Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Теерикор Пекка

Глава 15 Искривление пространства и времени

 

Обычно мы представляем себе мировое пространство как нечто, напоминающее геометрию Евклида. И в самом деле, в рамках частной теории относительности пространственная часть четырехмерного пространства-времени плоская, то есть евклидова. Сам Евклид работал в Александрии примерно в 300 году до н. э.; практически ничего больше о нем не известно. Он создал геометрическую систему, которая до сих пор является непременной частью нашего математического образования. Геометрия Евклида основывается на пяти «безусловно истинных» аксиомах, на основе которых разработана целая система из 465 теорем (основной курс геометрии). Из этих пяти аксиом наиболее часто обсуждается последняя, утверждающая, что

• Через данную точку на плоскости можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной прямой на той же плоскости.

Вспомним, что линии параллельны, если они лежат в одной плоскости и не пересекаются друг с другом. Евклид и многие его последователи испытывали сомнения насчет этого постулата параллельности. Хотя интуитивно он выглядит верным, экспериментального способа для подтверждения этого не было. Предположим, что есть прямая линия, проходящая через точку Р, параллельная другой прямой S. Если мы чуть-чуть повернем нашу линию, то откуда известно, что после такого поворота она действительно пересечет линию S? На практике мы всегда имеем дело с ограниченным отрезком прямой линии и не можем увидеть ее всю. Быть может, эту последнюю аксиому можно вывести из первых четырех? В течение двух тысячелетий математики пытались показать, что пятый постулат вытекает из остальных. Но все эти попытки провалились.

Открытие неевклидовых геометрий.

Вплоть до XIX века не было понятно, что пятую аксиому можно заменить и создать другие системы, в которых геометрические связи будут отличаться от привычных. Среди многих возможностей было два наиболее интересных варианта: гиперболическую геометрию независимо друг от друга разработали Карл Фридрих Гаусс, Николай Иванович Лобачевский и Янош Бойяи (рис 15.1), а автором сферической геометрии был Георг Риман. Этими двумя геометриями, наряду с евклидовой моской геометрией, исчерпываются все возможные описания Вселенной, которая однородна и изотропна, то есть — в которой все точки и направления равноправны. Поэтому все они очень важны для современной космологии.

Рис. 15.1. Создатели гиперболической геометрии: Карл Фридрих Гаусс (1777–1855) (в центре), Николай Лобачевский (1792–1856) (справа) и Янош Бойяи (1802–1860) (слева).

Русский ученый, профессор и ректор Казанского университета Николай Иванович Лобачевский создал логически стройную геометрическую систему, в которой постулат параллельности Евклида был заменен другой аксиомой.

• Через данную точку на плоскости можно провести бесконечное число линий, которые не пересекаются с данной линией на плоскости.

Он называл эту систему «воображаемой геометрией» (или «пангеометрией») и полагал, что нет таких областей математики, кроме самых абстрактных, для которых в один прекрасный день не нашлось бы применения в реальном мире. Гаусс, Бойяи и Лобачевский ничего не знали о работах друг друга. Но Лобачевский первым опубликовал статью о новой геометрии. Она появилась в 1829 году в «Казанском вестнике» на русском языке и осталась незамеченной. Пытаясь завоевать широкую известность, Лобачевский опубликовал свою статью в 1837 году на французском языке, затем в 1840 году на немецком, вновь в 1855 году на французском. Успешная работа Лобачевского привела к тому, что он стал ректором Казанского университета и даже был награжден Николаем I. Но в 1846 году он вышел на пенсию (некоторые считают, что его уволили из университета), и лишь после смерти имя Лобачевского стали связывать с разработкой неевклидовой геометрии. Последнюю благодарность от правительства Лобачевский получил за несколько месяцев до смерти за новый способ обработки шерсти.

В это же время, не зная о работе Лобачевского, венгр Бойяи «создал из ничего странный новый мир». Оба они — и Лобачевский, и Бойяи — пытались доказать пятый постулат, но со временем понимали, что решить эту задачу невозможно: Бойяи в 1823 году, а Лобачевский в 1826-м. Отец Яноша, Фаркаш, друживший с Гауссом, и сам — известный математик, работал над той же проблемой. Когда он прочитал труд сына, то заставил Яноша опубликовать его, включив в виде 26-страничного Дополнения в свою книгу, изданную в 1832 году.

