Гравитация раскрыла не все свои тайны

Альберт Эйнштейн проводит лекцию. Фото 1921 года

25 ноября 2015 года исполняется ровно 100 лет со дня выступления Альберта Эйнштейна в  Прусской Государственной библиотеке с докладом «Уравнения гравитационного поля», в котором он дал красивейшую геометрическую интерпретацию гравитационных сил. Статья под тем же названием была принята к печати 2 декабря 1915 года.

Рождение общей теории относительности (ОТО) не стало бы возможным без математического аппарата искривленной (неэвклидовой) геометрии – плода усилий многих математиков того времени. И точно так же научное понимание физической сути явлений было результатом работы многих физиков. Эйнштейн смог собрать все воедино и сформулировать теорию, которая по прошествии века не только не утратила своей актуальности, но прочно вошла в технологию, прежде всего космическую, и породила множество научных направлений, в том числе космологию – науку о Вселенной.

Эволюция относительности

Однажды родившись, любая физическая теория проходит несколько стадий развития. Сначала она всего лишь одна из многих других. Будучи хорошо обоснована математически, она вступает в конкуренцию с другими теориями. И только те из них, которые находят сначала одно наблюдательное или экспериментальное подтверждение, а потом еще и еще, становятся жизнеспособными на фоне всех остальных. Создатели и защитники той или иной теории постоянно ищут для нее подтверждений, стараясь совместить с данными экспериментов, и передают свою убежденность молодым коллегам.

Так теория может просуществовать довольно долго, однако статус общепринятой она приобретает только после выхода на технологический уровень. Теория, дошедшая до этой последней стадии «эволюции» и ставшая востребованной технологией, подтверждается тысячами ежедневных рутинных и обыденных измерений. Такая теория больше не требует апологетов и становится невосприимчива к попыткам ее ниспровергнуть. Никому не придет в голову вести дискуссии против теории электромагнетизма Максвелла, поскольку горящая лампочка и другие работающие бытовые электрические приборы защищают ее истинность лучше всяких ученых-апологетов.

Так и ОТО успешно преодолела все стадии развития и стала общепризнанной. Это случилось после того, как ее выводы стали востребованы в космических навигационных технологиях.

Теория относительности не стала конечным пунктом развития физики. Продемонстрировав прорыв в понимании природы, от «наивной наглядности светоносного эфира» до постулата о конечности скорости света, она указала возможные пути дальнейшего развития научной мысли. Теории суперструн и многомерных пространств призваны объединить в единое целое Вселенную (начиная от объектов повседневной жизни, всей Земли, Солнечной системы, галактик и их скоплений и заканчивая еще более крупномасштабными структурами) и микромир.

Многие из захватывающих по своей дерзости современных теорий родились и развиваются благодаря теории относительности. Создание и развитие концепции относительности пространства и времени по праву можно считать одним из выдающихся достижений науки конца XIX – начала XX века.

Специальная теория относительности (СТО) давно стала рабочим инструментом в физике и астрономии. ОТО же была востребована экспериментальной и наблюдательной наукой сравнительно недавно, около четырех десятилетий назад, прежде всего в высокоточной позиционной астрономии и космической навигации. Точность современных астрометрических наблюдений с необходимостью требует учета эффектов ОТО. Разная скорость течения времени на Земле и на спутниках учитывается в современных навигационных системах, таких как ГЛОНАСС.

Проверяем ОТО

Классическая механика, привычная в обыденной жизни, покоится на допущении Исаака Ньютона, что время абсолютно и его течение равномерно: «время течет всегда одинаково, безотносительно к чему-либо внешнему». Этот так называемый «принцип относительности Галилея» сыграл большую роль в становлении классической механики как точной науки. Однако с развитием физики – с созданием оптики и электромагнетизма – постулат об абсолютности времени вступил в явное противоречие с экспериментами по измерению скорости света (опыты Физо и опыты Майкельсона и Морли).

