Вы здесь

Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности


Глава 14. Вверх в небеса и вниз на землю

Эксперименты с пространством и временем


Мы прошли долгий путь со времён Эмпедокла из Агридженто, объяснявшего Вселенную с помощью земли, воздуха, огня и воды. И бо́льшая часть достигнутого нами прогресса, со времён Ньютона и до революционных открытий XX в., впечатляюще подкреплялась экспериментальным подтверждением точных и детальных теоретических предсказаний. Но с середины 80-х гг. XX в. мы стали жертвами собственного успеха. В непрестанном стремлении ещё дальше продвинуть границы понимания наши теории достигли областей, недостижимых для современной технологии.

Тем не менее при должном усердии и удаче многие передовые идеи будут проверены в течение следующих десятилетий. Как мы увидим в данной главе, планируемые или проводимые сейчас эксперименты могут пролить свет на существование дополнительных измерений, на состав тёмной материи и тёмной энергии, на происхождение массы и на океан Хиггса, на космологию ранней Вселенной, на суперсимметрию и, возможно, на достоверность самой теории струн. И если нам чуть больше улыбнётся удача, то могут быть окончательно проверены некоторые многообещающие передовые идеи, касающиеся единой теории, природы пространства и времени и нашего космического начала.


Эйнштейновское увлечение


В течение десятилетий, направленных на создание общей теории относительности, Эйнштейн черпал своё вдохновение из множества источников. Самой влиятельной оказалась геометрия кривых поверхностей, разработанная в XIX в. рядом математических светил, включая Карла Фридриха Гаусса, Яноша Бояи, Николая Лобачевского и Георга Бернхарда Римана. Как мы говорили в главе 3, Эйнштейн также был вдохновлён идеями Эрнста Маха. Напомним, что Мах отстаивал реляционную концепцию пространства: в его представлении пространство служит языком для определения положения одного объекта по отношению к другому, но само оно не является независимой сущностью. Сначала Эйнштейн был твёрдым сторонником точки зрения Маха, поскольку она отражала крайнюю степень относительности, которая могла бы быть поддержана теорией относительности. Но со временем Эйнштейн осознал, что общая теория относительности не полностью включает в себя идеи Маха. Согласно общей теории относительности поверхность воды в ведре Ньютона, вращающемся в совершенно пустом пространстве, примет вогнутую форму, и это конфликтует с чисто реляционной точкой зрения, поскольку подразумевает концепцию абсолютного ускорения. Но всё же общая теория относительности действительно включает в себя некоторые элементы точки зрения Маха, и в ближайшие несколько лет планируется провести эксперимент, который разрабатывался в течение сорока лет и обойдётся в более чем 500 млн долларов. В этом эксперименте будет проверено одно из главных положений во взглядах Маха.

Ещё в 1918 г. австрийские физики Джозеф Ленс и Ханс Тирринг на основе общей теории относительности показали, что, подобно тому как массивные объекты искривляют пространство и время (подобно шару для игры в боулинг, положенному на батут), так и вращающиеся предметы увлекают за собой пространство (и время), подобно вращающемуся камню, погружённому в ведро с сиропом. Этот эффект, названный эффектом увлечения инерциальной системы отсчёта, означает, к примеру, что астероид, свободно падающий на быстро вращающуюся нейтронную звезду или чёрную дыру, будет захвачен в воронку вращающегося пространства и начнёт двигаться по скрученной траектории. Название эффекта связано с тем, что с точки зрения астероида (в системе отсчёта, связанной с астероидом) его вовсе ничего никуда не увлекает, а падает он прямо вниз по координатной сетке. Но поскольку пространство закручено (как на рис. 14.1), то и сетка загибается, из-за чего понятие «прямо вниз» с точки зрения астероида отличается от этого понятия с точки зрения отдалённого наблюдателя.

Рис. 14.1. Вращающийся массивный объект увлекает за собой пространство (свободно падающую систему отсчёта)

Чтобы увидеть связь с точкой зрения Маха, подумайте об эффекте увлечения, вызываемом вращающимся массивным объектом, но полым внутри. Расчёты, начатые Эйнштейном в 1912 г. (ещё даже до завершения общей теории относительности), затем значительно продвинутые в 1965 г. Дитером Бриллом и Джеффри Коэном и окончательно завершённые в 1985 г. немецкими физиками Гербертом Пфистером и К. Брауном, показали, что пространство внутри полой сферы тоже будет захватываться вращательным движением и закручиваться как в водовороте.{184} Если неподвижное ведро с водой (неподвижное по отношению к удалённому наблюдателю) поместить внутрь такой вращающейся сферы, то, согласно расчётам, вращающееся пространство окажет силовое воздействие на неподвижную воду, вынудив её приподняться вблизи стенки ведра, из-за чего поверхность воды примет вогнутую форму.

