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.
