Глава 9 Пророческое наследие Эйнштейна

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

Глава 9

Пророческое наследие Эйнштейна

Биографы в большинстве своем игнорируют последние 30 лет жизни Эйнштейна, рассматривая их как нечто неловкое, недостойное гения, как пятно на его во всем остальном кристально чистой истории. Однако научный прогресс последних десятилетий позволил нам совершенно по-новому взглянуть на наследие Эйнштейна. Дело в том, что его работа была настолько фундаментальной, так перевернула само основание человеческого знания, что влияние Эйнштейна до сих пор ощущается в физике. Многие семена, посеянные Эйнштейном, прорастают только сейчас, в XXI в., прежде всего потому, что наши инструменты – космические телескопы, рентгеновские космические обсерватории, лазеры – стали достаточно мощными и чувствительными, чтобы проверить самые разные его предсказания, сделанные несколько десятилетий назад.

Можно утверждать, что крошки со стола Эйнштейна помогают сегодня ученым выиграть Нобелевскую премию. Более того, с появлением теории суперструн эйнштейнова концепция обобщения всех сил, служившая когда-то объектом осмеяния и пренебрежительных комментариев, в наше время выходит на центральное место в мире теоретической физики. В этой главе обсуждаются новые достижения в трех областях, где наследие Эйнштейна продолжает жить и править миром физики: это квантовая теория, общая теория относительности и космология, а также единая теория поля.

В 1924 г., когда Эйнштейн только написал работу по конденсату Бозе – Эйнштейна, он не думал, что это занятное явление будет обнаружено в сколько-нибудь обозримом будущем. Ведь для того чтобы все квантовые состояния коллапсировали в гигантский суператом, необходимо было охладить материалы почти до абсолютного нуля.

В 1995 г., однако, Эрик Корнелл из Национального института стандартов и технологии и Карл Виман из Университета Колорадо сделали именно это, получив чистый конденсат Бозе – Эйнштейна из 2000 атомов рубидия при температуре на двадцать милиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Кроме того, Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института независимо от них тоже получил конденсат Бозе – Эйнштейна, в котором было достаточно атомов натрия, чтобы проводить на нем важные эксперименты. Он доказал, что эти атомы демонстрируют интерференционную картину, соответствующую состоянию, когда атомы скоординированы друг с другом. Иными словами, они вели себя как суператом, предсказанный Эйнштейном более 70 лет назад.

После первоначального объявления открытия в этой быстро развивающейся области посыпались как из рога изобилия. В 1997 г. в МТИ Кеттерле с коллегами создали первый в мире «атомный лазер» с использованием бозе-эйнштейновского конденсата. Как известно, удивительные свойства лазерному свету придает то, что фотоны движутся в унисон друг с другом, тогда как обычный свет хаотичен и некогерентен. Поскольку вещество тоже обладает волновыми свойствами, рассуждали физики, поток атомов можно сделать когерентным; однако прогресс в этом направлении стопорился из-за отсутствия бозе-эйнштейновского конденсата. Теперь же физики достигли своей цели тем, что сначала охладили набор атомов и превратили их в конденсат, а затем направили на этот конденсат лазерный луч, который выстроил из атомов синхронизированный пучок.

В 2001 г. Корнелл, Виман и Кеттерле были удостоены Нобелевской премии по физике. Нобелевский комитет наградил их «за экспериментальное наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации в разреженных газах атомов щелочных металлов и за первые фундаментальные исследования свойств таких конденсатов». Практическое применение конденсата Бозе – Эйнштейна еще впереди, пока идет лишь процесс осознания. Лучи атомных лазеров могли бы оказаться в будущем ценным инструментом в применении к нанотехнологиям. Возможно, они позволят манипулировать отдельными атомами и создавать слои атомных пленок для полупроводников в компьютерах будущего.

Помимо атомных лазеров некоторые ученые говорят о построении квантовых компьютеров (компьютеров, вычисляющих при помощи отдельных атомов) на основе бозе-эйнштейновского конденсата, которые со временем могли бы заменить обычные кремниевые компьютеры. Другие говорят о том, что скрытая масса, или темная материя, может отчасти состоять из бозе-эйнштейновского конденсата. Если это так, то именно в этом странном состоянии может находиться бо?льшая часть вещества Вселенной.

Кроме того, деятельность Эйнштейна вынудила квантовых физиков заново обдумать свою преданность первоначальной копенгагенской интерпретации этой теории. Еще в 1930–1940-е гг., когда квантовые физики радостно хихикали за спиной Эйнштейна, игнорировать этого гиганта современной физики было совсем несложно, ведь значительные открытия в квантовой физике делались едва ли не ежедневно. Кто готов был тратить время на проверку фундаментальных положений квантовой теории, когда физики спешили собирать Нобелевские премии как яблоки с ветки? Проводились сотни расчетов по свойствам металлов, полупроводников, жидкостей, кристаллов и других материалов, результаты которых легко могли привести к созданию целых промышленных отраслей. На остальное просто не было времени. Вследствие этого физики десятилетиями просто привыкали к интерпретациям копенгагенской школы, «заметая под ковер» не имеющие ответа глубокие философские вопросы. Споры Бора с Эйнштейном были забыты. Однако сегодня, когда на многие «простые» вопросы о веществе получены четкие ответы, гораздо более сложные вопросы, поднятые Эйнштейном, по-прежнему остаются без ответа. В частности, по всему миру проводятся десятки международных конференций, на которых физики заново рассматривают проблему кота Шрёдингера, упомянутую в 7-й главе. Теперь, когда экспериментаторы научились манипулировать отдельными атомами, проблема кота перестала носить чисто академический характер. Более того, от ее решения может зависеть конечная судьба компьютерных технологий, которыми определяется значительная доля мирового богатства, поскольку компьютеры будущего, возможно, будут работать на транзисторах, построенных из отдельных атомов.

