Есть ли жизнь внутри черных дыр?

В. А. Березин

В книге рассказывается о теории относительности и черных дырах, а также рассматриваются ряд смежных вопросов астрофизики – космологии и обсуждается проблема жизни во Вселенной, отчасти, с элементами научной фантазии (но не совсем фантастики). При этом факты об устройстве мира приводятся, за редкими исключениями, в готовом виде, а история открытий почти не затрагивается. Это позволит читателю быстрее познакомиться с тем, что стало известно в результате многих веков раздумий и исследований ученых.

Теория относительности

При скоростях движения тел, сравнимых со скоростью света, и в сильных гравитационных полях, существующих вблизи черных дыр, обычная земная физика и законы Ньютона становится неприменимыми. В этом случае необходимо использовать эйнштейновскую теорию относительности.

Специальная теория относительности

Сначала в 1905 г. А. Эйнштейн создал Специальную теорию относительности, которая не затрагивала гравитацию. А через 10 лет в 1915 г. он сформулировал в окончательном виде теорию гравитационного поля, которая называется Общей теорией относительности. Эти теории заслуживают того, чтобы их названия писались с большой буквы (хотя обычно пишут с малой). Расскажем сначала о Специальной теории относительности.

Самое главное, о чем говорит Специальная теория относительности, это относительность одновременности и относительность интервалов времени. Время течет по-разному для движущихся друг относительно друга наблюдателей. Если для одного из них два каких-то события происходят одновременно, то для второго они не одновременные. Одно событие случается раньше, а второе позже. Конечно, чтобы различие по времени было заметно, движение должно происходить с достаточно большой скоростью, сравнимой со скоростью света. В случае привычных нам скоростей, с которыми движутся автомобили, самолеты и даже спутники Земли, эти эффекты замедления времени очень малы, и их можно заметить только с помощью точнейших приборов. На обычных часах разницу мы не увидим. А вот для космических путешествий далекого будущего эти эффекты замедления времени могут стать большими и принципиально важными.

Итак, давайте запомним, что нет универсального времени, время может течь по-разному. Движение наблюдателя изменяет скорость хода его часов с точки зрения другого наблюдателя. Эти утверждения проверены на опыте тысячи раз и совершенно достоверны.

До создания теории относительности люди были убеждены, основываясь на своем жизненном опыте, что можно выбрать единое глобальное время, которое течет везде равномерно, и которое одинаково для всех движущихся тел. Также предполагалось, что пространство задано — оно выглядит одинаково для всех и обладает евклидовой геометрией. В обычных земных масштабах при не очень больших скоростях это вполне разумные предположения. Но при высоких скоростях и в сильных гравитационных полях они становятся неточными.

Движение тел происходит в пространстве и во времени. Чтобы количественно описать форму тел и их движение, необходимо каким-то способом произвести измерения расстояний и длительностей. Для этого нужны линейки и часы. Для единообразия выбираются определенные единицы времени и длины, такие, как секунда и метр. А от этих основных единиц производятся более мелкие или более крупные, к примеру, час и километр. Мысленно можно представить, что часы и линейка есть в каждом месте. Вся эта воображаемая совокупность линеек и часов, движущаяся определенным образом, называется системой отсчета. Если взять другой набор часов и линеек, движущихся иначе, то мы получим другую систему отсчета. Например, пассажиры движущегося поезда находятся в одной системе отсчета, а люди, стоящие на перроне, — в другой.

В Специальной теории относительности особую роль играют системы отсчета, называемые инерциальными. Это такие системы, в которых тело будет двигаться равномерно и прямолинейно, если на него не действуют внешние силы. То есть, то же самое, что и в ньютоновской теории. Тело, на которое ничто не воздействует, сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Космический корабль можно с хорошей точностью считать инерциальной системой отсчета, когда он летит с выключенными двигателями в далеком космосе. Принцип относительности утверждает, что все инерциальные системы отсчета равноправны. Это означает, прежде всего, что физические законы должны записываться одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

А. Эйнштейн сначала интуитивно осознал относительность времени, а затем получил это свойство времени из двух сформулированных им постулатов — исходных предположений теории. Первый постулат Специальной теории относительности — это только что обсуждавшийся нами принцип относительности. Он гласит, что физические законы, которым подчиняются явления во всех инерциальных системах отсчета, одинаковы. А второй постулат Специальной теории относительности утверждает, что скорость света во всех системах отсчета одна и та же. Поразительно, но вместо невообразимой бесконечной скорости распространения сигналов, природа дала нам универсальную скорость. Скорость света.

Важно еще договориться о том, как измерять время. Какая польза от часов, если все часы показывают разное время? Люди не смогут согласовать, к примеру, время встречи. Эйнштейн предложил очень простой рецепт синхронизации часов, находящихся вдали друг от друга. Пусть в инерциальной системе отсчета в разных точках покоятся двое одинаковых часов. Необходимо из первой точки послать луч света во вторую и принять отраженный свет. Если, например, в момент испускания луча первые часы показывают час дня, а в момент приема отраженного сигнала они показывают три часа дня, то время вторых часов в момент отражения нужно установить точно посредине — на двух часах дня.

