Спустя сто лет теория гравитации Эйнштейна стала важнейшим делом физиков
Немногие люди в этом мире хорошо ее понимают, но общая теория относительности принесла Эйнштейну славу и звание человека века по версии журнала Time. На конференции струнных теоретиков в Бангалоре на прошлой неделе, которую посетили звезды мира физики, особое заседание провели в честь столетия с момента открытия этой великой теории гравитации. И если в следующие несколько десятилетий начатое Эйнштейном будет завершено, это будет величайшее событие для науки за много-много лет.
Ученым лестно, что в 20 веке физик-теоретик стал почетным членом научного сообщества. И хотя физики, безусловно, празднуют великое достижение Эйнштейна (круглая дата, как ни крути), они также пытаются растянуть эту теорию до предела, проверить ее при любых возможных условиях и подобрать альтернативы и дополнения, которые выведут ее в новые домены.
Среди особо почетных проектов отмечается обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), чрезвычайно амбициозный проект со сложным оборудованием для поиска гравитационных волн, предсказанных в рамках теории Эйнштейна.
Индийская LIGO станет частью глобальной сети поиска гравитационных волн, который также может стать новым окном во Вселенную. Хотя большинство ученых сходится во мнении, что гравитационные волны существуют, прямое наблюдение гравитационных волн может преподнести сюрпризы и разбавить существующие физические теории.
Усовершенствованная версия двух LIGO в США совершит первые наблюдения через несколько месяцев. «Мы располагаем чувствительностью, которая намного выше той, которую мы имели в первом десятилетии этого века», - говорит Питер Саулсон, профессор физики Сиракузского университета.
Эксперименты LIGO будут продолжаться в течение длительного времени. Между делом, еще две обсерватории модернизируются в Европе и присоединятся к уже обновленным LIGO - Advanced LIGO - в поиске гравитационных волн. Европейские ученые планируют более амбициозные миссии в будущем.
Европейское космическое агентство в настоящее время занимается разработкой зонда, который будет запущен в 2020 году. «Эвклид» (Euclid) будет картировать структуру темной части Вселенной, той ее части, о которой мы знаем, но не видим. Так получилось, что мы видим только 4% Вселенной.
Хотя эти эксперименты проверят общую теорию относительности на прочность, теоретики пытаются расширить или модифицировать творение Эйнштейна в сферах, где, как им кажется, она не выдержит. Например, в странной области черных дыр, сверхмассивных коллапсировавших звезд, которые должны существовать, как то прогнозирует теория. Теория Эйнштейна, в свою очередь, коллапсирует в этих звездах, поскольку предполагает точки бесконечной плотности - сингулярности.
Математически сингулярность не очень сложная, но никто не знает, что она означает с физической точки зрения. Физики не могут дать точное предсказание того, что произойдет с объектом на поверхности звезды, когда она коллапсирует в бездну. Решиться это может только одним способом.
«Классические теории гравитации не решают проблему сингулярности, - говорит Эль Шрирамкумар, доцент физики в ИИТ Мадраса. - Ее должна решить квантовая теория гравитации».
Столпы современной физики
Спустя два года после публикации своей теории относительности Эйнштейн слегка изменил свои уравнения, представив так называемую космологическую постоянную. Она нужна была, чтобы стабилизировать Вселенную против внутренней силы тяжести. Тогда ученые считали, что Вселенная статична. Позже выяснилось, что она расширяется, и Эйнштейн назвал космологическую постоянную своей величайшей ошибкой.
Но не так давно космологическая постоянная снова появилась в виде таинственной темной энергии в пустом космосе; она должна расталкивать галактики все быстрее и быстрее. Никто не знает, почему. Решение этой проблемы является одной из самых сложных в науке на данный момент.
Еще большей проблемой является объединение теории гравитации Эйнштейна с квантовой механикой, другим столпом современной физики, который описывает поведение вещества на мельчайших масштабах. Квантовая механика чрезвычайно успешно описывает поведение материи и была проверена множество раз. Но она совершенно несовместима с общей теорией относительности.
Возможно, обе теории являются частью еще более общей теории, которая пока не была разработана. Физики считают, что объединение гравитации с квантовой механикой - наиболее важная проблема теоретической физики. Это важные проблемы, их решение может перевернуть наше понимание Вселенной, почти так же, как Эйнштейн перевернул его с разработкой своей теории.
Когда Эйнштейн начал работать над общей теорией относительности, он уже изменил направление физики несколькими крупными открытиями. В 1905 году он вывел знаменитое уравнение E = mc^2. Он сформулировал специальную теорию относительности, теорию взаимосвязи времени и пространства. Эйнштейн объяснил броуновское движение, снование частиц на поверхности жидкости, которое подтвердило существование атомов и молекул. Он открыл фотоэлектрический эффект, который принес ему Нобелевскую премию.