Сегодня признается, что из всех альтернативных вариантов копенгагенская школа Бора предлагает наименее привлекательный ответ на проблему кота, хотя до сих пор никаких экспериментальных отклонений от первоначальной боровской интерпретации не обнаружено. Копенгагенская школа постулирует существование «стены», отделяющей повседневный макроскопический мир деревьев, гор и людей, который мы видим вокруг себя, от загадочного контринтуитивного микроскопического мира квантов и волн. В микроскопическом мире элементарные частицы существуют в промежуточном состоянии между бытием и небытием. Однако мы живем по другую сторону стены, где все волновые функции уже схлопнулись, поэтому наша макроскопическая вселенная кажется нам стабильной и вполне определенной. Иными словами, наблюдателя от наблюдаемого объекта «отделяет стена».

Некоторые физики, включая нобелевского лауреата Юджина Вигнера, пошли еще дальше. Ключевой элемент наблюдения, подчеркивал Вигнер, – это сознание. Чтобы провести наблюдение и определить реальность кота, необходим наделенный сознанием наблюдатель. Но кто наблюдает за наблюдателем? Наблюдателю тоже необходим свой наблюдатель (именуемый «другом Вигнера»), который определил бы, что наблюдатель жив. Но это подразумевает существование бесконечной цепочки наблюдателей, каждый из которых наблюдает за соседом и определяет, что предыдущий наблюдатель жив и здоров. Для Вигнера это означало, что где-то существует, возможно, некое космическое сознание, определяющее природу самой Вселенной! Он писал: «Само изучение внешнего мира привело к выводу о том, что содержимое сознания и есть конечная реальность». Кое-кто утверждал в связи с этим, что это доказывает существование Бога, некоего космического сознания, или то, что сама Вселенная каким-то образом обладает сознанием. Как сказал однажды Планк, «наука не в состоянии разрешить конечную загадку Природы. А все потому, что в конечном итоге мы сами являемся частью загадки, которую пытаемся разрешить».

За прошедшие десятилетия были предложены и другие интерпретации. В 1957 г. Хью Эверетт, в то время аспирант физика Джона Уилера, предложил, возможно, самое радикальное решение проблемы кота – «многомировую» теорию, согласно которой все возможные вселенные существуют одновременно. Кот в самом деле может быть мертвым и живым одновременно, потому что сама Вселенная расщепилась надвое. Следствия из этой идеи, откровенно говоря, неуютны, поскольку при этом подразумевается, что вселенная постоянно, каждое квантовое мгновение раздваивается, образуя бесконечное число квантовых вселенных. Сам Уилер, поначалу горячо поддержавший идею своего студента, позже отказался от нее, заявив, что с таким подходом связано слишком много «метафизического багажа». Представьте, к примеру, космический луч, пронзающий в подходящий момент чрево матери Уинстона Черчилля и вызывающий выкидыш. Таким образом, одно квантовое событие отделяет нас от вселенной, в которой Черчилль, способный поднять народ Англии и всего мира на борьбу с убийственными силами Адольфа Гитлера, попросту не родился. В той параллельной вселенной нацисты, возможно, выиграли Вторую мировую войну и поработили значительную часть мира. Или представьте себе мир, где солнечный ветер, запускаемый квантовыми событиями, сбил с пути ту комету или метеорит, который 65 млн лет назад угодил в мексиканский полуостров Юкатан и стер с лица Земли динозавров. В той параллельной вселенной человек не появился вовсе и Манхэттен, где я сейчас живу, населен неистовыми динозаврами.

Голова идет кругом при мысли о всех возможных вселенных. После нескольких десятилетий бесплодных споров о разных интерпретациях квантовой теории в 1965 г. физик Джон Белл из ядерной лаборатории CERN в Женеве (Швейцария) проанализировал эксперимент, способный, по идее, решающим образом доказать или опровергнуть эйнштейнову критику квантовой теории. Придумал этакую своеобразную лакмусовую бумажку[28]. Сам он симпатизировал глубоким философским вопросам, которые поднимал в свое время Эйнштейн, потому и предложил теорему, которая должна была наконец решить этот вопрос. Первый убедительный эксперимент такого рода осуществил в 1983 г. Ален Аспе в Парижском университете, и его результаты подтвердили квантово-механическую точку зрения. Эйнштейн в своей критике квантовой теории был неправ.

Но если критику Эйнштейном квантовой теории можно смело отбросить, то какая из различных квантово-механических школ правильно видит мир? Большинство физиков сегодня считает, что копенгагенская интерпретация удручающе неполна. Стена, отделяющая, по мнению Бора, микроскопический мир от макроскопического, в наше время, когда ученые в состоянии манипулировать отдельными атомами, выглядит неубедительно. Более того, сканирующий туннельный микроскоп способен перемещать отдельные атомы; с его помощью из атомов было составлено название фирмы IBM и построены работающие счеты. Вообще, на базе манипуляций с атомами создана новая технологическая область, получившая название «нанотехнологии». Эксперименты, подобные мысленному опыту Шрёдингера с котом, теперь можно проводить на отдельных атомах.