Гаусс в письме к Фаркашу Бойяи одобрил труд сына, но заявил, что сам разработал ту же идею около 30 лет назад. Янош был сокрушен письмом Гаусса. Он потерял приоритет и впоследствии никогда ничего не писал на эту тему. Гаусс придумал термин «неевклидова геометрия», но ничего не публиковал по ней, поскольку он «очень не хотел заниматься чем-то таким, что навлекло бы на него критику» — так он говорил в письме от 1829 года. В частном письме от 1824 года Гаусс сообщал: «Предположение, что (в треугольнике) сумма трех углов меньше 180°, ведет к любопытной геометрии, полностью отличающейся от нашей, но совершенно последовательной, которую я разработал для собственного удовлетворения».

Математические методы, необходимые для вычислений в неевклидовой геометрии, разработал Риман. Эта область математики, которую со временем изучил даже Эйнштейн, называется сейчас тензорным исчислением. Тензоры — это сложные величины, напоминающие векторы, которые используют для описания электрических полей. Примером тензора служит тензор кривизны, который описывает, насколько искривлено пространство, то есть насколько оно отличается от евклидова пространства. В четырехмерном пространстве тензор кривизны имеет 20 компонентов. Сравните это с вектором электрического поля, имеющим всего 3 компонента.

Еще в детстве Георг Риман (1826–1866) отличался выдающимися математическими способностями. К тому же он прилежно изучал Библию и в 1846 году, следуя отцовской воле, поступил в Гёттингенский университет на отделение теологии. Однако, посетив несколько лекций по математике, он попросил отца разрешить ему заняться математикой. Отец был не против, и Риман начал учиться математике, в том числе и у Гаусса. Под руководством Гаусса он завершил диссертацию и был взят на работу в Гёттингенский университет для подготовки к профессорскому званию (то есть — в аспирантуру). По окончании подготовки он выступил с лекцией «О гипотезах, лежащих в основании геометрии», которая теперь среди математиков считается классической работой. В ней обсуждается определение тензора кривизны и рассматривается вопрос о связи геометрии с миром, в котором мы живем. Какова размерность реального пространства и какой геометрией описывается наше пространство? Риман полагал, что само пространство может иметь измеряемые характеристики (рис. 15.2).

Рис. 15.2. Георг Риман — математик, проложивший путь для общей теории относительности.

Эта лекция намного опередила свое время и не была оценена большинством ученых. Согласно общепринятому тогда мнению, которое разделял и Ньютон, пространство служит жестким фоном, относительно которого проводятся все изменения. В окружении Римана только Гаусс смог оценить глубину мысли юного математика. На собрании факультета он с большой похвалой отозвался о профессоре физики Вильгельме Вебере и хвалил за оригинальность работу Римана.

Свойства неевклидовых геометрий.

Вселенная конечна или бесконечна? Это не так-то просто «увидеть». Евклидова геометрия прекрасно описывает наши обычные измерения. Но в будничной геометрии трудно встретиться с бесконечностью. С другой стороны, испытываешь немалые трудности, пытаясь представить себе конечный мир со сферической геометрией, хотя его конечность легко описывается математически.

Обычно для демонстрации неевклидовой геометрии в качестве примера используют поверхности. Наша трехмерная Вселенная (мы не учитываем время) в практическом отношении плоская, поэтому в ней мы легко можем заметить кривизну обычных поверхностей. Но трудно представить четырехмерное пространство, не разбираясь в том, что означает кривизна. Наш мозг не привык решать такие задачи, поэтому лучше ограничиться рассмотрением двумерных поверхностей. Сферическая Вселенная имеет странное свойство — у нее конечный объем, хотя ни в каком направлении невозможно найти ее край. Это легче понять, если представить поверхность сферы, которая позволяет нам заметить и другое интересное свойство сферической геометрии: идущий вперед путешественник вернется в начальную точку своего пути после того, как обойдет вокруг света. Путешествуя по Земле, если вы движетесь все время вперед по большому кругу, вы тоже вернетесь в исходную точку. Странный результат, если вы считаете Землю плоской!

