Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
Да-да, конечно, общую картину гравитации нарисовал нам Ньютон несколько веков назад, однако с появлением теории относительности версия всемирного тяготения по Ньютону стала выглядеть несколько наивно. Во-первых, ньютонова гравитация распространяется с бесконечной скоростью. Если Галактус, пожиратель миров, поглотит целую звездную систему на дальнем конце галактики, то, согласно Ньютону, гравитационный эффект мы почувствуем мгновенно.
Однако Эйнштейн решительно положил этому конец своей теорией относительности. Гравитация не меньше электромагнетизма ограничена все той же скоростью света. Такое чувство, что специальная теория относительности заставила нас сделать шаг назад. До 1905 года мы считали, что прекрасно понимаем, как действует гравитация. А после 1905 года? Только руками развести.
Гравитация и свет пересекаются еще в одном отношении. Во вселенной есть объекты под названием черные дыры, и не говорите мне, что вы о них не слышали. А если вы знаете о них хоть что-нибудь, то имеете представление, что они такие плотные, что оттуда ничто не может вырваться, и в этом месте курсив означает глухой, зловещий, потусторонний голос: даже свет.
Черные дыры — идеальная гравитационная лаборатория. На первый взгляд они похожи на неостановимые пожирающие машины, которые в конце концов поглотят всю вселенную. Однако и черные дыры могут быть нежными и ранимыми — в какой-то момент они могут и вовсе стушеваться. Чтобы разобраться, каким образом, нам придется сделать еще одну вылазку в область симметрии. Начнем с одного из крупных вопросов без ответа из специальной теории относительности.
Парадокс близнецов
Всего через несколько лет после создания специальной теории относительности Эйнштейн придумал симпатичный мысленный эксперимент, немного похожий на набросок сюжета для фантастического рассказа.
Если поместить живой организм в ящик… можно устроить так, что этот организм после полета произвольной продолжительности вернется в отправную точку и при этом не очень изменится, в то время как такие же организмы, оставшиеся на прежнем месте, с тех пор давно уже успеют дать жизнь новым поколениям. Для двигавшегося организма длительное путешествие прошло бы в одно мгновение — если бы движение происходило со скоростью, близкой к скорости света.
Если пересказать эту историю чуть иначе, получится знаменитый парадокс близнецов. Сюжет примерно таков. Жили-были близняшки Эмили и Бонни. В один прекрасный день Бонни садится в космический корабль — звездолет «Восхитительный» — и направляется на Вулкан со скоростью в 90 % скорости света. Бонни летит туда с простой дипломатической миссией, так что покинуть корабль ей придется всего на несколько минут, а потом она развернется и полетит домой. Да, понимаю, мне тоже кажется, что это пустая трата времени и сил.
Путь до Вулкана — 16 световых лет — занимает у Бонни чуть меньше 18 лет. С учетом обратной дороги триумфальное возвращение на Землю у Бонни происходит примерно через 35 лет, 6 месяцев и 18 дней. Сойдя по трапу, Бонни обнаруживает, что ее друзья и родные соответственным образом постарели. Но вот неожиданность — первая из череды неприятных открытий: Бонни выглядит гораздо моложе своей сестры-близняшки. Она постарела всего лишь на 15 с небольшим лет, и воспоминаний у нее накопилось тоже только на 15 лет. Память бортового компьютера тоже содержит данных всего на 15 лет — и т. д. Похоже, что время на борту «Восхитительного» шло в два с лишним раза медленнее, чем на Земле, а одометр зафиксировал расстояние меньше чем в половину ожидаемого.
Искажение пространства и времени — это очень странно и жутко, однако не сразу понятно, почему речь идет именно о парадоксе близнецов, а не о «жуткой, конечно, истории, но на свете часто случаются жуткие истории, поэтому держись и не ломайся под ударами судьбы» близнецов. В частности, самого Эйнштейна эта коллизия не особенно тревожила — он считал, что это не более чем занятный побочный эффект жизни в релятивистской вселенной.
А теперь я познакомлю вас со второй неприятной неожиданностью. Первый постулат специальной теории относительности — допущение, которое, собственно, и позволило нам додуматься до всех этих жутких результатов — состоял в том, что мы вроде бы не должны понимать, кто движется, а кто неподвижен. Точки зрения двух астронавтов, пролетающих мимо друг друга, идеально симметричны. Каждому из них кажется, будто он неподвижен, а второй летит. Нет никакого объективного способа отличить одну точку зрения от другой.