Несмотря на это, удовлетворяющего всех физиков решения проблемы с котом до сих пор не существует. Однако почти через 80 лет после памятного столкновения Бора и Эйнштейна на Сольвеевском конгрессе некоторые ведущие физики, включая и нескольких нобелевских лауреатов, сошлись на том, что решить эту проблему поможет идея декогеренции. Декогеренция начинается с того, что волновая функция кота весьма сложна, поскольку в его теле содержится порядка 1025 атомов – число воистину астрономическое. Поэтому наблюдается интенсивная интерференция между волновыми функциями живого и мертвого кота. Это означает, что эти две волновые функции могут сосуществовать одновременно в одном и том же пространстве, но не в состоянии влиять друг на друга. Две волновые функции «декогерированы» друг от друга и больше «не чувствуют» присутствия друг друга. Согласно одной из версий декогеренции, волновые функции никогда не схлопываются, как утверждал Бор. Они просто разделяются и никогда больше не взаимодействуют.

Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг сравнивает это со слушанием радио. Поворачивая ручку, мы можем успешно настроиться на множество радиостанций. Каждая частота декогерирована с остальными, поэтому интерференции между станциями не существует. Любая комната в любом доме наполнена одновременно сигналами от всех радиостанций, причем каждый сигнал несет массу информации; тем не менее эти сигналы не взаимодействуют друг с другом. Да и радиоприемник настраивается лишь на одну из станций.

Декогеренция кажется привлекательной, поскольку означает, что исходную волновую теорию можно использовать для разрешения проблемы кота, не прибегая к «коллапсу» волновой функции. В этой картине волновые функции никогда не схлопываются. Однако логические выводы, которые можно при этом сделать, настораживают. В конечном итоге декогеренция подразумевает «множественность миров». Но вместо радиостанций, сигналы которых не интерферируют, здесь мы получаем целые вселенные, которые не взаимодействуют между собой. Может показаться странным, но это означает, что, пока вы сидите в своей комнате и читаете эту книгу, одновременно с вами существуют волновые функции параллельных миров, где нацисты выиграли Вторую мировую войну, где люди говорят на странных несуществующих языках, где динозавры не вымерли и дерутся в настоящий момент на месте вашей гостиной, где по Земле разгуливают космические пришельцы или где Земли вообще никогда не существовало. Наше «радио» настроено только на знакомый мир, в котором мы живем, но здесь же, в этой же комнате, существуют другие «радиостанции», где безумные и нелепые миры сосуществуют с нашим. Мы не можем взаимодействовать с этими динозаврами, монстрами и инопланетянами, гуляющими по нашим гостиным, потому что живем на другой «радиочастоте» и когда-то декогерировали с ними. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман однажды сказал: «Мне кажется, я спокойно могу сказать, что квантовую механику не понимает никто».

Если критика Эйнштейном квантовой теории способствовала ее развитию, хотя и не привела, возможно, к полностью удовлетворительному разрешению всех ее парадоксов, то в других областях, в первую очередь в общей теории относительности, его идеи с лихвой наверстали упущенное. Сегодня, в эпоху атомных часов, лазеров и суперкомпьютеров, ученые проводят такие высокоточные эксперименты по проверке общей теории относительности, о каких Эйнштейн мог только мечтать. Так, в 1959 г. Роберт Паунд и Глен Ребка из Гарварда наконец получили лабораторное подтверждение предсказанного Эйнштейном гравитационного красного смещения, то есть того факта, что часы в гравитационном поле идут с разной скоростью. Они направили излучение радиоактивного кобальта из подвала Лаймановской лаборатории в Гарварде вверх, к крыше, на высоту 23 м. При помощи чрезвычайно точного измерительного устройства (построенного на эффекте Мёссбауэра) они показали, что в процессе движения из подвала до чердака фотоны теряют энергию (следовательно, снижают частоту). В 1977 г. астроном Джесси Гринстейн с коллегами проанализировал ход времени на десятке звезд из класса белых карликов. Как и ожидалось, наблюдения подтвердили, что время в сильном гравитационном поле замедляется.

Эксперимент с солнечным затмением тоже был повторен с предельной точностью, и не один раз. В 1970 г. астрономы засекли положение двух чрезвычайно далеких квазаров (3C 279 и 3C 273). Лучи света от этих квазаров изогнулись, как и предсказывала теория Эйнштейна.

Кроме того, появление атомных часов привело к настоящей революции в методиках проведения прецизионных экспериментов. В 1971 г. атомные часы поместили в реактивный самолет, летавший с востока на запад и с запада на восток. Эти атомные часы затем сравнили с атомными часами, остававшимися в неподвижном состоянии в Военно-морской лаборатории в Вашингтоне. Проанализировав показания атомных часов на самолетах, летавших с разной скоростью (но на одной и той же высоте), ученые смогли подтвердить специальную теорию относительности. Затем, проанализировав показания часов на самолетах, летавших с одной скоростью, но на разных высотах, они смогли проверить предсказания общей теории относительности. В обоих случаях результаты подтвердили предсказания Эйнштейна в пределах экспериментальных погрешностей.

Запуск искусственных спутников Земли также стал настоящей революцией в методах, при помощи которых можно проверить общую теорию относительности. Астрометрический спутник Hipparcos, запущенный Европейским космическим агентством в 1989 г., в течение четырех лет использовался для расчета отклонения звездного света Солнцем; он использовал для анализа даже звезды, в 1500 раз более слабые, чем звезды Ковша Большой Медведицы. В космосе нет необходимости дожидаться солнечного затмения – эксперименты можно проводить в любое время. Выяснилось, что свет звезд во всех случаях, без исключения, отклоняется согласно предсказаниям Эйнштейна. Более того, ученые обнаружили, что Солнце отклоняет свет звезд, расположенных на большом удалении от него.

