Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

обсуждаемых вариантов внутренность находится во вращении, что в принципе могло бы использоваться уже не как транспортное средство, а скорее как маховик – накопитель энергии (извлекаемой способом, подобным бросанию предметов под эргосферу вращающейся черной дыры). И наконец, четвертое, но, пожалуй, главное: ошибочно утверждение, что алькубьерровский пузырь и близкие к нему ворп-устройства способны разгоняться и тормозить. Стоит только допустить изменение скорости устройства, как перестают выполняться законы сохранения энергии и количества движения. Это можно компенсировать или каким-то дополнительным полем (что меняет всю постановку задачи), или, возможно, изменением формы самого пузыря – но ни одного точного решения, которое описывало бы, как такое происходит, пока не найдено. Пузырь с плоским пространством внутри летит по Вселенной по инерции, с постоянной досветовой или сверхсветовой скоростью, и использование такой штуки, если она существует, оказывается делом крайне непростым.

Черная дыра вместо Планеты 9 и перспективы ее обнаружения обсуждались, в частности, в работах [100, 110]; ряд астрономов выразили недоумение по поводу этой идеи (Браун – немалое). Картина столкновения Млечного Пути и Андромеды взята из https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/milky-way-collide.html, где она приведена со ссылкой на NASA, ESA, Z. Levay and R. Van der Marel, STScI; T. Hallas, and A. Mellinger. Изображение на рис. 7.12 слева взятo с сайта UCLA Galactic Center Group – W. M. Keck Observatory Laser Team; по ссылке http://www.astro.ucla.edu/~ghezgroup/gc/images_science.html можно найти аналогичные периодически обновляемые изображения. В UCLA (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе) работает, в частности, Андреа Гез, ставшая лауреатом Нобелевской премии по физике за 2020 г. «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики». На том же сайте на странице http://www.astro.ucla.edu/~ghezgroup/gc/videos/ имеются ссылки на анимации, представляющие наблюдения за центром Галактики и реконструкцию происходящего там; оттуда же взяты изображения на рис. 7.13. Источник изображения на рис. 7.12 справа – ESO/MPE/S, Gillessen et al. (http://www.eso.org/public/images/eso1622b/).

Извлечение энергии вращения из черных дыр называется процессом Пенроуза. Автор идеи – также лауреат Нобелевской премии по физике за 2020 г., хотя и не в связи с вращением черных дыр, а, как было сказано, за «непродолжаемые» геодезические. Ему же принадлежит вывод о вероятном наличии предела для «степени раскручивания» черной дыры. Математически для черной дыры, которая вращается «слишком быстро», исчезает горизонт и более не прикрываемая им сингулярность предстает на всеобщее обозрение (naked singularity, что традиционно переводится как «голая сингулярность», но выразительнее, да и точнее – «обнаженная»). Вероятно, обнаженные сингулярности не могут появляться во Вселенной; Пенроуз выдвинул эту идею (известную как «принцип космической цензуры» – в смысле «космической благопристойности») и привел веские соображения в ее поддержку, но совсем строгого ее доказательства все-таки нет.

Как мы видели на двух последних прогулках, язык искривленной геометрии оказался очень продуктивным для описания гравитации; но вообще-то метрика (десятикомпонентный Агент) – не единственный и не самый общий способ описывать геометрии. Выбор в пользу метрики и только метрики сделал Эйнштейн, в результате чего и получилась общая теория относительности – теория гравитации, описываемой через метрику. С тех пор изучались и до некоторой степени продолжают изучаться другие варианты (неквантовых) теорий гравитации, иногда вовлекающие дополнительные сущности. От всех таких неэйнштейновских теорий требуется, конечно, объяснить все то, что объясняет эйнштейновская; если, кроме того, появятся экспериментальные факты, которые какая-то из альтернативных теорий сможет объяснить лучше, то выбор будет сделан в пользу этой новой теории, а за общей теорией относительности останется статус «промежуточной» теории, открывшей идею кривизны, но оказавшейся не вполне точной. Даже если такое произойдет, значение и роль эйнштейновской теории в понимании гравитации и движения едва ли станут менее значительными.

Движение на прогулке 7

Материя создает геометрию пространства-времени, т. е. гравитацию, согласно уравнениям Эйнштейна, в которых материя представлена несколькими своими атрибутами, в том числе энергией и количеством движения. Однородное и одинаковое по всем направлениям заполнение пространства пылью порождает расширяющуюся (или, в других условиях, сжимающуюся) вселенную. Расширение Вселенной, в которой мы живем, проявляет себя как необычный вид движения, которое наблюдается для любой пары далеких объектов, но у которого нет единой скорости: объекты удаляются друг от друга тем быстрее, чем больше расстояние между ними. Возрастание скорости удаления до скорости света и выше приводит к ограничениям на размер наблюдаемой Вселенной. Экспериментально обнаруженное ускорение этого расширения заставляет предположить существование темной энергии. Во вселенных с другими геометриями материя может демонстрировать не расширение, а другие виды движения вроде закручивания, распространяющегося и на свет. Управление геометрией не исключает в принципе существования «пузыря», на стенках которого сконцентрирована высокая кривизна, из-за чего он передвигается быстрее скорости света.

Движение пробных тел служит для определения массы и количества вращения черных дыр. Звезды, обращающиеся вокруг черной дыры Стрелец A*, послужили такими пробными телами в центре нашей Галактики. Теоретическое знание говорит, что внутри эргосферы вращающихся черных дыр все тела приходят в движение вокруг черной дыры, которому принципиально нельзя воспрепятствовать. Там же, в эргосфере, возможны траектории движения, позволяющие извлекать энергию вращения из черной дыры: после разделения движущегося тела одна его часть исчезает в черной дыре, а другая вылетает наружу, забрав часть энергии вращения черной дыры. Движение двух сближающихся черных дыр (или других компактных объектов) вызывает передачу энергии гравитационному полю, возмущение в котором распространяется со скоростью света в виде гравитационных волн; относительно недавнее их детектирование позволяет нам получать недоступные ранее сведения о функционировании и устройстве Вселенной.

Часть 3

Окрестные прогулки

Отложенная прогулка 8

Движение рядом

Рядом с нами – в мире соразмерного нам масштаба – движется многое, включая животных, населяющих леса, тундру, степи, саванны, полупустыни и пустыни, горы и полярные области; птиц, в том числе перелетных, а также водоплавающих и нелетающих; жуков; пчел, ос и шершней; бабочек, стрекоз, мух; комаров и другого гнуса; пауков; головастиков в лужах и тихих водоемах. Постоянно, эпизодически или при необходимости движутся поезда, грузовые и пассажирские, включая подземные; движутся самолеты, вертолеты и дроны разной степени технической оснащенности; планеры и дельтапланы; роторы вертолетов, рули высоты самолетов, закрылки, элероны, предкрылки и интерцепторы на крыльях; движутся эскалаторы в метро и скрытые под ними