Общая теория относительности: уже сто лет, но все еще полна сюрпризов

В 1913 году Альберт Эйнштейн застопорился в своих усилиях построить общую теорию относительности. Он обратился к своему другу Марселю Гроссману за математической поддержкой: «Гроссман, ты должен мне помочь, иначе я сойду с ума». Спустя четыре года, когда Эйнштейн заканчивал статью о космических последствиях своей (наконец) завершенной теории, у него разболелась язва желудка, он страдал от расстройства печени. Измученный своими психическими усилиями, Эйнштейн думал, что умирает. Он писал физику Арнольду Зоммерфельду: «В последний месяц у меня было самое стимулирующее, исчерпывающее время в моей жизни, а также одно из самых успешных».

Но это чувство ускользало от большинства его коллег в те времена и до сих пор продолжает. Они изучают величайшее прозрение Эйнштейна, не принимая во внимание то, как он достиг его, или что оно для него значило; они просто «не чувствовали относительность в своих косточках», как говорит физик-теоретик Колумбийского университета Брайан Грин. Это отсутствие понимания проистекает из прилипчивого заблуждения о том, чем на самом деле является общая относительность, даже среди тех, кто потратил карьеру на ее изучение. Она широко описывает, как теория гравитации, но это не только теория. Она расписана в виде серии уравнений, описывающих движение объектов, но это не просто уравнения.

Общая теория относительности лучше всего воспринимается как пейзаж, буквально и фигурально. Это пространство понятий, которые описывают все возможные конфигурации пространства и времени, и все пути их изменения в присутствии материи. Это система, в которой все части реальности связаны. Первые походы Эйнштейна в этот пейзаж воодушевили и осушили его. Всякий раз, когда другие ученые пытались пройти по его стопам, они находили много новых областей. Именно поэтому, спустя сто лет после первой своей публикации, общая теория относительности все еще приносит удивительные открытия.

* * *

Нет лучше способа охватить идею относительности-как-пейзажа, чем взглянуть на самый большой пейзаж вообще: Вселенную. Эйнштейн понял, что пространство не является фиксированным фоном (неким невидимым полотном, относительно которого вы можете измерить движение), а является гибкой, динамичной вещью, которая искривляется и вытягивается в ответ на массу. Это искривление мы ощущаем как гравитационную тягу: она удерживает ваши ноги на земле и Землю на орбите. Ли Смолин — теоретик Института теоретической физики Периметра в Ватерлоо, штат Онтарио, и один из ярых учеников Эйнштейна — приветствует способность общей теории относительности обеспечивать единое, единственное описание всего пространства, определенного всей массой. «Это первая теория, которую можно применить ко Вселенной как к единому целому в замкнутой системе», — говорит он.

Вы наверняка слышали, что ученые говорят, что Вселенная расширяется, но что это означает на самом деле? В 1929 году Эдвин Хаббл наблюдал, что галактики, кажется, движутся прочь во всех направлениях. Заманчиво было бы предположить, что эти галактики летят через космос, подталкиваемые гигантским изначальным взрывом. В 1930-х годах британский астроном Э. Милн попытался описать открытие Хаббла именно в таких терминах. Но его анализ мрачно провалился. Единственный способ внести смысл в астрономические наблюдения, как показал Эйнштейн, это подумать о космосе как о чем-то огромном. Галактики не летят через пространство; это само пространство расширяется между ними.

Это понятие глубоко странное, но как только вы с ним примиритесь, все другие идеи встанут на свои места. Во-первых, есть Большой Взрыв, который был не взрывом в пространстве, а взрывом пространства. Все пространство было стянуто в единую точку в момент Большого Взрыва, и все пространство вытянулось из нее за последующие 13,7 миллиарда лет. Поскольку пространство расширяется во всех направлениях, любую точку можно считать центром Вселенной. Вы, здесь и сейчас, находитесь в центре Вселенной. (Чувствуете, как эго наливается соком?). Смоделировать происхождение элементов, образование галактик, прямой эволюционной путь от Большого Взрыва к современной Земле космологам помогло не что иное, как общая теория относительности.

И они до сих пор изучают новые уголки пейзажа относительности. Поскольку пространство динамично, оно может деформироваться самым немыслимым образом. Притяжение гравитации сжимает пространство; это сжатие вы чувствуете как свой вес. Уравнения Эйнштейна также допускают антигравитацию, энергию, которая толкает пространство прочь. На протяжении десятилетий эту возможность считали теоретическим любопытством. Но в 1998 году группа из двух астрономов обнаружила, что расширение Вселенной ускоряется. Это имеет смысл только в контексте относительности. Элемент антигравитации, подталкивающий ускорение, сейчас называется «темной энергией», и он настолько хорошо принят, что Нобелевскую премию по физике 2011 года присудили за его открытие.