В XXI в. планируется множество других прецизионных экспериментов, цель которых – проверить точность общей теории относительности; в их числе новые эксперименты с двойными звездами и даже опыты с отражением лазерного сигнала от поверхности Луны. Но самые интересные опыты, вероятно, будут связаны с гравитационными волнами. Эйнштейн предсказал гравитационные волны в 1916 г., однако он не надеялся увидеть когда-либо реальное подтверждение этого трудноуловимого феномена. Экспериментальное оборудование начала XX в. было попросту слишком примитивным. Но в 1993 г. Нобелевская премия была присуждена двум физикам – Расселу Халсу и Джозефу Тейлору – за косвенное подтверждение существования гравитационных волн при исследовании двойных звезд, обращающихся друг вокруг друга.

Халс и Тейлор рассмотрели пульсар PSR 1913+16 – двойную нейтронную звезду на расстоянии 16 000 световых лет от Земли; две «мертвые» звезды обращаются вокруг общего центра с периодом 7 часов 45 минут, излучая при этом гравитационные волны в огромном количестве. Представьте, к примеру, перемешивание патоки двумя ложками, которые ходят по кругу друг за другом. За каждой ложкой остается расходящийся паточный след. Аналогично, если мы заменим патоку тканью пространства-времени, а ложки – «мертвыми» звездами, мы обнаружим, что две звезды ходят по кругу друг за другом, излучая волны гравитации. Эти волны уносят энергию звезд, и они, постепенно, по спирали, сближаются. Анализируя сигналы системы, можно экспериментально определить величину уменьшения радиуса орбит звезд этой пары. Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что две звезды на каждом обороте должны сближаться приблизительно на миллиметр. За земной год расстояние между звездами уменьшилось примерно на метр при диаметре орбиты около 700 000 км, что в точности соответствовало расчетам по уравнениям Эйнштейна. В реальности система из этих двух звезд должна полностью схлопнуться всего через 240 млн лет за счет потери энергии с излучением гравитационных волн. Этот высокоточный эксперимент можно интерпретировать и иначе – как проверку общей теории относительности Эйнштейна. Полученные числа настолько точны, что можно сделать вывод: общая теория относительности точна на 99,7 % (что намного меньше погрешности эксперимента).

Не так давно сильный интерес научной общественности вызвала серия долгосрочных экспериментов по непосредственному наблюдению гравитационных волн. Проект LIGO («Лазерный интерферометр для наблюдения гравитационных волн»), возможно, окажется первым, в ходе которого удастся «увидеть» гравитационные волны, скорее всего, от столкновения двух черных дыр в дальнем космосе. LIGO – сбывшаяся мечта физика, первая установка достаточной мощности для измерения гравитационных волн. LIGO состоит из трех лазерных установок в США (две в Хэнфорде, штат Вашингтон, и одна в Ливингстоне, штат Луизиана). На самом деле это часть более крупного международного консорциума, включающего, помимо LIGO, франко-итальянский детектор VIRGO в Пизе (Италия), японский детектор TAMA в пригороде Токио (Япония) и британско-германский детектор GEO600 в Ганновере (Германия). Постройка LIGO обойдется в конечном итоге в $292 млн (плюс $80 млн на запуск в эксплуатацию и обновление), что сделает его самым дорогим проектом Национального научного фонда США.

Лазерные детекторы в LIGO очень похожи на устройство, которое использовали на заре XX в. Майкельсон и Морли в попытке обнаружить эфирный ветер; основная разница – то, что вместо обычного светового луча используется луч лазера. Лазерный луч расщепляется на два отдельных луча, которые далее идут перпендикулярно друг другу. Затем, отразившись от зеркала, они вновь соединяются. Если через интерферометр пройдет гравитационная волна, длины путей двух лазерных лучей претерпят возмущение и это отразится в их интерференционной картине. Чтобы убедиться в том, что сигнал, зарегистрированный лазерной установкой, не случаен, детекторы следует разместить в разных точках Земли. Только под действием гигантской гравитационной волны, намного превышающей по размеру нашу планету, все детекторы сработают одновременно.

Когда-нибудь NASA и ЕКА разместят серию аналогичных лазерных детекторов в открытом космосе. NASA планирует запустить три спутника под общим названием LISA («Лазерная интерферометрическая космическая антенна»)[29]. Они должны обращаться вокруг Солнца примерно на орбите Земли, образовав равносторонний треугольник (со стороной около 5 млн км). Система будет настолько чувствительной, что сможет регистрировать колебания в одну долю из миллиарда триллионов (соответствующую сдвигу в одну сотую атомного диаметра); с ее помощью ученые получат возможность зарегистрировать первичные гравитационные волны от Большого взрыва. Если все пойдет хорошо, LISA поможет разобраться в событиях, происходивших в первую триллионную долю секунды после Большого взрыва. Возможно, это будет самый мощный из космологических инструментов, исследующих рождение Вселенной. Это важно; считается, что LISA поможет получить первые экспериментальные данные о конкретной природе единой теории поля – теории всего.