Вот и все. Два простых постулата и методика синхронизации часов. Этого достаточно для формулировки Специальной теории относительности. Отсюда путем логических рассуждений можно получить множество важных следствий, которые мы сейчас обсудим.

Эффекты Специальной теории относительности

Специальная теория относительности говорит о том, что время в движущейся относительно нас инерциальной системе отсчета течет медленнее по сравнению со временем в той инерциальной системе отсчета, где мы находимся и которую считаем неподвижной. И наоборот, с точки зрения наблюдателя в движущейся системе отсчета время в нашей системе течет медленнее. Этот наблюдатель считает, что покоится он, а движемся мы. На первый взгляд относительность времени выглядит странной, но никакого противоречия здесь нет. Каждый из наблюдателей в инерциальных системах отсчета будет видеть, что часы у других наблюдателей отстают. Эта симметрия будет сохраняться до тех пор, пока системы отсчета являются инерциальными, т.е., пока хотя бы один из наблюдателей не начнет ускоряться.

Хорошо известен парадокс близнецов. Один из братьев-близнецов остается на Земле, а второй садится в ракету и летит с большой скоростью. Где-то далеко ракета разворачивается, летит обратно и возвращается на Землю. Тот брат, который совершил путешествие, окажется моложе брата, остававшегося на Земле. Брат в ракете может оставаться еще ребенком, когда его близнец на Земле превратится в глубокого старика. Хотя эта ситуация и называется парадоксом, никаких логических противоречий в ней нет. Обычно задают вопрос, почему больше состарился именно брат на Земле, хотя движение относительно, и, казалось бы, не должно быть разницы, кого из братьев считать неподвижными? Дело в том, что система Земли с хорошей точностью инерциальная, к ней применима Специальная теория относительности. Тот брат, который летел в ракете, сначала ускорялся, а затем замедлялся при приближении к Земле. Поэтому близнецы находились в неравноправных условиях. Вот поэтому мы и подчеркивали важность инерциальных систем отсчета! И факт подобного замедления времени подтвержден во множестве экспериментов. Экспериментировали, правда, пока не с людьми, а с элементарными частицами и атомными часами.

Длина движущихся тел сокращается в направлении их движения. Например, движущийся круг с точки зрения неподвижного наблюдателя станет эллипсом, сплющенным в направлении движения. Для измерения длины движущегося стержня необходимо отметить положение его концов в один и тот же момент времени по часам в неподвижной системе отсчета. При этом наблюдатель, движущийся вместе со стержнем, будет утверждать, что по его часам отметки были сделаны не одновременно. И противоречия здесь опять-таки нет, потому что одновременность — понятие относительное. Для одного наблюдателя два события одновременные, а для другого наблюдателя те же самые события не одновременные.

Луч фонарика бежит по Луне со сверхсветовой скоростью

Скорость света является максимально возможной для скорости движения материальных тел и для скорости передачи сигналов. Ничто материальное не может обогнать свет. Если двигатели в ракете работают на полную мощность, скорость ракеты будет становиться все ближе и ближе к скорости света, но никогда ее не достигнет. Ракета всегда будет чуть-чуть отставать от света.

Но это не значит, что вообще не существует скоростей, больших скорости света. Например, если посветить фонариком на Луну, быстро смещая руку, то свет фонарика пробежит по поверхности Луны со скоростью, большей, чем скорость света. Противоречия со сказанным выше здесь нет, потому что граница светового пятна — это не материальное тело. Наблюдатель на одной стороне лунного диска не сможет передать сверхсветовое сообщение наблюдателю на другой стороне диска с помощью земного фонарика, т.к. он сначала должен передать нам на Землю указание о том, что мы должны делать с лучом фонарика, а это сообщение будет двигаться со скоростью света, и в итоге скорость передачи сообщений с одного края Луны на другой не превысит скорости света.

Одно из впечатляющих следствий Специальной теории относительности — это эквивалентность массы и энергии. В любой массе заключено огромное количество энергии, проблема только в том, как ее оттуда добыть. Добыть энергию удается, например, в ядерных реакциях. Управляемые ядерные реакции идут в реакторах атомных электростанций. Ядерная энергия дает колоссальную силу ядерным взрывам и является источником свечения звезд.

Как ни странно, но до сих пор в интернете и даже в средствах массовой информации появляются «опровержения» теории относительности. Иногда говорят о том, что эйнштейновская теория ошибочная, или что она ничем не подтверждена. Спорить с подобными высказываниями — это все равно, что сейчас в XXI-м веке с серьезным видом опровергать утверждение, что Земля плоская и стоит на трех китах. Мы также не будет заниматься подобными опровержениями, а заметим просто, что Специальная теория относительности давно уже прошла путь от теории до инженерной дисциплины. По ее принципам строятся и работают ускорители элементарных частиц. Поправки от теории относительности учитываются даже в спутниковых навигаторах, которые есть в автомобилях и в смартфонах.

Специальная теория относительности объединяет пространство и время в единую сущность «пространство-время». Нет по отдельности пространства, и нет времени, а существует только их единство. С некоторых точек зрения это единство проявляется как пространство, а с других точек зрения — как время. Причем, пространство и время могут переходить или превращаться друг в друга при изменении системы отсчета.