Как легко понять, двумерным аналогом сферической Вселенной служит поверхность сферы. Не обязательно иметь возможность взглянуть на нее из третьего измерения или же обходить сферу кругом, чтобы догадаться о кривизне сферической поверхности. Существо, живущее на сферической поверхности, не способное выйти в третье измерение над этой поверхностью и даже не имеющее представления об этом третьем измерении, все равно может проводить построения на этой поверхности, чтобы узнать ее геометрические свойства. Оно может нарисовать треугольник и измерить сумму его внутренних углов. Если результат получится больше 180°, это докажет, что существо живет на сферической поверхности (рис 15.3). Или так: можно нарисовать круг и измерить его. Если отношение длины окружности к ее диаметру меньше, чем π (= 3,141592…), то существо будет знать, что оно живет в мире сферической геометрии.

В противном случае, если сумма внутренних углов треугольника меньше чем 180°, а отношение длины окружности к ее диаметру больше я и если через данную точку можно провести любое число линий, параллельных данной линии, то существо понимает, что оно живет в гиперболическом пространстве. Гиперболическое пространство тянется на бесконечное расстояние и не имеет аналога в обычной жизни. Форма седла, точнее — его центральной части, более или менее напоминает ограниченную область гиперболической поверхности.

Границей между сферическими и гиперболическими поверхностями служит плоская поверхность, или двумерное евклидово пространство. Привычные для нас законы евклидовой геометрии справедливы в этом и только в этом пространстве: сумма внутренних углов треугольника точно равна 180°, отношение длины окружности к ее радиусу в точности равно я, а через точку можно провести одну и только одну прямую, параллельную другой прямой (рис. 15.4).

Рис. 15.3. Треугольники в плоском, гиперболическом и сферическом пространстве. Сумма углов в разных пространствах неодинакова.

Рис. 15.4. Параллельные линии в разных пространствах. В плоском пространстве через данную точку Р можно провести только одну прямую, параллельную другой прямой. В гиперболическом пространстве можно провести любое количество таких прямых. В сферическом пространстве все прямые линии пересекаются, поэтому провести параллельную линию невозможно.

Значение кривизны пространства.

Математик Вильям Клиффорд (1845–1879) переводил труды Римана на английский язык и в процессе этой работы был очарован идеями Римана о связи между физическими явлениями и геометрией. Он стал развивать эти идеи. Читая лекцию в Кембриджском философском обществе, посвященную «науке о пространстве», он обсуждал нашу возможность судить о геометрии пространства на астрономических масштабах и на масштабах столь малых, что они недоступны для наблюдения (то есть в мире элементарных частиц). При этом он утверждал, что «малые области пространства фактически похожи на небольшие холмики на поверхности, которая в среднем плоская, таким образом, обычные законы геометрии к ним неприменимы». Он полагал, что «это свойство искривленности или искаженности непрерывно передается от одной области пространства к другой наподобие волны» и что «изменение кривизны пространства — это как раз то, что реально происходит в явлении, которое мы называем движением материи».

Клиффорд заключил, что весь физический мир (движение всей материи) есть результат этого свойства пространства. Для того времени его идеи были революционными, поскольку само понятие пространство еще не было осознано многими учеными. В год рождения Эйнштейна умер Клиффорд. Он был совсем молод и не сумел более глубоко разработать свою идею. Его видение мира опередило общую теорию относительности на 40 лет.

Отправной точкой для общей теории относительности Эйнштейна стал закон Галилея о том, что все тела падают с одинаковым ускорением независимо от их массы (если пренебречь трением о воздух). Это эмпирическое правило можно понять как следствие Второго закона Ньютона (сила равна массе, умноженной на ускорение) и Ньютонова закона гравитации (сила тяготения пропорциональна массе тела). Оба эти закона содержат один и тот же коэффициент пропорциональности — массу тела, поэтому ускорение падающего вниз тела не зависит от его массы. Но раз мы имеем дело с двумя независимыми законами природы, то должны поинтересоваться: как получилось, что оба они содержат один и тот же коэффициент.

Согласно Эйнштейну, эго неслучайно. Закон Галилея имеет глубокий смысл, он показывает, что гравитация не реальная сила, а лишь фиктивная. Нам уже знакомы фиктивные силы: например, Кориолисова сила, описанная французским физиком Гаспаром Кориолисом (1792–1843). В Северном полушарии ветры, дующие с юга, пытаю тся повернуть на восток, а дующие с севера поворачивают на запад. Это приводит к вращению воздушных потоков против часовой стрелки вокруг областей низкого давления. Сила Кориолиса — это всего лишь проявление вращения Земли вокруг оси, а вовсе не реальная сила. Для фиктивных сил свойственно, что они сообщают одинаковое ускорение всем телам независимо от их характеристик, таких как масса, электрический заряд и т. п.

