Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

В Чапел-Хилл съехались не только релятивисты. Принять участие решил и бывший студент Джона Уиллера Ричард Фейн-ман, который полностью перекроил квантовую физику и предложил новую теорию квантовых превращений. Как человека из квантового мира, его интересовало происходящее в области общей теории относительности. Позднее Фейнман вспоминал, как он прибыл в аэропорт Чапел-Хилл, не представляя, куда ему ехать дальше. В такси он понял, что водитель ничего не знает о встрече, — да и откуда ему было знать? Фейнман повернулся к водителю и сказал: «Конференция начала работать вчера, значит, позавчера на нее отсюда уезжало немало людей. Сейчас я тебе их опишу: вид у них был довольно важный, а по дороге они разговаривали друг с другом, не обращая внимания на то, куда их везут, и произнося что-то вроде «джи-мю-ню, джи-мю-ню». Джи-мю-ню (пишется gμν) — это математический символ для метрики, в которой закодирована геометрия пространства-времени. Водитель сразу понял, куда нужно ехать.

Всем собравшимся было ясно, что следует предпринять какие-то действия для извлечения общей теории относительности из болота, в котором она находилась последние три десятилетия. Ричард Фейнман сразу понял, почему этой теории не уделялось должного внимания: «Существует… один серьезный недостаток. И это недостаток экспериментальных данных. Более того, мы не собираемся ставить эксперименты, поэтому нужно понять, что делать в ситуации, когда экспериментальные данные недоступны». Без экспериментов прогресс невозможен, но Фейнман настоял на необходимости продолжения исследований. Общая теория относительности сложна, но не настолько сложна, и, как он выразился: «Лучше всего представить, что эксперименты проводятся, и заняться вычислениями. В этой области нас двигают вперед не эксперименты, а наше воображение».

Поскольку в Чапел-Хилл собралось новое поколение релятивистов, почти выпускников или недавних выпускников, с новыми идеями и готовых к бою, Фейнман выразил общие чувства. Диковинные идеи конкурировали с трезвыми высказываниями старых ученых мужей. Ежедневные заседания были насыщены дискуссиями и аргументами. Когда Томас Голд представил обновленную теорию стационарной Вселенной, девитт сразу же свел все к обсуждению ключевого допущения — введенного Хойлом си-поля. Этот сомнительный механизм нарушал закон сохранения энергии. Когда кто-то заговорил о необходимости теории, объединяющей гравитацию и электромагнетизм в соответствии с десятилетиями разрабатываемым Эйнштейном планом, Фейнман был неумолим. Почему с гравитацией нужно объединить именно электромагнетизм? Как быть с остальными силами? Наиболее животрепещущей и обсуждаемой стала одержимость Девитта и Уиллера идеей объединения общей теории относительности с квантовой механикой. Может ли на пространстве-времени появиться рябь от гравитационных волн, как на поверхности озера, совсем как у электромагнитных волн в теории Максвелла? Участники живейшим образом обсуждали все эти вопросы во время семинаров.

Джон Уиллер появился с грандиозным планом коренным образом изменить физику через теорию относительности и с выводком фонтанирующих новыми идеями студентов и докторантов. Они продвинули теорию относительности еще дальше, до точки, в которой она стала походить на клоунаду. В программе появились «электромагнетизм без электромагнетизма» и «заряд без заряда», а также «спин без спина» и «элементарные частицы без элементарных частиц». На протяжении всей конференции в центре внимания оказался клан Уиллера, бросающий в толпу идеи, которые следовало тщательно рассмотреть или отбросить прочь. Джон Уиллер был в своей стихии.

В основном релятивисты в Чапел-Хилл задавали себе вопрос, дает ли теория Эйнштейна возможность делать реалистичные прогнозы. Без этого она не сможет достичь высокого статуса. Так, например, теория электромагнитных взаимодействий успешно предсказывает практически любые явления, связанные со светом, электричеством и магнетизмом. При этом Шварцшильд, Фридман и Леметр давали прогнозы только в рамках сильно упрощенных идеализированных систем. Как выйти за пределы таких упрощений, было неясно. Поэтому участники конференций в Чапел-Хилл спрашивали себя, можно ли решить уравнения Эйнштейна в общем виде и достоверно узнать, как именно развивается пространство-время? Казалось, что до ужаса запутанный характер общей теории относительности делает невозможным даже выбор начальных условий, не говоря уже о расчете путей эволюции. Попытка решить уравнения на компьютере оказалась еще более сложной.