Многочисленные эксперименты раз за разом демонстрировали удивительный факт, что скорость света (в пустой среде – вакууме) есть величина постоянная и не зависящая от того, движется источник света или нет. Скорость света не складывается ни с какой другой скоростью. Другими словами, свет, испущенный лазером с космического аппарата, будет распространяться с той же скоростью, что и свет от неподвижного фонарика.

Этот экспериментальный факт и породил СТО. Пропало понятие мгновенного распространения сигналов. Время потеряло статус абсолютности, и теперь известно, что при движении с большими скоростями и в гравитационном поле время течет по-разному.

От плоского пространства к многомерным мирам. Рисунок Ольги Сажиной

В результате объединения физического принципа относительности с гравитацией родилась ОТО. Отказ от привычной структуры пространства-времени послужил иллюстрацией истинно научного подхода к познанию мира, когда справедливость физической теории проверяется только реальными экспериментами, а не субъективным чувственным восприятием реальности.

Сама ОТО покоилась на двух простых экспериментальных фактах: постоянстве скорости света и эквивалентности инерциальной и тяготеющей масс. Последнее Эйнштейн назвал «принципом эквивалентности» и на основе этого принципа сделал вывод, что природа силы гравитации и силы ускорения одна и та же. Для объяснения гравитационной силы понадобилась неэвклидова геометрия, искривленное пространство-время.

Равенство инерциальной и тяготеющей масс было впервые получено в эксперименте Р. Этвеша. А одно из лучших измерений этого равенства было сделано на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова советскими учеными В.Б. Брагинским и В.И. Пановым в 1971 году: они измерили отношение двух масс и сделали заключение, что инертная масса тела равна гравитационной массе того же тела с точностью в несколько пикоединиц (приставка «пико» означает 10–12, то есть одна триллионная часть исходной единицы. – «НГ-наука»).

Важно напомнить, что во времена Эйнштейна проверка тонких эффектов ОТО представлялась практически невозможной, поскольку точность физических измерений была слишком низкой. Только два предсказания ОТО удалось проверить всего через несколько лет после ее создания – движение перигелия планеты Меркурий и отклонение света в гравитационном поле Солнца. Даже СТО, окончательно сформулированная Эйнштейном к 1905 году (А. Эйнштейн. «К электродинамике движущихся тел», 1905), была проверена на ускорителях спустя много лет после своего создания. ОТО получила массовое экспериментальное подтверждение только через полвека после своего создания.

Хочется рассказать об одном технически простом, но очень наглядном эксперименте. В 1977 году группа итальянских физиков (Л. Бриаторе и С. Лескьютта) решила проверить предсказание ОТО о различной скорости течения времени из-за разности гравитационного потенциала. Были синхронизированы двое высокоточных часов, одни из которых были подняты на вершину горы высотой 3250 м, а другие оставлены в лаборатории физического факультета на равнине. Эксперимент длился 66 дней, после чего часы снова были сведены вместе для снятия показаний. За время эксперимента показания часов разошлись на 2 миллионные доли секунды. Полученный результат означал, что часы у подножия горы шли медленнее, чем на вершине. Другими словами, чем слабее гравитационный потенциал (который, очевидно, уменьшается с высотой), тем быстрее идут часы.

Но ход часов зависит и от скорости их движения. Формулы изменения темпа течения времени в зависимости от двух характеристик – скорости носителя и высоты полета носителя – активно используются в навигационных технологиях спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС. Формулы теории относительности используются и при пересчете стандартов времени на Земле и искусственных спутниках, поскольку скорости спутников очень большие, и высота их полета (а следовательно, разность потенциалов) тоже велика.

Эффект убыстрения хода часов в уменьшающемся гравитационном потенциале противоположен эффекту замедления хода часов при большой скорости их движения. Какой же эффект сильнее? Переформулируем вопрос в духе образного студенческого восприятия: стареют ли стюардессы во время полетов быстрее? Оказывается, да – гравитационный эффект берет верх… Правда, совсем чуть-чуть.

