Gravity Probe B был запущен с базы ВВС Вандерберг в Калифорнии 20 апреля 2004 г. Ни Шифф, ни Фейрбэнкс не дожили до этого момента, а Эверитт успел отметить 70-летие. Но он считает, что ожидание того стоило.
Около года четыре гироскопа Gravity Probe B двигались по орбите вокруг Земли в состоянии почти идеального свободного падения, экранированные от солнечной радиации, микрометеоритов и перепадов температур герметичным корпусом космического аппарата. Более 2400 литров сверхтекучего жидкого гелия поддерживали температуру чувствительной научной аппаратуры лишь на 1,8° выше абсолютного нуля.
Благодаря идеальной сферической форме роторы гироскопов сохраняли ориентацию относительно собственной системы отсчета – слегка искривленного пространственно-временного континуума вблизи Земли. Между тем установленный в фиксированном положении телескоп Gravity Probe B был направлен на звезду в созвездии Пегаса. Геодезическая прецессия и увлечение инерциальных систем отсчета должны были вызвать очень медленное смещение ориентации гироскопов относительно спутника. Чувствительные сверхпроводящие квантовые интерферометры были способны измерить расхождение осей намагниченных роторов гироскопов и главного телескопа менее 0,0005″.
Это, конечно, очень отличается от плавания на остров Принсипи и фотографирования солнечного затмения. Это намного сложнее, чем посылать гамма-лучи из цоколя на верхний этаж Лаборатории Джефферсона в Гарварде, измеряя крохотное изменение длины волны, и несопоставимо дороже кругосветного полета атомных часов коммерческими рейсами, но эксперимент являлся уникальной возможностью проверить ОТО Эйнштейна. Малейшие несовпадения с ней имели бы колоссальные последствия.
Анализ данных Gravity Probe B занял долгие годы. Релятивистские эффекты были чрезвычайно слабы, а помехи в измерениях значительны. Наконец весной 2011 г. были оглашены результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями Эйнштейна. В противном случае проект, безусловно, оказался бы на передовицах газет. «Эйнштейн ошибался!» – убойный заголовок. Однако Эйнштейн вновь оказался прав. Геодезическая прецессия: 6,6″ в год. Увлечение инерциальных систем отсчета: 0,037″ в год. Чрезвычайно слабые эффекты, но почти точно совпавшие с предсказанными значениями. Никогда еще ОТО не проверялась и не подтверждалась со столь высокой точностью. Не вздумайте заявить Фрэнсису Эверитту, что вложенные в проект $750 млн не окупились.
Мы наконец покончили с попытками подтвердить или опровергнуть теории Эйнштейна?
Ни в коем случае[28].
ОТО в нынешней форме может оказаться не последним словом о природе пространства, времени и гравитации. Дело в том, что она не совместима с квантовой механикой, другим краеугольным камнем физики XX в. (я вернусь к этой проблеме в главе 12). Рано или поздно физики неизбежно столкнутся с результатами экспериментов, не вполне подтверждающими предсказания одной из двух теорий, аналогично тому, как странное поведение орбиты Меркурия не согласовывалось с теорией Ньютона. Для физиков это будет сродни маленькому облачку на горизонте – на первый взгляд безобидное, оно может обернуться чудовищной грозой. В результате будут получены зацепки, указывающие путь к новым и более совершенным теориям.
Неудивительно, что первая прямая регистрация гравитационных волн в сентябре 2015 г. была воспринята как один из важнейших научных прорывов за многие десятилетия. До сих пор это предсказание Эйнштейна, сделанное 100 лет назад, никогда не находило прямых подтверждений. Был также создан новаторский метод изучения самых таинственных объектов во Вселенной – ЧД.
Возможно, новый инструмент подарит нам ключ к тайнам пространственно-временного континуума?
4А есть ли волны: дискуссия с переходом в потасовку
Филипу Моррисону не на что было надеяться, кроме трости.
В понедельник 10 июня 1974 г. десятки физиков собрались в Массачусетском технологическом институте (MIT) на Пятую Кембриджскую конференцию по релятивизму. Приглашенные лекторы, обсуждения, стендовые доклады, вопросы и ответы – ничего особенного. Обычное собрание ученых.
Все изменилось, когда речь зашла о гравитационных волнах. Два видных участника конференции – Джо Вебер и Дик Гарвин начали дискуссию, переросшую сначала в спор, затем в выкрики и оскорбления. Наконец они вскочили и с яростью кинулись друг на друга у всех на виду, скрипя зубами и сжимая кулаки. Что стряслось?
Моррисон, профессор физики MIT, был ведущим заседания. Его призывы: «Джентльмены, джентльмены!» – пропали втуне. В любой момент могла начаться потасовка, как между завсегдатаями бара. Что оставалось делать пострадавшему от полиомиелита Моррисону? Словно волшебник, воздевающий магический посох, он вскинул трость и разделил вояк. Кровь не пролилась.
Произошло следующее. Джо Вебер заявил, что обнаружил гравитационные волны. Дик Гарвин ему не поверил, и по веским причинам. Фактически едва ли хоть кто-нибудь поверил Веберу. В те времена физики сомневались в самом существовании гравитационных волн. Неудивительно, что страсти накалились.
Сомнения по поводу гравитационных волн впервые высказал в 1916 г. сам Альберт Эйнштейн. Не каждое предсказание в ОТО столь однозначно и убедительно, как хотелось бы. Бесспорно, перигелий Меркурия должен смещаться быстрее, чем предполагает теория Ньютона. Свет звезд должен отклоняться искривлением пространственно-временного континуума. Время должно замедляться в сильных гравитационных полях. Сделать эти предсказания нетрудно. Другие менее очевидны, и существование гравитационных волн – одно из них. По крайней мере так считал Эйнштейн.
В математическом выражении уравнения поля ОТО аналогичны уравнениям электродинамики Максвелла. В 1860-х гг. шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл впервые предположил, что электричество и магнетизм – две стороны одной медали и что свет – это электромагнитная волна. Полтора века спустя его уравнения остаются достаточно популярными, чтобы печататься на футболках (хотя носят их, вероятно, только студенты-физики). Это относится и к эйнштейновским уравнениям поля.
Что значит «аналогичны»?
Теория электродинамики Максвелла доступна для понимания. Возьмите электрический заряд, придайте ему ускорение, и он создаст электромагнитную волну. Следствия мы наблюдаем повсеместно в форме света, радиоволн и т. д. Могут возникнуть наивные ожидания – найти нечто подобное в ОТО: возьмем «гравитационный заряд» (массивный объект), придадим ему ускорение, и он породит гравитационную волну. Звучит логично. Безусловно, что-то подобное виделось Эйнштейну в конце 1915 г., когда он вывел окончательную версию уравнений поля.
Однако между электромагнетизмом и гравитацией существует большая разница. И электрические, и магнитные заряды могут быть как положительными, так и отрицательными. Они могут притягиваться или отталкиваться. Напротив, масса всегда положительна. Отрицательной массы не существует, гравитация – всегда притяжение, она не может быть силой отталкивания.
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