Эта встреча, поражающая творческим потенциалом и вдохновляемая изобретательностью Уиллера и воображением Фейнмана, стала увлекательным событием для новых приверженцев теории относительности. Но теория пространства-времени вперед не продвинулась. В отрыве от реального мира были бесполезными вся математическая гениальность, предложения унификации, дискуссии о гравитационных волнах, кротовые норы, геоны и пена пространства-времени Уиллера.

С момента первой проверки теории Эйнштейна — измерений, проведенных Эддингтоном во время затмения, — прошло почти сорок лет. Почти тридцать лет отделяли присутствующих от подтвердивших расширение Вселенной измерений Хаббла. К моменту собрания в Чапел-Хилл новых экспериментальных данных давно не появлялось. Не было ничего, что могло бы в дальнейшем подтвердить или, наоборот, низвергнуть теорию Эйнштейна. Коллега Уиллера по Принстону Роберт Дикке в своем выступлении «Экспериментальные основы теории Эйнштейна» описал ситуацию так: «Теория относительности выглядит чисто математическим формализмом, практически не имеющим отношения к наблюдаемым в лабораториях явлениям». Однако оказалось, что искать ответы нужно было не в лабораториях, а среди звезд.

В 1963 году голландский астроном Мартин Шмидт работал с телескопом, названным в честь Джорджа Эллери Хейла, патрона Паломарской обсерватории. Он думал об одном из источников, указанных в составленном радиоастрономами Мартином Райлом и Бернардом Лавеллом каталоге 3С. Пока Уиллер со своей командой пытался вдохнуть новую жизнь в общую теорию относительности, радиоастрономы решили внимательнее осмотреть находящиеся в их распоряжении радиоисточники. Как у любых звездочетов, у них была цель выяснить, что эти объекты представляют собой на самом деле. А для этого требовалось найти как можно больше таких объектов и более тщательно их исследовать, чтобы понять, что именно является источником радиоволн.

За более чем десять лет, призвав на помощь ту самую изобретательность, которая помогала им при разработке радаров, Райл и Лавелл на несколько порядков повысили точность своих измерений, указав положение радиоисточников на небе настолько корректно, что астрономы получили возможность нацелить туда свои телескопы и заняться исследованием их природы. Каталог радиоисточников Райла, или каталог 3С, включал в себя данные о точном положении сотен источников.

Группа Лавелла обратила внимание на альфу Лебедя, один из радиоисточников, который Гроут Ребер идентифицировал как испускающий галактический радиошум. В каталоге Райла 3С он значился под номером 405. Оказалось, что каждый из двух конгломератов радиоволн, из которых состоит этот странный объект, имеет практически прямоугольную форму. Гигантские структуры, размер которых в поперечнике составлял сотни световых лет, казалось, управлялись чем-то расположенным между ними. А когда астрономы направили телескопы на другой источник, числящийся в каталоге под номером 48, то вместо замысловатой структуры, обнаруженной у альфы Лебедя, перед ними появилось простое яркое пятно, в котором доминировал цвет синей части спектра. Объект своей простотой и невыразительностью напоминал звезду. Но при попытке измерить его спектр и определить, из чего же ЗС48 состоит, считанный лес спектральных линий не совпал ни с одной из известных звезд. Более того, оказалось невозможным даже просто идентифицировать элементы, входящие в его состав. Причем объектов, не поддающихся идентификации, было много. Космические радиоисточники оказались многочисленными и разнообразными, и никто не знал, как далеко от нас они находятся.

Мартин Шмидт сфокусировался на источнике с ничем не примечательным именем 3С273. Он напоминал звезду, но спектральные линии снова не совпадали ни с одним уже известным спектром. Внимательно изучив результаты измерений, Мартин обнаружил примечательную вещь: по сути, это были спектральные линии водорода, но смещенные почти на 16% в красную часть спектра. Однако для подобного смещения объект 3C273 должен был либо удаляться от нас со скоростью, близкой к скорости света, либо располагаться так далеко, что на его спектр влияло расширение Вселенной. Шмидт был ошеломлен. Вечером он сказал жене: «На работе сегодня произошло кое-что ужасное».