Наследие ОТО

Одним из признанных мировых центров изучения ОТО и космологии стал Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (ГАИШ МГУ). Это связано прежде всего с фигурой академика АН СССР Якова Зельдовича, ученого необыкновенной эрудиции, разноплановости пионерских работ и высочайшего интеллектуального уровня. ЯБ – как его называли многочисленные ученики и коллеги – вместе с Виталием Гинзбургом и Иосифом Шкловским организовали Объединенный астрофизический семинар, который в течение длительного времени был местом пересечения и дискуссий всех интересовавшихся ОТО и космологией.

На семинаре выступали известные ученые со всего мира – достаточно упомянуть таких выдающихся советских ученых, как Андрей Сахаров, Игорь Новиков, Анатолий Черепащук, а также зарубежных ученых: Кип Торн, Стивен Хокинг, Джон Уилер… На нем были впервые доложены классические работы Николая Шакуры и Рашида Сюняева, в которых был объяснен феномен рентгеновских источников излучения в нашей Галактике. На этом семинаре с изложением своих работ выступали основоположники теории ранней Вселенной Андрей Линде, Валерий Рубаков и Алексей Старобинский. На этом семинаре было впервые оглашено открытие анизотропии реликтового излучения, которое совершил советский спутник «Реликт» (авторы И. Струков, А. Брюханов, Д. Скулачев, Институт космических исследований АН СССР, и М. Сажин, ГАИШ МГУ).

Одно из важных предсказаний ОТО – существование черных дыр, объектов с гравитационным полем такой силы, что даже свет не может покинуть их. Открытие черных дыр – тоже заслуга советских ученых. Еще в 70-х годах прошлого века коллектив астрономов (В. Лютый, Р. Сюняев, А. Черепащук) измерили массу двойной системы в созвездии Лебедя, масса невидимой компоненты показала, что она является черной дырой. Этот результат также был доложен впервые на семинаре Зельдовича.

Сейчас астрономам известно много таких объектов и в нашей Галактике, и в других галактиках. Открыты также сверхмассивные черные дыры с массами от нескольких миллионов масс Солнца до миллиарда масс Солнца. Они «поселились» в центрах галактик. Так, в центре нашей Галактики Млечный Путь существует черная дыра с массой 4 млн солнечных масс. Сейчас астрономы с помощью гигантского телескопа-интерферометра пытаются измерить «тень» черной дыры в центре нашей Галактики, предсказанную российским физиком А. Захаровым. Такие наблюдения позволят измерить характеристики «горизонта» черной дыры.

В ГАИШ МГУ родилась и новая наука: релятивистская астрофизика – именно так назвали свою книгу Я.Б. Зельдович и И.Д. Новиков. Релятивистская астрофизика описывает всевозможные космические процессы с точки зрения теории относительности.

В стенах ГАИШ МГУ активно функционировал под руководством Абрама Зельманова и еще один семинар, посвященный проблемам ОТО и бурно развивающейся молодой науки космологии – «Семинар по гравитации и космологии». На этом семинаре И.Д. Новиков впервые ввел основополагающие понятия физики черных дыр: R- и T-области внутри черных дыр, где время и пространство меняются местами. Под руководством М. Сажина и А. Старобинского семинар продолжает активную работу и до сих пор – уже миновал его 50-летний юбилей.

Рождение космологии

«Тень черной дыры». Вращение вещества вокруг черной дыры происходит с околосветовой скоростью против часовой стрелки. Часть диска вращающегося вещества, которая находится за черной дырой, все равно оказывается видна наблюдателю. В силу чудовищного искривления траекторий лучей света они как бы «нахлобучиваются» на черную дыру, огибая ее сверху и визуально приподнимая обычно скрытую от наблюдателя область позади черной дыры. Рисунок Ольги Сажиной

Развитие теории относительности привело к появлению научного описания нашей Вселенной как целого, к новой науке – космологии. Сейчас космология не только самостоятельная наука – она переживает свой золотой век, будучи оснащенной блестящими теориями и высокоточными наблюдениями.

