Хайно Фальке
Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы
© 2020 Klett-Cotta – J.G. Cotta'sche Buchhandlung Nachfolger GmbH, Stuttgart
Russian edition published by arrangement with Michael Gaeb Literary Agency
© И. Каганова, Т. Лисовская, перевод на русский язык, 2024
© А. Бондаренко, Д. Черногаев, художественное оформление серии 2024
© ООО “Издательство АСТ”, 2024
Издательство CORPUS ®
Предисловие
Публикация в апреле 2019 года изображения огромной черной дыры в центре далекой галактики по праву привлекла огромное внимание и вызвала всеобщий интерес. В книге рассказывается история появления этого изображения. Сначала собралась группа ученых-астрономов, к которой присоединились специалисты по радиотелескопам, приемникам радиоизлучения и обработке данных. Затем они убедили распределителей ресурсов (денег, радиотелескопов, вычислительной техники) выделить на этот проект достаточное их количество. И, наконец, провели наблюдения, проанализировали данные и получили изображение. Эта история написана одним из главных участников проекта, который очень долго был в него вовлечен и занимался им изо дня в день в течение примерно двадцати лет.
Я сама участвовала в нескольких международных проектах и считаю известное высказывание о том, что сложность проекта возрастает пропорционально кубу числа участников, довольно точным. Разные подходы к отчетности, разный опыт, разные языки, разные взгляды и разные цели – все это гарантирует неопытному руководителю большие проблемы! Итогом данного проекта стала статья за подписью 348 авторов. Наблюдения и анализ данных проводились в восьми обсерваториях, расположенных на четырех континентах. Осуществление проекта такого масштаба с участием многочисленных общепризнанных “звезд” – само по себе потрясающее достижение!
Те из нас, кто работал в области рентгеновской астрономии в 1970‐е и 1980‐е годы, довольно быстро признали существование черных дыр. Но это были черные дыры звездной массы – крошечной по сравнению с массой черных дыр, находящихся в центрах галактик. Допустить существование этих черных дыр-гигантов, допустить, что связанная с ними физика верна, оказалось непросто – это был крупный шаг вперед. Прожив около 50 лет с этими “зверями”, я не очень поняла, почему возник такой ажиотаж вокруг получения изображения черной дыры в центре галактики М87. Но я была восхищена тем, что оказалось возможным собрать и организовать совместную работу такой большой группы ученых и специалистов в смежных областях для получения этого изображения!
Странности черных дыр (даже если они еще так не назывались) завораживали нас уже давно. Вспомним, например, книгу К. С. Льюиса “Лев, колдунья и платяной шкаф”. Платяной шкаф – это то, что мы сейчас назвали бы пространственно-временным мостом, по которому дети переходят в другой мир и оказываются в другом времени года и в другом времени суток. Пространственно-временные мосты могли бы образоваться, если бы черная дыра (которая все поглощает) оказалась связанной с белой дырой (которая только излучает). Такая связь была названа Джоном Уилером “кротовой норой”. В книге Алана Гарнера “Земля костей” (Boneland, 2012), действие которой происходит недалеко от радиотелескопа обсерватории Джодрелл-Бэнк, также описываются удивительные искажения пространства и времени, хотя явно там черные дыры и не упоминаются. Вообще книг, объясняющих свойства черных дыр, было написано множество.
Будучи астрофизиком, нельзя не задавать себе глобальные вопросы, такие как: почему и каким образом была создана Вселенная, существуют ли другие вселенные и что будет после смерти нашей Вселенной? Зияющая пасть черной дыры напоминает нам, что Вселенная – не слишком уютное место и в ней таятся экзистенциальные угрозы. Однако сиюминутные проблемы, обязательства и другие вполне земные дела отвлекают нас от размышлений над этими вопросами. У нас много хлопот, и потому эти абстрактные проблемы не задерживаются в наших головах надолго.
Похоже, Вселенная старается помешать точному ее описанию и полному пониманию; такое впечатление, что на вопросы типа “откуда мы взялись?” или “почему все это все‐таки возникло?” вообще нет научного ответа. Кто‐то из нас верит в Бога, кто‐то нет. Некоторые из нас христиане, кто‐то принадлежит к другим конфессиям, а кое‐кто вообще не верит во Всевышнего. Тем не менее мне кажется, что и в своем понимании устройства мира, и в системе убеждений, и в теологических теориях мы в конечном итоге подходим к той черте, когда нам придется сказать: “Мы этого не знаем или не понимаем”. Мы продолжаем жить и работать, потому что должны это делать, – причем стараемся делать это как можно лучше. Кому‐то из нас комфортнее существовать в условиях неопределенности, неполноты и некоторого хаоса, другие же ощущают от этого дискомфорт.