Понятие единого пространства-времени помогло сформулировать Общую теорию относительности, о которой речь пойдет в следующей главе.

Общая теория относительности — искривленное пространство-время

По словам Льва Давидовича Ландау и Евгения Михайловича Лифшица, Общая теория относительности «является, пожалуй, самой красивой из существующих физических теорий». Антуан де Сент-Экзюпери в замечательной книге «Планета людей» писал: «Сила тяготения показалась мне всемогущей, как любовь». И сейчас мы более предметно переходим к основной теме данной книге — к всемирному тяготению (гравитации), которое описывается Общей теорией относительности. Общая теория относительности действительно очень красивая, сильная и волнующая теория.

Сущность Общей теории относительности заключается в том, что единое пространство-время является искривленным, и его искривление создается материальными телами. Давайте остановимся на этом подробнее и прочувствуем этот момент как можно глубже, так как он определяет все понимание Общей теории относительности.

Прежде, чем представить себе искривленное пространство-время, научимся представлять одно только искривленное пространство. В простейших случаях математики научились это делать еще в XIX-м веке. Речь идет о неевклидовой геометрии.

Обычная геометрия, которую изучают в школе, является евклидовой. В ее основе плоское пространство, когда каждый треугольник имеет сумму углов, в точности равную 180 градусов. Но

На искривленной поверхности сумма углов треугольника может быть не равна 180 градусов

в XIX-м веке Николай Лобачевский, Янош Бойяи и Карл Гаусс независимо друг от друга догадались, что евклидова геометрия не единственно возможная. Лобачевский, работая в Казанском университете, создал геометрию, в которой пространство искривлено, а сумма углов треугольника меньше 180 градусов. В других вариантах неевклидовой геометрии сумма углов треугольника может оказаться и больше 180°.

Легко представить искривленной обычную двумерную поверхность. Это может быть, например, поверхность яблока. Если на поверхности нарисовать треугольник, проведя его стороны вдоль кратчайших путей, то сумма углов такого треугольника может быть не равной 180 градусам.

У трехмерного пространства есть еще одно измерение, еще одна координата. Формально трехмерное пространство можно представить как искривленную поверхность во вспомогательном 4-мерном пространстве. Или, если в таком виде представить трудно, то можно провести плоские сечения и изобразить эту поверхность в проекциях. Обычно так рисуют чертежи.

Карл Гаусс задался вопросом, не является ли геометрия нашего пространства неевклидовой? По его инициативе были выполнены измерения суммы углов треугольника, образованного тремя горными вершинами в Альпах. Отклонений от 180° обнаружено не было, но это лишь потому, что отклонения слишком малы для того, чтобы можно было заметить их в таких измерениях.

Первые варианты неевклидовой геометрии были глобальными. В них пространство искривлено в каждом месте одинаково. Бернхард Риман пошел еще дальше. Он построил геометрию (сейчас ее называют римановой геометрией), в которой пространство может быть по-разному искривлено в каждом малом участке. В одном месте имеется кусочек геометрии Лобачевского, в другом месте — участок геометрии Бойяи. Где-то кривизна или искривленность больше, где-то меньше. Геометрия Римана многое переняла у теории поверхностей Гаусса, где кривизна поверхности также может изменяться от точки к точке.

Искривленное пространство в римановой геометри

Добавим теперь еще одну координату — время. Временная координата от пространственных принципиально не отличается, но в некоторых математических формулах временная часть входит со знаком минус по сравнению с пространственной частью. Получается геометрия с четырьмя измерениями — 4-мерное пространство-время. И вот это общее пространство-время тоже является искривленным.

Риманова геометрия с четырьмя измерениями кладется в основу Общей теории относительности и, как показывает опыт, она хорошо описывает пространство-время нашего мира. Действительно, искривление пространства-времени создается массивными телами, которые распределены во Вселенной очень неоднородно, где-то их больше, где-то меньше. Поэтому для Общей теории относительности и требуется геометрия, в которой искривленность пространства-времени разная в разных местах.

Массивные тела искривляют вокруг себя пространство-время

Как именно искривлено пространство-время, зависит от наполняющего его вещества. Математически искривление описывается уравнениями Эйнштейна. Чем больше масса, тем сильнее она искривляет вокруг себя пространство-время.

Как происходит движение тел в искривленном пространстве — времени? Рассмотрим сначала свободное тело. В плоском пространстве в инерциальной системе отсчета оно бы двигалось по прямой линии с постоянной скоростью. Оказывается, что в искривленном пространстве-времени роль прямых линий играют кратчайшие отрезки пути. Например, на поверхности шара это участки большого круга. И вот по этим кратчайшим путям и стремятся двигаться свободные тела.

Кратчайший путь из точки A в точку B проходит по геодезической

Во времена Ньютона считалось, что тела посредством силы всемирного тяготения мгновенно действуют друг на друга на расстоянии без каких-либо материальных посредников. Сейчас установлено, что все взаимодействия передаются посредством полей, распространяющихся со скоростью света. Если, например, на Солнце произойдет вспышка, то мы узнаем об этом только через восемь минут, за которые свет долетит от Солнца до Земли и подействует на наши глаза или на измерительные приборы. Свет — это электромагнитное поле. Поле существует независимо от зарядов и токов, которыми оно порождено. Гравитационное поле является полем особого типа. Это не просто поле, а искривление пространства-времени. Движение свободного тела в искривленном пространстве-времени выглядит так, словно на него действует сила, являющаяся силой всемирного тяготения. А на самом деле тело просто выбирает кратчайший путь в пространстве-времени.