Еще одним инструментом науки, введенным с подачи Эйнштейна, стали гравитационные линзы. Еще в 1936 г. Эйнштейн доказал, что близлежащие галактики могут, как гигантские линзы, фокусировать свет далеких объектов. Прошло немало десятилетий, прежде чем предсказанное Эйнштейном явление линзирования было обнаружено в реальности. Первый прорыв произошел в 1979 г., когда при наблюдении квазара Q0957+561 астрономы обнаружили, что пространство вокруг него искривляется и работает как линза, концентрируя свет.

В 1988 г. имело место первое наблюдение «кольца Эйнштейна» от радиоисточника MG1131+0456, и после этого насчитывается еще около двадцати наблюдений, в основном фрагментов колец. В 1997 г. первые полные замкнутые кольца Эйнштейна наблюдали с помощью телескопа «Хаббл» и британского комплекса радиотелескопов MERLIN («Многоэлементная связанная радиоинтерферометрическая сеть»). Наблюдая отдаленную галактику 1938+666, они обнаружили вокруг нее характерное кольцо. «На первый взгляд оно казалось искусственным, и мы подумали, что это какой-то дефект изображения, но затем поняли, что видим перед собой идеальное кольцо Эйнштейна!» – сказал доктор Иэн Браун из Университета Манчестера. Астрономы Великобритании, в восторге от этого открытия, дали картинке название «бычий глаз»[30]. Колечко, надо сказать, крохотное. Его размер составляет всего одну угловую секунду, что примерно соответствует мелкой монете, если рассматривать ее с расстояния три километра. Однако это прямое подтверждение предсказания, сделанного Эйнштейном несколько десятилетий назад.

Один из крупнейших прорывов в общей теории относительности произошел в области космологии. В 1965 г. два физика – Роберт Вильсон и Арно Пензиас – при помощи рупорного радиотелескопа в Нью-Джерси, принадлежащего Лаборатории Белла, зарегистрировали слабое микроволновое излучение из космоса. Эти исследователи никогда не слышали о новаторской работе Гамова и его учеников и случайно, сами того не понимая, поймали космическое излучение Большого взрыва. (Согласно легенде, они подумали, что видят помехи от птичьего помета, которым была усеяна в ту пору антенна их радиотелескопа. Позже физик из Принстона Роберт Дикке верно идентифицировал это излучение как микроволновое фоновое излучение Гамова.) Пензиас и Уилсон за свое открытие были удостоены Нобелевской премии.

Годы спустя специализированный космический аппарат COBE («Исследователь космического фона»), запущенный в 1989 г., дал нам подробнейшую картину микроволнового реликтового излучения, имеющего, как выяснилось, чрезвычайно гладкое распределение. Когда физики под руководством Джорджа Смута из Калифорнийского университета в Беркли тщательно проанализировали все, даже самые слабые «морщинки» на этом гладком фоне, они получили замечательную фотографию реликтового излучения Вселенной в возрасте всего лишь около 400 000 лет. Средства массовой информации ошибочно назвали эту картину «лицом Бога». (На этой фотографии запечатлено не лицо Бога, а «младенческое состояние» Большого взрыва.)

В этой картине интересно то, что ее «рябь», вероятно, соответствует крохотным квантовым флуктуациям в ходе Большого взрыва. Согласно принципу неопределенности, начало Вселенной не могло быть похоже на совершенно симметричный взрыв, поскольку квантовые эффекты непременно должны были породить неоднородности определенного размера. Именно это, вообще говоря, и обнаружила группа из Беркли. (Более того, если бы они не обнаружили никаких неоднородностей, это стало бы серьезным аргументом против принципа неопределенности.) «Рябь» не только показала, что принцип неопределенности действовал и при рождении Вселенной, но также снабдила ученых правдоподобным механизмом возникновения нашей «комковатой Вселенной». Оглядываясь вокруг, мы видим, что галактики объединены в скопления, образуя таким образом грубую текстуру Вселенной. Эту комковатость, скорее всего, можно без труда объяснить рябью от Большого взрыва, которая как бы растянулась по мере расширения Вселенной. Следовательно, скопления галактик в космосе – это, вполне возможно, следы изначальной ряби в структуре Большого взрыва, порожденной принципом неопределенности.

Однако, может быть, самое эффектное возвращение к работам Эйнштейна произошло в связи с «темной энергией». Как мы уже видели, Эйнштейн ввел концепцию космологической константы (или энергии вакуума) в 1917 г., чтобы избавиться от расширения Вселенной. (Вспомним, что существуют только два понятия, разрешенных условием общей ковариантности, – кривизна Риччи и объем пространства-времени, так что космологический член уравнения не так легко отбросить.) Позже, когда Эдвин Хаббл показал, что Вселенная на самом деле расширяется, автор концепции назвал ее своей самой серьезной ошибкой. Однако данные, полученные в 2000 г., позволили утверждать, что Эйнштейн, скорее всего, все-таки был прав: космологическая константа не только существует, но темная энергия, вероятно, представляет собой крупнейший источник материи/энергии во всей Вселенной. Анализируя сверхновые в далеких галактиках, астрономы смогли рассчитать, как изменялась скорость расширения Вселенной на протяжении миллиардов лет. К своему немалому удивлению, они обнаружили, что расширение Вселенной, вместо того чтобы замедляться, как ожидали многие, на самом деле ускоряется. Наша Вселенная идет вразнос и будет расширяться вечно. Таким образом, мы вполне можем предсказать, как она погибнет.

