Маленькая книга о Большом взрыве

Как и в теории электромагнетизма, где ускорение электрических зарядов производит электромагнитные световые или радиоволны, в общей теории относительности ускорение массы порождает гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. В отличие от световых, гравитационные волны не могут быть обнаружены при помощи простых телескопов: эти слабые приливные искажения, распространяющиеся сквозь пространство-время, заставляют сам измерительный прибор расширяться и сжиматься, точно так же как лунные приливы заставляют расширяться и сжиматься Землю. Из-за слабости гравитации гравитационные волны невообразимо трудно обнаружить, ведь в процессе измерения детектор сам растягивается или сжимается на величину, примерно равную одной десятитысячной диаметра протона. И все же, спустя более полувека попыток, свершилось долгожданное чудо: в 2016 году лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) объявила об открытии гравитационных волн. Волновые возмущения, возникающие из-за столкновения черных дыр в миллиарде световых лет от нас, полностью соответствовали прогнозам общей теории относительности. Пусть это открытие и довело до слез некоторых космологов, с ним в астрономии началась новая эпоха.

* * *

Вы уже, наверное, поняли, что общая теория относительности верна настолько, насколько это вообще возможно для научной теории. Она является частью того, что физики называют классической теорией, то есть разделом физики, не учитывающим квантовую механику. Все же вполне вероятно, что вскоре нам понадобится создать квантовую теорию гравитации, которая позволит описать сингулярность Большого взрыва – достаточно скоро мы поговорим и о ней. За исключением сингулярности, общая теория относительности работает во всех возможных ситуациях, а потому космологи без лишних сомнений прибегают к ней при описании эволюции нашей Вселенной.

Как мы убедимся далее, реальная Вселенная почти что плоская. Другими словами, мы с вами живем в евклидовой Вселенной. Из-за этого современная космология зачастую довольствуется концепцией Ньютона, в то время как большая часть формального аппарата общей теории практически всегда оказывается излишней. И все же выводы теории относительности имеют ключевое значение. Вблизи таких объектов, как черные дыры, гравитационное поле может быть экстремально сильным, пространство-время заметно искажено, что требует применения всех постулатов общей теории относительности.

* * *

До сих пор, говоря об общей теории относительности, я не затрагивал второй его постулат. Название у него довольно нелепое, поэтому давайте просто назовем его «обобщенным» принципом относительности. Вы уже знаете, что специальная теория относительности рассматривала лишь движение с постоянной скоростью или, если быть точнее, лишь те системы отсчета, которые движутся с постоянной скоростью; Эйнштейн объявил, что законы природы в них во всех одинаковы. Работая уже над общей теорией относительности, он сказал, что нужно научиться описывать движение в любой возможной системе отсчета, и в том числе – в движущейся с ускорением.

Его заявление породило много глубоких и важных вопросов. Большинство из нас наверняка бывали в парке развлечений и помнят аттракцион, в котором кабинки вращаются по кругу и вокруг своей оси, как в центрифуге. Обычно мы говорим, что центробежная сила придавливает нас к стенке кабинки, стремясь выбросить наружу. Так это ощущается внутри. Однако сторонний скептик-наблюдатель, стоящий на земле, заявил бы, что это только наше воображение. Если бы кабинка внезапно исчезла, мы бы полетели по прямой, в соответствии с законом инерции Ньютона. Центробежная сила, которую мы ощущаем, – вымысел, и на самом деле это стена кабины давит на нас, не давая из нее вылететь.

Этот вращающийся аттракцион тоже является ускоряющейся системой отсчета, и, как написано во многих учебниках, физику на примере таких систем изучать нельзя. Центробежная сила – плод нашего воображения, потому что на земле, не пребывающей в состоянии ускорения, она исчезает. И все же мы видели, как гравитация исчезает в падающем лифте, который в данном случае эквивалентен системе отсчета, движущейся без ускорения. Может, гравитация – тоже выдумка?

На этот вопрос возможен только один ответ: если мы доверяем общей теории относительности, то у нас нет иного выбора, как признать, что реальны либо гравитация, либо те самые вымышленные силы. Иного не дано.

* * *

Эта дилемма ставит перед нами еще более глубокий вопрос. Представьте, что мы сидим в поезде. Согласно специальной теории относительности, мы не можем определить, движется ли он с постоянной скоростью или находится в состоянии покоя. Тем не менее мы точно знаем, в какой момент он начинает ускоряться, – это происходит, когда движение поезда отталкивает нас к спинкам кресел.