Фальке излагает свой взгляд на подобные экзистенциальные проблемы в IV части своей книги, и меня восхищает то, что он посчитал необходимым заговорить об этом. Причем, вероятно, сделал он это не столько для нас, сколько для себя самого! Система убеждений до некоторой степени поддается “настройке”, и мы можем подстраивать ее (и делаем это) под себя и свои конкретные задачи.
Эта книга легко читается, она очень лирична – чувствуется, что автор влюблен в нашу дивную, непостижимую Вселенную.
Джоселин Белл Бёрнелл
Введение
А ведь мы действительно можем их увидеть
В большом пресс-центре Европейской комиссии со штаб-квартирой в Брюсселе гаснет свет. Момент, которого мы так долго ждали, ради которого все мы до изнеможения работали много лет, наконец наступил. Была суббота 10 апреля 2019 года, 15 часов 6 минут и 20 секунд. Еще 40 секунд – и жителей Земли изумит и восхитит вид первого изображения гигантской черной дыры. Она расположена на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли, в центре галактики Мессье 87 (или сокращенно М87). Долгое время считалось, что абсолютно темные черные дыры останутся полностью и навечно спрятанными от наших глаз, но сегодня они впервые выйдут из тьмы и мы увидим их в ярком дневном свете.
Пресс-конференция началась, но мы до сих пор не имели ни малейшего представления о том, куда это все нас приведет. Тысячелетний путь человечества к открытиям, исследования, проводимые на самых границах неизведанного, революционные теории пространства-времени, новейшие технологии, работа новых поколений радиоастрономов и вся моя жизнь как ученого… Сегодня все это должно соединиться воедино и воплотиться в уникальном изображении черной дыры. Астрономы, ученые, журналисты и политики завороженно ожидали, что же именно мы здесь – в Брюсселе и других мировых столицах – собираемся открыть. Только позже я узнаю, что миллионы людей во всем мире в эту минуту прильнули к своим экранам и что в течение следующих нескольких часов “наше изображение” увидело около четырех миллиардов человек.
В первом ряду в помещении пресс-центра сидели именитые коллеги и молодые ученые, многие из которых были моими студентами. Долгие годы мы тесно сотрудничали. Все они трудились на пределе своих возможностей, с такой отдачей, которую ни они, ни я не могли себе прежде даже вообразить. Многие из них отправлялись в самые отдаленные уголки мира, иногда с риском для жизни, – и все ради одной цели. И вот сегодня они сидят в темноте, наблюдая, как достигнутый ими успешный результат – кульминация их работы – становится центром всеобщего внимания. Мне хочется поблагодарить их прямо сейчас, потому что каждый из них и все они вместе помогли осуществить этот прорыв.
Но часы продолжают тикать. Мне кажется, что я мчусь в спорткаре в туннеле и мимо меня со скоростью ветра проносятся картины – одна за другой. Я и не заметил, как кто‐то в третьем ряду направил на меня камеру телефона. (Клип, снятый им, появился позже на популярном сайте для детей в рубрике “актуальная тема”, втиснутый между вульгарными шутками про зад президента и последним синглом известного певца.) Журналисты были напряжены и взбудоражены, да я и сам здорово разволновался: в глазах присутствующих читалось нетерпеливое ожидание. Мой пульс участился. Все взгляды были направлены на меня.
Карлос Моэдаш, европейский комиссар по науке, выступал первым. Мы попросили его не говорить долго. Моэдаш разжег любопытство аудитории своими комментариями, но закончил слишком рано. Чтобы заполнить время, мне пришлось импровизировать, и при этом я всячески пытался не показать, насколько я взвинчен.
