Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

17 марта 2014 г. исследователи Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже (штат Массачусетс) объявили, пользуясь их терминологией, о «первом прямом изображении гравитационных волн». Не от столкновения нейтронных звезд или слияния ЧД, а вследствие Большого взрыва. Полученном с помощью не гигантского лазерного интерферометра, а маленького микроволнового телескопа на Южном полюсе.

Неужели Рэя Вайсса, Кипа Торна, Рона Древера и всех остальных обошли – после десятилетий разработки, строительства, тестирования и вложений сотни миллионов долларов?

Это тема главы 10. Но сначала я должен объяснить, как возникла Вселенная.

9 О сотворении мира

«Вначале было ничто, и оно взорвалось».

Эта знаменитая цитата из Терри Пратчетта часто используется (возможно, напрасно) для высмеивания космологии. Логика обычно следующая. Вы называете себя учеными? Утверждаете, будто что-то знаете о Вселенной? Да ладно, вся эта болтовня о Большом взрыве просто смешна – это же полная бессмыслица! Отсюда вытекает, что наука не может быть путем к истине. Возвращаемся к божественному Творцу или кому что больше нравится.

Я никогда не понимал этой аргументации. Наука не умеет лечить рак. Наука практически ничего не знает о сознании человека. Никто не считает это причиной отбросить науку за ненадобностью. Наоборот! Но, когда звучит труднейший, наиглавнейший, глубочайший вопрос – как все началось? – ученых высмеивают за то, что они до сих пор не раскрыли эту тайну. А на что вы рассчитывали?

Если вы не понимаете, откуда взялась Вселенная, то у вас хорошая компания. Даже умнейшие космологи не знают, с чего все началось. Самые светлые умы человечества не имеют представления, что происходило до Большого взрыва и правомерно ли вообще так ставить вопрос. Даже Стивен Хокинг не знал наверняка, действительно ли Вселенная бесконечна и одна ли она. Самые трудные вопросы – те самые, которыми задается любой ребенок, – пока не имеют ответов, но наука далеко ушла от аллегорических мифов древности.

Если вы когда-нибудь задумывались над проблемами космологии, то наверняка испытывали затруднения. Это всем свойственно. Расширение космоса, красное смещение для галактик, искривленное пространство, бесконечность… Космология – сложная штука, но у нас впереди целая глава, и я сделаю все возможное, чтобы провести вас через минное поле научных понятий.

_________

Все слышали о Большом взрыве. Около 13,8 млрд лет назад Вселенная была сжата в одну бесконечно малую точку в пространстве, и Большой взрыв разметал ее вещество во всех возможных направлениях, правильно?

Неправильно.

Это первое – и главное – заблуждение. Большой взрыв произошел не в пространстве. Это был взрыв самого пространства. По крайней мере такая формулировка намного более точна. Большинство людей представляют себе Большой взрыв как гигантский фейерверк: он исходит из определенного места и расшвыривает вещество по пространству во все стороны. Как только заметите, что представляете Большой взрыв в виде фейерверка, выбросьте эту картину из головы. Она ложна.

Чтобы вам стало понятнее, давайте перенесемся назад во времени примерно на столетие. Астрономы открыли спиральные туманности, такие как Андромеда и Водоворот. Никто не знал их подлинной природы. Одни считали их относительно близкими завихренными облаками газа, из которых со временем может образоваться новая звезда. Другие – крупными скоплениями звезд на значительно большем удалении, намного дальше нашей собственной галактики Млечный Путь.

Измерить расстояние до спиральной туманности невозможно – между Землей и Андромедой не растянешь рулетку. Но о спиральных туманностях можно узнать многое другое: положение в небе, видимый размер, яркость и форму. Чем больше вы о них знаете, тем выше шансы понять, что они из себя представляют.

Весто Слайфер догадался, что может установить еще один параметр – скорость сближения туманности с нами или удаления от нас. Как и его младший брат Эрл, Весто был астрономом в обсерватории Лоуэлла в Флагстаффе, штат Аризона. Эрл занимался в основном планетами, а Весто больше интересовали туманности. В 1912 г. он первым измерил скорость спиральной туманности.

Как измерить скорость объекта, не зная расстояния до него? С помощью эффекта Доплера, о котором я рассказал в главе 6. Вспомните пример с проезжающей мимо скорой помощью. Когда она выруливает на вашу улицу и мчится, приближаясь к вам, звук ее сирены кажется более высоким. Когда она удаляется от вас, звук сирены заметно понижается. Изменение тона является мерилом скорости машины скорой помощи.

Аналогично, если звезда приближается к вам, наблюдаемые световые волны «уплотняются» и мы видим свет более высокой частоты, соответствующей чуть более голубому цвету. Если та же звезда удаляется от нас, частота кажется нам более низкой, цвет – красноватым. Из наблюдения крохотного сдвига цвета можно вывести скорость звезды, даже если вы не знаете, на каком она расстоянии.