Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности
За прошедшие с момента встречи с Сиамой в ресторане Кингсвуд в Кембридже десять лет Пенроуз превратил свои диаграммы в набор правил, определяющих распространение в пространстве-времени света и любой другой материи. Он мог взять произвольное пространство-время и по ряду его основных свойств и виду содержащейся в нем материи узнать, что именно там будет происходить — коллапс и превращение в точку или взрыв и расширение до бесконечности. Применив свои правила к вопросу гравитационного коллапса, который Уиллер называл «проблемой конечного состояния», он получил неоспоримый результат — сингулярность. В итоге появилась статья «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности», отправленная в журнал Physical Review Letters. Как он писал в этой статье: «Отклонения от сферической симметрии не могут препятствовать формированию пространственно-временных сингулярностей». Даже почти полвека спустя эта работа считается шедевром краткости, ясности и строгости: идеальная статья объемом чуть менее трех страниц с краткой постановкой задачи, математическим инструментарием и небольшим абзацем с доказательством. Все проиллюстрировано фирменными диаграммами Пенроуза.
На момент доклада Халатникова Пенроуз уже отправил статью в журнал. Ее вот-вот должны были принять и опубликовать в декабре текущего года, но представленные там приемы были незнакомы большинству собравшихся релятивистов, особенно русским. Когда один из учеников Джона Уиллера, Чарльз Мизнер, взялся оспорить Халатникова, оперируя данными Пенроуза, у него ничего не получилось. Русские с недоверием отнеслись к результатам Пенроуза и отказались признать свой подход ошибочным. «Я спрятался в углу, — вспоминал Пенроуз, — так как чувствовал крайнее смущение».
Однако Пенроуз был прав. И вывод, который теперь называют теоремой Пенроуза, имел далеко идущие последствия. Он гласил, что если общая теория относительности верна, то во Вселенной должны существовать решения Шварцшильда и Керра, эти странные варианты пространства-времени с сингулярностью в центре. Они не были чисто математическими конструкциями. Эйнштейн и Эддингтон ошибались. Четырьмя годами позже свое поражение признали и Халатников с Лившицом. В 1969 году они повторили свои вычисления, на этот раз с одним из своих студентов, Владимиром Белинским. К их ужасу, там обнаружилась ошибка. И если в 1961 году они считали коллапс, приводящий к формированию сингулярности, специфическим и неестественным явлением, которого не могло существовать в нашем мире, с Белинским были получены противоположные результаты. Они по-своему подтвердили теорему Пенроуза: сингулярности формируются всегда. Советские ученые опубликовали полученные результаты на западе, публично признав свою ошибку.
Так Пенроуз доказал неизбежность сингулярностей при гравитационном коллапсе и ответил на вопрос Уиллера о конечном состоянии. Вскоре появилось и более глубокое подтверждение.
Когда сорвалась первая попытка Мартина Райла путем измерения радиоисточников опровергнуть господствующую в Кембридже теорию стационарного состояния, он улучшил результаты измерений. В 1961 году вышел каталог 4С, и большинство радиоастрономов согласилось с тем, что многие из ранее имевшихся неточностей в данных теперь исправлены. Однако конец концепции стационарной Вселенной инициировали ее же сторонники.
Деннис Сиама был активным поборником теории Хойла. Будучи в восторге от квазаров, он дал своему ученику, Мартину Рису, задачу с разных сторон изучить новые измерения Райла. Рис использовал более простой и наглядный подход, чем предпринятое Райлом рассмотрение числа квазаров как функции от потока. Вместо этого он взял подмножество из тридцати пяти квазаров с измеренным красным смещением и поделил его на три группы. В первую группу попали близкие к Земле во временном и пространственном смысле квазары с маленьким смещением. Вторую группу составили квазары со средним смещением, третья же была составлена из объектов с большим смещением, зафиксированных в отдаленном прошлом.
Идея Риса была простой, но удивительно рациональной. В модели стационарной Вселенной, в которой Вселенная со временем не меняется, в каждую из групп должно было попасть примерно одинаковое количество квазаров. Но в действительности в ближайшем к нам временном промежутке квазаров почти не оказалось. Почти все они попали в последнюю группу. Другими словами, судя по всему, количество квазаров со временем менялось — больше всего их оказалось в прошлом, — а значит, Вселенная не могла находиться в стационарном состоянии. График однозначно показал, что эта концепция не работала. «Это был график, изменивший точку зрения Денниса», — вспоминал Рис. С этого момента Сиама уверовал в теорию Леметра, или, как выражался на своих лекциях Хойл, в Большой взрыв и во всё, что из этого следовало.