Планеты являются свободными телами, движущимися вокруг Солнца. Хотя с нашей трехмерной точки зрения их орбиты выглядят искривленными, в 4-мерном пространстве-времени траектории планет — это кратчайшие пути и самые прямые из возможных линий. Такие кратчайшие линии в искривленном пространстве времени (вместе с линиями максимальной длины) называются геодезическими. Свободные тела движутся по геодезическим. Если на тело действует, например, электромагнитная сила, или если включен ракетный двигатель, то тело сходит с геодезической, и его путь в пространстве времени будет уже не кратчайшим.

Пространство-время может искривиться так сильно, что образуется черная дыра или даже трубка или тоннель — кротовая нора, через который можно попасть в далекую область Вселенной, но об этом мы поговорим позже.

Само название Общая теория относительности возникло из-за того, что в этой теории допустимы преобразования координат общего вида. В Общей теории относительности для математического описания явлений не обязательно использовать инерциальные системы отсчета, а можно применять любые произвольно движущиеся системы отсчета и любые «кривые» координаты, лишь бы они были достаточно гладкими.

Принцип эквивалентности

Большую роль в создании Общей теории относительности сыграл принцип эквивалентности, согласно которому однородное гравитационное поле эквивалентно ускорению. Расскажем подробнее, что это значит.

Понятие скорости, наверняка, вам хорошо известно. Это расстояние, пройденное за единицу времени. Например, число километров, проходимое автомобилем за один час, показывает его среднюю скорость в «километрах в час». На промежуточных участках пути движение может происходить равномерно с постоянной скоростью, когда за одинаковые интервалы времени тело проходит равные расстояния. Но прежде, чем двигаться равномерно, автомобиль разгоняется, его скорость возрастает. Если скорость изменяется, то говорят, что тело ускоряется или замедляется. Разгоняющееся ускоренное тело перемещается не равномерно, а все быстрее и быстрее. За каждый следующий интервал времени оно проходит больший путь, чем за предыдущий. Например, за первую секунду оно проходит один метр, за вторую — четыре метра, и затем все больше и больше. Либо, наоборот, тело замедляется, то есть имеет отрицательное ускорение. Также ускоренным может быть движение с постоянной по величине скоростью, но по искривленной траектории. Например, при движении тела с постоянной скоростью по окружности, тело имеет ускорение по направлению к центру окружности.

Ускорение эквивалентно гравитации. Поле тяготения в ускоряющемся лифте неотличимо от поля тяготения Земли.

Классическая иллюстрация принципа эквивалентности — это лифт. Рассмотрим две ситуации. В первом случае вы находитесь в неподвижном лифте в поле тяготения Земли. Во втором случае вы далеко от Земли и других массивных тел — в далеком космосе. Но при этом вы стоите в равномерно ускоряющемся лифте или в разгоняющейся ракете. Если ускорение плавное без тряски и вибрации, то в закрытом лифте вы не сможете различить эти два случая. Пол лифта будет одинаковым образом давить снизу на ваши ноги. Таким образом, ускорение может имитировать гравитационное поле. Эйнштейн же сделал вывод, что это не просто имитация, а что гравитационное поле и ускорение — это одно и то же!

Как же так, спросите вы, ведь вдоль поверхности Земли нет никаких ускоряющихся лифтов. Как же поле Земли и лифт могут быть одним и тем же? Не будь поверхности Земли, мы падали бы к центру Земли с ускорением. Это было бы свободное падение, и мы испытывали бы невесомость. Но поверхность давит нам на ноги, создавая ускорение в обратном направлении. В результате, мы стоим неподвижно относительно поверхности Земли. Вот это ускорение, которое мы получаем от поверхности, и является эквивалентом гравитационного поля. Если вспомнить про искривленное пространство-время, то можно сделать вывод, что поверхность все время сталкивает нас с траектории свободного движения, мы движемся не по геодезической пространства-времени. Хотя относительно поверхности Земли мы неподвижны, относительно свободно падающей системы отсчета мы движемся ускоренно, словно в непрерывно ускоряющемся лифте.

Ускорение может не только создать, но и уничтожить или скомпенсировать гравитационное поле массивного тела. Свободно падая в гравитационном поле, мы будем ощущать невесомость, отсутствие веса. При этом мы движемся ускоренно по отношению к неподвижно расположенным на поверхности Земли телам. Это значит, что в закрытом лифте или в ракете без иллюминаторов мы не имеем возможности определить, падаем ли мы в гравитационном поле или просто свободно парим в пространстве вдали от источников тяготения.

