Простая сложная Вселенная - Кристоф Гальфар

Экстраординарное видение Эйнштейна состояло в том, чтобы понять, что гравитация не то, чем считал ее Ньютон. Эйнштейн показал, что она имеет кривые и склоны. Гравитация, материя и энергия связаны очень простым способом: наша Вселенная имеет ткань, называемую пространство-время, кривые и формы которой обусловлены ее содержимым, тем, что находится внутри. Эффект этих кривых на близлежащих объектах и свете и есть то, что мы называем и воспринимаем как гравитацию. Вот в чем заключается общая теория относительности. Ей сто лет. Чтобы выяснить локальную форму Вселенной за пределами звезды и то, как ее гравитация влияет на окружающие объекты, просто необходимо знать энергию, содержащуюся внутри звезды. Многие ученые делали эти расчеты, начиная с немецкого физика Карла Шварцшильда.

В 1915-м, в тот самый год, когда Эйнштейн опубликовал свою теорию, в то время когда только горстка людей во всем мире поняла, о чем идет речь, Шварцшильд выяснил точную геометрию пространства-времени снаружи звезды. Ему было в то время 43 года, он достиг успеха во время боевых действий на русско-немецком фронте во время Первой мировой войны. Он умер несколько месяцев спустя от подхваченной там болезни. Войны лишили человечество слишком многих людей, в том числе тех, кто, как Шварцшильд, мог бы помочь нам понять мир лучше и быстрее.

При следовании работе Шварцшильда стало возможным предположить, как движутся вокруг звезд объекты и свет. Он рассчитал правильную орбиту Меркурия и показал, что свет сам по себе должен отклоняться от Солнца. В 1919 году экспедиция под руководством британского астронома, сэра Артура Эддингтона, обнаружила такое (ранее незаметное) отклонение. Фотографии, сделанные во время полного солнечного затмения в том году, показали, что звезды вблизи Солнца находились не там, где они должны были. Вместо этого они появились именно там, где, как предсказывала теория Эйнштейна, им следовало очутиться после их отклонения из-за влияния Солнца на пространство-время. Свет сам по себе подвержен гравитации.

Вскоре после смерти Шварцшильда тот же механизм был применен к еще более крупным объектам, галактикам, и предрек, что странные космические миражи, дуги или арки света, плавающие в центре далекой Вселенной, существуют. Это были образы еще более отдаленных галактик, чей свет исказился на пути к нам. Галактики, соответственно, действовали как космические линзы, позволяя нам видеть сквозь них еще дальше, глубже в историю нашей Вселенной. Такие линзы и миражи были обнаружены через шестьдесят с лишним лет после публикации работы Эйнштейна, в 1979 году. Теперь их можно увидеть почти на каждом изображении глубокого космоса, полученного с помощью телескопов. Попутно они показывают, что геометрическая интерпретация гравитации Эйнштейна работает не только в непосредственной близости от Солнца, но и во всем космическом пространстве.

Общая теория относительности дала нам новое видение Вселенной.

Вы, я, все и всё окружены всей той информацией, достигающей нас сейчас, в этот момент, из прошлого. Мы располагаемся в центре нашей видимой реальности, и все в этой реальности подчиняется закону Эйнштейна, кроме внутреннего содержимого черных дыр. То же самое относится к нашему пониманию материи и света: вся видимая Вселенная управляется теми же законами, что применяются в наших космических окрестностях. Материя, из которой мы состоим, свет, отражающийся от нашей кожи, – все они подчиняются тем же квантовым законам, что и повсюду в видимой Вселенной.

Связывание законов дальних галактик с законами близлежащих галактик привело к открытию того, что наша Вселенная имеет историю, что в своем прошлом она пережила Большой взрыв, что прошлые космические эпохи можно прочитать по звездам вплоть до той точки, в которой свет полностью перестает распространяться. Этот момент, это место в прошлом Вселенной, когда пространство стало достаточно обширным, чтобы позволить свету свободно передвигаться, мы назвали поверхностью последнего рассеяния. Когда она исчезла, Вселенная имела температуру 3000 °C. До этого момента вся Вселенная была светонепроницаемой. После него она стала прозрачной. То, что сегодня осталось от излучаемой ей температуры, называется космическим микроволновым фоновым или реликтовым излучением. Оно несет в себе отпечатки того, что существовало раньше.

Помимо этого прошлого, наблюдение за ночным небом может привести лишь к косвенным умозаключениям о том, что было когда-то. Однажды мы сможем использовать не зависящие от света датчики, работающие, скажем, на гравитационных волнах, – и тогда мы получим возможность непосредственно принимать более отдаленные сигналы, но мы еще не на том уровне развития. До тех пор нам необходимо воссоздать условия, существовавшие когда-то повсеместно в чрезвычайно крошечном объеме, которым была ограничена наша Вселенная, чтобы понять, что произошло.

Начиная с 70-х годов прошлого века, ускорители элементарных частиц занимаются именно этим. И они привели нас к беспрецедентному уровню доверия теориям, используемым для исследования мира частиц и света. Квантовые теории поля дали нам реалистичную картину того, из чего была создана и существует Вселенная, вплоть до миллиардной миллиардной миллиардной доли секунды после предполагаемого рождения известных нам пространства и времени, рождения, существование которого и предсказала общая теория относительности Эйнштейна.

И с 70-х же годов нам известно, что общая теория относительности ограничена, что существуют пределы того, что она может достичь. В местах ее просчетов необходима новая теория – квантовая теория гравитации и многое другое. В чем будет состоять эта теория, мы пока не знаем.[65] Но знаем, что она должна быть. И испарение черных дыр – намек на ее существование.

Уменьшаясь в размерах, чтобы найти возможное местонахождение будущей теории, вы в конечном итоге попали в полностью новую реальность, реальность, состоящую из струн, бран и дополнительных измерений. Это был шаг в теорию струн, являющуюся, пожалуй, столь же популярной, как квантовая теория гравитации или теория всего, хотя от нее еще ожидаются прогнозы, которые могут быть проверены экспериментально.

Среди этих теорий струн и бран, иногда называемых М-теорией, робот закончил миссию экскурсовода по пространству, времени и за их пределами, так как вы достигли места, куда бессильны проникнуть даже самые мощные изобретенные человечеством суперкомпьютеры. Туда способен попасть только человеческий разум. Теперь вы наконец-то можете выяснить все, что хотите знать о мире, где вы живете.

Едва ли есть сомнения в том, что грядут как теоретические, так и экспериментальные изобретения, которые выйдут за границы сегодняшних знаний, открыв новые окна во Вселенную, поразительна большую, чем может представить себе любой из ныне живущих. Общая теория относительности и квантовая теория поля могут впоследствии стать такими же совершенными, как теория Ньютона, для этого необходимо узнать, почему и где они терпят поражение и какая главнее. Сейчас, однако, они ошибочны в том же смысле, как было и в случае с Ньютоном.

И благодаря этим ошибкам мы можем заглянуть в неизвестное.