Маркус Чаун
Гравитация
Последнее искушение Эйнштейна

Посвящается Майку и Клэр, Вэл и Пэт, Морин и Питу.

С любовью, Маркус

Стыдно сказать: на дворе XXI век, а мы до сих пор не знаем, как работает гравитация.

Вуди Норрис


Благодарности

Я хотел бы сказать спасибо людям, которые помогали мне, вдохновляли и поддерживали меня во время работы над этой книгой. Это Карен, Беа Хеммин, Фелисити Брайан, Пол Мерфи, Мишель Тофам, Манжит Кумар, Томас Левенсон, Дэвид Тонг, Энди Гамильтон, Ли Смолин, Нима Аркани-Хамед, Джон Инглиш, Тэш Оу, Грэм Фармело, Дэвид Берман, Геннадий Горелик, Нил Турок, Нил Белтон, Брайан Мей, Джулия Бейтсон, Ник Бут, Джонатон Таллет, Дэниэл Таллет, Хосе Тейт, Барбара Брайтон-Пелл, Патрик О’Хэллоран, Сью Нойс, Грэм Нойс, Брайан Чилвер, Пэт Чилвер, Жан Дайк, а также Аманда, Сэм, Грейс и Роб Кейпуэллы.


Шесть фактов о гравитации, которые вы могли не знать

1

Гравитация создаёт притяжение между вами и монетками у вас в кармане или между вами и прохожим на улице.

2

Гравитация ужасно слабая. Если вы вытянете руку, то напряжение ваших мышц окажется сильнее, чем гравитация всей Земли.

3

Несмотря на её слабость, гравитации в большом масштабе нельзя противостоять. Она контролирует эволюцию и судьбу всей Вселенной.

4

Многие считают, что гравитация — это полная ерунда. В большей части Вселенной так оно и есть.

5

Если бы гравитация не «включилась» после Большого взрыва, у времени не было бы направления.

6

Только постигнув гравитацию, можно ответить на самый важный вопрос: как появилась Вселенная?


Предисловие

В Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон, расположены лазерные установки длиной по 4 километра. Четырнадцатого сентября 2015 года в 05:51 по летнему восточному времени по установке в Ливингстоне прошла дрожь. Через 6,9 миллисекунды она достигла установки в Хэнфорде. Ошибки быть не могло: через обе установки прошла гравитационная волна, рябь на поверхности самой ткани пространства-времени, предсказанная Эйнштейном почти 100 лет назад.

В одной далёкой-далёкой галактике во времена, когда Землю населяли лишь бактерии, две огромные чёрные дыры сделали последний оборот в своём смертельном танце и слились в поцелуе. Масса, равная массе трёх солнц, исчезла в секунду, подняв цунами в пространстве-времени. Волна двигалась со скоростью света, и в какой-то момент её мощность в 50 раз превысила мощность всех звёзд во Вселенной.

Когда двойные детекторы Лазерно-интерферометрической обсерватории гравитационных волн (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) 14 сентября 2015 года засекли гравитационные волны, это стало эпохальным моментом в истории науки. Представьте, что вы были глухи от рождения, а однажды утром проснулись с идеальным слухом. То же чувствовали в тот момент физики и астрономы. В течение всей нашей истории мы лишь наблюдали Вселенную, а теперь смогли услышать её. Гравитационные волны — это голос космоса. Я почти не преувеличу, если скажу, что их открытие стало самым важным достижением в астрономии с момента изобретения телескопа в 1608 году.

Гравитационные волны доказывают, что пространство-время существует на самом деле, что оно может вздрагивать и сжиматься, распространяя рябь, как от камня, брошенного в пруд. Его существование окончательно доказывает гипотезу Эйнштейна о том, что гравитация представляет собой искривлённое пространство-время. Ньютон считал, что «сила» гравитации идёт от Солнца и опутывает Землю как невидимая эластичная сеть. Эйнштейн же полагал, что вокруг Солнца пространство-время продавливается и Земля вращается по этой впадине бесконечно, как шарик по огромной рулетке.

Несмотря на то что теория Ньютона очень успешно объяснила движение планет, природу приливов и отливов и даже предсказала существование тогда ещё неведомого мира (планеты Нептун), теория Эйнштейна сумела найти ответ на загадку аномального движения Меркурия и описала наличие чёрных дыр, а также Большой взрыв, из которого родилась Вселенная. Тем не менее в теории Эйнштейна, как и до неё в теории Ньютона, содержатся зачатки её собственной гибели. Согласно ей, и в центрах чёрных дыр, и в момент зарождения Вселенной должны были существовать сингулярности, в которых все физические параметры имеют бесконечно высокие значения.