Окружающие нас тела падают в гравитационном поле с одним и тем же ускорением, из-за чего при падении и возникает ощущение невесомости. Например, голова и рука падают одинаково, поэтому никакая часть тела не давит на другую, а это и есть невесомость. Независимость ускорения свободного падения от массы и химического состава тела установил Галилео Галилей, сбрасывая разные предметы с наклонной Пизанской башни. Сейчас принцип эквивалентности проверен в эксперименте с высочайшей точностью. С точки зрения ньютоновской теории, принцип эквивалентности формулируется как равенство инертной и гравитационной масс. Масса, входящая во 2-й закон Ньютона, и масса, входящая в силу тяготения, — это одна и та же масса. Поэтому все тела падают с одинаковыми ускорениями. Эквивалентность гравитации и ускорения относится не только к механическим движениями тел, но и вообще ко всем физическим явлениям. Это более сильная формулировка принципа эквивалентности, и пока на опыте не было замечено никаких его нарушений.

В свободно падающей системе отсчета выполняются хорошо известные законы Специальной теории относительности. Поэтому существует простой способ узнать, как то или иное явление протекает в гравитационном поле. Нужно сначала перейти мысленно от исходной к свободно падающей системе отсчета, а это можно сделать в любой точке пространства-времени, за исключением сингулярностей (о них мы расскажем позже). После перехода можно легко на основании Специальной теории относительности описать физическое явление или процесс и затем выразить его найденные характеристики через искривленные координаты исходной системы отсчета. Таким путем Специальная теория относительности связана с Общей теорией относительности. Специальная теория относительности действует локально в свободно падающих системах отсчета.

Следует отметить, что ускорение эквивалентно гравитации, как правило, лишь локально, в малых участках пространства. Нельзя, например, с помощью ускорения одного лифта скомпенсировать все гравитационное поле Земли, так как сила притяжения Земли направлена к ее центру, силы в разных точках вдоль поверхности Земли не параллельны, и поэтому ускорение в одном направлении не может скомпенсировать их все. Кроме того, существуют явления, такие как угловой момент или спин элементарной частицы, которые могут чувствовать кривизну пространства-времени даже в одной точке. Поэтому необходимо уточнить, что не всякое гравитационное поле эквивалентно ускорению.

Принцип эквивалентности сыграл важную роль при создании Общей теории относительности. Он послужил Эйнштейну прекрасной подсказкой и путеводной нитью. Но сейчас принцип эквивалентности уже не кладется в основу Общей теории относительности при ее формулировке. В более строгом подходе утверждается, что наше пространство-время описывается римановой геометрией, и в некоторых частных случаях выполняется принцип эквивалентности. Выполняется он либо точно, но только для однородного поля, либо приближенно в малом масштабе.

Уравнения Эйнштейна

После того, как Эйнштейн догадался, что гравитация — это искривленное пространство-время, он несколько лет искал уравнения, которые управляют этим искривлением. И вот в конце 1915 г. уравнения гравитационного поля были, наконец, написаны. Эти уравнения показывают, какое гравитационное поле создается распределением вещества. И в этих же уравнениях заключены правила движения вещества в гравитационном поле.

Уравнения Эйнштейна обобщают закон всемирного тяготения Ньютона, который можно получить из них в случае слабых полей и медленных движений, то есть, в «ньютоновском пределе». Как мы уже знаем, строго говоря, никакой силы тяготения нет, а есть движение в искривленном пространстве-времени. Но рассуждать в терминах сил в ньютоновском пределе очень удобно и наглядно. И в ньютоновском пределе нет надобности знать Общую теорию относительности и пользоваться ее сложными уравнениями. Поэтому говорить в этом пределе о «силе притяжения» вполне законно. А вот для большинства сильных полей тяготения, когда велико искривление пространства — времени, без уравнений Эйнштейна уже не обойтись.

Материальные тела обладают такой характеристикой как масса. Чем массивнее тело, тем труднее столкнуть его с места или поднять. Масса играет в тяготении важнейшую роль, так как она является источником гравитационного поля. И, наоборот, посредством своей массы предмет притягивается другими телами. Масса Солнца действует на массу Земли, притягивая ее. Бывают и сущности без массы, например свет. Но вместо массы свет обладает энергией и импульсом, которые тоже создают гравитационное поле.

Уравнения Эйнштейна состоят из левой и правой частей. Условно говоря, левая их часть соответствует геометрии — искривлению пространства-времени, а правая часть зависит от материи, точнее, от энергий и импульсов частиц и полей. Таким образом, геометрия и материя взаимосвязаны и влияют друг на друга. Материальное содержание говорит о том, как искривляется пространство-время, а геометрия пространства-времени определяет характер движения материальных объектов. Уравнения Эйнштейна управляют гравитацией примерно так же, как конституция и законы управляют жизнью государства.

Так выглядят уравнения Эйнштейна

Экспериментальные подтверждения Общей теории относительности

Какой бы красивой ни была теория, но критерием ее истинности все же остаются эксперименты и наблюдения. Чем же подтверждается Общая теория относительности?

