Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

• Название: Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности
• Автор: Педро Феррейра
• Жанр: Физика
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-496-01182-2

Каждый человек в мире слышал что-то о знаменитой теории относительности, но мало кто понимает ее сущность. А ведь теория Альберта Эйнштейна совершила переворот не только в физике, но и во всей современной науке, полностью изменила наш взгляд на мир! Революционная идея Эйнштейна об объединении времени и пространства вот уже более ста лет остается источником восторгов и разочарований, сюрпризов и гениальных озарений для самых пытливых умов.

История пути к пониманию этой всеобъемлющей теории сама по себе необыкновенна, и поэтому ее следует рассказать миру. Британский астрофизик Педро Феррейра решил повторить успех Стивена Хокинга и написал научно-популярную книгу, в которой доходчиво объясняет людям, далеким от сложных материй, что такое теория относительности и почему споры вокруг нее не утихают до сих пор.

---

Леметр, как и Фридман за пару лет до него, столкнулся с расширяющейся Вселенной. Но в отличие от выкладок Фридмана, открытая им связь расширения Вселенной и красного смещения допускала проверку путем наблюдений.

Леметр пошел в своем анализе дальше и стал искать дополнительные решения. К его удивлению, оказалось, что статические модели, продвигаемые Эйнштейном и де Ситтером, представляли собой не просто частные случаи, а почти отклонения от теории пространства-времени Эйнштейна. Если модель де Ситтера можно было перестроить в развивающуюся Вселенную, то модель Эйнштейна страдала от нестабильности, способной быстро нарушить весь порядок. При минимальном дисбалансе между материей и космологической постоянной Вселенная Эйнштейна начинала быстро расширяться или сжиматься, уходя от так желаемого Эйнштейном равновесного состояния. Более того, оказалось, что модели Эйнштейна и де Ситтера входят в огромное семейство моделей, все из которых со временем расширяются.

Эффект де Ситтера не прошел среди астрономов незамеченным. На самом деле еще в 1915 году, то есть до того как де Ситтер предложил свою модель и ее отличительную особенность, американский астроном Весто Слайфер измерил красное смещение разбросанных по небу световых пятен, известных как туманности. Для этого он измерял спектры туманностей. Элементы, из которых состоит испускающий свет объект, будь это электрическая лампочка, раскаленный кусок угля, звезда или туманность, продуцируют уникальный набор волн разной длины. При измерении спектрометром эти волны дают набор линий, напоминающий штрихкод. Именно он и называется спектром объекта.

Воспользовавшись оборудованием Ловелловской обсерватории в городе Флагстафф, штат Аризона, Слайфер измерил спектры рассеянных по небу туманностей. Затем он сравнил ля со спектрами, которые получились бы при измерении свечения объектов, состоящих из аналогичных элементов, если бы эти объекты располагались непосредственно перед его носом. (Спектры элементов, составляющих туманность, уже были хорошо известны, так что повторять эксперимент ему не пришлось.) И оказалось, что результаты измерений были смещены относительно ожидаемого. Каждый штрих-код демонстрировал смещение влево или вправо.

Сдвиг спектра указывал на факт движения измеряемых объектов. При удалении источника света от наблюдателя кажется, что длины световых волн увеличиваются. В итоге свет выглядит более красным. И наоборот, если источник света движется на наблюдателя, его спектр сдвигается в сторону более коротких волн и он выглядит более синим. Это явление называется эффектом Доплера, и, скорее всего, вы слышали о нем в связи со звуковыми волнами. Представьте быстро едущую карету скорой помощи — звук ее сирены будет меняться по мере движения, становясь более низким по мере удаления от вас. Аналогичный эффект позволил Слайферу понять, как именно перемещаются объекты во Вселенной.

В целом полученные результаты Слайфера не удивили. Как он и ожидал, объекты перемещаются под действием гравитационного притяжения других объектов. После его первых измерений создалось ощущение, что одна из наиболее ярких туманностей, туманность Андромеды, движется по направлению к нам: ее свет демонстрировал фиолетовое смещение. Однако методичный Слайфер этим не ограничился и записал спектры еще ряда туманностей. Результат его озадачил — казалось, что почти все туманности от нас удаляются. Это была тенденция.

В 1924 году молодой шведский астроном Кнут Лундмарк взял данные Слайфера и сделал приблизительный подсчет расстояния до различных туманностей. Определить точные расстояния ему не удалось, но тенденция прослеживалась: чем дальше располагалась та или иная туманность, тем быстрее она двигалась.

И вот в 1927 году аббат Леметр заново вывел тенденцию, которая проявилась в модели де Ситтера и которую зафиксировал при своих наблюдениях Слайфер. Его расчеты показали, что измерения красных смещений и расстояний до далеких галактик должны выявить линейную зависимость между этими параметрами. Если откладывать расстояние по горизонтальной оси, а красное смещение — по вертикальной, то на графике все галактики выстроятся в почти прямую линию. Не зная о работах Фридмана, Леметр включил результаты в свою диссертацию и опубликовал их в безвестном бельгийском журнале. В свои расчеты он включил короткий раздел с обсуждением эмпирических данных и вычислением угла наклона обнаруженной им самим, Эддингтоном и Вейлем линейной зависимости. Указывающие на расширение эмпирические данные были предварительными и содержали серьезные ошибки, но прослеживающаяся тенденция казалась крайне перспективной.

