Майкл Брукс - Тринадцать вещей, в которых нет ни малейшего смысла
В 1845 году французский астроном Урбен Жан Жозеф Леверье, известный как первооткрыватель Нептуна, изучал смещение перигелия Меркурия — ближайшей к Солнцу точки эллиптической орбиты планеты. Это явление, именуемое в астрономии прецессией, обусловлено гравитационным влиянием других тел Солнечной системы. Оно не уникально: то же происходит с любой планетой при каждом обороте вокруг Солнца. У Меркурия, однако, перигелий смещался с некоторым избытком. Когда Леверье вывел величину отклонения из закона Ньютона, та разошлась с результатами наблюдений на сорок три угловые секунды — немногим более сотой доли градуса — в столетие.
Заметить столь незначительное отклонение было для той эпохи настоящим подвигом — это все равно что предельно точно измерить диаметр однопенсовой монетки с дистанции в тридцать миль. Однако бурных восторгов не последовало: ученым предстояло найти причину неожиданной аномалии. Попробовали импровизировать. Сам Леверье решил — по всей вероятности, вдохновившись своим удачным предсказанием существования Нептуна, исходя из орбит других планет, — будто пути Меркурия свидетельствуют о наличии еще одного, пока не обнаруженного небесного тела. Другие предполагали неравномерное распределение солнечной массы или возмущение орбит, вызванное пылевыми облаками между Солнцем и Меркурием. Все было «мимо». Лишь в 1915 году Эйнштейн доказал, что столь массивные тела, как звезды, искривляют окружающее пространство, и тем самым объяснил отклонение ближайшей к Солнцу планеты.
С помощью одних лишь уравнений ОТО он рассчитал, что это искривление вкупе с гравитационными возмущениями других небесных тел дает для Меркурия прецессию перигелия в 42,9 угловых секунд за сто лет. Это послужило важным испытанием на прочность новаторской теории и привело к ее скорому триумфу. Джон Андерсон видит здесь урок и для тех, кто недооценивает потенциальную важность странного поведения «Пионеров».
Если аномалия имеет тривиальное объяснение, то Турышев со своей дотошностью докопается до него почти наверняка. Если же тут вмешалось нечто необычное — не поможет и самый тщательный отсев банальных вероятностей. История с прецессией Меркурия показала, что исключение тривиальностей само по себе еще не гарантирует успеха.
Хорошо, говорит Андерсон, пускай зонды дали недостаточно информации, чтобы выстроить целостную картину загадочных сил Вселенной, но даже если эта аномалия не приведет к прорыву в физике, она, во всяком случае, может пригодиться для проверки других теорий. Ведь Эйнштейн создавал ОТО не из-за проблем с перигелием, однако те сыграли важную роль в доказательстве правоты его радикальных идей. Если расчеты орбиты Меркурия облегчили одно из величайших научных озарений, то зонды «Пионер», вполне возможно, послужат той же цели.
Суждено ли совершиться внезапному прорыву? Пока мы располагаем данными, что состав Вселенной нам по большей части не известен; что многовековое учение, не исключено, потребует ревизии, а столкнуть с курса две космические станции — запущенные, кстати сказать, и для проверки законов Ньютона — могла неведомая сила. Томас Кун отнес бы все это к симптомам надвигающегося кризиса. Такое, конечно, неприятно отдает «скрипом небесных сфер», но, быть может, сулит изменить наше видение космоса в самом недалеком будущем.
Мысль захватывающая, однако никаких конкретных указаний на будущность науки она не дает. Все, что мы можем сделать, — это не оставлять усилий и складывать в копилку новые факты.
3. Постоянные склонны к переменам
Картина мира под вопросом
Помашите руками и убедитесь, не летите ли вы. Скорее всего, нет. Давление рук на воздух, направленное книзу, и противодействие в обратном направлении недостаточно сильны, чтобы вы преодолели земное притяжение. Необходимые физические величины диктуются законом всемирного тяготения Ньютона. (Независимо от его применимости на космологических расстояниях, здесь он работает превосходно.) Подъемная сила, нужная для полета, складывается из взаимодействия массы Земли, массы вашего тела, его расстояния от центра Земли и гравитационной постоянной, обозначаемой буквой G.
Уравнение Ньютона явилось результатом простого наблюдения: два тела притягивают друг друга, и G служит мерой силы этого притяжения. Любопытно, что данная константа не имеет теоретического объяснения. Ученые вывели ее экспериментальным путем, определив соотношение гравитации с другой известной силой — центробежной: той, что стремится сорвать Землю с орбиты. Но им не известно происхождение всемирного тяготения, а равно и то, почему его сила выражается именно этой величиной.