Этот результат безмерно порадовал бы Маха. Хотя ему могло бы не понравиться описание в терминах «вращающегося пространства» (поскольку эта фраза подразумевает, что пространство является некой сущностью), но его чрезвычайно обрадовал бы тот факт, что именно относительное вращательное движение между сферой и ведром вызывает изменение формы поверхности воды. Действительно, если масса сферической оболочки достаточно велика, так что оказываемое ею гравитационное воздействие сравнимо с гравитационным воздействием со стороны всей Вселенной, то, согласно расчётам, не важно, считать ли сферу вращающейся вокруг ведра или ведро вращающимся внутри сферы — результат от этого не изменится. Как и утверждал Мах, имеет значение лишь относительное вращение сферы и ведра. И поскольку в расчётах используются только уравнения общей теории относительности, то рассмотренный пример явно отражает точку зрения Маха в теории Эйнштейна. (Тем не менее общая теория относительности расходится со стандартным рассуждением в духе Маха, предсказывающим, что поверхность останется плоской, если ведро будет вращаться в совершенно пустой Вселенной. Пфистер и Браун показали лишь то, что достаточно массивная сфера может полностью блокировать обычное влияние пространства за пределами самой сферы.)

В 1960 г. Леонард Шифф из Стэнфордского университета и Жорж Пью из Министерства обороны США независимо предположили, что эффект увлечения, предсказываемый общей теорией относительности, может быть экспериментально проверен с использованием вращательного движения Земли вокруг своей оси. Дело вот в чём. Согласно ньютоновской физике вращающийся гироскоп (вращающееся колесо, прикреплённое к оси), находящийся на орбите высоко над поверхностью Земли, будет указывать своей осью в неизменном направлении. Но согласно общей теории относительности ось гироскопа будет медленно смещаться из-за того, что Земля увлекает за собой пространство. Поскольку масса Земли ничтожна по сравнению с массой гипотетической полой сферы, принятой в расчётах Пфистера и Брауна, о которых говорилось выше, то и смещение оси, вызываемое эффектом увлечения, тоже будет ничтожным. Вычисления показали, что если ось гироскопа изначально была нацелена на некую удалённую опорную звезду, то год спустя из-за медленно вращающегося пространства ось гироскопа сместится на стотысячную долю градуса. На такой угол отклоняется секундная стрелка часов приблизительно за две миллионные доли секунды, так что обнаружение такого отклонения представляет собой труднейшую научную, технологическую и инженерную задачу.

После сорока лет исследований и разработок, а также сотни докторских диссертаций на эту тему, группа из Стэнфордского университета, возглавляемая Фрэнсисом Эвериттом и финансируемая НАСА, готова провести этот эксперимент. В течение нескольких ближайших лет их спутник «Gravity Probe B», оснащённый четырьмя самыми стабильными гироскопами, будет выведен на околоземную орбиту с высотой около 700 км, где и попытается измерить эффект увлечения, вызванный вращением Земли. В случае удачи будет получено одно из самых точных подтверждений общей теории относительности, и оно явится первым прямым подтверждением взглядов Маха.{185} Равным образом интригует возможность того, что в экспериментах обнаружится отклонение от предсказаний общей теории относительности.[86] Такая микроскопическая трещина в фундаменте основания общей теории относительности может обернуться как раз тем, что нам требуется, чтобы экспериментально проникнуть в доселе скрытые свойства пространства-времени.


