Вечно молодой Альберт Эйнштейн

К столетнему юбилею общей теории относительности и сенсационному обнаружению гравитационных волн

Пожалуй, начну свой рассказ с эмоционального выступления исполнительного директора лаборатории по обнаружению гравитационных волн (её точное название LIGO — Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) Давида Рейца в Национальном пресс-клубе в Вашингтоне 11 февраля этого года.
Своё выступление он начал так: «Дамы и господа! Мы обнаружили гравитационные волны. Мы сделали это!» Не правда ли, напоминает нам восклицание Архимеда «Эврика!», ставшее символом научного открытия?
Первым человеком, кто предсказал реальное существование гравитационных волн и описал их с помощью сложного математического аппарата, был Альберт Эйнштейн. Произошло это в далёком 1916 году. После долгих раздумий и поправок в процессе многолетней работы над общей теорией относительности (ОТО) он решил опубликовать две статьи, непосредственно касающиеся гравитационного поля и гравитационных волн. Первая из них «Приближённое интегрирование уравнений гравитационного поля» поступила в редакцию Академии наук 29 июня 1916 года. В ней впервые изложена теория гравитационных волн и вычислены потери энергии системой, связанные с излучением. Вторая статья «О гравитационных волнах», в которой, в частности, была исправлена расчётная ошибка, допущенная в первой, поступила в редакцию 31 января 1918 года. Что касается общей теории относительности, то учёный шаг за шагом совершенствовал её, пока почти в завершенном виде она не появилась в объёмной статье «Основы общей теории относительности» ровно сто лет назад.
В этой теории Эйнштейн показал, что нашему реальному миру соответствует не геометрия Эвклида, которую мы проходим в школе, а Риманова геометрия с её искривлённостью, где прямая линия уже не прямая. В ОТО пространство, время и материя оказались неразрывно связанными: изменение в состоянии материи (например, увеличение или уменьшение массы космического объекта) влечёт за собой изменение метрики пространства-времени и наоборот.
Эйнштейн предложил астрономам проверить некоторые его предсказания на основе ОТО. Одно из них — искривление световых лучей вблизи космических объектов с большими массами — действительно было подтверждено в полном соответствии с расчётами ученого в 1919 году, когда были организованы две специальные экспедиции во время солнечного затмения.
Стоит добавить, что существование так называемых чёрных дыр во Вселенной также объясняется искривлением пространства-времени, в результате чего световые лучи оказываются в «ловушке» сильного гравитационного поля и не доходят до Земли, делая невозможным визуальное наблюдение чёрных дыр.
Триумф ОТО был потрясающим. Возникла современная космология. По сути дела, ОТО включила в себя и теорию гравитационного поля. Подобно тому как теория гравитации Ньютона позволяла на кончике пера открывать новые планеты, теория гравитации Эйнштейна позволяет открывать целые звёздные скопления.
Нужно отметить, что появление ОТО не было связано с какой-либо потребностью в науке или технике. Эйнштейн пришёл к ней совершенно самостоятельно, вдохновляясь, скорее, эстетическим чувством совершенства и стремясь достроить второй этаж здания теории относительности. Он стремился найти мировые инварианты — неизменяющиеся величины и уравнения во всех системах отсчёта, так что теорию относительности лучше называть «теорией абсолютности».
На протяжении ста лет после появления ОТО учёные стремились экспериментально обнаружить загадочные гравитационные волны, описанные Эйнштейном. Но безуспешно.
Можно вспомнить случай, связанный с этими попытками. Лет пятьдесят назад появилась статья в немецком журнале Аnallen der Physik об обнаружении гравитационных волн. Авторы статьи обстоятельно описывали свой эксперимент. Научный мир был взбудоражен и восхищён. Лаборатории крупнейших университетов по всему миру немедленно принялись повторять эксперимент немецких исследователей. Увы, результаты оказались отрицательными: шумы из космоса немецкие учёные приняли за гравитационные волны. Но эта неудача не остановила попыток учёных обнаружить гравитационные волны. В 1974 году Джозеф Тейлор и Рассел Халс обнаружили двойной пульсар. Дальнейшие измерения показали, что двойные нейтронные звёзды теряют энергию, в результате чего могут излучаться гравитационные волны. Это открытие можно интерпретировать как косвенное доказательство существования гравитационных волн. Но непосредственное их обнаружение произошло 14 сентября 2015 года в результате исследований ЛИГО-учёных. Первооткрыватели дали им название GW150914.
История этого открытия берёт своё начало в далёком 1960 году, когда молодой профессор физики из Массачусетского технологического института Рейнер Вейс предложил своим студентам мысленный эксперимент по обнаружению гравитационных волн, используя два пучка света, двигающихся навстречу друг другу в перпендикулярном направлении в гравитационном поле. Это поле, искривляя эйнштейновское пространство-время, неизбежно создаст разницу по фазе, которую можно экспериментально обнаружить. Прошло более десяти лет, и в 1972 году эта идея была положена в проект Вейса по обнаружению гравитационных волн с помощью гигантского интерферометра, а в качестве источника света учёный предлагал использовать лазер.
