Кинокартина Кристофера Нолана «Интерстеллар» стала одним из главных кинохитов прошлого года во многом благодаря потрясающей визуализации различных феноменов астрофизики — таких, как черные дыры, гиперпространство и относительность времени. В своей книге физик Кип Торн раскрывает научную основу показанных чудес, а также подробно объясняет, что из использованного в фильме — научный факт, а что — вымысел режиссера.
С разрешения издательства «Манн, Иванов, Фарбер» «Лента.ру» публикует отрывок из книги Кипа Торна «Интерстеллар: наука за кадром»
Пространство нашей Вселенной обладает тремя осями координат: «верх — низ», «восток — запад» и «север — юг». Однако чтобы пообедать с подругой, придется договориться не только о месте встречи, но и о времени. В этом смысле время — четвертая ось координат. Но время отличается от пространственных измерений. Мы можем двигаться на запад или на восток — куда захотим, туда и пойдем. Тем не менее явившись к тому самому обеду, мы не можем внезапно перенестись во времени назад. Как бы мы ни старались, единственный путь — двигаться во времени вперед и законы теории относительности гарантируют это.
И все же время — четвертое измерение Вселенной. Сцена нашей жизни — четырехмерное пространство — время: три пространственных измерения и одно временнóе.
Когда мы, физики, исследуем пространство — время с помощью экспериментов и расчетов, выясняется, что пространство и время во многом схожи. Простой пример: куда бы мы ни смотрели, смотрим в прошлое, поскольку свету нужно время, чтобы дойти до наших глаз. Наблюдая квазар, находящийся в миллиарде световых лет от нас, видим, каким он был миллиард лет назад, когда лучи света, пришедшие в наш телескоп, только начали свой путь.
Пример посложнее: если вы относительно меня, находящегося на Земле, двигаетесь с большой скоростью, наши мнения по поводу того, синхронно ли произошли некоторые события, могут разойтись. Вам может показаться, что два взрыва — один на Солнце, а другой на Луне — произошли одновременно, тогда как для меня взрыв на Луне произошел на пять минут раньше, чем на Солнце. Для вас разница между взрывами — вопрос пространства, тогда как в моем случае придется добавить «координату» времени.
Такое смешение пространства и времени может показаться сложным для понимания, но оно лежит в основе природы нашей Вселенной.
На иллюстрациях к этой книге я изображаю нашу Вселенную как искривленную двумерную мембрану (брану), расположенную в трехмерном балке (разумеется, в действительности наша брана имеет три пространственных измерения, а балк (многомерное гиперпространство) — четыре, но мне нелегко подобное изобразить, так что обычно я опускаю по одному измерению. Существует ли балк на самом деле, в реальности, или это лишь плод нашего воображения? Вплоть до 80-х годов большинство физиков, включая меня, считали балк вымыслом.
Но как же может он быть вымыслом? Разве мы не знаем наверняка, что наше пространство искривлено? Неужто обмен радиосигналами с аппаратами «Викинг» не подтвердил это искривление с высокой точностью? Подтвердил... А раз наше пространство искривлено, разве не должно оно прогибаться в некое пространство с бóльшим количеством измерений — в балк?
Нет, необязательно. Вполне возможно, чтобы наша Вселенная искривлялась и без участия многомерного балка. Мы, ученые, можем выразить искривление нашей Вселенной математически, не привлекая для этого балк. Формулировать законы теории относительности, которые управляют искривлением, можно без участия балка. В сущности, именно так почти всегда мы и поступаем. До 80-х балк был для нас не более чем вспомогательным построением, позволяющим лучше понять смысл наших расчетов, а также общаться на эту тему друг с другом и с людьми, далекими от физики. Итак, вспомогательное построение, а не явление реальности.
Но что значит «реальный балк»? И как мы можем проверить его реальность? У нас были бы доказательства существования балка, если бы он влиял на наши измерения и до 80-х мы не видели, каким образом это может происходить.