Последний гвоздь в крышку гроба стационарной теории забили в Нью-Джерси. Арно Пензиас и Роберт Вильсон в одной из лабораторий Белла в Холмделе работали над новым типом антенн. Они хотели модернизировать антенну, этот огромный приемник радиоволн, и использовать ее для галактических измерений. Для составления точной карты Млечного Пути первым делом требовалось определить точность инструментов. Поэтому они направили антенну в пустоту и начали смотреть, насколько хорошую видимость она обеспечивает.
Но пустоты они не обнаружили. Пензиас и Вильсон кое-что увидели, точнее услышали: низкий, мягкий свист, исходящий из пустого пространства. И как они ни регулировали свои инструменты, избавиться от свиста не удавалось. Случайно эти двое наткнулись на след ранней Вселенной, отголоски Большого взрыва.
В конце 1940-х работающий в США русский физик Георгий Гамов предсказал существование пронизывающего всю Вселенную очень холодного света. Он начал с идеи аббата Леметра, утверждавшего, что Вселенная изначально представляла собой горячий, плотный суп, из которого в конце концов появились все прочие элементы. Аргументация была следующей. Представьте Вселенную в ее простейшем состоянии, полную исключительно атомами водорода. Каждый такой атом представляет собой элементарный строительный кирпичик для остальных элементов — удерживаемые электромагнитной силой протон и электрон. Если облучить такой атом достаточным количеством энергии, из ядра можно выбить электрон, оставив одинокий протон плавать в пространстве.
Теперь представим сконденсированный в горячей ванне газ из атомов водорода. Эти атомы будут сталкиваться, перемещаться с места на место и подвергаться бомбардировке энергичными фотонами из носящихся вокруг лучей света. И чем выше температура этой ванны, тем с большей вероятностью электроны будут отрываться от протонов. В очень горячей среде целых атомов водорода практически не останется. Вместо водородного газа Вселенная заполнится свободными протонами и электронами. На ранних стадиях существования Вселенной, когда ее температура превышала несколько тысяч градусов, ее наполняли в основном свободные протоны и электроны. Со временем Вселенная остывала, и электроны связывались ядрами, формируя в основном атомы водорода и гелия, а также крайне небольшое количество более тяжелых элементов и слабый, практически невидимый фоновый свет. Именно его увидели Арно Пензиас и Роберт Вильсон — четкое свидетельство горячего, сконденсированного состояния ранних времен. Это достаточно наглядно доказывало существование Большого взрыва, как пренебрежительно выражался Хойл, а решающий шаг в этом направлении сделал еще один ученик Денниса Сиамы — Стивен Хокинг.
Молодой Хокинг чем-то напоминал Эйнштейна, и именно так его часто называли друзья детства. Он не блистал в школе, был расслабленным, игривым и озорным худеньким мальчиком, который часто нарушал общий порядок и получал удовольствие, развлекая своих товарищей. Но постепенно его все больше начала привлекать наука, и подав документы в Оксфорд, он блестяще прошел вступительные экзамены и собеседование. Учебу он находил до смешного легкой, успевая достаточно хорошо, чтобы произвести впечатление на преподавателей и лекторов. Уже в Кембридже, работая под руководством Сиамы над своей докторской диссертацией, Хокинг обратится к космосу и обнаружил вытекающее из открытия Пензиаса и Вильсона важное следствие.
Стивен Хокинг был на год старше Мартина Риса, и математика общей теории относительности просто очаровала его. Еще в начале работы над докторской диссертацией у него диагностировали болезнь Лу Герига, боковой амиотрофический склероз, и сообщили, что жить ему осталось всего около двух лет. Сначала эта новость совершенно деморализовала его, но потом он решил, что по крайней мере еще два года для работы над диссертацией у него есть. Проблемы со здоровьем заставили его сосредоточиться на работе и попытаться понять, что же на самом деле происходило в начале расширения Вселенной — в сам момент Большого взрыва. Не являются ли сингулярности неизбежным условием не только конечного состояния Уиллера, но и начала времен?