Однако совершенно очевидно, что Бонни объективно двигалась, а Эмили — нет. По возвращении Бонни оказалась моложе сестры-близнеца. Решение парадокса дается мелким шрифтом. Постулаты Эйнштейна основаны на точке зрения наблюдателей в инерциальной системе отсчета. А мир Бонни не может быть описан в рамках специальной теории относительности, поскольку Бонни пришлось разгоняться и тормозить, а Эмили — нет.
Парадокс близнецов
Физика разгона и торможения — то есть физика ускорения — некоторым образом связана с той черной дырой, которую вскрыла специальная теория относительности: с вопросом о том, как устроена гравитация.
Чтобы восполнить этот пробел и объяснить про ускорение, Эйнштейн разработал общую теорию относительности. Общая теория относительности, как и специальная и более или менее все остальное, построена на симметриях. Но в этом случае роль симметрий так важна, что они стали главным мотивом, побудившим Эмми Нётер отправиться в Геттинген и разработать там теорему, названную в ее честь.
Чтобы понять, откуда взялась общая теория относительности и как она вписывается в сюжет о симметриях в целом, мне хотелось бы уделить несколько минут беседе об одной особенности большинства научно-фантастических фильмов, от которой я просто на стенку лезу.
Искусственная гравитация
Предположим, вы хотите снять фильм, действие которого происходит в космосе. Никакой гравитации в глубоком космосе нет, что очевидно: отчасти именно поэтому там так здорово[68]. Понятно, что продюсер решит сэкономить и не брать напрокат настоящий звездолет, а вписать в сценарий какой-нибудь «генератор гравитации», чтобы актеры могли спокойно разгуливать по декорациям в павильоне.
Лично мне претит не то, что искусственная гравитация не играет никакой роли в фильме и, в сущности, не нужна, а то, как это делается. Может показаться, будто создать искусственную гравитацию очень сложно или даже невозможно, будто это что-то на уровне гиперпространственного двигателя или нуль-транспортировки, но на самом деле это так просто, что даже Ньютон 300 лет назад вполне мог предложить действующий генератор. С этой задачей прекрасно справился Артур Кларк в «Космической Одиссее‑2001». Боже мой, да даже в «Вавилоне‑5» все правильно показано, а его гоняли по TNT[69]!
Нужно всего-навсего сделать вращающуюся космическую станцию, и ее внешняя сторона станет полом. Если вы хоть раз бывали в парке аттракционов и катались там на «Гравитоне», то понимаете, о чем я говорю. Чем быстрее вращение, тем сильнее искусственная гравитация.
Для частицы естественно двигаться прямолинейно и равномерно. Если корабль вращается и если радиус у него достаточно велик, вы будете ощущать привычную и уютную искусственную гравитацию, поскольку пол под ногами меняет направление, когда вы поворачиваете. Единственный «конструкторский недочет» состоит в том, что если корабль слишком мал, голове достанется значительно меньше «гравитации», чем ногам.
В сущности, и вращать звездолет не обязательно, хватит любого ускорения. Поднимающийся лифт создает небольшую искусственную гравитацию, когда трогается, и небольшую антигравитацию, когда вы прибываете на нужный этаж. Можно сделать очень славный генератор гравитации, если звездолет будет всего-навсего полдороги разгоняться, а вторую половину тормозить. В начале «низом» послужит задняя часть корабля. Осложнения возникнут лишь в середине пути, когда корабль начнет тормозить и вас с командой потянет в сторону передней части, которая станет новым «низом».
Я не собираюсь делать вид, будто искусственная гравитация — это повод жаловаться на все недочеты и погрешности в кино. Честное слово, я не из таких. Я начал разговор о ней для того, чтобы разобраться, какое отношение друг к другу имеют искусственная и естественная гравитация. Более того, мы можем легко и просто симулировать не только гравитацию, но и, наоборот, невесомость. Иными словами, между искусственной и настоящей гравитацией существует определенная симметрия.
Как вам, наверное, известно, в программу тренировки астронавтов входят полеты на особых самолетах, где искусственно симулируют пониженную гравитацию; официально эти самолеты называются «Невесомое чудо» (Weightless Wonder), а неофициально — «Рвототрон» (Vomit Comet). Это воздушное судно взмывает на большую высоту на высокой скорости, а потом, за неимением более удачного выражения, глушит двигатели[70]. Некоторое время судно пребывает в состоянии свободного падения — а это всего лишь ученое выражение, которое означает, что судно со всем его содержимым оказываются во власти чистой и необузданной силы гравитации Земли. Во время свободного падения астронавты ощущают невесомость. Еще бы! Они же падают с той же скоростью, что и корабль, так что с относительной точки зрения просто парят внутри.