Общая теория относительности сумела объяснить явление, которое до ее создания объяснить никак не удавалось. Это аномалия в движении планеты Меркурия. Планета движется по эллипсу, но не совсем. Точный эллипс был бы в ньютоновской теории при условии, что силу гравитации, действующую на планету, создает только одна масса. Но, кроме гравитационного поля Солнца имеются также поля других планет. Под влиянием этих полей орбита планеты немного отходит от точного эллипса. Это выглядит так, словно эллипс вращается. Астрономы тщательно учли влияние Солнца и других планет на движение Меркурия и обнаружили, что его орбита поворачивается быстрее, чем должна. Объяснения этому факту найти не удавалось. И только А. Эйнштейн нашел разгадку. Созданная им Общая теория относительности давала в точности тот дополнительный вклад в угол поворота орбиты, который требовался. А недавно была зарегистрирована даже прецессия орбиты звезды, вращающейся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики.

Вращение орбиты планеты

Также Общая теория относительности предсказала еще один эффект, который впоследствии был обнаружен. Это отклонение лучей света, проходящих вблизи Солнца или других массивных объектов. Гравитационное поле отклоняет свет и может его даже фокусировать, словно линза. Например, одна галактика может сфокусировать свет другой далекой галактики, находящейся с ней на одном луче зрения. Такую фокусировку часто называют «гравитационным линзированием». В теории Ньютона путем математических расчетов получается некоторый угол отклонения лучей. Такой же угол следует из теории, в которой учитывается гравитационное замедление времени, но не учитывается кривизна пространства. Такие теории разрабатывались до создания Общей теории относительности. Эйнштейн на основании Общей теории относительности предсказал в два раза большую величину угла отклонения света звезд Солнцем. Требовалось определить, кто прав. Арбитром выступила сама природа — ученые обратились непосредственно к ней.

При солнечных затмениях проводились наблюдения звезд вблизи края солнечного диска. Небесные координаты звезд сравнивались с положениями тех же самых звезд, но измеренными в то время, когда на небе эти звезды были далеко от Солнца. Тем самым, находились углы отклонения света. Эти наблюдения подтвердили справедливость Общей теории относительности и опровергли альтернативные теории, предсказывавшие половинный угол.

Принцип эквивалентности тоже проверен с высокой точностью. С погрешностью до одной стомиллионной в 1890 г. его подтвердил Этвеш в своем эксперименте с крутильными весами. А в опытах В. Б. Брагинского и его коллег, выполненных в Московском государственном университете, точность была доведена до одной тысячемиллиардной. Сейчас точность еще примерно на порядок выше.

Следующее предсказание Общей теории относительности состоит в том, что часы в сильном гравитационном поле идут медленнее, чем в более слабом поле. Отсюда, в частности, следует, что свет, излученный атомами вблизи источника гравитационного поля, будет наблюдаться (на большом расстоянии) с меньшей частотой, чем свет, излучаемый такими же атомами вдали от источников гравитации. Это эффект гравитационного красного смещения. Он действительно наблюдался для света Солнца и звезд. Похожий эффект для ядерных переходов зарегистрирован в земных условиях в эксперименте Паунда — Ребки. Данный эффект также подтвержден с помощью спутников, вращающихся вокруг Земли.

Есть еще ряд прямых и косвенных подтверждений Общей теории относительности, о которых мы не упомянули. Отметим лишь, что наблюдаемое космологическое расширение Вселенной является подтверждением космологических моделей, основанных на Общей теории относительности. Также чуть позже мы расскажем о черных дырах, сам факт существования которых уже не вызывает сомнения и дает подтверждение Общей теории относительности. Еще два эффекта, которые недавно подтвердили Общую теорию относительности — это гравитационные волны и «тень черной дыры». Но они заслуживают того, чтобы о них было рассказано подробнее в отдельных разделах.

Итак, опыт подтверждает Общую теорию относительности. Но значит ли это, что старая теория Ньютона не верна или ошибочна, так как правильной является теория Эйнштейна? Конечно же нет. Теория Ньютона правильна, но она должна рассматриваться только в области своей применимости. То есть, при достаточно малых скоростях и гравитационных полях. Малость определяется в каждом конкретном случае рассматриваемым явлением или точностью имеющихся измерительных приборов.

Гравитационные волны

В течение последних ста лет Общая теория относительности проверялась только в сравнительно слабых гравитационных полях. Но в 2015 г. были зарегистрированы гравитационные волны, с помощью которых удалось проверить Общую теорию относительности и в области сильных полей.

Что такое гравитационные волны? Искривленное пространство-время обладает свойством, напоминающим упругость. Если в каком-то участке пространство-время немного «пошевелить», то от этого места побегут волны искривления, отдаленно напоминающие волны на воде или волны упругости в натянутой нити. Эти волны называются гравитационными волнами.

«Пошевелить» пространство-время можно путем резких движений или колебаний массивных объектов, создающих, как мы помним, искривления пространства-времени. В частности, две черные дыры, которые образуют пару и обращаются по орбите друг вокруг друга, являются источником гравитационных волн. Такие пары черных дыр достаточно часто образуются в результате эволюции звезд. Сначала имелась пара обычных звезд, которые последовательно вспыхнули как сверхновые и превратились в черные дыры. Излучая гравитационные волны, двойная система черных дыр теряет энергию, и ее компоненты сближаются. Наиболее сильный гравитационный всплеск возникает в момент столкновения двух черных дыр, после чего они объединяются вместе и становятся одной черной дырой.