Точно так же ускорение силы тяжести не зависит от свойств тела. Фиктивную силу легко исключить (в принципе); например, если остановить вращение Земли, то сила Кориолиса пропадет. А гравитация исчезает при свободном падении. В свободно падающей кабине мы не чувствуем свой вес, например — в кабине лифта, когда рвется его трос, а тормоза отказывают. Вдали от Земли можно искусственно создать такую же силу тяжести, как на земной поверхности, если заставить космический корабль двигаться с ускорением 9,8 м/с2, равным тому ускорению земной гравитации, которое мы обычно испытываем (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Ньютон и Эйнштейн размышляют о падении яблока. Оба находятся в закрытой комнате. Ньютон — на Земле, а Эйнштейн — в космическом корабле, летящем с ускорением 9,8 м/с 2 . В обоих случаях падение яблока происходит одинаково.

Эйнштейн пришел к выводу, что если ускорение силы тяжести так легко создать и уничтожить, то оно должно быть отражением какого-то более глубокого явления. Этим явлением, по мнению Эйнштейна, является кривизна пространства. Материя заставляет окружающее пространство искривляться, а тела реагируют на эту кривизну таким образом, что это выглядит как действие гравитации.

Следствия общей теории относительности.

Зная геометрию пространства, можно вычислить орбиту тела, на которое не действует ничто кроме гравитации. Теперь мы не считаем гравитацию силой, а говорим о свободном движении. В плоском пространстве такое движение происходит по прямой линии, но в искривленном пространстве свободное движение может происходить практически по замкнутой орбите. Возьмем обращающуюся вокруг Солнца планету. Она движется вперед по прямой, то есть по кратчайшему пути, но так как Солнце искривило пространство, орбита планеты становится эллипсом. Рисунок 15.6 иллюстрирует это в виде растянутого горизонтально куска резины («плоское пространство»). Тяжелый шар, помещенный в центр этой поверхности, образует на ней впадину. Теперь покатим по ней маленький шарик. Подтолкнув этот шарик в нужном направлении, вы сможете заставить его прокатиться вокруг большого шара, возможно, по эллиптической орбите. Это выглядит так, будто существует центральная сила, притягивающая шарик, в то время как орбита возникает из-за формы поверхности. Эта аналогия не совсем точная, так как существует еще дополнительная сила — притяжение Земли.

Для планет, обращающихся вокруг Солнца, как теория Ньютона, так и теория Эйнштейна дают почти одинаковый результат. Наибольшее различие наблюдается для Меркурия, обращающегося вблизи массивного Солнца. Как мы уже говорили, большая ось орбиты Меркурия медленно прецессирует под влиянием остальных планет. Но теория Эйнштейна предсказывает дополнительную, по сравнению с теорией Ньютона, прецессию, равную 43" за 100 лет. В действительности это мизерное расхождение теории Ньютона с наблюдениями уже было обнаружено и считалось серьезной проблемой в годы создания теории Эйнштейна (рис. 15.7).

Рис. 15.6. Тяжелый шар образует углубление в растянутой резине. Кривизна поверхности позволяет маленькому шарику катиться вокруг большого шара так, как если бы между шарами действовала сила гравитационного притяжения. Показаны три разные орбиты маленького шарика.

Рис. 15.7. Прецессия орбиты Меркурия. Так как центральная сила, притягивающая Меркурий к Солнцу, не в точности обратно пропорциональна квадрату расстояния, орбитальный эллипс незамкнут. Наиболее удаленная от Солнца точка орбиты (афелий) медленно прецессирует. На самом деле эта точка смещается гораздо меньше, чем на этом рисунке.

