Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности
Мчась наперегонки с болезнью, Хокинг смог показать, что расширяющаяся Вселенная в нормальных условиях и в самом деле неизбежно должна была начаться с сингулярности. Последовательно он вместе с южноафриканским физиком и талантливым учеником Сиамы Джорджем Эллисом доказал, что Вселенная с обнаруженным Пензиасом и Вильсоном реликтовым излучением должна была начаться с сингулярного состояния. Вместе с Роджером Пенроузом он создал набор теорем, описывающих практически любую модель расширяющейся Вселенной, которую в то время могли придумать. Как в прошлом, так и в будущем сингулярности были неизбежны — по крайней мере, так показывали расчеты Пенроуза и Хокинга.
На первом Техасском симпозиуме высказывалась гипотеза, что многочисленные удаленные источники радиоволн из каталога Райла могут как-то быть связаны с предсказываемым общей теорией относительности коллапсом сверхтяжелых звезд. Чандра уже отмечал нестабильность и возможность коллапса сверхтяжелых белых карликов, а Оппенгеймер и Снайдер показали, что для еще более тяжелых звезд следующая стадия неотвратимого коллапса проходит через фазу нейтронной звезды. Однако доказательства существования в космосе белых карликов имелись, чего нельзя было сказать о нейтронных звездах. Ситуация изменилась в 1965 году, когда в Кембридж прибыла Джоселин Белл, чтобы приступить к работе над докторской диссертацией в группе Мартина Райла.
Научным руководителем Белл был не сам Райл, а один из его более молодых коллег, Энтони Хьюиш. Хьюиш заставил ее построить из деревянных столбиков и проволочной сетки радиотелескоп, пригодный для определения положения квазаров на длине волны 81,5 МГц. Как вспоминала сама Джоселин: «Первые два года приходилось много и тяжело работать в поле или в очень холодном сарае». Но в подобной ситуации имелись и свои плюсы: «К моменту завершения я была уже настолько сильной, что могла легко работать кувалдой». К 1967 году Белл начала принимать данные на самописец, анализируя в поисках отчетливых сигналов квазаров по 30 метров бумажной ленты в день. Чтобы покрыть все небо, требовалось примерно 120 метров бумаги.
В записях присутствовала одна странная особенность. Через каждые 120 метров возникал пик высотой в четверть дюйма, который Белл затруднялась идентифицировать. Было непонятно, что это за сигнал и откуда он взялся. Без сомнения, с определенного направления приходили периодические импульсы. «Мы назвали их “маленькими зелеными человечками”, — вспоминала Белл. — Я уходила домой с ощущением, что все это мне ужасно надоело». Группа решила пойти напролом и опубликовать информацию о таинственной находке.
В феврале 1968-го в журнале Nature появилась статья под заголовком «Наблюдение быстро пульсирующего радиоисточника». В ней Белл, Хьюиш и их соавторы анонсировали свое открытие: «Маллардской радиоастрономической обсерваторией были зарегистрированы необычные сигналы пульсирующих радиоисточников», после чего следовало смелое заявление: «Это излучение, по всей вероятности, приходит от локальных объектов, расположенных в пределах нашей Галактики. Оно может быть вызвано колебаниями белых карликов или нейтронных звезд». Авторы статьи высказали предположение, что пики на графике соответствовали колебаниям, или пульсациям, в этих плотных компактных радиоисточниках.
Пресса уцепилась за новое открытие, взяв у Хьюиша интервью по поводу его значимости. При этом Белл вспоминала: «Мне журналисты задавали не относящиеся к делу вопросы, например выше ли я, чем принцесса Маргарет». По ее словам, «они повернулись ко мне и спросили мои антропометрические данные, а также сколько у меня было парней… с их точки зрения, именно это было предназначением женщины». Газета Sun поместила новость под заголовком «Девушка, которая обнаружила маленьких зеленых человечков». Название новым невиданным объектам дала газета Daily Telegraph; журналист предложил кратко назвать пульсирующие радиозвезды «пульсарами».
Радиоастрономия снова с избытком предоставила результаты, причем они и в этот раз были получены случайно. Открытие стало знаковым, и в 1974 году руководители Белл Тони Хьюиш и Мартин Райл получили Нобелевскую премию. Сама Белл в список не попала, и многие считают это величайшей несправедливостью в истории премии. Почти через двадцать лет она окажется на этой церемонии в качестве гостя, когда в 1993 году Нобелевскую премию будут вручать астроному Джозефу Тейлору-младшему «Все-таки я там оказалась», — без горечи вспоминает Белл.