Это наше первое изображение черной дыры должно было одновременно открыться во всех уголках мира. Точно в 15 часов 7 минут по центральноевропейскому времени изображение черной дыры должно было появиться на гигантском экране здесь, в зале пресс-центра. В тот же самый момент мои коллеги в Вашингтоне, Токио, Сантьяго де Чили, Шанхае и Тайбэе продемонстрируют это изображение, прокомментируют его и ответят на вопросы журналистов. Компьютерные серверы на всех континентах были запрограммированы так, чтобы разослать научные статьи и пресс-релизы по всем странам. Время текло неумолимо. Мы скоординировали и распланировали все заранее с предельной точностью – небольшие отклонения привели бы к сбоям. Точно такая же предельная координация требовалась при сборе данных наблюдений. Я произношу несколько вступительных слов и… спотыкаюсь прямо на старте.
Тем временем за моей спиной кадры сменяются все быстрее, мы все глубже продвигаемся к центру галактики. Я начинаю с глупой оговорки – путаю световые годы с километрами, что непростительно для астронома, но времени для рефлексии сейчас нет: я должен продолжать.
Часы на дисплее продолжают тикать – уже ровно 15:07. Из глубин бесконечной темноты пространства, из центра галактики Мессье 87 появляется сияющее красное кольцо. Его контуры едва видимы на экране, они слегка размыты… кольцо светится. Все присутствующие в зале подпадают под его чары, возникает чувство, что это изображение, которое, казалось, невозможно получить, наконец пробило себе дорогу к нам, на Землю, с помощью радиоволн, проделавших путь в 500 квинтильонов километров.
Сверхмассивные черные дыры – это космические кладбища. Они образуются из угасающих, выгоревших и мертвых звезд. Но космос подкармливает их гигантскими газовыми туманностями, планетами и другими звездами. В силу своей огромной массы они сильнейшим образом искажают пустое пространство вокруг себя и, по‐видимому, способны остановить даже течение времени. Все, что приближается к черной дыре слишком близко, никогда не сможет вырваться из ее объятий – даже лучам света не удается выскользнуть оттуда.
Но как мы можем увидеть черные дыры, если свет изнутри до нас не доходит? Как мы узнаем, что эта черная дыра, массой в 6,5 миллиарда Солнц, была сжата в одну точку и в конце концов стала супермассивной? И что за светящееся кольцо окружает абсолютную тьму в его центре – тьму, из которой не могут вырваться ни свет, ни какая‐либо информация?
“Перед вами первое в истории изображение черной дыры”, – говорю я, как только это изображение во всей своей красе появляется на экране, – и зал разражается аплодисментами[1]. Вся накопленная за последние годы усталость спадает с моих плеч. Я чувствую себя свободным – тайна наконец‐то раскрыта. Мифическое существо космических размеров обрело форму и цвет, и каждый человек смог его увидеть[2].
На следующий день газеты сообщат, что мы вписали страницу в историю науки и предоставили человечеству возможность почувствовать радость и удивление. Оказалось, что они действительно существуют, эти сверхмассивные черные дыры! Они – не просто фантазии, придуманные безумными авторами научно-фантастических романов.
Это изображение стало возможным получить только потому, что люди в разных уголках мира – несмотря на все наши проблемы и все наши различия – посвятили годы достижению общей цели. Мы все хотели разгадать одну из самых больших загадок физики, выследив черную дыру. Это изображение привело нас к самым границам нашего познания. Как бы спорно это ни звучало, наша способность измерять и изучать заканчивается на границах черной дыры, и большой вопрос, сможем ли мы когда‐нибудь зайти за эту границу.
Эта новая глава в физике и астрономии была открыта предыдущим поколением ученых. Двадцать лет назад мысль о получении изображения черной дыры еще считалась несбыточной мечтой, но я загорелся этой идеей и решил, будучи молодым ученым, охотившимся за черными дырами, отправиться на поиски приключений. И по сей день я не могу думать об этом без восторга.
Я тогда и представить не мог, насколько захватывающими окажутся мои поиски и как изменят они течение моей жизни. Это было путешествие к началу пространства и времени, путешествие к сердцам миллионов людей, хотя сам я осознал это последним. Весь мир помогал нам получить заветное изображение. Теперь мы делились им с миром, и мир реагировал на него очень, просто невообразимо, горячо.
