Наука Плоского Мира - Терри Пратчетт

Что ж, пока все хорошо, но мы не учли гравитацию. Эйнштейн несколько лет ломал голову над тем, как вписать гравитацию в свою теорию, прежде чем нашел ответ: пространство-время должно быть искривленным. Получившаяся теория называется общей теорией относительности и представляет собой синтез специальной теории и теории гравитации Ньютона. С точки зрения Ньютона, гравитация — это сила, отклоняющая частицы от прямолинейной траектории, которой они бы следовали в ее отсутствие. Общая теория относительности утверждает: гравитация — это не сила, а искажение структуры пространства-времени. Обычно в этом случае говорят, что пространство-время «искривляется», однако этот термин может легко ввести в заблуждение. В частности, искривление не означает, что пространство-время закручено вокруг чего бы то ни было. Физически искривление интерпретируется как сила притяжения. Эта сила способна изменять направление лучей света, следствием чего является «гравитационное линзирование» — искривления света массивными объектами, которое было открыто Эйнштейном в 1911 году и опубликовано им в 1915 году. Это явление впервые удалось наблюдать во время солнечного затмения. Недавно было обнаружено, что некоторые отдаленные квазары при наблюдении в телескоп дают несколько изображений, поскольку их свет искривляется галактикой, оказавшейся на его пути.

Теория гравитации Эйнштейна превзошла теорию Ньютона, поскольку лучше соответствовала результатам наблюдений. Тем не менее, теория Ньютона ни в коей мере не считается устаревшей, так как во многих случаях она остается достаточно точной и при этом проще теории Эйнштейна. Теперь же и самого Эйнштейна вот-вот потеснит другая теория, возможно та самая, которую он отверг, как самую большую ошибку.

В 1998 году результаты двух независимых наблюдений поставили теорию Эйнштейна под сомнение. Одно из них касается крупномасштабной структуры Вселенной, другое — событий, происходящих у нас под носом. Первая проблема до сих пор выдерживает все наши нападки, но вторая, возможно, имеет более простое объяснение. Поэтому начнем мы со второго любопытного открытия.

В 1972 и 1973 году для изучения Юпитера и Сатурна были запущены два космических аппарата «Пионер-10» и «Пионер-11». К концу 1980-х они уже находились в далеком космосе и направлялись к границе известной нам Солнечной системы. В течение долгого времени в научных кругах ходила своего рода легенда о том, что за Плутоном находится неизвестная планета X. Будь это действительно так, планета исказила бы траекторию «Пионеров», поэтому в надежде обнаружить какие-либо отклонения ученые продолжали следить за движением аппаратов. Группа под руководством Джона Андерсона действительно обнаружила искажение траектории, но их результаты не соответствовали планете X и, более того, не вписывались в общую теорию относительности. «Пионеры» не имеют собственной тяги и движутся по инерции, поэтому сила притяжения со стороны Солнца (а также более слабые силы со стороны других тел в известной нам Солнечной системе) постепенно тормозит их движение. Однако они замедлились сильнее, чем ожидалось. В 1994 году Майкл Мартин предположил, что этот эффект стал достаточно заметным, чтобы поставить теорию Эйнштейна под сомнение, и в 1998 году команда Андерсона подтвердила: результаты наблюдений нельзя объяснить инструментальными погрешностями, газовыми облаками, давлением солнечного света или гравитационным притяжением отдаленных комет.

Вскоре трое ученых предложили свои объяснения аномалии. Двое из них видели причину в избыточной теплоте. «Пионеры» оборудованы ядерными генераторами, поэтому небольшое количество избыточной теплоты попадает в окружающее пространство. Давление излучения могло замедлить аппараты на наблюдаемую величину. Другое объяснение состоит в небольшой утечке топлива. Обдумав оба объяснения, Андерсон пришел к выводу, что оба не лишены недостатков.

Удивительнее всего то, что наблюдаемое торможение в точности совпадает результатом, который предсказывает оригинальная теория, разработанная в 1983 году Мордехаем Милгромом. Эта теория предлагает внести изменения не в закон тяготения, а в ньютоновский закон движения, согласно которому сила равна произведению массы на ускорение. Поправка Милгрома вступает в силу, когда ускорение очень мало, и была введена для решения другой загадки гравитации — ни теория Ньютона, ни теория Эйнштейна не в состоянии дать правильную оценку скорости вращения галактик. Обычное объяснение предполагает существование «холодной темной материи», которая оказывает гравитационное воздействие, хотя в телескоп ее увидеть нельзя. Если у галактик действительно есть ореол из холодной темной материи, то их скорость будет отличаться от скорости, рассчитанной только на основе данных о видимой материи. Многим физикам-теоретикам холодная темная материя приходится не по душе (ее нельзя наблюдать непосредственно — потому она и называется «холодной» и «темной»), так что теория Милгрома постепенно приобрела популярность. Дальнейшее изучение «Пионеров» покажет, справедлива она или нет.

