Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

К счастью, на сегодняшний день в нашей Солнечной системе установилось некоторое затишье и каждая планета нашла более или менее стабильное место. Нет никаких оснований опасаться, что одна из планет может в обозримом будущем в какой‐то момент покинуть Солнечную систему, и даже маленький Меркурий кажется достаточно устойчивым, чтобы противостоять гравитационным атакам более крупных планет, – именно потому, что он хорошо и надежно обустроился поблизости от горячего Солнца.
Математически мы рассматриваем взаимное притяжение и отталкивание планет друг от друга как незначительные возмущения, которые возможно рассчитать. Эллиптические орбиты постепенно смещаются относительно друг друга, так что в определенных пределах можно точно предсказать прецессию перигелия каждой из них. В течение нескольких столетий, за которые у нас накопились измерения, вклад компоненты, связанной с хаосом, в движение планет должен быть исчезающе малым. Эти расчеты, основанные на теории возмущений, успешно применялись в небесной механике и привели в 1846 году к открытию Нептуна [44].
Давайте ненадолго вернемся в XIX век. Астрономы подробно рассчитали орбиты всех планет… Ну, не то чтобы всех… Одна маленькая непокорная планета по‐прежнему скрывала от астрономов свои секреты. Если учесть влияние всех остальных планет, то ось эллиптической орбиты Меркурия должна поворачиваться на 5,32 угловой секунды в год. Однако на самом деле она поворачивается со скоростью 5,74 угловой секунды в год – годовое расхождение составляет 0,42 угловой секунды.
Давайте представим себе, насколько ничтожна эта разница. Если вы делите именинный торт на двенадцать частей, то каждая часть будет представлять собой сектор с углом в 30 градусов. Затем, если вы сможете разделить каждый кусок на 1800 секторов, угол в каждом из них будет равен одной угловой минуте. А если каждый из полученных секторов снова разделить на 60 секторов, то угол в каждом из них будет равен угловой секунде. Если мы ошибемся на 0,4 угловой секунды и один кусок у нас получится больше других на этот угол, то, при диаметре торта 30 сантиметров, его толщина будет в 300 раз меньше толщины человеческого волоса.
Вы должны быть настоящим педантом, чтобы придраться к результату при таком маленьком несоответствии. Но даже минимальная разница со временем накапливается, и такого рода вещи настораживают физиков. Если результаты измерений для орбиты Меркурия не согласовывались с теорией, то либо измерения были неточными, либо теория ошибочна. Может быть, кто‐то упустил какую‐то крошечную деталь? Если да, то какую, где и почему?
Долгое время виновником этого несоответствия считалась загадочная неизвестная планета на близкой к Солнцу орбите. У астрономов даже было придумано для нее название: Вулкан, – и тогда, конечно же, его жители именовались бы вулканцами. Однако в конце концов вулканцы оказались вытесненными в научную фантастику [45], и все потому, что у некоего молодого патентного клерка второго класса [46] появилась на этот счет совершенно новая, революционная идея.
Космос – это просто простыня
В начале ХХ века Эйнштейн подвел под наше представление о пространстве и времени совершенно новую базу, включив классическую физику в свою новую теорию относительности [47]. Эйнштейн по натуре вовсе не был одиноким гением, полностью поглощенным работой над своим главным открытием. Напротив, он был жизнерадостным человеком слегка богемного типа – этаким интересовавшимся общественной жизнью интеллектуалом. В 1896 году он поступил в Швейцарскую высшую техническую школу (ныне – Федеральный Технологический институт) в Цюрихе, где встретился с учившейся там же Милевой Марич [48]. В интеллектуальном отношении Эйнштейн считал молодую женщину-физика равной себе, а когда дело касалось экспериментальной физики, то даже признавал первенство Марич. Они поженились, как только Альберт устроился на свою первую работу. Милева и Альберт часами сидели, разговаривая и читая вместе философские книги; свои первые статьи они, вероятно, писали тоже вместе, хотя в авторах значился только Альберт.
 
Неужели Милева решила отойти в тень, чтобы не мешать карьере мужа? Некоторые полагают, что по нынешним стандартам Милева должна была быть соавтором статей. “Мне нужна моя жена, она решает все мои математические задачи”, – так говорил Альберт в начале своей карьеры. Но не исключено, что Милева прежде всего думала об их общем будущем. Когда ее однажды спросили, почему ее имя не появилось рядом с именем Эйнштейна в патентной заявке, над которой они работали вместе, она ответила: “В конце концов, мы двое – просто ein Stein” [49]. В то время женщине, безусловно, было куда труднее (если вообще возможно) сделать карьеру в области физики, чем мужчине. Сегодня историки все еще спорят о том, насколько велик оказался научный вклад Милевы в теории Эйнштейна, но он определенно не был незначительным. Нам недостает источников, чтобы делать какой‐то однозначный вывод. Эйнштейн переписывался со многими физиками, и эти письма можно найти в его архиве, но вы не сможете отыскать там следы идей, что обсуждались дома за кухонным столом.
На первую после колледжа работу в ныне знаменитое патентное бюро Берна Эйнштейн устроился с помощью отца своего однокурсника Марселя Гроссмана. И вскоре, в 1905‐м – в свой “год чудес”! – уже опубликовал пять абсолютно революционных трудов. За один из них – о природе света – Эйнштейн в 1921 году был награжден Нобелевской премией с формулировкой “за открытие закона фотоэлектрического эффекта”. В другой его работе утверждалось, что масса и энергия эквивалентны, – уравнение E=mc2, возможно, до сих пор остается самой известной физической формулой в мире. Наконец, в том же 1905 году появилась статья по специальной теории относительности, в которой Эйнштейн показал, что время и пространство относительны и изменяются в соответствии с относительной скоростью наблюдателя. Но и на этом молодой ученый не остановился.
Еще до того, как настал великий для Эйнштейна день, открытое им релятивистское сокращение длины уже поставило под сомнение абсолютную природу пространства. Следующий шаг подсказали ньютоновские вращающееся ведро и карусель. Ньютон однажды задумался над любопытными свойствами вращающегося ведра с водой. Эйнштейн продвинулся в этом вопросе дальше и определил, что для вращающегося круга из‐за сокращения длины соотношение между длиной окружности и его диаметром обязательно зависит от положения наблюдателя.
Давайте представим карусель в форме круга на ярмарке с осью посередине и множеством детей, сидящих верхом на ракетах и деревянных лошадках, а также в ярких полицейских машинках, прикрепленных к вращающемуся полу. Если девочка, ожидающая у билетной кассы, измерит окружность и диаметр круглой карусели рулеткой, она обнаружит, что длина окружности пропорциональна ее диаметру и коэффициент пропорциональности равен известному числу π (пи).
А если бы какой‐нибудь мальчик, сидящий на ракете на самой карусели и вращающийся вместе с ней по кругу, измерил окружность рулеткой, а девочка, стоящая неподвижно у билетной кассы, сравнила бы его результаты со своими, она подумала бы, что длина окружности стала меньше. Из-за релятивистского сокращения длины измерительная лента покажется ей короче. Эта кажущаяся измеренная длина зависит от направления движения. Длина окружности карусели, измеренная рулеткой в направлении движения, кажется короче, а диаметр, измеренный в перпендикулярном к движению направлении, – нет. Таким образом, коэффициент пропорциональности между длиной окружности и диаметром больше не равен π. Это поразительно! С неподвижными кругами такого не происходит, и длина их окружности всегда равна π х d, то есть π, умноженному на диаметр.