Но в 1984 году все изменилось, и изменилось в корне. Майкл Грин из Лондонского университета и Джон Шварц из Калтеха совершили революцию в области квантовой гравитации. Однако — вот так сюрприз — их рассуждения имели смысл лишь при условии, что наша Вселенная — это брана, находящаяся в балке, у которого одно временнóе и девять пространственных измерений. То есть в балке, у которого на шесть пространственных измерений больше, чем у нашей браны. Согласно так называемой теории суперструн, какой следовали Грин и Шварц, высшие измерения балка влияют на нашу брану различными способами и, когда человеческие технологии достигнут определенного уровня, данные влияния можно будет измерить в ходе физических экспериментов. И, возможно, это позволит совместить законы квантовой физики с законами эйнштейновской теории относительности.
С момента суперструнной революции Грина — Шварца мы, физики, воспринимаем теорию суперструн очень серьезно и прилагаем много усилий к ее развитию. Соответственно, всерьез воспринимаем идею, что балк существует и может оказывать влияние на нашу Вселенную.
Гравитационная аномалия — это нечто связанное с гравитацией и не укладывается в наши представления о Вселенной или не соответствует пониманию законов физики, управляющих Вселенной: например падения книг в «Интерстелларе», которые Мёрф считает проделками призрака.
С середины XIX столетия физики со всем рвением выискивают новые гравитационные аномалии и изучают уже найденные. Почему? Потому что исследование любой истинной аномалии может привести к научной революции, коренному изменению наших взглядов на то, что мы считаем истиной. Начиная с середины XIX века подобное происходило уже трижды.
Ньютоновский закон обратных квадратов для гравитации требует, чтобы орбиты планет, вращающихся вокруг Солнца, были эллиптическими. На каждую планету действует также и гравитационное притяжение других планет, что заставляет ее эллиптическую орбиту сдвигаться в пространстве — прецессировать. В 1859 году астроном Урбен Леверье из парижской обсерватории объявил, что обнаружил аномалию орбиты Меркурия. Рассчитав полную прецессию орбиты Меркурия, вызванную влиянием других планет, он получил неверный результат. Наблюдаемая прецессия оказалась больше расчетной примерно на 0,1 секунды дуги на каждый оборот Меркурия вокруг Солнца.
Конечно, 0,1 секунды дуги — это совсем небольшой угол, всего одна десятимиллионная от полной окружности. Однако из ньютоновского закона обратных квадратов следует, что даже такой крохотной аномалии быть не должно.
Леверье решил, что аномалия вызвана притяжением еще не открытой планеты, находящейся ближе к Солнцу, чем Меркурий, — он назвал ее Вулкан.
Астрономы долго и безуспешно искали Вулкан, но не могли ни отыскать его, ни придумать иное объяснение аномалии. К 1890 году созрело решение: ньютоновский закон обратных квадратов не верен, но совсем чуть-чуть.
И что означало «чуть-чуть»? Как оказалось, это «чуть-чуть» предвещало революцию. Ту самую, которую совершил Эйнштейн 25 лет спустя. Искривление времени и пространства наделяет Солнце силой гравитации, которая подчиняется закону обратных квадратов, но лишь приблизительно, не абсолютно точно.
Осознав, что его новые релятивистские законы объясняют наблюдаемую аномалию, Эйнштейн пришел в восторг. Он почувствовал, будто что-то у него внутри щелкнуло, и его сердце заколотилось как бешеное: «Несколько дней я был вне себя от радостного возбуждения».
На сегодняшний день измеренная аномалия прецессии и прогнозы законов Эйнштейна совпадают с точностью до одной тысячной (одной тысячной от аномальной прецессии), что соответствует точности измерений: грандиозное достижение Эйнштейна!
В 1933 году астрофизик Фриц Цвикки из Калтеха заявил, что обнаружил крупную аномалию орбитального движения галактик относительно друг друга. Галактики находились в скоплении Кома, состоящем примерно из тысячи галактик и расположенном в 300 миллионах световых лет от Земли, в созвездии Волосы Вероники.