Для меня все началось почти пятьдесят лет назад. С тех пор, как я в детстве впервые взглянул в ночное небо, я стал мечтать о небесах так, как может мечтать только ребенок. Астрономия – одна из самых древних и самых увлекательных областей науки, и даже сегодня она постоянно дарит нам потрясающие новые открытия. С момента зарождения астрономии и до наших дней астрономы, движимые любопытством и чувством долга, то и дело коренным образом меняли наш взгляд на мир. Сегодня мы исследуем Вселенную с помощью своего интеллекта, используя аппарат математики, физики и все более сложные телескопы. Вооружившись самой современной техникой, мы отправляемся в экспедиции на край земли и даже в космос, чтобы изучать неизведанное. В бездонных просторах космического пространства, в бесконечной Вселенной и в божественном космосе знания и мифы, вера и суеверия всегда были так тесно переплетены, что сегодня ни один человек не может взглянуть в ночное небо, не спросив себя: что еще ожидает нас в этой темной бездне?
Об этой книге
Эта книга – своего рода приглашение совершить со мной персональную экскурсию по нашей Вселенной. Мы стартуем на Земле, пролетаем Луну и Солнце, благодаря которому у нас сменяются сезоны, дни и годы, минуем другие планеты, погружаемся в историю астрономии, которая продолжает формировать наше нынешнее восприятие мира (часть I). Часть II книги представляет собой рассказ о развитии современной астрономии. Пространство и время становятся относительными. Звезды рождаются, умирают, а иногда превращаются в черные дыры. Наконец мы покидаем наш Млечный Путь, летим дальше и видим перед собой невообразимо большую Вселенную, изобилующую галактиками и исполинскими черными дырами. Галактики рассказывают нам о начале пространства и времени и о Большом взрыве, а черные дыры – о конце времени.
Первое полученное изображение черной дыры было важным научным достижением. Сотни ученых работали вместе многие годы, и их общие усилия увенчались успехом. В конечном итоге наш проект из фантастической идеи превратился в масштабный эксперимент. О моем собственном опыте участия в этом приключении я рассказываю в части III. Это и захватывающие дух экспедиции на радиотелескопы, разбросанные по всему миру, и выматывающая нервная работа, и ожидание, и – в конце концов – получение изображения.
В заключительной же части IV я осмеливаюсь задать несколько важных вопросов, на которые ученые до сих пор ищут ответы. Черные дыры – это конец? Что происходило до начала пространства и времени, и что произойдет в конце? И что это понимание дает нам – маленьким Homo sapiens, обитающим на ничем не примечательной, но удивительной планете Земля? Значат ли грандиозные успехи естественных наук то, что вскоре мы сможем узнать, измерить и предсказать все на свете? Останется ли тогда еще место для неопределенности, надежд, сомнений и Бога?
Часть I
Путешествие сквозь пространство и время
Краткое описание нашей Солнечной системы и первые шаги астрономии
Обратный отсчет
Давайте вместе отправимся в увлекательное путешествие по пространству и времени – и начнем с Земли. Представьте такую картину: зеленая лужайка, а над ней возвышается ракета. Птицы растерянно вьются вокруг этого шедевра инженерной мысли. Зрелище впечатляющее. Стоит зловещая, как перед бурей, тишина. Только-только рассветает… тьма над стартовой площадкой медленно рассеивается. Природа еще и не подозревает о том аде, который начнется всего через несколько секунд.
Усталые и взволнованные сотрудники и зрители собираются на обзорной площадке. Отсюда каждый предмет, каждый человек – да и вообще вся сцена – кажутся игрушечными, как будто дело происходит в кукольном театре. Один из гостей достает телефон и начинает трансляцию события на веб-сайте – с титрами, написанными китайскими иероглифами, и вспыхивающими логотипами. Это тот самый стрим, который я смотрю онлайн, сидя в уютном номере небольшой гостиницы, расположенной в зеленой ирландской деревушке на другой стороне Земли. Я полон надежд и с замиранием сердца наблюдаю за разворачивающимися событиями.
Внезапно где‐то за кадром раздается громкий голос. От звука этой прерывистой и невнятной, с металлическим оттенком речи по коже начинают бегать мурашки. Голос монотонно ведет обратный отсчет, и хотя он говорит на языке, которого я не понимаю, я считаю вместе с ним. Раздается грохот, и одновременно у основания ракеты вспыхивает и озаряет темноту красновато-желтый свет. Включенный ракетный двигатель производит оглушительный рев, слышный даже здесь, в идиллической Ирландии, хотя звук издает только мой ноутбук. Земля сотрясается, опоры ракеты отклоняются, она отрывается от стартовой площадки и величественно поднимается к небу, оставляя за собой ослепительный след горячих газов… и вот наконец, устремившись в космос, она исчезает из поля зрения – как хвостатая комета, решившая вернуться обратно на небосвод.
