Гравитация

Вместе с Британским Советом мы подготовили проект «Британские ученые», посвященный истории британской науки. В этой лекции профессор космологии Кембриджского университета, президент Королевского общества (2005–2010), барон Мартин Рис рассказывает о природе гравитации и ее роли во Вселенной.

Наша беседа проходит в Кембриджском университете, и, пожалуй, лучшим студентом всех времен тут был Исаак Ньютон, учившийся здесь в 1660-х годах. Он знаменит тем, что впервые объединил теории физики. Он осознал, что сила, заставляющая яблоко падать и лежать на земле, — это та же сила, которая держит Луну на ее орбите и планеты на их орбитах вокруг Солнца. Он показал, что все в нашей Солнечной системе может быть понято, если принять за правило, что объекты движутся под действием силы, которая прямо пропорциональна их массе и обратно пропорциональна квадрату расстояния. То есть если вещи находятся в два раза дальше друг от друга, сила притяжения между ними будет в четыре раза меньше. Это было прекрасное замечание, оно позволило понять движение планет, природу затмений и так далее.

На самом деле Ньютон был очень удачлив, поскольку наблюдал те природные феномены, которые мы можем понять и предсказать. Мы можем понять гравитацию, мы можем понять движение планет и, по сути, можем его предсказать. Есть множество вещей в науке, которые мы понять не можем, но, даже когда мы можем что-то понять, мы далеко не всегда можем делать прогнозы. Например, мы можем понять природу погоды, но предсказать мы ее можем только на несколько дней вперед, поскольку она становится хаотичной. Однако в случае с гравитацией и планетами мы можем понять и предсказать эти вещи. И благодаря работам Ньютона мы поняли, что законы притяжения применимы не только к Солнечной системе, но и далее. Звезды находятся в равновесии потому, что они находятся под действием двух сил, а именно гравитации, стремящейся их разрушить, и давления их жестких ядер, которое их держит. В свою очередь, галактики, такие как наш Млечный Путь, находятся в равновесии между орбитальным движением звезд вокруг центра галактики и гравитацией, которая затягивает их внутрь, так что гравитация — это то, что держит галактики в форме, и, естественно, на более высоком уровне она также поддерживает кластеры галактик.

Ньютоновская теория гравитации очень точная. Она очень хорошо объясняет большинство звезд и поведение вещей в Солнечной системе, равно как и вещей в галактиках, но и у нее есть ограничения. Во-первых, она не объясняет, почему сила гравитации обратно пропорциональна квадрату расстояния, почему, если расстояние увеличивается вдвое, сила уменьшается вчетверо. Она также не дает четкого объяснения тому, почему сила притяжения одинакова для всех объектов, то есть почему в вакууме перо и свинцовый шарик падают с одинаковой скоростью. Она это не объясняет. И у нее есть другие ограничения, которые стали заметны в последние сто лет, состоящие в том, что этот закон перестает работать, если вещи двигаются очень быстро. Быстро — это близко к скорости света.

И поэтому теория, которую Эйнштейн развил в 1915 году, чуть более ста лет назад, называемая общей теорией относительности, хорошо дополняла теорию Ньютона. Эйнштейн не доказал, что Ньютон не прав, хотя он часто утверждал обратное и был неправ, — он просто расширил ее. Теория гравитации Эйнштейна согласуется с теорией Ньютона в той области, в которой последняя работает, но теория относительности также применима к быстро движущимся объектам и случаям, когда гравитация очень сильная. И это стало очень важным для астрономии, когда были открыты объекты, в которых гравитация действительно сильна. В частности, в 1968 году в Кембридже были открыты так называемые нейтронные звезды. Это объекты, которые так же тяжелы, как и звезды, и тяжелее нашего Солнца, но они только 10 километров в диаметре, и если массу звезды сжать в объект такой величины, то получится очень сильное гравитационное поле. Это поле будет настолько сильным, что, если вы захотите улететь от нейтронной звезды, вашу ракету нужно будет запустить на скорости, равной половине скорости света. Если вы находитесь рядом с нейтронной звездой, вы заметите, что лучи света, которые немного преломляются рядом с любой звездой, в том числе с Солнцем, будут сильно преломленны, и для понимания нейтронных звезд определенно нужна будет теория, отличная от ньютоновской, и теория Эйнштейна является таковой.