Прежде некоторые космологи считали, что количества вещества во Вселенной может оказаться достаточно, чтобы остановить расширение и обратить его вспять; тогда со временем Вселенная начала бы сжиматься и космические объекты демонстрировали бы уже не красное, а синее смещение. (Физик Стивен Хокинг даже считал, что время может обратиться вспять при сжатии Вселенной, а история – повториться в обратном порядке. Это означало бы, что люди молодели бы, а затем впрыгивали в материнскую утробу, что они выскакивали бы ногами вперед из бассейна и приземлялись сухими на вышку, что яичница впрыгивала бы со сковородки обратно в скорлупу, которая тут же вновь становилась бы целой. Однако позже Хокинг признал, что ошибся.) В конце концов Вселенная схлопнулась бы сама в себя, выделив в процессе «большого сжатия» громадное количество тепла. Кое-кто даже предполагал, что после этого Вселенная может пережить новый Большой взрыв; в этом случае она получилась бы пульсирующей.

Однако теперь экспериментальные данные о том, что расширение Вселенной ускоряется, позволили исключить все эти варианты. Простейшее объяснение, в которое укладываются, судя по всему, все известные данные, состоит в том, что Вселенная пронизана громадным количеством темной энергии, работающей как антигравитация, расталкивающая галактики. Чем больше становится Вселенная, тем больше в ней энергии вакуума, которая, в свою очередь, распихивает галактики еще сильнее и дальше друг от друга, заставляя Вселенную расширяться все быстрее.

Это очень напоминает одну из версий идеи об «инфляционной вселенной», первый вариант которой предложил физик из МТИ Алан Гут[31]; это модификация первоначальной теории Большого взрыва Фридмана и Леметра. Грубо говоря, в инфляционной картине имеются две фазы расширения. Первая – стремительное экспоненциальное расширение, когда во Вселенной доминирует большая космологическая константа. Со временем это экспоненциальное расширение замедляется до величин, соответствующих традиционной расширяющейся Вселенной Фридмана и Леметра. Если это так, значит, видимая Вселенная вокруг нас представляет собой всего лишь точку в гораздо более обширном пространстве-времени, представляющем настоящую Вселенную. Недавние эксперименты со стратосферными зондами тоже дали достоверные свидетельства инфляционного расширения; они показали, что Вселенная представляется приблизительно плоской, что указывает на громадность ее реальных размеров. Мы подобны муравьям, сидящим на огромном воздушном шаре; нам кажется, что наш мир плоский, только потому, что мы сами невероятно малы по сравнению с ним.

Помимо всего прочего, темная энергия вынуждает нас переоценить нашу истинную роль и положение во Вселенной. Еще Коперник показал, что человечество не занимает в Солнечной системе никакого особого положения. Существование скрытой массы (темной материи) показывает, что в атомах, из которых сложен наш мир, тоже нет ничего особенного, поскольку 90 % вещества во Вселенной составляет загадочная скрытая масса. Теперь же результат работы с космологической константой показывает, что темная энергия подавляет своей величиной скрытую массу, по сравнению с которой, в свою очередь, кажется незначительной энергия звезд и галактик. Космологическая константа, которую когда-то неохотно ввел Эйнштейн, чтобы стабилизировать Вселенную, является, вероятно, крупнейшим источником энергии в ней. В 2003 г. новый спутник для регистрации реликтового излучения WMAP подтвердил, что 4 % вещества Вселенной заключено в обычных атомах, 23 % – в какой-то форме неизвестного темного вещества и 73 % – в темной энергии.

Еще одно странное предсказание общей теории относительности – черные дыры, которые считались фантастикой, пока Шварцшильд в 1916 г. не вернул к жизни концепцию «темных звезд». К настоящему времени телескоп «Хаббл» и радиотелескоп VLA подтвердили существование более чем пяти десятков черных дыр, в основном в центрах крупных галактик. Мало того, сегодня многие астрономы считают, что примерно у половины из триллионов галактик имеются черные дыры в центре.

Эйнштейн понимал, что распознавание этих экзотических небесных объектов будет представлять серьезные трудности: они по определению невидимы, поскольку даже свет не может их покинуть, и потому обнаружить их очень трудно. Но сегодня космический телескоп «Хаббл», вглядываясь в глубину далеких квазаров и галактик, сумел сделать потрясающие фотографии вращающегося диска, окружающего черные дыры в центрах таких галактик, как M87 и NGC 4258. Можно даже увидеть, как часть этого вещества вращается вокруг черной дыры со скоростью порядка миллиона километров в час[32]. Самые подробные фотографии «Хаббла» показывают, что в центре черной дыры имеется точка около одного светового года в диаметре, мощности которой достаточно, чтобы закрутить вокруг себя целую галактику около 100 000 световых лет в поперечнике. После многих лет спекулятивных построений в 2002 г. было показано, что у нас под боком, в галактике Млечный Путь, имеется собственная черная дыра, которая весит примерно столько же, сколько четыре миллиона солнц. Таким образом, Луна обращается вокруг Земли, Земля – вокруг Солнца, а Солнце вокруг черной дыры.

Согласно расчетам, сделанным еще в XVIII в. Джоном Мичеллом и Пьером-Симоном Лапласом, масса темной звезды или черной дыры пропорциональна ее радиусу[33]. Радиус черной дыры в центре нашей Галактики соответствует примерно одной десятой радиуса орбиты Меркурия. Поразительно, что такой маленький объект может влиять на динамику всей Галактики. В 2001 г. астрономы, исследовавшие эффект линзирования по Эйнштейну, объявили, что в пределах галактики Млечный Путь обнаружена блуждающая черная дыра. По мере движения она искажала свет находящихся рядом с ней звезд. Отследив движение этого искажения света, астрономы смогли рассчитать траекторию объекта. (Блуждающая черная дыра, приближающаяся к Земле, могла бы вызвать катастрофические последствия. Она съела бы Солнечную систему целиком и не подавилась.)