1
Человечество, Земля и Луна
Мне казалось, будто я снова наблюдаю старт шаттла “Дискавери”. Тогда, ранним утром 11 февраля 1997 года, мне вместе с моей усталой, но воодушевленной семьей довелось присутствовать при запуске на мысе Канаверал. До сих пор я вспоминаю гордое выражение лица моей четырехлетней дочери, смотревшей издалека на направленную в небо ракету. В блеске ее глаз я увидел отблеск глаз собственных.
Двадцать один год спустя, 20 мая 2018 года, я наблюдаю всего лишь то и дело прерывающуюся прямую трансляцию из Китая. Но я точно знаю, каково это – присутствовать там сейчас. Вдобавок этот запуск совершенно особенный: ракета словно бы уносит на борту частичку меня – ведь она должна провести эксперимент, подготовленный моей командой в голландском Неймегене. Я снова чувствую себя ребенком. У ракеты особая цель: обратная сторона Луны.
Мысленно я лечу вместе с ней на Луну… и еще гораздо, гораздо дальше, как я делал много раз прежде, – лечу туда, куда меня всегда страстно тянуло: в открытый космос.
За пределами Земли
Небесный покой. Первое, что вы замечаете, когда оказываетесь в космическом пространстве, – это абсолютная тишина. Двигатели выключены, во внешнем пространстве все звуки затухают. Космический телескоп “Хаббл” достиг высоты 550 километров над поверхностью Земли – высоты, почти в 70 раз превышающей высоту горы Эверест. Телескоп теперь летит в атмосфере, примерно в 5 миллионов раз более разреженной, чем атмосфера на поверхности Земли[3]. Звуковые волны (то есть вибрации воздуха) человеческим ухом здесь не воспринимаются: ни шорохи, ни слова… даже самые мощные взрывы на Земле услышать тут нельзя.
В своей работе астронома я использую космические телескопы, обращающиеся вокруг Земли, слушаю истории, которые рассказывают побывавшие на орбите космонавты, и разглядываю изображения, которые они привозят на Землю. В своем воображении я тихо плыву в космосе, ощущая себя невесомым, – но в действительности несусь вокруг Земли с головокружительной скоростью 27 000 километров в час. Мощная центробежная сила, возникающая при такой скорости, казалось бы, может вытолкнуть меня с орбиты, но мощное земное притяжение уравновешивает эту силу и удерживает меня там. В этом заключается секрет орбитального движения вокруг всех небесных объектов. Невесомость не означает, что вы освободились от притяжения Земли. На орбите гравитация все еще держит нас железной хваткой, но мы чувствуем себя невесомыми, потому что центробежная сила и сила тяжести полностью уравновешивают друг друга. На самом деле мы находимся в состоянии свободного падения, но снова и снова не падаем на Землю, поскольку все время остаемся на удаленной траектории, так точно очерченной, что кажется, будто она была нарисована с помощью гигантского циркуля. Если бы мы замедлялись, наша траектория становилась бы все короче и ближе к Земле, пока в конце концов наше свободное падение не закончилось бы резким ударом, от которого в месте падения образовался бы кратер. Но, конечно, никто из нас такого бы не захотел!
Небольшое трение об атмосферу, с которым приходится сталкиваться нашему “космическому кораблю”, настолько мало, что мы можем обращаться вокруг Земли в течение многих лет практически беспрепятственно[4], ни разу не включив наш ракетный двигатель.
Совершая орбитальное движение, мы можем наслаждаться уникальным видом Земли, взирая сверху, подобно богам, на эту голубую жемчужину, сверкающую на черном бархате Вселенной. Континенты, облака и океаны образуют роскошную картину, написанную буйными красками. Ночью всю сцену освещают вспышки молний, сияющие города и мерцающие полярные сияния – поистине захватывающее зрелище! Государственные границы исчезают, и мы воспринимаем Землю как общий дом всего человечества. Линия, отделяющая нас от холодного космоса, ясная и резкая. Только отсюда, с высоты, мы понимаем, насколько тонок слой воздуха, который защищает нас от враждебного космоса и делает возможной жизнь. Погода и климат – понятия, имеющие смысл всего лишь в нешироком слое над Землей. До чего же хрупкой и уязвимой кажется наша гордая планета! Этими поразительными зрелищами и открытиями в космосе люди обязаны современным технологиям, но из‐за их безрассудного использования мы сами разрушаем основу нашей жизни на уникальной голубой планете под названием Земля.
