Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Вокруг крохотного огонька движутся восемь крошечных планет. Одна из четырех самых маленьких – Земля. На этой «крупице пыли» в последние столетия люди стали подбираться к открытию тайн Вселенной.

Во всяком случае, мы к этому стремимся.

Как унизительно! Homo sapiens практически невозможно обнаружить в безбрежности космического пространства. В освоении космоса мы тоже делаем первые шаги.

Есть наглядное сравнение. Представим, что вся история Вселенной издана в виде энциклопедии в 14 томов. 14 толстых фолиантов, каждый в 1000 страниц мелким шрифтом. Большой взрыв – первая строка на первой странице 1-го тома. Первые звезды и галактики сформируются примерно к середине 1-го тома. Рождение Солнца и его планет будет описано лишь в 10-м. Вымирание динозавров на с. 935 14-го тома. Появление Homo sapiens – на с. 1000 в нижней пятой части. Вся наша письменная история уложится во вторую половину самой последней строчки.

Методы астрономов – лишь один из путей постижения нашего мира. Многие физики воспользовались бы иным: вместо того чтобы описывать все, что видишь (галактики, звезды, планеты), они бы выяснили, из чего все это состоит и как функционирует.

Представим, что астроном и физик сообща изучают роман Дж. Р. Р. Толкиена «Властелин колец». Астроном, сообщая о результатах своих исследований, изложит фабулу, опишет действующих лиц, метафорический смысл произведения, авторский стиль и т. д. Физик поведет речь об алфавите, частоте употребления букв, правилах пунктуации и грамматики.

Но разве все эти правила не одинаковы во многих совершенно разных книгах? «Да!» – с энтузиазмом подтвердит физик. В этом и прелесть его подхода. Можно отвлечься от частностей и заняться поиском общих базовых закономерностей, чтобы прийти к доступному максимально глубокому пониманию. Конечно, у обоих подходов есть свои сильные и слабые стороны. По сути, они прекрасно дополняют друг друга.

Как любая книга пишется небольшим количеством различных букв и должна подчиняться правилам грамматики, так и все объекты во Вселенной состоят из малого числа элементарных частиц, взаимодействующих посредством фундаментальных сил природы.

Поразительно то, что окружающий мир – булавочные головки, люди, планеты и протоскопления галактик – состоит из элементарных частиц всего лишь трех типов: верхних кварков (u-кварков), нижних кварков (d-кварков) и электронов. Как буквы составляются в слова, предложения, абзацы и книги, так и эти три частицы составляют атомы, молекулы, сложные вещества – буквально каждый объект, который вы можете себе представить.

Что касается фундаментальных сил природы, физикам известны только четыре, две из которых действуют на очень близких дистанциях – в масштабе атомного ядра, поэтому называются сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Две другие силы – электромагнитное и гравитационное взаимодействия – проявляются в макромире, о чем известно каждому, кому случалось включить свет или уронить стакан.

Я сейчас упускаю великое множество деталей. Нейтрино, нестабильные элементарные частицы, знаменитый бозон Хиггса, темная материя, суперсимметричные частицы, тетракварки, возможно существующее пятое взаимодействие – список можно продолжать. Интересующихся я отсылаю к популярным книгам об элементарных частицах, поэтому не стану вдаваться в подробности, хотя еще вернусь к нейтрино и темной материи.

В нашем разговоре о пространственно-временном континууме и гравитационных волнах важна загадка силы гравитации. Всем известны ее наглядные проявления. Однако в некотором отношении гравитация резко отличается от других фундаментальных взаимодействий. Альберт Эйнштейн объяснял это тесной связью гравитации с пространством и временем.

Попытаемся объяснить это Исааку Ньютону. Ньютон, разумеется, не знал истинной природы гравитации. Он просто вывел универсальную формулу, эффективно описывающую силу притяжения двух масс, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Но, как большинство его современников, Ньютон считал пространство и время независимыми, абсолютными понятиями.

Фактически взгляды Ньютона на пространство и время во многом близки нашим интуитивным представлениям. Пространство попросту существует – трехмерное ничто, простирающееся бесконечно. Физический объект (будь то элементарная частица или планета) может находиться в некотором положении в пространстве или двигаться из одного положения в другое. Если выбрать определенную точку отсчета, все остальные местоположения можно будет задать всего лишь тремя координатами. Ведите отсчет от избранной точки, и три числа укажут, на какое расстояние нужно переместиться вперед или назад, вправо или влево, а также вверх или вниз, чтобы попасть в другую точку. Пространство – нечто вроде трехмерной миллиметровки. Это пустой неизменяющийся задник, на фоне которого происходят все события во Вселенной.