Еще более необычными объектами являются черные дыры, где материя не только становится очень плотной, как и в нейтронной звезде, но еще начинает коллапсировать. Если вы попробуете создать нейтронную звезду массой, которая в 10 раз больше массы Солнца, например, то увидите, что даже силы ядра не могут ее удержать в стабильном состоянии. Она продолжит сокращаться и в итоге станет тем, что мы называем черной дырой. Черная дыра — это нечто, что коллапсировало настолько, что даже свет не может из нее выйти. Она отделила себя от всей остальной Вселенной, оставив после себя так называемый гравитационный след в пространстве, которое осталось вне ее. По сути это нечто вроде темного участка Вселенной, который может всосать вещи в себя, но ничего не может из него выйти. И в последние 40 лет мы знаем, что эти объекты на самом деле существуют. Их сложно обнаружить, конечно, поскольку они по определению «черные», но многие из них были косвенно отслежены. Первые были найдены при наблюдениях за объектами в системах с двойными звездами, где был маленький объект, вращающийся вокруг обычной звезды, и сила его притяжения перетягивала материю с поверхности этой звезды. И несмотря на то, что черная дыра сама по себе невидима, материя, которая ей притягивается и закручивается подобно воронке, стремясь в черную дыру, становится очень горячей и испускает сильное излучение. Так что астрономы отследили объекты, которые испускали сильное излучение, в системах с маленьким объектом, вращающимся вокруг обычной звезды, и сделали вывод о том, что такой объект может быть черной дырой. Газы, втягивающиеся в нее, испускали спорадическое излучение, часто не только видимый свет, но также рентгеновское излучение и гамма-лучи. Таким образом мы находим черную дыру.

Черные дыры — это не только бывшие звезды. Существует и другой путь рождения черной дыры, а именно в центре галактик. Галактика — это большой вращающийся диск, состоящий из звезд, вращающихся вокруг центра, и плотность звезд и газа выше в этом центре. Сейчас мы знаем, что в самой середине почти всех галактик находится черная дыра, весящая в некоторых случаях миллиарды масс Солнца. Эти сверхмассивные черные дыры очень важны, поскольку, если газ «складывается» в них, получается нечто очень яркое, намного более яркое, чем галактика. Это называется квазары, и они были открыты астрономами в 1960-х годах, когда нечто в центре галактики затмило все миллиарды звезд в галактике, оказавшись ярче в 100 раз или около того. Сейчас мы понимаем, что это сверхмассивные черные дыры в центрах галактик, захватывающие газ или даже целые звезды из своего окружения. Так что черные дыры существуют в космосе — там не только звезды, а еще и супермассивные черные дыры.

Черные дыры безумно важны потому, что являются показательным примером действия эйнштейновской теории. Эта теория предоставила нам новый взгляд на гравитацию. Он думал, что время и пространство связаны, так что рядом с предметами больших масс пространство искривляется, и это означает, что свет пытается пройти наиболее прямым путем, но путь этот искривлен, в частности, вокруг черной дыры искривление пространства заставляет свет падать в нее. Так что теория относительности очень неочевидная для понимания, поскольку она говорит нам, что мы не можем думать о пространстве как о неизменном и плоском: оно само по себе динамично, и наиболее динамично оно в тех случаях, когда две черные дыры сливаются вместе.