Пользуясь данными о доплеровском сдвиге в спектральных линиях галактик, Цвикки мог оценить, насколько быстро они движутся друг относительно друга, а измерив яркость каждой галактики — оценить ее массу и, следовательно, гравитационное притяжение. Галактики двигались так быстро, что их гравитационное притяжение не смогло бы удержать скопление от распада. Из всех наших знаний о Вселенной и гравитации явно следует, что этим галактикам положено разлететься в разные стороны и вскоре скопление должно полностью исчезнуть. В таком случае выходит, что скопление образовалось из-за случайных перемещений галактик и должно разрушиться в мгновение ока (по сравнению с другими астрономическими явлениями).
Но этот вывод казался Цвикки совершенно невероятным. Что-то было не так с нашими привычными взглядами. Цвикки сделал обоснованное предположение: скопление Кома должно быть заполнено некой «темной материей», гравитация которой достаточно сильна, чтобы удерживать скопление от распада.
Надо заметить, что по мере того, как росла точность измерений, астрономы и физики обнаруживали все больше и больше аномалий, но каждой из них, в конце концов, находилось объяснение, лишающее ее статуса аномалии. Только не в этом случае. Более того, к 1970-м годам стало ясно, что так называемая темная материя пронизывает практически все скопления галактик и даже отдельные галактики. К началу нынешнего века выяснилось, что темная материя гравитационно линзирует свет, исходящий от более далеких галактик, так же как Гаргантюа линзирует свет звезд. Сегодня этот эффект линзирования используется для картографирования темной материи в нашей Вселенной.
Сейчас физики вполне уверены, что открытие темной материи — свершившаяся революция и эта материя состоит из фундаментальных частиц незнакомого нам типа, причем предсказанного наиболее перспективными на сегодняшний день концепциями в квантовой физике. Отныне ученые ищут святой Грааль — пытаются обнаружить частицы темной материи, безнаказанно пролетающие мимо нас, и измерить их свойства.
В 1998 году две исследовательские группы, независимо друг от друга, обнаружили поразительную аномалию расширения нашей Вселенной. В 2011-м руководители групп (Сол Перлмуттер и Адам Рисс из Калифорнийского университета в Беркли и Брайан Шмидт из Австралийского национального университета) получили за это открытие нобелевскую премию по физике.
Обе группы наблюдали за взрывами сверхновых. Подобный взрыв происходит, когда у массивной звезды заканчивается ядерное топливо, она коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду, и энергия коллапса разрывает на части ее внешние слои. Ученые обнаружили, что далекие сверхновые более тусклые, чем ожидалось, а значит, находятся дальше, чем предполагалось. Настолько дальше, что стало ясно: в прошлом Вселенная расширялась медленнее, чем в наши дни. Расширение Вселенной ускоряется.
Однако из существующих представлений о гравитации и Вселенной явно следует, что все во Вселенной (звезды, галактики, скопления галактик, темная материя и т.д.) должно гравитационно притягиваться друг к другу. И это притяжение может сдерживать расширение Вселенной. То есть расширение со временем должно замедляться, а не ускоряться.
По этой причине я не поверил в заявление об ускорении Вселенной, как не поверили многие мои коллеги: астрономы и физики. Не верили до тех пор, пока другие наблюдения, произведенные совершенно иными методами, не переубедили нас. Тогда мы сдались.
Так в чем же дело? Есть два варианта: либо в законах теории относительности что-то не так с гравитацией, либо Вселенную наполняет что-то помимо обычного вещества и темной материи. Нечто, порождающее гравитационное отталкивание.
Большинство физиков вовсе не жаждут отказываться от обожаемых ими законов теории относительности, а потому склоняются ко второму варианту. Гипотетическое вещество, обладающее свойством отталкивания, получило название «темная энергия».
Ясной картины пока нет. Но если аномальное ускорение действительно обусловлено влиянием темной энергии (что бы это ни было), то из гравитационных наблюдений следует, что 68 процентов массы Вселенной составляет темная энергия, 27 процентов — темная материя и лишь 5 процентов составляет «обычное» вещество, из которого состоим мы с вами, а также планеты, звезды и галактики.
Так что у современных физиков есть еще одна священная миссия — разобраться, противоречит ли ускоренное расширение Вселенной законам теории относительности (и если так, то какие законы верны) или ускорение вызвано влиянием отталкивающей темной энергии (и если так, какова природа этой темной энергии).