До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной - Брайан Грин

Такие игры со столкновениями и беспорядочным движением разметают не только планетные системы, но — в еще более отдаленной перспективе — и галактики. При близких расхождениях блуждающих по случайным траекториям звезд или, реже, при их лобовых столкновениях скорость более тяжелой звезды, как правило, снижается, тогда как более легкая звезда стремится ускориться. (Аккуратно поставьте шарик для пинг-понга на баскетбольный мяч и уроните на пол; когда все это упадет и отскочит, вы увидите, как столкновение приведет к поразительному приросту скорости шарика.)19 При любой конкретной встрече подобные обмены, как правило, будут скромными, но на больших промежутках времени их кумулятивный эффект может сложиться в значительное изменение скоростей звезд. В результате звезды одна за другой будут разгоняться до скоростей достаточно высоких, чтобы унести их из родной галактики. Подробные расчеты показывают, что, когда мы минуем 19-й этаж и начнем двигаться выше, к 20-му, типичные галактики заметно похудеют. Их звезды, от большинства которых к тому времени останутся сгоревшие угольки, будут выброшены прочь и отправлены бесцельно скитаться в пространстве20.

Астрономический порядок, проявляющийся в планетных системах и галактиках, разрушится; эти структуры, которые сегодня встречаются повсеместно, Вселенная, по существу, отправит в отставку.

Гравитационные волны и окончательное выметание

Если Земле повезет уцелеть при вспухании Солнца на 11-м этаже и если она избежит изгнания из системы в результате разрушительного визита звездных соседей, ее конечная судьба будет определяться совершенно прекрасным свойством общей теории относительности — гравитационными волнами.

Объясняя центральную для общей теории относительности, но достаточно абстрактную идею искривления пространства-времени, физики часто привлекают знакомую метафору: мы представляем себе планеты, обращающиеся вокруг звезды, как мраморные шарики, катающиеся по натянутому резиновому полотну, которое деформируется под действием лежащего в центре шара для боулинга. Но такая метафора поднимает следующий вопрос: почему планеты не скатываются по спирали к звезде и не падают в нее? В конце концов наши шарики, безусловно, ожидает именно такая судьба21. Ответ в том, что катящиеся шарики заворачивают по спирали к центру, потому что теряют энергию из-за трения. На самом деле это можно заметить даже без какого бы то ни было сложного оборудования: некоторая часть потерянной энергии попадает вам в уши, позволяя услышать, как шарики катятся по резиновому листу. Обращающиеся вокруг звезды планеты сохраняют параметры движения неизменными, потому что в пустом пространстве практически нет трения.

Несмотря на то что трение на них не действует, любая планета все же теряет небольшое количество энергии на каждом обороте. В своем движении астрономические тела тревожат ткань пространства, рождая в ней возмущения и своеобразную «рябь», которая расходится вовне аналогично тому, как по резиновому листу расходились бы волны, если бы вы непрерывно по нему постукивали. Эта рябь на ткани пространства и есть те самые гравитационные волны, которые Эйнштейн предсказывал в статьях, опубликованных в 1916 и 1918 гг. В следующие десятилетия Эйнштейн испытывал по отношению к гравитационным волнам смешанные чувства и рассматривал их в лучшем случае как теоретическую возможность, которую никогда не удастся пронаблюдать, а в худшем — как откровенно неверную интерпретацию уравнений. Математика общей теории относительности настолько тонка, что даже Эйнштейн иногда в ней путался. Для разработки систематических методов, позволяющих одолеть эти тернистые вопросы, которые в противном случае спутали и погубили бы все попытки связать математические выражения общей теории относительности с измеримыми свойствами окружающего мира, понадобились многие годы и усилия множества ученых. К 1960-м гг., когда такие методы успели не только появиться, но и утвердиться в науке, физики уверились наконец, что гравитационные волны — бесспорное следствие теории. Тем не менее ни у кого не было никаких экспериментальных или наблюдательных данных, которые подтверждали бы, что гравитационные волны реальны.

