 году лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, США) предсказала, какова будет финальная стадия эволюции OJ 287. Дважды обсерватория регистрировала гравитационные волны от двойных систем, состоящих из черных дыр на конечных этапах эволюции, в которых каждая черная дыра в десятки раз превосходила Солнце, а затем оставался отголосок только от одной из них.

В системе OJ 287 черные дыры гораздо массивнее, и, как следствие, конечное слияние двух черных дыр в сердце объекта OJ 287 будет посылать гравитационные сигналы на частотах, слишком низких для приемников LIGO. Но конец будет таким же. Где бы на просторах Вселенной ни схлестнулись две черные дыры из двух различных галактик, в итоге останется только одна, самодовольная и надежно закрепившаяся в центре.

Интервью: фотографирование гигантов

Дэн Маррон – астроном из Обсерватории Стюарта Аризонского университета. Он является участником проекта «Телескоп горизонта событий», цель которого – сделать первый снимок черной дыры.

Черная дыра по определению черная. Как же вы хотите ее сфотографировать?

Если вы посмотрите непосредственно на черную дыру, она действительно будет выглядеть темной, поскольку свет она не испускает. Но вокруг нее вы увидите яркое кольцо, образованное фотонами, которым повезло не попасть внутрь черной дыры и которые пару раз проскользнули по краю. Нам представляется, что именно этот свет мы сможем увидеть в наш «Телескоп горизонта событий» (EHT, Event Horizon Telescope).

Телескоп EHT является «телескопом всей Земли». Как он работает?

В радиоастрономии, чтобы получить разрешение лучшее, чем от одного телескопа, вы записываете сигналы от многих телескопов по всему земному шару и складываете их друг с другом. У вас получается как бы один телескоп размером со всю Землю.

Какие черные дыры являются вашей целью?

Наша цель – Стрелец A*, сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики, а также черная дыра в центре M87, крупнейшей галактики в скоплении галактик Девы. С помощью телескопа размером с Землю и на частотах наших наблюдений мы можем наблюдать черные дыры именно такого размера.

Любое изображение черной дыры до сих пор было лишь плодом воображения художника. Совпадет ли реальность с ожиданиями?

Вопрос о создании образа на основании наших измерений – вопрос щекотливый. Цвета нашего изображения будут весьма условными и будут передавать лишь яркость изображения в том или ином месте. Наше изображение будет далеко не так красиво, как у художника. Галактика размывает свет, идущий к нам от черной дыры, поэтому многие особенности мы просто не увидим. Но любая картинка не разочарует нас – ведь мы увидим то, что никто еще никогда не видел.

А как насчет того, чтобы снять видеоролик, что-то типа фильма «Черная дыра»?

Да, мы сможем сделать это, если вокруг черной дыры что-то вращается, как мы и ожидаем. Если вокруг черной дыры вращается газ, то ему для падения на черную дыру понадобится от четырех до двадцати семи минут в зависимости от скорости вращения черной дыры. Если мы будем наблюдать несколько дней и увидим изменения в структуре, мы сможем представить это как видеоролик.

Что вы надеетесь узнать из этого изображения?

Будет важна сама возможность просто сфотографировать черную дыру и показать тень на том месте, откуда не может вырваться свет. Кроме того, нам нужно многое узнать о структуре черной дыры в нашей собственной галактике и о том, что происходит с черной дырой, когда ей не хватает «питательного материала», что, по-видимому, имеет место в Стрельце A*.

Мы также ожидаем, что сможем проверить общую теорию относительности, которая утверждает, что кольцо света вокруг черной дыры должно быть совершенно круглым. Если теория относительности не работает в таком мощном гравитационном поле, где гравитация достигла своих пределов, тогда кольцо света не будет совершенно круглым.

Скрываются ли другие вселенные за черными дырами?

На ранних порах космической молодости причуды пространства-времени могли создать кротовые норы, связывающие нас с обширной мультивселенной. Если это действительно так, теория может помочь объяснить, каким образом сверхмассивные черные дыры в центрах галактик так быстро достигли своих размеров, и это означало бы, что каждая из этих гигантских черных дыр скрывает внутри себя целую вселенную.