Объяснение движения Меркурия стало первым успехом новой теории гравитации, созданной Эйнштейном. Другим ее следствием было отклонение лучей света, проходящих близ поверхности Солнца. Из-за этого звезды кажутся сдвинутыми от своего реального положения на небе, когда Солнце наблюдается вблизи них. Обычно мы не можем увидеть звезды и Солнце одновременно, но в момент солнечного затмения это возможно. Когда во время солнечного затмения 1919 года сдвиг звезд на ожидаемую величину был обнаружен, это расценили как победу теории Эйнштейна (рис. 15.8). В то время были известны только два конкурента общей теории относительности: теория финского физика Гуннара Нордстрёма (см. главу 18) вообще не предсказывала отклонения лучей света, а по теории Ньютона лучи должны были отклоняться, но вдвое слабее, чем по Эйнштейну. В наши дни при наблюдении космических радиоисточников точность измерений стала еще выше: прогноз теории Эйнштейна подтверждается с точностью 1 %.

Третье предсказание общей теории относительности подтвердилось гораздо позже. Согласно этой теории, время течет медленнее в искривленном пространстве, то есть — в сильном гравитационном поле. Следовательно, на первом этаже дома время течет медленнее, чем на чердаке, поскольку чердак дальше от центра Земли и притяжение там немного слабее. В 1960 году американцы Роберт Паунд и Глен Ребка измерили это различие в скорости течения времени на расстоянии по вертикали в 22,5 м. Результат совпал с прогнозом теории Эйнштейна с точностью 10 %; результаты современных измерений совпадают с предсказанием с точностью 0,01 %.

Рис. 15.8. Проходя мимо поверхности Солнца, луч света отклоняется от первоначального направления на 1,75" (на рисунке отклонение завышено).

Странные свойства черных дыр.

В нашем мире, как описывает его общая теория относительности, есть много странного; одно из самых удивительных — черная дыра. Если тело сжимается все сильнее и сильнее, то гравитация на его поверхности усиливается. Давайте для примера рассмотрим Землю. Ее средний диаметр 12 742 км. Скорость убегания с поверхности Земли, необходимая космическому кораблю для путешествия, например, к Луне, составляет около 11 км/с. Если бы какой-нибудь гигант смог сжать Землю до размера теннисного мяча, то скорость убегания возросла бы до 70 000 км/с.

Если гигант продолжит сжатие Земли, то скорость убегания будет увеличиваться все больше и больше и в какой-то момент станет равной скорости света (300 000 км/с). В этот момент диаметр Земли будет меньше 2 см. При этом гигант очень удивится: свет уже не сможет убегать от Земли, и она станет невидимой. Дальше Земля будет сжиматься уже сама, пока не окажется сдавленной в точку. Некоторые оценки говорят, что плотность в этой точке достигнет 1094 г/см3; это число выходит за рамки воображения. Но в этой истории припасен еще один сюрприз: Земля стала невидимым шаром, черной дырой, которая начала срывать вещество с близких к ней пальцев гиганта. В этот момент ему, возможно, захочется освободиться от чудовища, которое он сотворил.

Многие детали описанной выше картины можно вывести из теории Ньютона. Джон Мичелл (1724–1793), пастор церкви Св. Михаила и Всех Ангелов в Торнхилле, близ Дьюсбери в Англии, еще в 1784 году говорил о возможности существования черных дыр. Такой объект увидеть невозможно, но если черная дыра является членом двойной системы, ее можно отождествить по движению звезды-спутника. Вильям Гершель интересовался черными дырами Мичелла. Он даже думал, что обнаружил одну из них, но оказалось, что он ошибся. Лаплас в своей работе «Изложение системы мира» в 1796 году высказал такую же идею об объектах с мощным притяжением, которые являются ловушками для света.

Первым, кто применил общую теорию относительности к проблеме черных дыр, был Карл Шварцшильд (1873–1916). Накануне Первой мировой войны он возглавлял Потсдамскую обсерваторию и был ведущим астрономом Германии. Но его призвали в армию; сначала он воевал на Бельгийском, а затем на Русском фронте. Именно там в 1916 году он написал две работы по исследованию новой теории Эйнштейна, где дал определение так называемого радиуса Шварцшильда. Эта величина пропорциональна массе тела и указывает минимальный радиус тела, сжавшись до которого, оно становится черной дырой. Для Солнца этот критический радиус составляет около 3 км, а для звезды, в десять раз более массивной, он равен 30 км. Позднее в том же году Шварцшильд заболел и умер на фронте.