Представьте две черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга. В конечном итоге они, согласно теории относительности, начнут испускать так называемое гравитационное излучение, представляющее собой «рябь» пространства, которая двигается от объекта, и это забирает энергию и заставляет эти две черные дыры сближаться и сближаться до тех пор, пока они не сольются. И эти черные дыры затем сформируют одну большую. И одним из самых впечатляющих открытий 2016 года было обнаружение этого гравитационного излучения от слияния двух черных дыр в миллиардах световых лет от нас. Было обнаружено маленькое колебание пространства, которое было спровоцировано слиянием двух черных дыр, и на таком расстоянии эффект очень мал — около 1/1021. Это примерно равно движению объекта на расстояние в толщину волоса где-то в районе альфы Центавра, ближайшей к нам звезды. Это очень маленький эффект, но очень точные измерения позволили его выявить в 2016 году. Это потрясающее техническое достижение, и это одна из самых больших побед эйнштейновской теории. Так что теория относительности позволяет нам понять крайние случаи, когда гравитация пересиливает все остальные силы природы, чтобы создать черную дыру.

Теория Эйнштейна также критична для понимания самого начала существования нашей Вселенной, потому что тогда пространство и время очень отличались от того, чем они являются сейчас. И одной из задач, стоящих перед учеными XXI века, является последнее великое объединение теорий — объединение силы притяжения и теории относительности, которая влияет на очень большие объекты, такие как звезды, с квантовой теорией, касающейся атомов и молекул. Большая часть науки нормально себя чувствует без этого объединения, поскольку квантовая теория важна для маленьких объектов, таких как атомы в молекулах, а гравитация для них не особенно важна. С другой стороны, астрономы должны думать о гравитации, когда они думают об орбитах планет и звездах, а квантовая физика, квантовая неопределенность не играет роли в случае таких больших объектов, как звезды, галактики и планеты, так что астрономы не беспокоятся о квантовой механике, когда говорят об орбитах. Но если вы представите начало Вселенной, когда все было сжато вместе до очень маленьких размеров, вам пригодятся и квантовые эффекты, и гравитация в одно и то же время, так что нам нужна теория, которой у нас пока нет, чтобы понять самое начало Большого взрыва и, возможно, то, был ли наш Большой взрыв единственным — это большой вопрос для физиков XXI века.

Есть еще одна вещь, касающаяся гравитации, которая очень важна. Она состоит в том, что эта сила важна для того, чтобы держать нас на Земле, и для астрономии в какой-то мере это слабая сила, и вот почему: если вы возьмете два атома с электронами и протонами в них, электрические силы между электронами и протонами во много раз крепче, чем сила притяжения между ними, — почти в 1040, и поэтому химики не должны беспокоиться о гравитации. Разница между гравитацией и электрическими силами состоит в том, что электрические силы действуют между положительными и отрицательными зарядами. Они почти всегда сравниваются для любых больших объектов, но гравитация имеет, так сказать, всегда один заряд, она суммируется. И это означает, что для больших объектов гравитация более важна. Представьте, что вы строите какие-то твердые объекты, скажем кусок сахара, кусок камня, и для них гравитация не важна.

Даже для астероидов гравитация не важна. Однако она важна для таких объектов, как планеты, и это сравнивает счеты. Если вы возьмете планету величиной с Юпитер, гравитация начинает ее разрушать, и если вы пытаетесь создать планету, которая массивнее Юпитера, то заметите, что она будет уменьшаться, а не увеличиваться, а планета, что в 100 раз массивнее Юпитера, превратится в звезду. Так что гравитация выигрывает у других сил для таких больших объектов. Но поскольку она слабая, вы должны сложить много-много атомов, несколько раз по 1057 атомов, прежде чем получите нечто, похожее на звезду. И это хорошо, поскольку, если бы гравитация не была такой слабой, для нас не было бы возможно такое существование, какое мы ведем сейчас, потому что мы созданы из сложности и многослойных структур, в нас содержится много атомов, но недостаточно много для того, чтобы нас разрушила гравитация. Так что если бы не было такой большой разницы в степенях между силой притяжения на микроскопических уровнях и электрическими силами, то наша сложная Вселенная не существовала бы. Так что гравитация — ключевая сила в существовании нашей Вселенной в ее нынешнем виде и в существовании звезд и галактик, равно как и в удерживании нас на Земле, но чем слабее она, тем лучше. Так что гравитация, хотя она и слабейшая из сил природы, критична для объектов большого масштаба.