Ловля волны


Существенный вывод общей теории относительности состоит в том, что масса и энергия вызывают искажение ткани пространства-времени; мы проиллюстрировали это на рис. 3.10, показав искривлённую координатную сетку пространства вокруг Солнца. Однако на неподвижной иллюстрации невозможно отразить, как развиваются искажения и искривления пространства по мере движения массы и энергии или при изменении их взаимного расположения.{186} Общая теория относительности предсказывает, что, подобно тому как батут принимает фиксированную искривлённую форму, если вы неподвижно на нём стоите, но поднимается и опускается, когда вы прыгаете на нём, так и пространство принимает фиксированную искривлённую форму, если материя совершенно неподвижна, как на рис. 3.10, но по ткани пространства проносится рябь, когда материя движется вперёд-назад. Эйнштейн понял это между 1916 и 1918 гг., когда применил только что написанные уравнения общей теории относительности, чтобы показать, что — во многом подобно тому как колебание электрических зарядов в передающей антенне вызывает электромагнитные волны (так и возникают радиоволны и телевизионные волны) — подобное движение материи (например, при взрыве сверхновой звезды) вызывает гравитационные волны. А поскольку гравитация — суть искажение пространства, то гравитационные волны являются волнами кривизны. Подобно тому как брошенный в пруд камешек вызывает распространяющиеся от места падения волны на поверхности воды, так и вращающаяся по кругу материя вызывает распространяющиеся волны пространства; и согласно общей теории относительности взрыв отдалённой сверхновой тоже подобен космическому камню, брошенному в пруд пространства-времени, как показано на рис. 14.2. На рисунке подчёркивается важная отличительная особенность гравитационных волн: в отличие от электромагнитных, звуковых и поверхностных волн — волн, распространяющихся через пространство, — гравитационные волны распространяются в пространстве. Они являются распространяющимися искажениями геометрии самого пространства.

Рис. 14.2. Гравитационные волны являются рябью ткани пространства-времени

Хотя гравитационные волны сейчас воспринимаются как следствие общей теории относительности, но в течение многих лет этот вопрос тонул в путанице и разногласиях, по крайней мере отчасти из-за слишком большой приверженности философии Маха. Если бы общая теория относительности полностью включала бы в себя идеи Маха, то «геометрия пространства» явилась бы просто удобным языком для описания положения и движения массивных объектов по отношению друг к другу. В таком представлении пустое пространство было бы просто пустой концепцией, так какой же смысл был бы в волнообразном движении пустого пространства? Многие физики пытались доказать, что предполагаемые волны в пространстве — это всего лишь неверная интерпретация математики общей теории относительности. Но при должном подходе теоретические рассмотрения сходятся на одном верном выводе: гравитационные волны реальны, и по пространству могут распространяться волны.

С каждым проходящим пиком и впадиной гравитационная волна будет растягивать пространство (и всё в нём) в одном направлении и сжимать пространство (и всё в нём) в перпендикулярном направлении, как это показано на рис. 14.3. В принципе, можно обнаружить прохождение гравитационных волн, периодически измеряя расстояние между различными точками и обнаружив, что отношение этих расстояний периодически меняется.

Рис. 14.3. Проходящая гравитационная волна растягивает объект сначала в одном направлении, затем — в другом (ради наглядности искажение пространства на этом рисунке очень сильно преувеличено)

Но на практике ещё никто не сумел сделать это, так что никто прямо гравитационные волны пока не обнаружил. (Однако есть веское, пусть и косвенное, подтверждение их существования.){187} Трудность состоит в том, что возмущение от проходящей гравитационной волны обычно чрезвычайно мало. Атомная бомба «Тринити», испытанная 16 июля 1945 г. и равная по мощности 20 тыс. т тротила, вызвала столь яркое свечение, что наблюдателям, находившимся на расстоянии многих километров от места взрыва, нужно было защищать глаза, чтобы не повредить их электромагнитными волнами, которые сгенерировал взрыв. И всё же, даже если бы вы стояли прямо под тридцатиметровой стальной вышкой, на которой была взорвана бомба, то гравитационные волны, порождённые взрывом, растянули бы ваше тело в каком-либо направлении всего лишь на ничтожную долю размера атома. Вот насколько слабы гравитационные возмущения. Это даёт представление о трудности технологических проблем, связанных с обнаружением гравитационных волн. (Поскольку гравитационную волну можно также рассматривать как громадное количество гравитонов, движущихся скоординированным образом, — точно так же, как электромагнитную волну можно считать состоящей из громадного количества скоординированных фотонов, — то это также даёт представление о трудности обнаружения отдельного гравитона).

Страницы


В нашей электронной онлайн библиотеке вы можете бесплатно и без регистрации прочитать «Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности» автора Грин Брайан на телефоне, андроиде, айфоне, айпаде. Сейчас вы находитесь в разделе „Часть V. Реальность и воображение“ на странице 1. Приятного чтения.