Примерно полтора десятилетия спустя ситуация изменилась. В 1974 г. Рассел Халс и Джо Тейлор открыли первую из известных на сегодня двойную нейтронную звезду — пару нейтронных звезд, оказавшихся на общей орбите с коротким периодом22. Последующие наблюдения установили, что со временем эти нейтронные звезды сближаются по спирали; это доказывает, что двойная звезда теряет энергию. Но куда девается эта энергия?23 Тейлор и его коллеги Ли Фаулер и Питер Маккаллох объявили, что измеренная потеря орбитальной энергии замечательно согласуется с предсказанием общей теории относительности для энергии, которую движущаяся по орбите нейтронная звезда должна излучать в виде гравитационных волн24.

Хотя генерируемые волны получались слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить, эти работы установили, пусть косвенно, что гравитационные волны реальны.

Три десятилетия и миллиард долларов спустя лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) сделала следующий шаг и впервые сумела непосредственно зарегистрировать рябь на ткани пространства. Рано утром 14 сентября 2015 г. два громадных детектора, один в Луизиане, другой в штате Вашингтон, беспрецедентно защищенные от любых возможных возмущений, за исключением воздействия гравитационных волн, сработали. Причем в точности одинаковым способом. Исследователи готовились к этому моменту почти полстолетия, но калибровку новых усовершенствованных детекторов закончили всего двумя днями ранее. Почти немедленная после этого регистрация сигнала стала поводом одновременно для радости и тревоги. Реален ли этот сигнал? Что это — главное открытие всей жизни или работа какого-нибудь шутника? Или еще хуже — неужели кто-то взломал систему и подсунул им ложный сигнал?

После нескольких месяцев тщательнейшего анализа, проверки и перепроверки деталей предполагаемого гравитационного возмущения исследователи объявили, что по Земле действительно прокатилась гравитационная волна. Более того, при помощи точного анализа параметров колебаний и сравнения с результатами моделирования на суперкомпьютере гравитационных волн, которые должны возникать при различных астрономических событиях, исследователи методом обратного проектирования сигнала восстановили его источник. Они пришли к выводу, что 1,3 млрд лет назад, когда на планете Земля только начала зарождаться многоклеточная жизнь, две далекие черные дыры, обращавшиеся вокруг общего центра по спирали и со все возрастающей скоростью, приближавшейся уже к скорости света, столкнулись в последнем орбитальном пароксизме. Это столкновение породило в пространстве приливную волну, гравитационное цунами настолько громадное, что его мощь превзошла мощь, вырабатываемую всеми звездами во всех галактиках в наблюдаемой Вселенной. Эта волна покатилась со скоростью света во всех направлениях, в том числе и к Земле, убывая по мощности по мере распространения. Примерно 100 000 лет назад, когда люди потихоньку мигрировали из африканской саванны, эта волна, продолжая свой неустанный бег, прокатилась рябью сквозь гало из темной материи, окружающее нашу Галактику. Около 100 лет назад она пронеслась мимо звездного скопления Гиады, и примерно в это же время один из представителей нашего биологического вида, Альберт Эйнштейн, начал думать о гравитационных волнах и написал первую статью об их возможном существовании. Примерно через 50 лет, когда волна эта продолжала нестись сквозь космос, другие исследователи дерзко предположили, что подобные волны можно обнаружить, и начали проектировать и планировать устройство, которое было бы на это способно. И когда волна была всего в двух световых днях пути от Земли, новый усовершенствованный вариант самых продвинутых детекторов был, наконец, готов к действию. Два дня спустя эти два детектора вздрогнули на две сотых миллисекунды, записав данные, которые позволили ученым реконструировать всю ту историю, которую я только что поведал. За это достижение руководители команды исследователей Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн в 2017 г. были удостоены Нобелевской премии.