Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

В 1916 г. это заставило Эйнштейна сделать вывод, что «не существует гравитационных волн, аналогичных световым волнам», как он написал немецкому математику Карлу Шварцшильду. В его сложной аргументации присутствовали скаляры, тензорные плотности, диполи и унимодулярные системы координат (вам необязательно знать, что все это значит; я упомянул термины только для того, чтобы подчеркнуть, что ОТО – сложная вещь).

Позднее в том же году Эйнштейн изменил мнение после предложения лейденского ученого Виллема де Ситтера использовать для расчетов другую систему координат. Разница оказалась огромной. Да, заключил Эйнштейн, гравитационные волны существуют. И распространяются со скоростью света – так же, как электромагнитные волны Максвелла. В июне Эйнштейн представил новые результаты в Прусской академии наук в Берлине. «Приближенное интегрирование уравнений гравитационного поля» – возможно, звучит скучно, но это эпохальная статья – первая в истории публикация, посвященная гравитационным волнам.

И она ошибочна.

Осенью 1917 г. финский физик Гуннар Нордстрём указал на важную ошибку в работе Эйнштейна (если вам интересно, она связана с производной псевдотензора). Из-за нее Эйнштейн промахнулся, выводя формулы гравитационных волн в 1916 г. Знаковой следует считать его статью от января 1918 г. с простым названием «О гравитационных волнах». «Мне пришлось вернуться к этой теме, – писал Эйнштейн в первом абзаце, – поскольку мое первое представление недостаточно ясно и, более того, запятнано прискорбной ошибкой в расчетах». Всегда полезно признавать свои заблуждения, особенно в науке.

Нельзя сказать, что статья 1918 г. убедила всех и каждого. Особенно активным критиком идеи гравитационных волн был Артур Стэнли Эддингтон – один из самых горячих сторонников Эйнштейна и первых популяризаторов ОТО, сам видный астрофизик.

Эддингтон считал гравитационные волны математическим вывертом теории, не имеющим никакого физического смысла. Он не согласился и с выводом Эйнштейна, что такие волны должны иметь скорость света, и в 1922 г. произнес знаменитые слова, что «гравитационные волны распространяются со скоростью мысли» – остроумный намек, что они не более чем игра воображения.

В 1920–1930-х гг. идея гравитационных волн практически никого не интересовала. Даже если они существуют, то слишком слабы, чтобы их можно было обнаружить. Казалось невозможным когда-либо подтвердить или опровергнуть это предсказание. Большинство ученых о нем забыли.

Эйнштейн вернулся к этой теме только в 1936 г. Он уже жил в США и занимал должность в принстонском Институте перспективных исследований. Великое место, великие люди, великие умы. Ему особенно нравилось работать с Натаном Розеном, по возрасту годившимся Эйнштейну в сыновья. Вместе они размышляли над идеями ОТО, квантовой механики, ЧД – и гравитационных волн. И пришли к поразительному выводу, что последние все-таки не существуют. Очевидно, Эддингтон был прав. Вскоре они подали в ведущий на тот момент профессиональный физический журнал Physical Review статью «Существуют ли гравитационные волны?», где отвечали на заданный в заголовке вопрос отрицательно, объясняя причины такого вывода.

Конечно, Эйнштейн и Розен заблуждались, – спросите тысячи ученых из международных научных сообществ LIGO и Virgo, заявивших о первой в истории регистрации гравитационных волн в феврале 2016 г. Хорошо, что статья так и не была опубликована. Джон Тейт, редактор Physical Review, отослал рукопись рецензенту, высказавшемуся против публикации и написавшему: «Насколько я могу судить… возражения Эйнштейна и Розена [против гравитационных волн] не существуют».

Оценка научных статей анонимными рецензентами-коллегами – обычная современная практика, особенно в физике. Но в те времена это было новинкой даже для Physical Review, о которой Эйнштейн не подозревал. Европейские журналы просто печатали присылаемые статьи. Он пришел в ярость, получив отказ, и никогда больше не публиковался в Physical Review. Статью он предложил в филадельфийский Journal of the Franklin Institute, имевший гораздо меньший тираж и не прибегавший к практике рецензирования, где ее охотно приняли.

Все изменилось осенью 1936 г. Натан Розен принял предложение работать в Советском Союзе, и ассистентом Эйнштейна стал польский физик Леопольд Инфельд. Космолог Говард Робертсон объяснил Инфельду заблуждение Эйнштейна и Розена. (Робертсон, кстати, и был рецензентом статьи в Physical Review.) К тому моменту, когда Инфельд сообщил своему руководителю о проблеме, Эйнштейн и сам обнаружил ошибку. Даже Натан Розен в далеком Киеве заметил эту проблему, имевшую сложный для непосвященных математический характер.

Статья в конце концов вышла в январе 1937 г. в Journal of the Franklin Institute в значительной переработке. Эйнштейн изменил и название. Как и публикация 1918 г. (тоже исправленный вариант более ранней статьи), она стала называться «О гравитационных волнах». Вот ее смысл: мы не можем доказать, что эти неуловимые волны не существуют, но и в их существовании мы не уверены.

К тому моменту ОТО было почти 25 лет. Но ученые продолжали оспаривать существование предсказанного теорией феномена. Это положение сохранялось следующие 20 лет. Когда Эйнштейн умер в 1955 г., физическая реальность гравитационных волн по-прежнему вызывала серьезную полемику, а их свойства оставались практически неизвестными. Например, менее чем через три месяца после смерти Эйнштейна Розен заявил, что гравитационные волны не могут переносить энергию – завуалированный способ сказать, что они не имеют реального физического существования. Но через полтора года мнения начали меняться, особенно после того, как физики-теоретики Феликс Пирани и Ричард Фейнман и космолог Герман Бонди доказали, что они все-таки могут переносить энергию. Гравитационные волны стали считаться реальным физическим феноменом. Оставалась лишь одна проблема – как их обнаружить.

_________

Прежде чем продолжить, важно создать отчетливое представление о гравитационных волнах. Уверен, вы слышали фразу «рябь пространства-времени». Возможно, вы также видели компьютерную анимацию слияния ЧД, когда двухмерная плоскость покрывается спиральными складками. Я попытаюсь по-другому описать таинственные волны Эйнштейна. («Волны Эйнштейна» не научный термин. Но мне нравится это выражение, и я позволяю себе использовать его в качестве синонима понятия «гравитационные волны».)

Первое и самое важное: ничто не идет «волнами» или «рябью» сквозь пространство, как в случае водяных, звуковых и даже световых волн. Нет, речь здесь о пространственно-временном континууме как таковом. Чтобы мысленно увидеть это, давайте сначала рассмотрим одномерное «пространство» – прямую линию. Представьте туго натянутую скакалку. Можно пустить волну по ней, равномерно поднимая и опуская один из концов, но для понимания волн Эйнштейна этот образ совершенно не подходит. Помните, что речь идет о волнах самого пространства (и в самом пространстве). В случае одномерного пространства мы должны представить волны в пределах этого единственного измерения.

Резиновая скакалка обладает определенной эластичностью. Ее можно немного растянуть в одном месте и немного сжать в другом, так что общая длина не изменится. Она остается одномерной прямой линией, но в ней распространяются продольные волны. Мысленно нанесите на скакалку деления с шагом в один миллиметр. При распространении в скакалке продольной волны вы увидите, что деления сначала отдаляются друг от друга, а затем сближаются. Это правильная визуализация одномерной гравитационной волны: пространство попеременно растягивается и сжимается.