Двойная черная дыра генерирует гравитационные волны

В 2015 г. с помощью сложнейших лазерных интерферометров LIGO/Virgo физики сумели зарегистрировать гравитационные волны, генерируемые слияниями пар черных дыр в далеких галактиках. Массы этих черных дыр были примерно в 30 раз больше массы Солнца, поэтому они образовались, вероятно, при взрывах очень массивных звезд. Или же они могут быть первичными черными дырами, образовавшимися в ранней Вселенной. Гравитационные волны были достоверно зарегистрированы несколько раз. При этом оказалось, что в большинстве случаев никакой другой объект, кроме черной дыры, не может обеспечить наблюдавшуюся форму сигнала. Форма сигнала определяется быстрым движением двух черных дыр по орбите непосредственно перед слиянием и последующими колебаниями горизонта образующейся после слияния единой черной дыры. А слияния объектов с твердой поверхностью генерировали бы сигналы иной формы. И это тоже было подтверждено в 2017 г., когда был зарегистрирован гравитационно-волновой сигнал и от слияния двух нейтронных звезд. Строго говоря, в этом слиянии как минимум один объект точно является нейтронной звездой, а второй может быть нейтронной звездой или черной дырой. При слиянии двух черных дыр пространство-время возмущено сильно, поэтому наблюдение гравитационных волн от слияний черных дыр дало проверку Общей теории относительности в области сильных полей. К настоящему моменту зарегистрированы уже десятки всплесков гравитационных волн. Таким образом, удалось окончательно установить, что гравитационные волны действительно существуют.

Также ожидается, что мощные сигналы в форме гравитационных волн генерируется и во время взрывов сверхновых. В нашей Галактике примерно раз в 50 лет взрываются сверхновые, поэтому в обозримом будущем появится возможность наблюдать гравитационные волны и от таких взрывов.

Вселенная

Окружающее нас вещество распределено неоднородно, оно образует множество отдельных объектов и предметов — от атомов до сверхскоплений галактик. Но если мысленно переходить от малых ко все большим и большим масштабам, то мы перестанем видеть эти неоднородности. Точно так же мы не видим неровности штукатурки на стене дома, если отошли от стены достаточно далеко. На масштабах, превышающих размеры сверхскоплений галактик, Вселенная начнет выглядеть как однородная, имеющая во всех местах одинаковую плотность. С течением времени эта плотность уменьшается из-за расширения пространства. Вселенная расширяется!

Во времена Ньютона Вселенную в целом представляли, чем-то неподвижным и неизменным с момента ее создания. Неподвижно на своих местах располагались звезды. И только планеты обращались по орбитам вокруг Солнца (при Ньютоне гелиоцентрическая точка зрения уже получила распространение), и лишь на Земле в мелких по космическим меркам масштабах копошилась разнообразная жизнь. Дальний космос же был величественен и неподвижен. Интересно, что представление о неизменной Вселенной дожило до XX-го века: Эйнштейн тоже сначала считал Вселенную статической. Он разработал модель однородной, но не расширяющейся Вселенной. При этом ему пришлось ввести в свои уравнения гравитации искусственную добавку — космологическую постоянную, называемую также лямбда-членом. Иначе статическая неподвижная Вселенная из уравнений не получалась. А чуть позже А. Фридман, используя уравнения Эйнштейна, построил модель расширяющейся Вселенной. Оказалось, что совсем не обязательно требовать неподвижности. Расширение Вселенной было подтверждено Э. Хабблом в 1920-х годах при наблюдении разлета галактик. Для расширения Вселенной в согласии с имеющимися тогда данными лямбда-члена не требовалось. Лишь в 1990-х годах с увеличением точности наблюдений было установлено, что лямбда-член во Вселенной все-таки существует. Но не в форме новой фундаментальной константы, как предполагал Эйнштейн, а в виде темной энергии.

В каком бы месте мы ни находились, расширение будет выглядеть примерно одинаково. Нам будет казаться, что другие далекие галактики разлетаются от нас словно от центра. Но как такое может быть? Ведь не может же каждая точка пространства быть центром Вселенной? Противоречия здесь нет. Это легко понять, если представить себе поверхность надуваемого воздушного шарика. Все точки на поверхности шарика удаляются друг от друга, и каждая из них может считать себя центром расширения, хотя единого центра на поверхности нет. Поверхность воздушного шарика двумерная. На ней, как и на глобусе, положение любой точки можно задать двумя числами: широтой и долготой. Примерно так же расширяется и трехмерное пространство Вселенной. Единого центра нет, но наблюдатель в каждой точке видит разлет вещества во всех направлениях. Все выглядит так, будто наблюдатель находится в центре расширения.

Пространство Вселенной расширяется подобно поверхности воздушного шарика

Трехмерное пространство нашей Вселенной можно формально математически представить как сферическую поверхность во вспомогательном четырехмерном пространстве. Но, в отличие от воздушного шарика, эту поверхность нельзя, например, проткнуть иголкой извне, так как внешнего по отношению к ней пространства просто не существует. Любой предмет мы привыкли представлять в окружающем его более протяженном пространстве. Даже если орех находится в своей скорлупе, за пределами скорлупы всегда что-то есть. Но в случае со всей Вселенной нет никакого внешнего по отношению к ней пространства, хотя математики и могут его условно «дорисовать», используя дополнительные измерения. Дополнительные по отношению к обычным измерениям: к длине, ширине и высоте. Математики добавляют к ним другие измерения, у которых даже нет названия. Кстати, в некоторых не доказанных пока физических теориях дополнительные измерения рассматриваются как реально существующие. Но в данном случае, о котором мы здесь говорим, трехмерное пространство Вселенной представляется вложенным в формальное математическое 4-мерное пространство, которое существует лишь как математическая конструкция и не более того.