В 1983 году для дальнейшей работы над проектом к Вейсу присоединились два исследователя из Калифорнийского технологического института Рональд Древер и Кип Торн. В 1990 году их проект был одобрен, и началось строительство ЛИГО. Понадобились ещё долгих десять лет, прежде чем были сооружены два четырехкилометровых интерферометра: один в Ливингстоне (штат Луизиана), а другой в Ханфорде (штат Вашингтон). В 1997 году было создано международное ЛИГО-сообщество, в которое сегодня входят более тысячи учёных из 83 научных заведений по всему миру.
Такова предыстория события, которое произошло 14 сентября 2015 года. Но все же нужно отметить, что на самом деле это произошло значительно раньше: где-то 1,3 биллиона лет тому назад далеко-далеко в космическом пространстве, в районе Большого Магелланова Облака, столкнулась чёрная дыра массой 29 солнечных масс с другой чёрной дырой массой 36 солнечных масс. Образовалось гигантское объединение, создавшее сильное гравитационное поле, которое выплеснуло гравитационные волны с энергией в 3 mc2. Эти гравитационные волны достигли Земли и были зафиксированы учёными в двух ЛИГО-лабораториях.
20 июля этого года мы, участники летней национальной конференции преподавателей физики Америки, которая проходила в столице Калифорнии Сакраменто, затаив дыхание слушали доклад Давида Рейца «Столкновение чёрных дыр и колебания в пространстве-времени». Он сообщил нам детали этого эксперимента. Гравитационные волны достигли ЛИГО-детектора в Ливингстоне 14 сентября 2015 года в 5:51 утра по местному времени, через 7 миллисекунд они достигли интерферометра в Ханфорде. Предсказание Эйнштейна о существовании гравитационных волн было подтверждено прямым экспериментом. И это только начало.
Нынешние ЛИГО-детекторы имеют относительно небольшую мощность. К 2019 году намечается строительство более мощных интерферометров, позволяющих увеличить «чувствительность» к гравитационным волнам в несколько раз. Команда ЛИГО-участников оценивает вероятность возникновения во Вселенной двойных чёрных дыр, подобных GW150914, между 2 и 400 случаями в год в каждом кубическом гигапарсеке пространства (1 парсек = 3,3 светового года). Проще, ЛИГО-учёные говорят уже сегодня о возможности наблюдать один подобный случай в месяц. Но оптимисты надеются наблюдать гравитационные волны в недалёком будущем ещё чаще: каждый день.
К экспериментам по обнаружению гравитационных волн с помощью собственных инструментов сегодня присоединились учёные Италии, Японии, Германии, Индии. На наших глазах рождается новая отрасль астрофизики — гравитационная астрономия. Мы же можем только пофантазировать о будущем нашей планеты, когда вслед за учёными, обнаружившими гравитацию (а затем и способы антигравитации), инженеры освободят людей из плена притяжения к Земле. Люди будущего, бороздящие космос, несомненно, будут восхищаться гениальностью Эйнштейна.
В 2000 году журнал Time провозгласил Альберта Эйнштейна «человеком ХХ века». Это была справедливая оценка интеллектуальной способности учёного, морального воздействия на людей и громадного вклада в развитие цивилизации. Несмотря на достаточно большое число поистине гениальных людей в различных областях человеческой деятельности, у Эйнштейна и сегодня нет конкурентов.
Возможно, его феномен сравним по значимости с феноменом Моисея или Ньютона именно потому, что учёный не только приоткрыл дверь в будущее, но и приложил, как никто в ХХ веке, немало усилий, чтобы улучшить это будущее. Конечно, когда мы говорим о гениальности Эйнштейна, мы имеем в виду прежде всего его вклад в теоретическую физику.
Последние тридцать лет своей жизни Эйнштейн работал почти в одиночестве, вдали от тех направлений, по которым шли все физики-теоретики. Они разрабатывали, и вполне успешно, частные вопросы квантовой механики и квантовой электродинамики (это было очень важно и актуально для науки и техники ХХ века, они шагали со временем). Программа Эйнштейна была иной. Он упорно продолжал работать над созданием общей теории поля, охватывающей все формы физических взаимодействий. Напомню читателю, что до сих пор физики обнаружили четыре вида сил в природе: сильные, или ядерные, электромагнитные, так называемые слабые, ответственные за любые распады элементарных частиц, и гравитационные.
Когда Эйнштейн в начале 30-х годов прошлого века стал работать над общей теорией поля, были известны только два из них: гравитационное и электромагнитное поля. У Эйнштейна была мечта: построить целостное здание современной физики на фундаменте одного-двух уравнений. Как следствие, из них можно было бы получить и квантовую механику, и теорию относительности, и все другие основные законы физики. Каждый раз, когда ему казалось, что цель близка, обнаруживались математические или физические трудности, преодолеть которые он не мог. И всё начиналось заново.
Почти все физики ХХ столетия считали эту задачу невыполнимой. Сегодня это проблема № 1 теоретической физики. Великий синтез всех физических явлений — дерзкая программа Эйнштейна признана актуальной, и наиболее талантливые учёные стараются решить эту задачу. Таким образом, физика ХХI века будет решать проблемы, поставленные великим учёным. Эти соображения оправдывает название этого сообщения.