Интерстеллар: наука за кадром - Кип Торн

Аномальное ускорение расширения Вселенной

В 1998 году две исследовательские группы, независимо друг от друга, обнаружили поразительную аномалию расширения нашей Вселенной[75]. В 2011 году руководители групп (Сол Перлмуттер и Адам Рисс из Калифорнийского университета в Беркли и Брайан Шмидт из Австралийского национального университета) получили за это открытие Нобелевскую премию по физике.

Обе группы наблюдали за взрывами сверхновых. Подобный взрыв происходит, когда у массивной звезды заканчивается ядерное топливо, она коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду, и энергия коллапса разрывает на части ее внешние слои. Ученые обнаружили, что далекие сверхновые более тусклые, чем ожидалось, а значит, находятся дальше, чем ожидалось. Настолько дальше, что стало ясно: в прошлом Вселенная расширялась медленнее, чем в наши дни. Расширение Вселенной ускоряется (рис. 24.4).

Рис. 24.4. Расстояние до звезды в момент взрыва (когда был испущен видимый нами свет) в двух вариантах: расширение Вселенной замедляется (красная кривая) или ускоряется (синяя). Наблюдаемый взрыв оказался тусклее, чем ожидалось, а значит дальше. Следовательно, Вселенная должна ускоряться

Однако из наших представлений о гравитации и о Вселенной явно следует, что всё существующее во Вселенной (звезды, галактики, скопления галактик, темная материя и т. д.) должно гравитационно притягиваться друг к другу. И это притяжение должно сдерживать расширение Вселенной. То есть расширение со временем должно замедляться, а не ускоряться.

По этой причине я не поверил в заявление об ускорении Вселенной, как не поверили многие мои коллеги – астрономы и физики. Мы не верили до тех пор, пока другие наблюдения, произведенные совершенно иными методами, не переубедили нас. Тогда мы сдались.

Так в чем же дело? Есть два варианта: либо в законах теории относительности что-то не так с гравитацией, либо Вселенную наполняет нечто помимо обычного вещества и темной материи. Нечто, порождающее гравитационное отталкивание.

Большинство физиков вовсе не жаждут отказываться от обожаемых ими законов теории относительности, а потому склоняются ко второму варианту. Гипотетическое вещество, обладающее свойством отталкивания, получило название «темная энергия».

Ясной картины пока нет. Но если аномальное ускорение действительно обусловлено влиянием темной энергии (что бы это ни было), то из гравитационных наблюдений следует, что 68 процентов массы Вселенной составляет темная энергия, 27 процентов – темная материя и лишь пять процентов составляет «обычное» вещество, из которого состоим мы с вами, а также планеты, звезды и галактики.

Так что у современных физиков есть еще одна священная миссия – разобраться, противоречит ли ускоренное расширение Вселенной законам теории относительности (и если так, то какие законы верны) или ускорение вызвано влиянием отталкивающей темной энергии (и если так, какова природа этой темной энергии).

Гравитационные аномалии в «Интерстеллар»

В отличие от гравитационных аномалий, о которых я рассказал только что, в «Интерстеллар» гравитационные аномалии наблюдаются на Земле.

Физики, начиная с самого Исаака Ньютона, усиленно искали аномалии на Земле. Находок было немало, но после более тщательных исследований все они оказались мнимыми.

В «Интерстеллар» аномалии потрясают своей причудливостью и силой, а также тем, как они изменяются со временем. Если бы что-либо подобное происходило в XX столетии или в начале двадцать первого, физики, конечно, обратили бы на это внимание и кинулись бы эти аномалии изучать. Так или иначе, в эпоху «Интерстеллар» с земной гравитацией определенно что-то произошло.

И действительно, Ромилли говорит Куперу: «Мы стали находить гравитационные аномалии [на Земле. – К. Т.] почти пятьдесят лет назад». И примерно в то же время обнаруживается самая значительная аномалия – внезапное, буквально из ниоткуда, появление червоточины вблизи Сатурна.

В начальной сцене фильма Купер и сам сталкивается с аномалией, когда пытается совершить посадку на «Рейнджере». Он говорит об этом Ромилли: «Над протоками что-то отключило мою систему управления».