Некоторые особенности черных дыр можно понять, только используя общую теорию относительности. Пространство там так сильно искривлено, что пространство-время замыкается вокруг черной дыры. В некотором смысле оно становится собственной вселенной, связанной с внешним миром только гравитацией. Черная дыра затягивает в себя окружающее вещество. В результате ее масса возрастает, а ширина «глотки» черной дыры измеряется радиусом Шварцшильда. Так что заглатывание окружающего вещества только усиливает аппетит черной дыры!

Чтобы понять особенности черной дыры, мы можем вернуться назад к растянутому куску резины (см. рис. 15.6). Предположим, что лежащий на нем тяжелый шар постепенно уменьшается в размере. Поскольку давление на единицу поверхности увеличивается, вмятина под шаром становится все глубже и глубже. В конце концов резиновая поверхность изогнется вокруг шара, и он окажется на дне узкого горлышка. Поверхность резины вдали от шара уже почти не чувствует его влияния, но локальное искривление поверхности сильно увеличилось в процессе сжатия шара. Часть поверхности с максимальным искривлением имитирует пространство вокруг черной дыры.

Условия внутри радиуса Шварцшильда черной дыры весьма экзотические. Роли координат пространства и времени там меняются. Например, в обычном мире время течет только в будущее, но в черной дыре оно может течь как вперед, так и назад. Зато в пространстве под радиусом Шварцшильда мы можем передвигаться лишь в одном направлении — только к центру черной дыры. Нашему мозгу не под силу представить такой мир, хотя математически построить его мы в состоянии.

Из-за сильного искривления пространства вблизи черной дыры время замедляется. Если бы мы смогли проследить за падающими на черную дыру часами, например — в телескоп, и если бы, падая, часы продолжали тикать, то мы увидели бы, что, приближаясь к черной дыре, они идут все медленнее. Наконец мы увидели бы, что на расстоянии радиуса Шварцшильда часы вообще остановились. Таким образом, удаленному наблюдателю время кажется застывшим на границе черной дыры. Но наблюдатель, падающий в черную дыру вместе с часами, не заметит в течении времени ничего особенного.

Это еще один пример отсутствия жесткого абсолютного времени; каждый наблюдатель видит течение времени по-своему.

Вблизи черной дыры странно ведут себя и лучи света. Они могут сильно изгибаться и даже наматываться вокруг черной дыры. Некоторые лучи навсегда исчезают в черной дыре. Нам трудно понять, что мы видим вблизи черной дыры, так как «обработка данных» нашего зрения предполагает, что лучи света должны распространяться прямолинейно. Порою даже небольшое отклонение от прямой линии, как это бывает при наблюдении миража, сбивает нас с толку.

Черные дыры имеют еще одну особенность, которую мы пока не упоминали. Они могут вращаться, причем даже очень быстро. Искривление пространства вокруг вращающейся черной дыры впервые вычислил математик из Новой Зеландии Рой Керр в 1963 году.

Вращение черной дыры проявляется как вращение близлежащего пространства: черная дыра тащит за собой пространство, как водоворот. В плоскости вращения скорость водоворота может быть очень высокой и достигать скорости света на радиусе Шварцшильда. Следовательно, неподвижное в этом пространстве тело будет выглядеть издалека как вращающееся вокруг черной дыры со скоростью света. Вдали от радиуса Шварцшильда черной дыры или вблизи обычного вращающегося объекта движение обращающегося по орбите тела будет испытывать сравнительно небольшое возмущение. Но вблизи черной дыры завихрение очень велико. Даже движение в обратную сторону со скоростью света не может спасти тело от втягивания его в круговое движение в направлении вращения черной дыры.

Для каждой черной дыры существует максимальная скорость, с которой она может вращаться. Критическая поверхность для черной дыры, вращающейся с максимальной скоростью, лежит на половине радиуса Шварцшильда от ее центра. Вне критической поверхности лежит область, называемая эргосферой, где скорость пространственного вихря превышает скорость света. При благоприятных обстоятельствах частицы могут поглощать немного вращательной энергии черной дыры в этой области и вылетать из нее, унося энергию с собой.

Обращение одного тела вокруг другого тела в пространстве легко можно понять. Но как понять, что само пространство вращается вокруг центрального тела? Это выходит за рамки здравого смысла.