В 1963 г. исследование черных дыр получило новый толчок, когда новозеландский математик Рой Керр обобщил теорию шварцшильдовой черной дыры так, чтобы включить в нее вращающиеся черные дыры. Поскольку все во Вселенной, кажется, вращается, и поскольку объекты вращаются все быстрее, когда сжимаются, было естественно предположить, что любая реальная черная дыра будет вращаться с фантастической скоростью. К всеобщему удивлению, Керр нашел точное решение уравнений Эйнштейна, в котором звезда коллапсировала во вращающееся кольцо. Гравитация в этом случае пытается схлопнуть кольцо, но центробежные эффекты могут оказаться достаточно сильными, чтобы противостоять гравитации, и вращающееся кольцо будет стабильным. Релятивистов больше всего удивило, что при пролете сквозь кольцо вас бы не раздавило. Гравитация в центре кольца сильна, но конечна, так что в принципе вы могли бы пролететь прямо сквозь кольцо, в другую Вселенную. Путешествие по мосту Эйнштейна – Розена не обязательно должно окончиться смертельным исходом. Если кольцо оказалось бы достаточно большим, через него можно было бы безопасно попасть в параллельную Вселенную.

Физики сразу же начали разбирать по косточкам все, что может произойти при падении в черную дыру Керра. Встреча с такой черной дырой, безусловно, стала бы незабываемым переживанием. В принципе, такая дыра могла бы подарить нам короткий путь к звездам, мгновенно перенося в другую часть Галактики или, может быть, вообще в другую Вселенную. Приближаясь к черной дыре Керра, вы прошли бы сквозь горизонт событий, так что вернуться в точку старта после этого уже невозможно (если только не существует другой черной дыры Керра, связывающей ту, параллельную вселенную с нашей в обратном направлении; тогда возможен круговой маршрут). Выяснилось, однако, что существуют проблемы со стабильностью этой системы. Если человек пролетает сквозь мост Эйнштейна – Розена, то созданные им искажения пространства-времени, могут вынудить черную дыру Керра закрыться, и тогда завершить проход по мосту окажется невозможным.

Какой бы странной ни казалась идея черной дыры Керра, служащей вратами или порталом между двумя вселенными, от нее нельзя просто отмахнуться по физическим соображениям, поскольку черные дыры и правда вращаются очень быстро. Однако очень скоро стало ясно, что эти черные дыры соединяют не только две отдаленных точки в пространстве, но и два времени и могут работать как машины времени.

Когда Гёдель в 1949 г. нашел первое решение уравнений Эйнштейна в форме путешествия во времени, физики рассматривали это как новацию, как изолированную аберрацию этих уравнений. Однако с тех пор были найдены десятки решений эйнштейновых уравнений, связанных с путешествиями во времени. Выяснилось, к примеру, что одно из старых решений, найденное в 1936 г. Виллемом ван Стокумом, в реальности позволяет путешествия во времени. Решение ван Стокума представляло собой бесконечный цилиндр, быстро вращающийся вокруг своей оси, как волчок. Если двигаться вокруг вращающегося цилиндра, то можно попасть в начальную точку раньше, чем вышел из нее, примерно как в решении Гёделя 1949 г. Это решение представляет интерес, но проблема в том, что цилиндр должен быть бесконечно длинным. Конечный вращающийся цилиндр, по-видимому, работать не будет. Поэтому, в принципе, и решение Гёделя, и решение ван Стокума могут быть исключены по физическим соображениям.

В 1988 г. Кип Торн из Калифорнийского технологического института с коллегами обнаружил еще одно решение уравнений Эйнштейна, разрешающее путешествия во времени сквозь кротовые норы. Ученые сумели решить проблему односторонности путешествия сквозь горизонт событий – они показали, что некий новый тип кротовых нор полностью проходим в обоих направлениях. Более того, они рассчитали, что путешествие сквозь подобную машину времени может оказаться столь же комфортабельным, как полет на обычном самолете.

Ключом ко всем этим машинам времени является материя или энергия, закручивающая пространство-время и замыкающая его на себя. Чтобы изогнуть время в крендель и замкнуть его, нужно фантастическое количество энергии, намного больше той, что известна современной науке. Для машины времени Торна необходима отрицательная материя или отрицательная энергия. Никто пока не видел никакой отрицательной материи, и если бы у вас в руке вдруг оказался кусочек такого вещества, то падать он стал бы вверх, а не вниз. Поиски отрицательной материи пока безрезультатны. Если бы что-то подобное существовало на Земле миллиарды лет назад, оно бы «упало вверх» в открытый космос и потерялось навсегда. Отрицательная энергия в самом деле существует в форме эффекта Казимира. Если взять две незаряженные металлические пластины и расположить их параллельно, то мы знаем, что они не должны ни притягиваться друг к другу, ни отталкиваться. Они должны пребывать в покое. Однако в 1948 г. Хендрик Казимир продемонстрировал любопытный квантовый эффект, при котором такие пластины притягиваются друг к другу со слабой, но ненулевой силой, которую удалось измерить в лаборатории.