Гравитационная постоянная — пожалуй, самая известная из фундаментальных констант физики, коллекции чисел, которые описывают, насколько велики силы природы. Хотя все константы выведены эмпирически, а не из глубинного постижения природы вещей, они — неотъемлемая часть того, что мы называем законами физики: при описании природных явлений фундаментальные постоянные как раз и служат «законодательством». А поскольку мы привыкли думать, что взлететь, помахивая руками, человеку будет завтра не проще, чем сегодня, — то есть считаем законы вечными и неизменными, — то резонно предположить, что константы также не меняются со временем. Потому австралийский физик Джон Вебб связался с этой проблемой, можно сказать, на свой страх и риск.
Законы и константы помогают людям описать и освоить мир природы. Но что, если они изменяются с течением времени? Как говорит сам Вебб с ироническим смешком: «Кто сказал постоянным, что они всегда должны быть постоянными?»
Сейчас Джон Вебб — профессор в университете Нового Южного Уэльса в Сиднее, а впервые он занялся этим вопросом еще в те годы, когда учился в аспирантуре в Англии. Его научный руководитель, математик и космолог Джон Барроу, предложил Веббу заново рассмотреть проблему, впервые поднятую в 1930-е годы британским физиком Полом Дираком: всегда ли неизменны физические законы?
Универсальная теоретическая конструкция, именуемая стандартной моделью физики, оперирует двадцатью шестью числами, которые фигурируют в уравнениях, составленных для того, чтобы описать величины различных сил природы. Эти равенства выведены в ходе экспериментов, проделанных на поверхности планеты Земля, притом по преимуществу в двадцатом веке. Но кто поручится, что аналогичные опыты дали бы те же самые результаты, если бы они были поставлены на Альфе Центавра или даже в нашей Солнечной системе, но десятью миллиардами лет раньше?
Если требуется проверить, оставался ли объект неизменным в течение очень долгого времени, нужен как можно более старый образец. Вебб и Барроу быстро разыскали такой эталон: свет, испущенный 12 миллиардов лет назад квазарами — ядрами самых далеких и активных галактик. Световое излучение звезд описывает константа, известная под официальным именем «постоянная тонкой структуры», но чаще обозначаемая как альфа. Зафиксированное в наши дни свечение квазара соответствует альфе, какой она была все эти миллиарды лет назад, что и дает самый верный шанс «закрыть» вопрос Дирака. В 1999 году ответ, кажется, был получен.
Фотоны, принесшие его Джону Веббу, преодолели 12 миллиардов световых лет космоса, пока не добрались до гавайской обсерватории Кека на вершине горы Мауна-Кеа. Но самый большой интерес, как выяснилось, представляет не свет, попавший в линзы телескопа, а тот, что потерялся в пути. Так же, как Весто Слайфер в обсерватории Лоуэлла восемьюдесятью годами ранее, Вебб со своей группой составлял хроматические спектрограммы. Но в его «радуге» на месте некоторых цветов зияли пустые промежутки. Само по себе это не столь примечательно: следует ожидать, что в своем бесконечно долгом путешествии свет встретит те или иные препятствия — как правило, газовые облака, — которые поглощают волны строго определенной длины. Этот эффект и придает спектру такой вид, будто посреди оранжевой стены в вашей спальне декоратор оставил пару вертикальных пробелов.
Главной неожиданностью для Вебба оказалось то, что разрывы были «не на своих местах». Любой атом, будь он в межзвездном газовом облаке или на подошве ботинка, поглощает свет на строго определенных резонансных частотах. Для каждого вида атомов эти частоты индивидуальны, как отпечатки пальцев у людей. Таким образом, проанализировав спектр поглощения — то есть выяснив, что в нем есть и чего не хватает, — легко понять, с какими химическими элементами столкнулись фотоны на своем пути.
«Дактилоскопия» в спектрограмме Вебба соответствовала двум типам поглощения: можно было с уверенностью сказать, что свет квазара прошел через газовые облака, насыщенные магнием и железом. Но здесь обнаружилась проблема. В точности соответствуя известным распределениям, пустые промежутки в спектрограмме в то же время были слегка смещены, словно кто-то смазал всю картину. Одни спектральные линии сползли немного влево, другие — столь же незначительно вправо.
