Йен Стюарт - Наука Плоского мира
Эйнштейновская теория гравитации вытеснила ньютоновскую потому, что лучше объясняла результаты некоторых наблюдений. Однако ньютоновская по-прежнему подходит для множества целей, к тому же она куда проще, поэтому списывать ее в утиль рановато. А теперь уже и эйнштейновскую теорию теснит другая, которую он когда-то отбросил, посчитав своей величайшей ошибкой.
В 1998 году два независимых наблюдения позволили усомниться в эйнштейновской концепции. Одно касалось крупномасштабной структуры Вселенной, другое имело место быть прямо у нас под боком. Первое наблюдение до сих пор изо всех сил сопротивляется любым попыткам его преодолеть, а вот второе любопытное явление, возможно, имеет какое-нибудь прозаическое объяснение. С него, пожалуй, и начнем.
В 1972 и 1973 годах для изучения Юпитера и Сатурна были запущены космические зонды «Пионер‑10» и «Пионер‑11». В конце 80‑х оба зонда находились в глубоком космосе, направляясь за пределы Солнечной системы. В научной среде с давних времен распространена была легенда, ничем, впрочем, не доказанная, что за Плутоном может находиться неоткрытая планета, Планета Х. Она должна была исказить траекторию движения зондов, поэтому все напряженно следили за их полетом в надежде заметить какие-нибудь отклонения. И действительно, команда Джона Андерсена обнаружила таковые. Все бы хорошо, однако не похоже было, что эти отклонения вызваны некой планетой. Более того, они не вписывались в общую теорию относительности. «Пионеры» двигались по инерции, без применения каких-либо двигателей, поэтому сила притяжения Солнца (и даже гораздо более слабая гравитация других объектов Солнечной системы) воздействовала на зонды, постепенно замедляя их движение. Однако они почему-то замедлились немного сильнее, чем ожидалось. В 1994 году Майкл Мартин предположил, что этого наблюдения вполне достаточно, чтобы поставить под сомнение постулаты Эйнштейна. К тому же в 1998 году та же команда Андерсена объявила, что наблюдаемые факты не могут быть объяснены ошибками измерения, газовыми облаками, давлением солнечного света или гравитационным воздействием отдаленных комет.
Трое других ученых немедленно предложили свои гипотезы, объясняющие аномалию. Первые двое грешили на перегрев. Аппаратура «Пионеров» работает от бортовых ядерных генераторов, излучающих в пространство небольшое количество избыточного тепла. Давление, обусловленное таким излучением, могло замедлить космические аппараты в наблюдаемых пределах величин. Другое предложенное объяснение состояло в небольшой утечке топлива зондов. Андерсен ревниво обдумал эти варианты и, разумеется, усомнился в обоих.
Самое интересное то, что наблюдаемое замедление замечательно точно вписывалось в нестандартную теорию, предложенную в 1983 году Мордехаем Милгромом. Он видоизменил не закон гравитации, а ньютоновский закон движения, согласно которому сила равна массе, помноженной на ускорение. Поправка Милгрома актуальна тогда, когда ускорение очень мало. Она была предложена для того, чтобы разрешить другую гравитационную головоломку, а именно тот факт, что скорость вращения галактик не вписывается ни в теорию Ньютона, ни в теорию Эйнштейна. Чаще всего это объясняют наличием «холодной темной материи», оказывающей гравитационное воздействие, но совершенно незаметной в телескопы. Если предположить, что галактики имеют своего рода гало из такой материи, то скорость их вращения не будет связана лишь с одной только видимой материей. Множеству физиков‑теоретиков идея темной материи не по душе («темная» в том смысле, что ее нельзя наблюдать непосредственно), и теория Милгрома начинает завоевывать популярность. Дальнейшее наблюдение за движением «Пионеров» покажет, кто был прав.
Другое открытие касается расширения Вселенной. Универсум становится все больше, но похоже, что в своих дальних пределах он расширяется быстрее, чем должен бы. Этот поразительный результат был позже подтвержден более детальными исследованиями проекта «Supernova Cosmology» под руководством Сола Перлмуттера и их конкурентами из проекта «High‑Z Supernova» – исследовательская группа под руководством Брайана Шмидта. Все это выглядит как небольшой изгиб на графике зависимости яркости видимого свечения далекой сверхновой от величины красного смещения. Тогда как согласно ОТО этот график должен представлять собой прямую. Между тем он ведет себя так, словно существует некая сила гравитационного отталкивания, проявляющаяся лишь на сверхдальних расстояниях, скажем, равных половине радиуса Вселенной. По сути, это форма антигравитации.