Идея о том, что наша Вселенная – всего лишь одна из ошеломительно большого количества вселенных, следует из космологической теории вечной инфляции. Эта теория была выдвинута в 1980-е годы для объяснения некоторых загадочных результатов наблюдений, которые не могла объяснить теория Большого взрыва. Она предполагает, что далеко-далеко за пределами нашей Вселенной пространство-время расширяется по экспоненте, удваиваясь в объеме каждую долю секунды. Время от времени новый «пузырь» пространства-времени выпадает из этого сумасшедшего процесса расширения, чтобы основать клочок более спокойного пространства, как сделала наша Вселенная почти 14 миллиардов лет назад. Но даже после того, как быстрое расширение заканчивается в новой вселенной, другие вселенные-младенцы продолжают рождаться в других местах, умножая распростертую во все стороны мультивселенную.

На что похоже падение в черную дыру?

При отсутствии достоверных свидетельств очевидцев в ответе на этот вопрос мы должны полагаться на теорию относительности.

Теория относительности говорит, что с точки зрения стороннего наблюдателя вы никогда полностью не упадете в дыру. По мере того, как вы (вернее, ваше изображение) приближаетесь к горизонту событий, притяжение черной дыры начнет выкидывать шутки со временем. Для внешнего наблюдателя ваш образ вместо того, чтобы стремительно падать вниз, начнет замедлять падение, все медленнее и медленнее приближаясь к горизонту событий, но никогда не достигая его до конца. Вместе с тем ваш образ «краснеет», затем «инфракраснеет», а после вообще превращается в радиоволну с постоянно растущей длиной.

Лично для вас падение будет выглядеть по-другому, но подробности нам не известны. По мере того, как вы будете приближаться к дыре, россыпь звезд и галактик на небе начнет коробиться и «синеть», становясь яркой до изнеможения. Согласно вашим часам и ощущениям, вы быстро достигнете горизонта событий. Вы можете преодолеть его без единой царапины, а можете и столкнуться с «огненной стеной» и распасться на элементарные частицы. Если вы выживете, то, вероятно, дойдете почти до центра черной дыры, где градиент силы притяжения настолько силен, что разорвет вас на куски в процессе, который получил название «спагеттификация». Но некоторые теории утверждают, что вас может выбросить через кротовую нору в новую вселенную, где, скорее всего, вашим рассказам никто не поверит.

Александр Виленкин (род. 1949) из Университета Тафтса в Медфорде (штат Массачусетс, США) и его коллеги задались вопросом: смогут ли они обнаружить признаки существования мультивселенной? Они построили математическую модель и проанализировали судьбу пузырей, образованных во время инфляции. Они обнаружили, что некоторые отделившиеся пузыри будут сформированы наполовину: в них будет продолжаться инфляция, хотя и с другой скоростью. Некоторые из них попадут в наш уголок пространства, а когда он полностью прекратит раздуваться, эти «недоделанные» пузыри прочно застрянут в нем. Нам они будут казаться черными дырами. Пузыри, образовавшиеся сравнительно поздно, будут меньше; они должны будут коллапсировать в стандартные черные дыры, внутри которых не будет ничего, кроме бесконечно плотной точки – сингулярности. Но пузыри, образовавшиеся ранее, будут больше, создавая более крупные черные дыры. Внутри этих пузырей раздувающееся пространство-время может породить свою собственную мультивселенную.

Анализ предполагает, что наша Вселенная должна иметь характерное распределение черных дыр. Чем больше масса черной дыры, тем больше таких дыр должно быть в нашей Вселенной, и так до определенного критического значения, после которого число дыр должно падать. Такой подход может помочь решить многолетнюю загадку. До сих пор астрофизикам было трудно понять, как сверхмассивным черным дырам удалось дорасти до таких размеров на столь ранних этапах космической истории. В соответствии с новой теорией большие черные дыры должны были сформироваться в первые моменты Большого взрыва как отдельные вселенные-пузыри. Эти гиганты и могли стать сверхмассивными черными дырами, которые мы видим сегодня в ядрах галактик, включая наш Млечный Путь.

Данная теория также может помочь разобраться с парадоксом потери информации черной дырой, о котором физики дискутируют уже несколько десятилетий. И, конечно, наша собственная Вселенная вполне может выглядеть как черная дыра для физиков из какой-нибудь другой вселенной.

Интервью: Стивен Хокинг

Стивен Хокинг, один из величайших физиков в мире, известен своими работами по черным дырам. В преддверии его 70-летия в 2012 году журнал New Scientist взял у него интервью по электронной почте (когда Хокингу исполнился 21 год, у него было диагностировано заболевание двигательных нейронов, и общение с ним можно было осуществить только с помощью датчика, управляемого сокращением мышц его щеки). Его ответы на вопросы дополнены комментариями журнала New Scientist.

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.

Глава 4

Гравитационные волны

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.

Открытие гравитационных волн

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.