Рождение научной космологии приходится на 20-е годы прошлого века. В 1922 году вышла статья российского ученого Александра Фридмана «О кривизне пространства», в которой предложенное им решение уравнений Эйнштейна описывало однородную и изотропную расширяющуюся Вселенную. На момент публикации идей расширяющейся Вселенной сама идея эволюции нашего мира была настолько новой, что даже гениальный Эйнштейн вначале не признал выводов Фридмана. Однако позже, под давлением фактов Эйнштейн все-таки признал идею динамичной Вселенной.

Расширение нашей Вселенной получило наблюдательное подтверждение – открытием Эдвина Хаббла. Описание структуры пространства-времени, полученное Фридманом, служит основой современной Стандартной космологической модели. Сам же Эйнштейн долго и безуспешно пытался обосновать модель статической Вселенной.

Ошибка Эйнштейна, пытавшегося сделать Вселенную неподвижной, введя в уравнения гравитационного поля так называемую космологическую постоянную, позже привела к фундаментальному понятию современной космологии – темной энергии. Именно благодаря темной энергии наша Вселенная сейчас находится в стадии ускоренного расширения, что доказано наблюдениями. Несмотря на то что существование темной энергии не подвергается сомнению, вопрос о ее природе до сих пор остается открытым и бросает вызов молодым исследователям.

Основные представления о рождении Вселенной, о составляющих ее элементарных частицах, о ранних стадиях развития Вселенной, об особенностях ее эволюции были сформулированы и обоснованы великим советским ученым Я.Б. Зельдовичем, его учениками и коллегами как в СССР, так и за рубежом. Невозможно переоценить его вклад в развитие представлений о крупномасштабной структуре Вселенной, об эволюции звезд и галактик, о феномене черных дыр.

Теория Эйнштейна, развитая учеными второй половины XX века, охватила большинство разделов физики, объединила их и позволила применить к изучению не только локальных образований в космосе (планет, звезд, галактик и их скоплений), но и всей Вселенной как единого динамического целого. Сейчас ученые в состоянии проследить эволюцию Вселенной, начиная с нескольких мгновений после ее рождения в результате Большого взрыва и заканчивая даже не моментом сегодняшним, а уверенной экстраполяцией в далекое будущее.

Нет теории, более всеохватной, чем теория относительности. Наблюдения и эксперименты по ее проверке скромно начались в Солнечной системе, но к концу века добрались до окраин видимой Вселенной. Самое первое (реликтовое) излучение, порожденное фотонами, которые находились в горячей плазме расширяющейся Вселенной, было предсказано и успешно обнаружено в 1965 году.

Однако вершиной современной наблюдательной космологии и новым подтверждением лежащей в ее основе теории стало открытие в 1992 году неоднородности (анизотропии) этого излучения. Открытие принадлежит советскому космическому аппарату «Реликт». Почти одновременно с ним (хотя по формальным датам все-таки позже) были опубликованы данные с американского космического аппарата COBE, который принадлежал NASA. Поскольку отношение сигнала к шуму, которое во всех наблюдениях и экспериментах характеризует достоверность научных данных, в американском аппарате было значительно выше, чем в советском, то Нобелевскую премию за открытие анизотропии получили американские ученые.

Позже анизотропия реликтового излучения была уверенно обнаружена в баллонных экспериментах и в космическом эксперименте NASA WMAP, а также в ходе европейской космической миссии «Планк». Данные миссии «Планк» в настоящее время являются базой наших представлений о Вселенной. По свойствам анизотропии реликтового излучения можно вычислить параметры нашей Вселенной – ее полную плотность, вклады материи и излучения, кривизну, поле, определяющее ее ускоренное расширение, и многое другое.

* * *

От пути, пройденного за 100 лет теорией относительности, захватывает дух! Однако еще многое впереди. До сих пор не открыты предсказываемые ею гравитационные волны. До сих пор не построена Единая теория всех взаимодействий, о которой мечтал Эйнштейн и которую так и не сумел сформулировать сам. Едва приоткрыты двери в иные миры других свойств и размерностей, в другие вселенные, в бесконечное многомерное пространство, в котором мы живем и познание которого составляет цель физики и космологии.

Наше понимание природы находится в постоянном развитии – и теория относительности развивается вместе с ним. Посмотрим, к чему мы придем спустя еще 100 лет.