Другое открытие связано с расширением Вселенной. Размер Вселенной увеличивается, однако наблюдения показывают, что ее отдаленные области расширяются быстрее, чем предсказывает теория. Этот поразительный результат, позднее подтвержденный более детальными исследованиями, был получен в рамках проекта «Supernova Cosmology» с Солом Перлмуттером во главе, а также проекта-конкурента «High-Z Supernova Search Team», возглавляемого Брайаном Шмидтом[35]. Визуально его можно представить в виде изгиба на графике зависимости видимой яркости сверхновой от ее красного смещения. Согласно общей теории относительности, график должен представлять из себя прямую линию, но на практике это не так. Поведение кривой указывает на то, что существует сила гравитационного отталкивания, но проявляется она только на чрезвычайно больших расстояниях — например, сравнимых с половиной радиуса Вселенной. По сути, это антигравитация.

Недавние исследования, судя по всему, подтверждают это замечательное открытие. Но изобретательные ученые и здесь постарались и нашли альтернативные объяснения. В 2001 году Чаба Чаки, Джон Тернинг и Неманья Калопер предложили следующую теорию: отдаленные сверхновые кажутся нам менее яркими, чем ожидается, потому что частицы света — фотоны — превращаются во что-то другое. Точнее они превращаются в «аксионы», гипотетические частицы, предсказанные модной в наше время квантовой механикой. Предполагается, что аксионы редко взаимодействуют с другими видами материи, поэтому обнаружить их довольно сложно. Однако если они обладают чрезвычайно малой, но все же ненулевой массой (примерно одна секстилионная массы электрона), то могут реагировать на межгалактические магнитные поля. В результате такого взаимодействия небольшая часть фотонов превращается в аксионы, что и объясняет уменьшение яркости. В принципе, отдаленные сверхновые могут таким путем терять до трети испускаемых фотонов.

Надо сказать, мысль о том, что такая незначительная поправка известной физики за счет добавления частицы с пренебрежимо малой массой может иметь огромные последствия, действует отрезвляюще. Как бы то ни было, либо гравитация устроена не так, как мы думали, либо аксионы действительно существуют (вполне ожидаемо) и обладают массой (что, напротив, считается маловероятным). Возможно, что есть и третье объяснение, до которого пока никто не додумался.

Одна из теорий, объясняющих силы отталкивания, использует экзотическую форму материи под названием «квинтэссенция»[36]. Эта разновидность энергии вакуума, которая охватывает все пространство и оказывает отрицательное давление (Когда мы это пишем, то представляем себе выражение лица Чудакулли. Но нам придется его проигнорировать. Это вам не волшебство, которое можно потрогать руками. Это наука — здесь даже в пустом пространстве можно найти много интересного). Что любопытно, вначале Эйнштейн учитывал отталкивающую силу такого рода в своих релятивистских уравнениях гравитации: он называл ее космологической постоянной. Впоследствии он передумал и убрал константу из уравнений, сетуя на то, что ввел ее по собственной глупости. До самой смерти Эйнштейн считал ее пятном на своей репутации, однако его первоначальная интуиция могла оказаться верной.

Если, конечно, во Вселенной не существуют аксионы с массой.

Вводя космологическую постоянную, Эйнштейн автоматически принимал предположение о том, что квинтэссенция равномерно распределена по всему пространству. Но что если это не так? Распределение обычной материи не равномерно, она больше похожа на комковатую субстанцию. Дэвид Сантьяго отметил, что если квинтэссенция тоже неравномерна, то из уравнений Эйнштейна следует существование «анти-черных дыр», которые отталкивают материю вместо того, чтобы затягивать ее внутрь. Это не совсем то же самое, что и гипотетические «белые дыры», то есть черные дыры, которые извергают материю, потому что в них время течет вспять. Правда пока еще не ясно, могут ли анти-черные дыры быть стабильными. Обычная материя имеет комковатую структуру, потому что гравитация — это сила притяжения, другими словами, ей нравится создавать комки. Антигравитация — это сила отталкивания, которая по аналогии должна такие комки разрушать. Если это так, то анти-черные дыры нестабильны и, следовательно, не могут существовать. Их можно считать математическими решениями уравнений Эйнштейна, которым не соответствует реальный физический объект. Но пока кто-нибудь не займется расчетами, полной уверенности у нас нет.