Система GPS, которую Купер приспособил для управления комбайнами на кукурузном поле, тоже вышла из строя, и комбайны съехались к его дому. Купер считает, что виной этому гравитационные аномалии, вызвавшие сбой системы гравитационной коррекции, которая необходима для правильной работы GPS (рис. 4.2).

В начале фильма мы видим, как остолбеневшая Мёрф смотрит на пыль, которая с неестественной быстротой оседает на пол в ее спальне и собирается полосами, напоминающими штрихкод. Купер смотрит на эти полосы (рис. 24.5) и бросает монетку. Монетка по аномальной траектории устремляется к одной из полос.

Рис. 24.5. Купер разглядывает пылевой узор на полу в спальне Мёрф (Кадр из «Интерстеллар», с разрешения «Уорнер Бразерс».)

Я полагаю, что команда профессора Брэнда собрала множество данных по аномалиям. Наиболее интересные (для меня как физика и для профессора Брэнда как героя Кип-версии) из этих данных относятся к изменениям приливной гравитации.

В главе 4 мы говорили о приливной гравитации черной дыры, а также о действующей на Землю приливной гравитации Луны и Солнца. В главе 17 мы узнали, как приливная гравитация Гаргантюа вызывает сильнейшие «миллеротрясения», а также цунами и приливные боры. В главе 16 мы встретились с крохотными растяжениями и сжатиями в гравитационной волне.

Приливная гравитация свойственна не только черным дырам, Солнцу, Луне и гравитационным волнам, но также и любым гравитирующим объектам. Например, содержащие нефть участки земной коры менее плотны, чем участки, состоящие только из горных пород, из-за чего их гравитационное притяжение слабее. Это порождает специфическую картину сил приливной гравитации.

На рис. 24.6 я изобразил приливные силы с помощью тендекс-линий (о последних мы говорили в главе 4). Сжимающие (синие) тендекс-линии выходят из нефтеносной области, тогда как растягивающие (красные) тендекс-линии выходят из более плотной области, где нефти нет. И, как всегда, эти тендекс-линии двух типов перпендикулярны друг другу.

Рис. 24.6. Тендекс-линии над участком земной коры. Вдоль красных линий действует приливное растяжение, вдоль синих – сжатие

Составить карту приливных сил помогает такой измерительный прибор, как гравитационный градиометр. Он состоит из двух перекрещенных стержней, соединенных с торсионной пружиной. На концах каждого из стержней закреплены массы, на которые действует гравитация. В нормальном состоянии стержни перпендикулярны друг другу, но на рис. 24.7 синие тендекс-линии прижимают две верхние массы одна к другой, и то же происходит с двумя нижними массами. При этом красные тендекс-линии отталкивают друг от друга попарно левые и правые массы. В итоге угол между стержнями уменьшается до тех пор, пока пружина не уравновесит приливные силы. Этот угол, «угол считывания», и есть показание градиометра.

Рис. 24.7. Упрощенная схема гравитационного градиометра, разработанного и собранного Робертом Форвардом из Исследовательской лаборатории Хьюза, 1970

Если перемещать градиометр высоко над землей, слева направо над участком с рис. 24.6, его угол считывания будет увеличиваться над нефтеносными областями и уменьшаться над областями без нефти. Геологи используют градиометры (только более сложные) для поиска месторождений нефти и минералов.

NASA запустило в космос более сложный градиометр под названием GRACE[76] (рис. 24.8), который предназначен для картографирования приливных сил Земли и наблюдения за медленными изменениями приливной гравитации, вызванными, к примеру, таянием ледяных щитов.

Рис. 24.8. GRACE: два спутника, каждый из которых отслеживает положение другого с помощью микроволновых сигналов, сближаются и отдаляются под действием тендекс-линий (на рисунке не показаны)

В Кип-версии большинство гравитационных аномалий, которые разыскивает и изучает команда профессора Брэнда, представляет собой внезапные изменения в узоре тендекс-линий над поверхностью Земли – изменения, происходящие без очевидных причин. Горные породы и залежи нефти в земной коре не перемещаются. Таяние ледяных щитов – слишком медленный процесс, чтобы вызывать столь быстрые изменения. Люди не наблюдают новых гравитирующих масс, проходящих рядом с градиометрами. Тем не менее градиометры регистрируют смену характера приливных сил. Пыль оседает полосами. Монетку Купера притягивает к одной из них.