Истинная природа темной энергии, впрочем, остается загадкой. Чтобы ее понять, международная группа астрономов запустила Dark Energy Survey, в настоящее время реализуемый в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили. В течение пяти лет ученые будут фотографировать 300 миллионов галактик и записывать их распределение. Гравитация приводит к тому, что галактики собираются со временем, тогда как темная энергия их рассеивает. Паттерн, полученный в ходе исследования, покажет, работает ли темная энергия одинаково во всех местах и менялась ли ее интенсивность в течение космической истории. Темная энергия перевешивает все видимые галактики в соотношении 15 к 1, поэтому ее влияние может стать решающим для судьбы Вселенной.

Так же, как пространство может расширяться, оно может и покрываться рябью, взволнованное гравитацией движущегося объекта, подобно тому, как поверхность пруда покрывает рябью после падения камешка. Это еще одна пустыня относительности, которую ученые только сейчас начинают изучать. Поскольку гравитационные волны обтекают Землю на скорости света, они тонко хлюпают и растягивают все, что встречают на пути, в том числе и вас. Этот эффект невероятно слабый. Чтобы найти эти волны, ученые модернизируют пару 4-километровых детекторов — один в Вашингтоне, другой в Луизиане, США, — под названием Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), наряду с комплексным экспериментом под названием Virgo, расположенным в Италии. К концу десятилетия они надеются наблюдать гравитационные сигналы, излучаемые значительными, но по своей сути невидимыми событиями космоса, вроде столкновений черных дыр.

И, да, черные дыры — пожалуй, самая известная из всех странных особенностей, вытекающих из пейзажа уравнений Эйнштейна. Черные дыры — это места, где пространство искривляется само в себя; нигде больше топография относительности так не искажается и не интригует. На горизонте событий — границе черной дыры — время останавливается, а явления на атомных масштабах, описываемые квантовой механикой, растягиваются до размеров городов… или так кажется. Общая теория относительности также утверждает, что все части Вселенной должны быть продолжительными, то есть не должно быть никаких физических помех между внутренней и наружной частью черной дыры. Это кажущееся противоречие вдохновило целую бурю новых теорий, которые пытаются выйти за рамки современного понимания законов физики.

Даже в закрученном случае черных дыр, концепции, которые, похоже, проживают в отдаленных краях пейзажа относительности, могут быть доступными для наблюдения. Инструмент под названием Event Horizon Telescope, состоящий из девяти радиообсерваторий, разбросанных по миру, прямо сейчас собирает информацию для создания первых прямых снимков сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Эта черная дыра сама по себе никак не выглядит (она ведь черная), но измерения ее размеров и окружающих структур могут напрямую указать, как масса искажает структуру пространства. Любые отклонения от эйнштейновских ожиданий укажут путь в направлении совершенно новых физических понятий. Первые осмысленные изображения Event Horizon Telescope появятся скоро, возможно, уже в течение десяти лет.

* * *

Все эти идеи о расширяющейся Вселенной, гравитационных волнах и черных дырах потребовали мучительно много времени на разработку, поскольку скрывались глубоко внутри пейзажа относительности. Сам Эйнштейн медленно принял первые две и никто не примирился с черными дырами, называя аргументы в пользу их существования «неубедительными» и предполагая, что природные процессы не позволили бы им сформироваться. Многие писатели, в том числе знаменитый физик Георгий Гамов, представили сопротивление Эйнштейна этим идеям как «промахи» — места, где его великий ум сошел с пути. В реальности же Эйнштейн открыл настолько огромный пейзаж, что даже ему не хватило целой жизни, чтобы изучить его.

Даже современные физики недалеко ушли от Эйнштейна и считают, что общая теория относительности — это далеко не конец. Относительность расходится с квантовой механикой — набором правил, описывающих мир в атомных масштабах — в своем описании гравитации и экстремальных объектов вроде черных дыр. Вынужденные выбирать, многие современные теоретики называют квантовую механику более основательным описанием реальности, называя относительность крупномасштабным явлением, сотканным из маломасштабных квантовых эффектов. Физики очень хорошо проработали нижнюю часть (в которой свет представлен фотонами, а материя скоплениями атомов), но столетний опыт предполагает, что неразумно недооценивать силу эйнштейновской перспективы сверху вниз. Как сказал Ли Смолин, квантовая механика — это теория «подсистем», которая имеет смысл только в контексте своего окружения, в противоположность космическим масштабам относительности.

Целостный подход Эйнштейна делает общую теорию относительности уникальной в своем потенциале для объяснения и исследования. Безусловно, будут физики, которые зайдут еще дальше, чем он. Они могут отлично принять множество инструментов и техник из квантовой теории. Но точно так же этим гениям придется действовать на манер Эйнштейна — отступать от уравнений, чтобы увидеть пейзаж целиком — если они захотят достичь истинного просветления. Им придется почувствовать относительность своими косточками.