Обычно мы думаем о пространстве как о жестком фоне, относительно которого мы измеряем движение. Но из общей теории относительности следует, что реальное пространство эластично, и это его свойство имеет наблюдательные проявления.

Увлечение пространства вокруг вращающихся тел долго оставалось лишь гипотезой, высказанной австрийскими физиками Джозефом Лензе и Гансом Тиррингом в 1918 году. До 2004 года не было возможности измерить этот эффект в пространстве, окружающем вращающуюся Землю. Изучая движение двух искусственных спутников Земли — LAGEOS I и II, группа под руководством Игнацио Куифолини из университета Лечче (Италия) и Эррикос Павлис (Мэрилендский университет) обнаружила, что плоскости орбит спутников поворачиваются примерно на два метра в год в направлении вращения Земли. Этот результат согласуется с прогнозом Лензе и Тирринга с точностью 10 %. Недавно запущенный спутник «Gravity Probe В», специально сконструированный в Стэнфордском университете и НАСА для измерения вращения пространства, сейчас пытается подтвердить этот результат.

Гравитационные волны

Одним из явлений, связанных с эластичностью пространства, являются гравитационные волны — небольшие изменения кривизны пространства, распространяющиеся со скоростью света. Хотя американский физик Джозеф Вебер (1919–2000) еще в 1967 году утверждал, что открыл гравитационные волны, в действительности до сих пор нет прямого подтверждения их обнаружения.

На протяжении многих лет Вебер был единственным исследователем в этой области. Его детектор представлял собой 1,5-тонный алюминиевый цилиндр, подвешенный в вакуумном контейнере, изолированный от внешних воздействий, насколько это было возможно. Когда гравитационная волна пронизывает цилиндр, он начинает колебаться с характерной для него частотой. Амплитуда колебаний должна быть очень маленькой, не более 10–15 см, или 1 % диаметра протона. Понятно, что очень трудно измерить такое крохотное расстояние. Более того, любые происходящие поблизости вибрации — от проходящего транспорта до землетрясения — тоже могут заставить цилиндр колебаться. Поскольку никто другой не смог обнаружить гравитационные волны, считается, что колебания Вебера были вызваны внешними толчками. Тем не менее ожидаемый эффект от этой пространственной ряби настолько мал, что наша неспособность обнаружить гравитационные волны вовсе не означает, что их не существует.

В новом типе детектора лазер измеряет расстояние между свободно подвешенными массами (зеркалами). Антенна LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационная обсерватория) в США состоит из двух таких детекторов, разделенных расстоянием в 1000 км. В отличие от локальных «шумов» каждого детектора, истинные гравитационные волны, проходящие через Землю, будут отмечены обоими детекторами (рис. 15.9). Похожая гравитационноволновая обсерватория VIRGO действует в Италии.

Рис. 15.9. Гравитационноволновая обсерватория LIGO в США: вид с воздуха на антенну в Хенфорде, состоящую из двух вакуумных труб протянувшихся каждая на 4 км от лаборатории. Такая же антенна работает в Ливингстоне. Фото: LIGO Laboratory.

К настоящему времени уже получены косвенные доказательства существования гравитационных волн. Двойная нейтронная звезда PSR 1913+16, судя по всему, излучает гравитационные волны. Наблюдения за движением звезд показывают, что эта двойная система теряет энергию, и ничем другим кроме излучения гравитационных волн это объяснить нельзя. Темп потери энергии хорошо согласуется с прогнозом общей теории относительности. Это совпадение рассматривают как подтверждение существования гравитационных волн, хотя излучение PRS 1913+16 прямо не удается измерить гравитационноволновыми антеннами.

Перспективным объектом для прямого наблюдения считается двойная черная дыра в квазаре OJ287, которую мы обсудим ниже. Это далекий внегалактический объект, причем один из компонентов этой системы массивнее обычной звезды в 1010 раз. Скорость потери энергии этой двойной системой недавно была подтверждена международной группой исследователей под руководством астрономов обсерватории Туорла (Финляндия). Подтверждение удалось получить 13 сентября 2007 года, в тот драматический момент, когда OJ 287 внезапно усилил свой блеск до уровня светимости 10 000 млрд Солнц. Следующее поколение гравитационноволновых антенн должно быть способно подтвердить излучение гравитационных волн квазаром OJ 287. Новое важное окно во Вселенную готово распахнуться.