Но еще больше работы только предстоит проделать. За два века до Эйнштейна Исаак Ньютон осуществил замечательный прорыв. Он выяснил, что падающее яблоко и вращающиеся планеты подчиняются одному закону, который нынче известен как закон обратных квадратов тяготения.
Ньютон сумел рассчитать силы между двумя удаленными телами, но не нашел объяснения тому, как эта сила действует на расстоянии. После публикаций в 1905 году Эйнштейн понял гравитацию. Он был простым клерком, вовсе не знаменитым. Работал над физикой в свободное время.
В следующие десять лет Эйнштейн сформулировал одну из самых хитроумных и прекрасных научных теорий всех времен, не имея никаких экспериментальных данных для проверки своих идей и руководствуясь исключительно красотой своих уравнений. «Даже если бы у нее не было практического применения, - говорит Т. Падманабхан, профессор Межвузовского центра астрономии и астрофизики в Пуне, - я бы назвал общую теорию относительности одним из величайших интеллектуальных достижений всех времен».
Однако, как оказалось, у этой теории есть применения. Наша глобальная система позиционирования (GPS) не будет работать без теории Эйнштейна. Мы не поймем глубины Вселенной без ОТО. В этой теории заключено намного больше, чем мог подумать сам Эйнштейн в свое время.
Эйнштейн сделал важное: он заявил, что гравитация - это свойство пространства и времени, двух понятий, которые он сам и объединил. Объект в любой точке Вселенной искривляет пространство-время вокруг себя. Чем массивнее объект, тем больше кривизна. Эта кривизна заставляет другие объекты в окрестностях сползать к первому, подобно тому, как объект, помещенный на краю круглой вогнутой посуды, скользит к центру. Поскольку планеты движутся, они продолжают скользить к центру и вращаться в замкнутом цикле.
В этой теории гравитация на самом деле не сила. Это свойство пространства-времени. Теория Эйнштейна дала некоторые прогнозы, которые можно проверить. В 1919 году, когда астрономы использовали затмение, чтобы проверить изгиб света вокруг звезд, как предсказал Эйнштейн, он мгновенно стал мировой знаменитостью.
Расширение Вселенной
С годами его теория оказала огромное влияние на курс физики, подтолкнув к развитию огромное поле космологии. «До Эйнштейна космология занималась вопросами религии и философии, - говорит Дэвид Гросс, профессор и бывший директор Института теоретической физики Кавли в Санта-Барбаре. - После Эйнштейна она стала предметом физики».
В 1929 году произошло одно из величайших научных открытий всех времен: Эдвин Хаббл обнаружил, что наша Вселенная расширяется. Если бы Эйнштейн был немного смелее, он мог извлечь такой вывод из своей теории. «Эйнштейн струсил, - говорит Падманабхан, - но общая теория относительности обладала силой предсказать расширение Вселенной». К концу двадцатого века ученые обнаружили еще один поразительный факт: расширение Вселенной ускоряется. Галактики разлетаются все быстрее и быстрее, и настанет день, когда вся материя будет буквально разорвана на части.
По всему миру запланировано множество испытаний, направленных на выяснение того, что вызывает расширение. Зонд «Эвклид» будет оценивать темную энергию - и темную материю заодно - и ее распределение по изображениям далеких галактик. Также он будет искать колебания в кластеризации галактик, которые дадут нам подсказки о природе темной энергии и космологической постоянной. Поиск гравитационных волн тоже идет. Хотя их обнаружение может и не стать сюрпризом, оно может намекнуть нам на темные стороны Вселенной.
Гравитоны - частицы гравитационных волн - как полагают, не имеют массы. Что будет, если они окажутся с массой, как те неуловимые нейтрино не так давно? Открытие того, что нейтрино обладают крайне малой, но массой, породило новые области в физике частиц, поскольку существующие теории такого не предполагали. «Измерение гравитационных волн может указать на несоответствия, которые приведут к модификациям общей теории относительности», - считает Бала Лайер, профессор ICTS в Бангалоре.
Через несколько десятков лет завершение начатого Эйнштейном может стать важнейшим событием в науке за долгое время. Сам Эйнштейн этого ожидал. «Эйнштейн считал, что его теория станет ступенькой, - говорит Дэвид Гросс. - Он не думал о ней как об абсолюте». И кто бы не создал успешное продолжение ОТО, он станет таким же известным, как Эйнштейн.