Забавно, что первая сила, описанная наукой, та, которую мы считаем уже давно понятной человечеству, на самом деле изучена хуже всего. Говоря словами Уинстона Черчилля, гравитация — это «тайна внутри загадки, обёрнутая в секрет».

В начале XXI века мы стоим на пороге новой революции. Поиск более эффективной теории, чем теория Эйнштейна, — квантовой теории гравитации — одно из величайших предприятий, за которые когда-либо бралась физика. Но мы уже видим перед собой далёкое завораживающее мерцание нового мира. Возможно, новый Ньютон или Эйнштейн прямо сейчас ждёт своего часа и уже начинает собирать фрагменты головоломки в единое целое. Или, что более вероятно, чтобы сложить её, потребуются совместные усилия десятков людей. Многие учёные полагают, что мы стоим на пороге гигантского сдвига в нашем представлении о реальности, большего, чем когда-либо происходил с человечеством.

Сможем ли мы создавать гиперпространственные двигатели и машины времени, когда появится эта теория? Даст ли она нам возможность манипулировать пространством и выходить в параллельные Вселенные? Никто не может этого предвидеть, как в эпоху до открытия электричества нельзя было предсказать появление телевизоров, телефонов и Интернета. Но мы знаем наверняка: когда эта теория будет сформулирована, мы сможем ответить на самые важные научные вопросы на свете. Что такое пространство? Что такое время? Что такое Вселенная? И откуда это всё появилось?

Но я забегаю вперёд. Сегодня мы стоим на краю обрыва, и перед нами до горизонта расстилаются земли неисследованной физики. Но как мы здесь оказались? Всё началось с 22-летнего парня по имени Исаак Ньютон в чумном 1666 году…

Примечание автора

Хочу сказать пару слов о пояснениях, которые читатели найдут после заключительной главы этой книги. Одни из них — это отступления от темы, которые могли бы слишком усложнить основной текст. Другие же дополняют объяснения, приведённые в тексте, иногда с использованием технических терминов. А некоторые представляют собой ссылки на книги и статьи, где вы можете более подробно прочесть о теме, затронутой в тексте.


Часть I
Ньютон


1. Падающая Луна
О том, как Ньютон открыл первый универсальный закон, который действует в любом месте и в любое время.

Ибо в те дни я был в расцвете сил для изобретательства и более чем когда-либо впоследствии размышлял о математике и философии.

Исаак Ньютон[1]

Ты потерял сознание, и я тебя подхватил. Впервые в жизни я держал в руках другого человека. У тебя такие тяжёлые кости. Я встал между тобой и гравитацией. Невероятно.

Элизабет Нокс. «Удача винодела»[2]

— Итак, мистер Ньютон, как вам в голову пришла идея закона всемирного тяготения?

Разговор происходит в саду усадьбы Вулсторп спустя полвека после знаменательного события. Через стол от пожилого натурфилософа, о котором сегодня говорят все, сидит юный священник и археолог Уильям Стьюкли, взявший на себя тяжёлый труд написать первую биографию Исаака Ньютона. Где-то в саду журчит ручей, а в поле за оградой то и дело блеют ягнята. На густую траву перед ними садится ворон, что-то склёвывает с земли и улетает прочь.

Старик раздумывает над вопросом, отбрасывает свои длинные седые волосы с лица и произносит

— Мистер Стьюкли, видите вон то дерево?

— Вижу.

— Одним тёплым весенним днём 1666 года — погода стояла почти как сегодня — я сидел на этом самом месте со своими записями, и тут с дерева упало яблоко…

Великие люди создают свои легенды сами. Историю о яблоке Ньютон рассказал своему биографу уже под конец жизни в саду усадьбы Вулсторп, Линкольншир. «День был тёплый, поэтому после обеда мы отправились в сад выпить чаю в тени яблонь, — пишет Стьюкли в своих “Воспоминаниях о жизни сэра Исаака Ньютона”, опубликованных в 1752 году. — Он рассказал мне, что идея гравитации пришла ему в голову как раз в подобных обстоятельствах. Её вызвало к жизни упавшее яблоко, которое он увидел, когда размышлял в саду. “Почему яблоко всегда перпендикулярно падает на землю?” — задумался он...».[3]

Однако Ньютон ни разу не упоминал о падающих яблоках в течение полувека после открытия закона всемирного тяготения. Произошло ли это на самом деле? Или Ньютон знал, что дни его научного творчества прошли, и заботился о своём наследии, а потому понял, что эта история запомнится потомкам и обеспечит ему бессмертие? В день смерти Стива Джобса, основателя компании Apple, кто-то написал в «Твиттере»: «Мир изменили три яблока: яблоко Адама, яблоко Ньютона и яблоко Стива».[4]