Пульсары стали первым осязаемым доказательством существования нейтронных звезд. На самом деле они не пульсируют, а вращаются, что и обусловливает периодичность испускаемого ими сигнала. Именно они были пресловутым недостающим звеном в явлении гравитационного сжатия, постулированном Ландау, изученном Оппенгеймером и дотошно исследованном Уиллером и его учениками. И именно они были последним шагом перед неизбежным формированием сингулярностей Пенроуза.
Яков Зельдович бесстрашно менял области исследований. Один из его студентов вспоминал такой совет: «Трудно, но интересно освоить десять процентов в любой области. Путь от десяти до девяноста процентов понимания — это одно удовольствие и истинное творчество. А вот пройти следующие девять процентов бесконечно тяжело и далеко не каждому под силу. Последний процент безнадежен». Из этого Зельдович делал вывод: «Разумнее вовремя взяться за новое дело и радоваться непрерывному созиданию».
Как и Уиллер, Зельдович перешел от ядерных исследований к теории относительности, когда ему было за сорок, и создал одну из самых целеустремленных групп в мире. Статьи, которые Зельдович писал в соавторстве со своими учениками, были практически импрессионистскими и часто содержали странное вступление, например: «Крестный отец психоанализа профессор Зигмунд Фрейд учит нас, что поведение взрослых зависит от опыта, приобретенного в раннем детстве. Перед нами стоит сходная проблема — понять настоящую структуру Вселенной исходя из ее предшествующего поведения». Эти статьи напоминали лаконичные эссе с небольшим количеством уравнений, минимально необходимым для иллюстрации точки зрения автора. При переводе на английский они с трудом поддавались расшифровке. Однако со временем их по праву стали считать настоящими жемчужинами релятивистской астрофизики.
После смены сферы интересов Зельдович занялся поисками застывших звезд — именно так в то время называли в СССР сколлапсировавшие звезды Шварцшильда и Керра. Эти звезды были невидимы, не испускали света и не имели отражающей или блестящей поверхности. Зельдович не мог примириться с мыслью, что эти странные объекты скрыты от наблюдений, ведь они сильно искажали окружающие пространство и время. Но как он рассказывал своим ученикам, они должны неумолимо притягивать все, что оказывается рядом. Этот эффект заставлял предположить, что наблюдать застывшие звезды можно, хотя и не непосредственно, а опосредованно. Например, если Солнце подойдет слишком близко к такой звезде, оно начнет вращаться вокруг нее подобно тому, как Луна вращается вокруг Земли. Так как увидеть застывшую звезду невозможно, создастся впечатление, что Солнце перемещается само по себе, совершая прецессионные колебания относительно странной орбиты, не имеющей центра. Глядя на колебания звезд, Зельдович и его группа предположили, что иногда звезда, выглядящая как отдельный объект, может оказаться частью такой бинарной системы.
При этом Зельдович высказал гипотезу, что застывшие звезды не только заставляют своих партнеров двигаться по кругу, они должны их полностью разрушать. Он сделал очень простое допущение: материя, попавшая в гравитационное поле застывшей звезды, должна приобрести скорость, близкую к скорости света, при этом конденсируясь и увеличивая свою температуру. А по мере того как материя смешивается и соударяется, нагреваясь, и падает на застывшую звезду (этот процесс стали называть аккрецией), она испускает энергию. Аккреция вблизи горизонта Шварцшильда столь сильна, что может высвобождать до 10% энергии массы покоя. Это настолько потрясающее количество, что данный процесс генерации энергии можно считать самым производительным во Вселенной. Поэтому в короткой статье, в 1964 году опубликованной в журнале Доклады академии наук, Зельдович продолжил развивать гипотезу о том, что вокруг застывших звезд вырабатывается ошеломляющее количество энергии, вполне достаточное для объяснения слишком ярких квазаров, обнаруженных радиоастрономами. Одновременно к этому же выводу пришел американский астроном из Корнельского университета Эдвин Солпитер: избыточное радиоизлучение может исходить от массивных объектов, вес которых составляет больше миллиона масс Солнца, или, как он выразился, «объектов чрезмерной массы и относительно маленького размера».
