Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
Лазерные детекторы в LIGO очень похожи на устройство, которое использовали на заре XX в. Майкельсон и Морли в попытке обнаружить эфирный ветер; основная разница – то, что вместо обычного светового луча используется луч лазера. Лазерный луч расщепляется на два отдельных луча, которые далее идут перпендикулярно друг другу. Затем, отразившись от зеркала, они вновь соединяются. Если через интерферометр пройдет гравитационная волна, длины путей двух лазерных лучей претерпят возмущение и это отразится в их интерференционной картине. Чтобы убедиться в том, что сигнал, зарегистрированный лазерной установкой, не случаен, детекторы следует разместить в разных точках Земли. Только под действием гигантской гравитационной волны, намного превышающей по размеру нашу планету, все детекторы сработают одновременно.
Когда-нибудь NASA и ЕКА разместят серию аналогичных лазерных детекторов в открытом космосе. NASA планирует запустить три спутника под общим названием LISA («Лазерная интерферометрическая космическая антенна»)[29]. Они должны обращаться вокруг Солнца примерно на орбите Земли, образовав равносторонний треугольник (со стороной около 5 млн км). Система будет настолько чувствительной, что сможет регистрировать колебания в одну долю из миллиарда триллионов (соответствующую сдвигу в одну сотую атомного диаметра); с ее помощью ученые получат возможность зарегистрировать первичные гравитационные волны от Большого взрыва. Если все пойдет хорошо, LISA поможет разобраться в событиях, происходивших в первую триллионную долю секунды после Большого взрыва. Возможно, это будет самый мощный из космологических инструментов, исследующих рождение Вселенной. Это важно; считается, что LISA поможет получить первые экспериментальные данные о конкретной природе единой теории поля – теории всего.
Еще одним инструментом науки, введенным с подачи Эйнштейна, стали гравитационные линзы. Еще в 1936 г. Эйнштейн доказал, что близлежащие галактики могут, как гигантские линзы, фокусировать свет далеких объектов. Прошло немало десятилетий, прежде чем предсказанное Эйнштейном явление линзирования было обнаружено в реальности. Первый прорыв произошел в 1979 г., когда при наблюдении квазара Q0957+561 астрономы обнаружили, что пространство вокруг него искривляется и работает как линза, концентрируя свет.
В 1988 г. имело место первое наблюдение «кольца Эйнштейна» от радиоисточника MG1131+0456, и после этого насчитывается еще около двадцати наблюдений, в основном фрагментов колец. В 1997 г. первые полные замкнутые кольца Эйнштейна наблюдали с помощью телескопа «Хаббл» и британского комплекса радиотелескопов MERLIN («Многоэлементная связанная радиоинтерферометрическая сеть»). Наблюдая отдаленную галактику 1938+666, они обнаружили вокруг нее характерное кольцо. «На первый взгляд оно казалось искусственным, и мы подумали, что это какой-то дефект изображения, но затем поняли, что видим перед собой идеальное кольцо Эйнштейна!» – сказал доктор Иэн Браун из Университета Манчестера. Астрономы Великобритании, в восторге от этого открытия, дали картинке название «бычий глаз»[30]. Колечко, надо сказать, крохотное. Его размер составляет всего одну угловую секунду, что примерно соответствует мелкой монете, если рассматривать ее с расстояния три километра. Однако это прямое подтверждение предсказания, сделанного Эйнштейном несколько десятилетий назад.
Один из крупнейших прорывов в общей теории относительности произошел в области космологии. В 1965 г. два физика – Роберт Вильсон и Арно Пензиас – при помощи рупорного радиотелескопа в Нью-Джерси, принадлежащего Лаборатории Белла, зарегистрировали слабое микроволновое излучение из космоса. Эти исследователи никогда не слышали о новаторской работе Гамова и его учеников и случайно, сами того не понимая, поймали космическое излучение Большого взрыва. (Согласно легенде, они подумали, что видят помехи от птичьего помета, которым была усеяна в ту пору антенна их радиотелескопа. Позже физик из Принстона Роберт Дикке верно идентифицировал это излучение как микроволновое фоновое излучение Гамова.) Пензиас и Уилсон за свое открытие были удостоены Нобелевской премии.
Годы спустя специализированный космический аппарат COBE («Исследователь космического фона»), запущенный в 1989 г., дал нам подробнейшую картину микроволнового реликтового излучения, имеющего, как выяснилось, чрезвычайно гладкое распределение. Когда физики под руководством Джорджа Смута из Калифорнийского университета в Беркли тщательно проанализировали все, даже самые слабые «морщинки» на этом гладком фоне, они получили замечательную фотографию реликтового излучения Вселенной в возрасте всего лишь около 400 000 лет. Средства массовой информации ошибочно назвали эту картину «лицом Бога». (На этой фотографии запечатлено не лицо Бога, а «младенческое состояние» Большого взрыва.)
В этой картине интересно то, что ее «рябь», вероятно, соответствует крохотным квантовым флуктуациям в ходе Большого взрыва. Согласно принципу неопределенности, начало Вселенной не могло быть похоже на совершенно симметричный взрыв, поскольку квантовые эффекты непременно должны были породить неоднородности определенного размера. Именно это, вообще говоря, и обнаружила группа из Беркли. (Более того, если бы они не обнаружили никаких неоднородностей, это стало бы серьезным аргументом против принципа неопределенности.) «Рябь» не только показала, что принцип неопределенности действовал и при рождении Вселенной, но также снабдила ученых правдоподобным механизмом возникновения нашей «комковатой Вселенной». Оглядываясь вокруг, мы видим, что галактики объединены в скопления, образуя таким образом грубую текстуру Вселенной. Эту комковатость, скорее всего, можно без труда объяснить рябью от Большого взрыва, которая как бы растянулась по мере расширения Вселенной. Следовательно, скопления галактик в космосе – это, вполне возможно, следы изначальной ряби в структуре Большого взрыва, порожденной принципом неопределенности.
Однако, может быть, самое эффектное возвращение к работам Эйнштейна произошло в связи с «темной энергией». Как мы уже видели, Эйнштейн ввел концепцию космологической константы (или энергии вакуума) в 1917 г., чтобы избавиться от расширения Вселенной. (Вспомним, что существуют только два понятия, разрешенных условием общей ковариантности, – кривизна Риччи и объем пространства-времени, так что космологический член уравнения не так легко отбросить.) Позже, когда Эдвин Хаббл показал, что Вселенная на самом деле расширяется, автор концепции назвал ее своей самой серьезной ошибкой. Однако данные, полученные в 2000 г., позволили утверждать, что Эйнштейн, скорее всего, все-таки был прав: космологическая константа не только существует, но темная энергия, вероятно, представляет собой крупнейший источник материи/энергии во всей Вселенной. Анализируя сверхновые в далеких галактиках, астрономы смогли рассчитать, как изменялась скорость расширения Вселенной на протяжении миллиардов лет. К своему немалому удивлению, они обнаружили, что расширение Вселенной, вместо того чтобы замедляться, как ожидали многие, на самом деле ускоряется. Наша Вселенная идет вразнос и будет расширяться вечно. Таким образом, мы вполне можем предсказать, как она погибнет.