Каждый раз, когда я вижу все эти прекрасные изображения, я, помимо прочего, ощущаю одиночество и пустоту, боль и страдание, которыми наполнен наш мир. “Распростёр Он север над пустотой, ни на чем Он подвесил Землю”, – так восклицал убитый горем Иов тысячелетия назад[5]. Пустота неба, расстилающаяся, как черное полотно, а посередине – наша планета Земля! Тому, кто написал библейский текст, не был дарован этот взгляд сверху, а между тем в своих видениях он уже воспринимал Землю как единое целое. Старые представления человечества сегодня наполняются новыми образами, ставшими доступными нам благодаря современным технологиям. Рои спутников с камерами и датчиками, постоянно направленными на нашу планету, передают изображения облаков, континентов и океанов во всех их захватывающих дух деталях.
Иов, увидев, что Земля висит ни на чем, посетовал на это Богу. Глубоко человеческое чувство, переживаемое Иовом, это бессмысленное страдание. И страдания и красота по‐прежнему сосуществуют на нашей планете. Отдельного человека невозможно разглядеть из космоса. Страдание можно понять только вблизи, а издалека все на Земле кажется величественным и необыкновенно красивым. Даже ураганы, наводнения и лесные пожары приобретают мрачное очарование, если смотреть на них с высоты. В космосе вы удалены от страданий, которые испытывают миллиарды людей внизу, и потому земные проблемы представляются непонятными. Так не выпускает ли этот “всеохватывающий взгляд” из поля своего зрения самого человека?
Совершенно поразительно то влияние, какое может оказать даже на закаленных космических путешественников выполнение чисто технических исследовательских программ. С тех пор как в 1961 году первым космонавтом стал Юрий Гагарин, в космосе побывало более 550 человек[6]. Почти все они рассказали, что невероятная хрупкость Земли произвела на них глубочайшее впечатление и коренным образом изменила их личность. Процесс созерцания земного шара как единого целого оказывается сродни экстатическому состоянию. Психолог Фрэнк Уайт, который изучал этот феномен и подробно описал его, использовал термин “обзорный эффект”. Какой эмоциональный отклик вызывает в нас вид планеты? Как это нас меняет? Как мы можем использовать этот эффект? Врачи исследуют его с тех пор, как он был впервые описан. Земля уникальна, и, насколько нам на сегодняшний день известно, в космосе нет ничего сравнимого с ней. У космонавтов создается такое же впечатление. Ощущение, что ты паришь над Землей, как ангел, и видишь все сверху, не может оставить нас, людей, равнодушными. Поэтому, вдохновляясь новыми видами космоса – и из космоса, – мы не должны отстраняться от проблем людей.
Время относительно
Как только мы попадаем на орбиту, наше представление о пространстве и времени меняется. Мы не просто по‐другому видим нашу родную планету – Землю, но меняется и наше восприятие течения дней, месяцев и лет. “Ибо тысяча лет в глазах твоих подобна только что прошедшему дню”[7], как говорится в одном из известных псалмов. Время относительно. Люди подозревали об этом с незапамятных времен, но нигде мы не ощущаем это так ясно, как в открытом космосе.
Когда я писал свою первую программу наблюдений для космического телескопа “Хаббл”, мне пришлось разделить последовательности команд на 95‐минутные блоки, потому что именно столько времени требовалось телескопу для обращения вокруг Земли. На его орбите Солнце восходит и заходит каждые 95 минут. Для телескопа сутки длятся 95 минут, и астронавты на Международной космической станции также наблюдают восходы Солнца каждые 95 минут. Я видел это в своем компьютере, готовя программу наблюдений и мысленно путешествуя по Вселенной.
Но относительность времени означает нечто большее, чем просто иная длина дня. В космосе часы идут не так, как на Земле, хотя вряд ли кто‐то думает, что это возможно. На орбите высотой 20 000 километров над Землей они за день убегают на 39 микросекунд. И, следовательно, за 70 лет наши земные часы отстанут от наших космических часов на одну секунду. Кажется, что это не так уж и много, и все же у нас сегодня нет проблем с тем, чтобы измерить эту представляющуюся ничтожной разницу, – разницу, которая является ключевым аспектом общей теории относительности Альберта Эйнштейна: время действительно относительно. Эта теория описывает не только нашу Солнечную систему, но и черные дыры, и пространственно-временную ткань всей Вселенной.