Недавние исследования, возможно, подтверждают это замечательное открытие. Впрочем, отдельные неуемные ученые тут же выдвинули альтернативные версии объяснения данного казуса. В 2001 году Чаба Чаки, Джон Тернинг и Неманья Калопер предложили совершенно новую теорию. Свет далеких сверхновых кажется нам менее ярким, чем он должен быть, потому что частицы света (фотоны) становятся чем‑то другим, а именно – «аксионами», гипотетическими частицами, предсказанными некоторыми новомодными течениями квантовой механики. Из-за того, что аксионы почти не взаимодействуют с остальной материей, обнаружить их очень нелегко. Но хотя масса аксиона должна быть чрезвычайно мала (примерно одна секстиллионная массы электрона), все же она больше нуля, и аксионы должны взаимодействовать с межгалактическими магнитными полями. Это взаимодействие превратит некоторую часть фотонов в аксионы, что и объясняет уменьшение яркости. Таким манером некоторые сверхновые могут терять до трети своих фотонов.
Мысль, что столь незначительное уточнение, как введение в теорию частицы с пренебрежимо малой массой, может иметь существенные последствия, действует отрезвляюще. В любом случае или гравитация – совсем не то, что мы думали, или аксионы действительно существуют (как ожидается) и обладают массой (вот это оказалось бы полной неожиданностью). А может быть, есть иное объяснение, до которого пока никто не додумался.
Одна из концепций сил отталкивания вводит в оборот экзотическую форму материи, так называемую квинтэссенцию[29]. Речь идет о некой разновидности энергии вакуума, пронизывающей всю Вселенную и оказывающей отрицательное давление. (Когда мы писали эту фразу, то представляли себе выражение лица Чудакулли. Но нам придется его проигнорировать. Это не какое-нибудь там волшебство, в которое можно ткнуть пальцем. Это – наука! А она даже в полной пустоте обнаруживает кучу интересного.)
Забавно, что первоначально и сам Эйнштейн включал подобную отталкивающую силу в свои релятивистские уравнения, назвав ее космологической постоянной. Позже он передумал и выбросил эту константу, посетовав на собственную глупость, и до самой смерти считал эту историю пятном на своей репутации. Но, может быть, его первоначальная интуитивная догадка была все же правильной?
Это если аксионы действительно существуют и обладают массой.
Согласно подходу Эйнштейна к космологической константе квинтэссенция равномерно распространена в космосе. Предположим, что это не так, ведь обычная материя неоднородна, если так можно выразиться – комковата. Дэвид Сантьяго предположил, что если таковой же является и квинтэссенция, то следствием из уравнений Эйнштейна будет существование во Вселенной «античерных дыр», которые отталкивают материю, вместо того чтобы ее поглощать. Это не то же самое, что гипотетические «белые дыры», извергающие материю по причине того, что время в них течет вспять. Пока неясно, будут ли эти «античерные дыры» стабильными. Обычная материя неоднородна потому, что из-за гравитации ей нравится собираться в кучи. Антигравитация – это сила отталкивания, препятствующая таким скоплениям материи. Если это предположение верно, то античерные дыры – нестабильны, а следовательно, не смогут даже возникнуть. Таким образом, они могут быть математическим следствием из уравнений Эйнштейна, но не имеют никакого реального физического воплощения. Короче говоря, пока кто-нибудь не сделает необходимых расчетов, нельзя ни в чем быть до конца уверенным.
Глава 11
Никогда не доверяй кривой Вселенной!
ДУММИНГ ТУПС УСТАНОВИЛ СВОЙ СТОЛ ЧУТЬ В СТОРОНЕ ОТ ОСТАЛЬНЫХ, окружив его огромным количеством оборудования, – прежде всего, чтобы иметь возможность слышать собственные мысли.
Любому ребенку известно, что звезды – всего-навсего точечки света. В противном случае одни из них выглядели бы больше других. Конечно, некоторые из звезд светили бледнее прочих, но это, вернее всего, происходило из-за облаков. Так или иначе их предназначение, в соответствии с законами Плоского мира, сделать ночи немного более стильными.
И абсолютно все знают, что самый естественный путь для чего бы то ни было, – прямой. Когда вы что-то роняете, оно падает прямо на землю, а не криво, ведь так? Конечно, вода, льющаяся с Края Диска, отклоняется немного в сторону, но это из-за вращения и совершенно укладывается в рамки здравого смысла. Однако внутри Проекта крутилось ВСЕ. Более того, это самое ВСЕ было все изогнуто. Аркканцлер Чудакулли, похоже, полагал, что это некое свидетельство дурного воспитания вроде привычки шарканья ногами или нежелания подчиняться начальству. Как можно вверять свою судьбу кривой вселенной? С такой нужно держать ухо востро, того и гляди подведет.