Из уравнений Эйнштейна, исследованных Фридманом, следует, что пространство Вселенной может быть трех типов: оно может быть конечным по размеру и иметь положительную кривизну, может быть бесконечным и плоским, либо оно может быть бесконечным и иметь отрицательную кривизну. Знак кривизны говорит о том, как искривлено пространство. Глобальная кривизна определяется наличием тяготеющих тел, точнее, их средней плотностью — плотностью, которая получается, если массу всех тел равномерно размазать по всему пространству. В первом из указанных случаев оно похоже на поверхность шара, если представлять его вложенным во вспомогательное четырехмерное пространство. Во втором случае пространство напоминает бесконечную ровную плоскость. В третьем случае форма пространственной поверхности похожа на лошадиное седло, загибаясь в разных направлениях. От знака кривизны зависит дальнейшая судьба Вселенной. В простейших космологических моделях Вселенная с отрицательной и нулевой кривизной будет расширяться вечно, а расширение Вселенной с положительной кривизной в некоторый момент сменится сжатием, и Вселенная в итоге сожмется почти в точку. Какой из этих трех вариантов реализован в природе, пока неизвестно, но Вселенная с большой точностью является плоской, ее средняя пространственная кривизна близка к нулю, хотя может слегка отличаться от нуля в любую сторону.

Модификации и обобщения Общей теории относительности

На то она и теория относительности, чтобы не возводить её в абсолют. — В. Котиков

После создания Общей теории относительности появились несколько ее модификаций. Вейль, Калуца и Клейн, а также сам Эйнштейн пытались объяснить электромагнетизм через усложнение геометрии пространства-времени. Ставился вопрос, не являются ли электрическое и магнитное поле просто проявлением дополнительных измерений пространства-времени или каких-то других геометрических структур? Главной целью в этой деятельности является построение единой универсальной и, желательно, простой теории, которая объясняла бы все физические явления. К сожалению, до сих пор попытки построить такую теорию не принесли удовлетворительного результата.

В частности, с помощью модифицированной теории гравитации пытаются объяснить темную материю во Вселенной. Темную материю мы более подробно будем обсуждать позже. Сейчас лишь скажем, что это невидимое вещество в галактиках и скоплениях галактик, создающее гравитационное поле, которое является дополнительным к гравитации звезд и других видимых объектов. Пока неясно, из чего состоит темная материя. Идея модифицированной гравитации заключается в том, что темной материи нет вообще, а более быстрое, чем в ньютоновской теории, движение звезд и галактик объясняется поправками к уравнениям Эйнштейна и, как следствие, поправками к закону тяготения Ньютона на больших масштабах. Логически такая возможность не исключена. Вопрос в том, можно ли в рамках таких модифицированных теорий объяснить всю совокупность наблюдательных данных? Отдельные данные теория модифицированной гравитации объясняет хорошо, а другие — с трудом.

Предпринимались попытки построить теорию тяготения как теорию поля в плоском пространстве-времени, т.к. в этом случае проще проводить квантование гравитации. Однако всеобщего признания эти теории не получили. В частности, в таких теориях невозможно образование черных дыр. При сжатии звезды вещество, согласно таким теориям, должно сжиматься и стабилизироваться на некотором радиусе, не допуская образование горизонта событий черной дыры.

Сложно предугадать, как дальше будет развиваться наука, но пока эйнштейновская теория в ее первоначальном виде прекрасно описывает природу.

Ученые мечтают построить такую теорию, которая сможет объяснить все фундаментальные процессы во Вселенной, объединить все поля и частицы. Так, теория Максвелла объединяет электрические и магнитные явления, которые становятся просто разным проявлением единого электромагнитного поля. Набор уравнений Единой теории поля будет задавать правила игры, подобно правилам в шахматах или футболе, но гораздо более сложные. По этим единым универсальным правилам рождаются, взаимодействуют и взаимно превращаются все частицы и поля.

Большинство исследователей сходится в том, что гравитация среди этого всеобщего единства не останется в стороне, а будет играть, возможно, принципиальную и определяющую роль. Что искривленное пространство-время — это не просто сцена, на которой разворачиваются события. Оно само будет квантоваться, бурлить, распадаться на частицы — гравитоны. В общем, жить сложной и активной жизнью. Общая теория относительности уже показала, что пространство-время имеет динамику — оно искривляется в зависимости от имеющегося в нем вещества, а в квантовой теории от гравитации ожидается еще большее. Калуца, Клейн, Эйнштейн и другие исследователи уже пытались объяснить электромагнетизм как одно из свойств искривленного пространства-времени, но подобные усилия пока к успеху не привели. Однако нельзя исключать, что в рамках какого-то более хитроумного подхода мечта физиков об окончательной единой теории все-таки сбудется.