К разочарованию Леметра, ведущие теоретики в области релятивизма, в том числе его бывший консультант Эддингтон, его статью полностью проигнорировали. Когда в том же году Леметр на одной из конференций встретил Эйнштейна, последний не высказал никакой заинтересованности и только любезно указал, что работа Леметра всего лишь воспроизводит открытие Александра Фридмана. Признавая корректность вычислений Фридмана, Эйнштейн считал странную расширяющуюся Вселенную математическим курьезом, не имеющим отношения к реальной Вселенной, которая, по его мнению, была статичной. Оценку работы Леметра он завершил уничижительным замечанием: «Ваши вычисления правильны, но ваше понимание физики отвратительно». После этого, по крайней мере на некоторое время, Вселенная Леметра была забыта.

Эдвина Хаббла куда больше уважали за его умение улаживать проблемы, чем за личное обаяние. Он учился в Чикагском университете, где, как он утверждал, стал чемпионом по боксу. Затем как стипендиат Родса он провел несколько лет в Оксфорде, подцепив там раздражающе искусственный британский акцент, с которым говорил до конца своих дней. Свои напыщенные манеры он довершал твидовым костюмом и трубкой — обязательными атрибутами английского эсквайра. После Оксфорда Хаббл, подобно Фридману с Леметром, участвовал в Первой мировой войне, но сразу после ее окончания добился успеха в профессиональной сфере.

В конце 1920-х годов люди обратили внимание на работы Хаббла, потому что несколькими годами ранее он натолкнулся на золотую жилу. В начале XX века было известно, что мы живем внутри огромного водоворота звезд, из которого состоит наша галактика. Это так называемый Млечный путь. Со временем у астрономов возник вопрос: а является ли Млечный путь единственной галактикой, одиноким островком в пустом пространстве или же в космосе существует множество галактик? При взгляде на небо легко заметить слабые таинственные световые пятна, те самые туманности, которые измерял Слайфер. Являются ли они развивающимися звездами Млечного пути или же это удаленные галактики в процессе становления? Второе означало, что Млечный путь — всего лишь одна из множества галактик.

Ответ на этот вопрос Хаббл нашел в процессе измерения расстояния до туманности Андромеды. Он понял, что в качестве опорных точек может воспользоваться очень яркими звездами, известными как цефеиды. Определив, насколько светимость цефеид в туманности Андромеды меньше светимости более близких звезд, он смог выяснить расстояние до этой туманности. Чем более тусклой выглядит звезда, тем дальше она должна находиться. Полученное Хабблом расстояние до Андромеды было громадным — почти миллион световых лет, что в пять или даже в десять раз превышало оценочное расстояние до Млечного пути. Значит, туманность Андромеды не могла быть частью Млечного пути, поскольку находилась слишком далеко. Напрашивалось естественное объяснение: это всего лишь еще одна галактика. И если оно было верным для Андромеды, оно могло оказаться верным и для множества остальных туманностей. Так в 1925 году единственный эксперимент Хаббла сильно увеличил размер Вселенной.

В 1927 году Хаббл принял участие во встрече Международного союза астрономов в Голландии. Он знал, какой шум поднял сделанный де Ситтером, Эддингтоном и Вейлем прогноз о наличии красного смещения в туманности и познакомился с измерениями Слайфера, которые можно было трактовать как первый намек на наличие данного эффекта. Опубликованная в 1924 году статья Лундмарка, в которой делалась попытка показать соотношение между скоростями и расстоянием, предшествовала проделанным Хабблом измерениям расстояния до Андромеды и была встречена скептически. Аббат Леметр использовал данные Хаббла в своей работе 1927 года, но она была опубликована в малоизвестном бельгийском журнале на французском языке, поэтому никто ее не читал. Хаббл увидел возможность включиться в процесс и самостоятельно открыть эффект де Ситтера, проигнорировав все предшествующие попытки и позиционировав себя как первооткрывателя.

Для этого он заручился поддержкой Милтона Хьюмасона, сотрудника обсерватории Маунт-Вилсон. Ночь за ночью Хьюмасон настраивал призмы телескопа, установленного в калифорнийских горах над Пасаденой, и снимал спектры. Это была неблагодарная работа. Под куполом было холодно и темно, а от железного пола у Хьюмасона немели и начинали ныть ноги. Болела спина, ведь смотреть в окуляр, пытаясь обнаружить спектральные линии выбранных туманностей, приходилось в неудобной позе. Он знал, что должен превзойти Слайфера, и поэтому рассматривал совсем тусклые туманности. Чем слабее было их свечение, тем дальше они могли находиться. Но инструмент, которым он пользовался, не был предназначен для подобной работы. Получение одного спектра занимало от двух до трех дней, в то время как другие телескопы позволяли делать то же самое за несколько часов.