Таким образом, машину времени Торна можно построить следующим образом. Возьмите две пары параллельных металлических пластин. Из-за эффекта Казимира область между пластинами каждой пары обладает отрицательной энергией. По теории Эйнштейна присутствие отрицательной энергии открывает крохотные дырки, или пузырьки, в пространстве-времени (меньше по размеру, чем любая элементарная частица) в этой области. А теперь представьте, что некая продвинутая цивилизация, далеко обогнавшая нашу, может каким-то образом манипулировать этими дырками, например взять по одной дырке из каждой пары пластин, а затем растянуть их таким образом, чтобы получившаяся длинная трубка, или кротовая нора, соединила обе пары пластин. (Связывание двух пар параллельных пластин при помощи кротовой норы выходит далеко за рамки возможного для современных технологий.) А теперь отправьте одну пару пластин в ракете, летящей со скоростью близкой к скорости света, так чтобы время в ней замедлилось. Как мы уже говорили, часы в ракете идут медленнее, чем часы на Земле. Если запрыгнуть в дыру, расположенную между параллельными пластинами на Земле, то вас засосет в кротовую нору, соединяющую две дыры, и вы неожиданно окажетесь в ракете и в прошлом – в другой точке пространства и времени.

С тех пор машины времени (или, более корректно, «замкнутые времениподобные кривые») образовали оживленный раздел физики, где десятками публикуются статьи с различными проектами, неизменно основанными на теории Эйнштейна. Однако понравилось это далеко не всем физикам. Хокингу, к примеру, идея путешествий во времени пришлась не по душе. Он насмешливо заметил, что, если бы путешествия во времени были возможны, у нас было бы не протолкнуться от туристов из будущего, а этого, согласитесь, не наблюдается. Если бы машины времени стали обычны, как автомобили, то писать историю было бы просто невозможно – ведь она менялась бы всякий раз, когда кто-нибудь поворачивал номерной диск своей машины времени. Хокинг заявил, что хочет сделать мир безопасным для историков. Однако в книге Теренса Уайта «Король былого и грядущего»[34] описано сообщество муравьев, которые подчиняются закону: «Все, что не запрещено, обязательно». Физики очень серьезно воспринимают этот закон, поэтому Хокингу пришлось постулировать «гипотезу защиты хронологии», запрещающую машины времени в приказном порядке. (Хокинг уже перестал пытаться доказывать эту свою гипотезу. Теперь он утверждает, что машина времени, хотя теоретически и возможна, практически нереализуема.)

Судя по всему, эти машины времени подчиняются тем самым физическим законам, которые нам известны в настоящий момент. Разумеется, фокус в том, чтобы получить каким-то образом доступ к необходимым для их реализации громадным энергиям (доступным только «достаточно развитым цивилизациям») и убедиться, что кротовина в самом деле стабильна по отношению к квантовым возмущениям и не склонна взрываться или захлопываться, как только вы в нее войдете.

Следует упомянуть также, что временны?е парадоксы (такие как убийство собственных родителей до своего рождения), возможно, удастся разрешить при помощи тех же машин времени. Поскольку теория Эйнштейна основана на гладких римановых поверхностях, мы не можем просто исчезнуть, если, проникнув в прошлое, создадим временной парадокс.

Существуют два возможных пути разрешения парадоксов, связанных с путешествиями во времени. Во-первых, если в реке времени возможны водовороты, то, может быть, входя в машину времени, мы просто необходимым образом дополняем прошлое. Это означает, что путешествия во времени возможны, но мы не в состоянии изменить прошлое, а можем лишь дополнить, завершить его. Изначально предопределено, что мы должны войти в машину времени и запустить движок. Такой точки зрения придерживается космолог из России Игорь Новиков: «Мы не может послать путешественника во времени в райский сад, чтобы он попросил Еву не срывать яблоко с известного дерева». Во-вторых, сама река времени может разделиться надвое, то есть может возникнуть параллельная вселенная. Так, если вы застрелите своих родителей до своего рождения, то получится, что вы застрелили людей, являющихся всего лишь генетическими копиями ваших родителей, но вовсе не вашими родителями в полном смысле слова. Ваши родители произвели вас на свет и сделали существование вашего тела возможным. Но затем вы совершили прыжок из одной вселенной в другую, и все временны?е парадоксы оказались разрешены.

Но больше всего по сердцу Эйнштейну была его единая теория поля. Эйнштейн говорил Хелен Дукас, что физики поймут, чем, собственно, он занимался лет, наверное, через сто. Он ошибался. Не прошло и 50 лет, а интерес к единой теории поля уже возродился. Поиски обобщения, которые физики когда-то осмеяли и сочли бесперспективными, сейчас представляются важными, а результат, кажется, дразняще маячит совсем рядом. Эта тема сегодня доминирует почти на любой встрече физиков-теоретиков.

После двух тысяч лет исследования свойств материи, с тех пор, когда Демокрит и другие греки задались вопросом о составе Вселенной, физика произвела на свет две конкурирующие теории, совершенно несовместимые между собой. Первая – это квантовая теория, которой нет равных при описании мира атомов и элементарных частиц. Вторая – общая теория относительности Эйнштейна, подарившая нам захватывающие дух теории черных дыр и расширяющейся Вселенной. Главный парадокс в том, что эти две теории – полные противоположности. Они исходят из разных начальных предположений, пользуются разной математикой и опираются на разные физические картины. Квантовая теория построена на дискретных пакетах энергии, называемых «квантами», и описывает танец элементарных частиц. А теория относительности основана на гладких поверхностях.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.