Путь к открытию был необычайно долог. В широком смысле он начался с фундаментальных открытий, таких как открытие строения нашей Солнечной системы и законов, которые ею управляют, а также с изучения структуры и законов всего космоса. В узком же смысле он начался с того, что мы поняли парадоксальную вещь: свет ведет себя и как волна, и как частица, – и это его свойство непосредственно связано со знаменитой специальной теорией относительности Эйнштейна.
Можно сказать, что глубокое понимание замечательных свойств света явилось ключом ко всему. Более прочего поражает здесь то, что свет не только дает нам возможность видеть все вокруг, позволяя, в частности, исследовать Землю, Луну и звезды, но еще и теснейшим образом связан со временем, пространством и гравитацией.
Давайте обратимся к истории современной физики. Для Исаака Ньютона – автора теории тяготения – свет состоял из маленьких корпускул, то есть мельчайших частиц. Позже, в XIX веке, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, взяв за основу блестящую революционную работу Майкла Фарадея, доказал, что свет и все другие формы излучения представляют собой электромагнитные волны. И радиосигналы, используемые в технологии Wi-Fi, сотовых телефонах или автомобильных радиоприемниках, и тепловое излучение, регистрируемое приборами ночного видения, и рентгеновские лучи, которые мы используем, чтобы рассмотреть кости под кожей, и даже видимый свет, который воспринимают наши глаза, – все это, согласно теории Максвелла, суть колебания электрических и магнитных полей. Они отличаются друг от друга только своей частотой и способами, с помощью которых мы их производим и измеряем. Но по сути все эти колебания представляют собой одно и то же явление, а именно – свет: видимый свет, свет с длиной волны из радио-, инфракрасного или рентгеновского диапазона.
В частотном диапазоне, используемом мобильными телефонами, волны колеблются миллиард раз в секунду, а их длина составляет больше 20 сантиметров. Волны видимого света колеблются секстиллионы раз в секунду, и их длина в сто раз меньше диаметра волоса. Поскольку световые волны определенного цвета и частоты всегда колеблются с одинаковой скоростью, свет является идеальным метрономом для часов и эталоном времени. Самые точные оптические часы на сегодня откалиброваны так, что их точность составляет более 10–19 секунд [8]. За все время существования Вселенной (на сегодня это примерно 14 миллиардов лет) такие часы отстанут всего примерно на полсекунды! Это такая степень точности, о которой предыдущие поколения даже не мечтали.
Но что именно вызывает эти колебания? Долго считалось, что все космическое пространство заполнено так называемым эфиром. Имелся в виду не тот эфир, который растворитель, а эфир – гипотетическая среда, в которой электромагнитные волны (или световые, или радиоволны) распространяются во все стороны, как звуковые волны в воздухе.
Одним из свойств уравнений Максвелла – самым обескураживающим и неожиданным для физиков, причем остающимся таковым и по сей день, – является представление о том, что свет с любой длиной волны, распространяющийся в пустом пространстве, должен всегда двигаться с одной и той же постоянной скоростью, не зависящей от того, как быстро двигается наблюдатель. Рентгеновский луч столь же быстр, как радиоволна или лазерный луч, и в уравнениях Максвелла скорость света не зависит от скорости приемника или излучателя. То, что свет распространяется с конечной скоростью, мы знали самое позднее с конца XVII века, когда Оле Рёмер измерил движение спутников Юпитера и использовал их в качестве часов [9]. Но разве не должна скорость света меняться в зависимости от того, летишь ли ты с большой скоростью сквозь таинственный эфир или стоишь на месте?
Допустим, я плыву на серфборде в океане. Сильный ветер дует в сторону берега, а я гребу от него перпендикулярно линии прибоя. Волны приближаются ко мне с большой скоростью – на самом деле почти так же быстро, как они набегают на берег. Но если я меняю направление и быстро гребу в ту же сторону, куда устремлены ветер и волны, моя скорость почти равняется скорости волн под моим серфбордом. По сравнению с ним скорость волн мала, однако скорость волн относительно берега очень высока.