Чтобы справиться с трудностями, возникающими при интерпретации наблюдений, физикам пришлось выдумать темную энергию. На ее долю приходится 68,3 % энергии массы всей Вселенной, и она характеризуется отталкивающей гравитацией. Детей до сих пор учат в школе, что гравитация притягивает тела. Теперь мы с вами знаем, что это не так – на большей части Вселенной гравитация, наоборот, отталкивает галактики друг от друга.
47. Голос бездныВ результате слияния черных дыр, гравитационные волны от которого дошли до Земли 14 сентября 2015 года, выделилось в пятьдесят раз больше энергии, чем от всех звезд во Вселенной
Если вы спросите меня, существуют ли гравитационные волны, я отвечу – не знаю. Но это очень интересная проблема.
Леди и джентльмены, мы сделали это. Мы нашли гравитационные волны.
Неподалеку от города Ливингстон (штат Луизиана, США) находится прибор, который можно было бы назвать гигантской «четырехкилометровой лазерной линейкой». Еще одна такая же «линейка» – в трех тысячах километров от этого места, в Хэнфорде (штат Вашингтон). 14 сентября 2015 года в 5 часов 51 минуту по восточному летнему времени США «дрожь» пробежала по ливингстонской линейке. На 6,9 миллисекунды позже – менее чем через сотую долю секунды – такая же «дрожь» сотрясла линейку в Хэнфорде. Это событие безошибочно указывало на то, что удалось поймать гравитационную волну, возникшую от ряби в структуре пространства-времени – явление, предсказанное Эйнштейном сто лет назад.
Источником гравитационных волн послужило необычное событие. В одной далекой-далекой галактике в незапамятные времена, когда бактерия была самым сложным организмом на Земле, две гигантские черные дыры сцепились друг с другом в смертельной схватке. Их неудержимо влекло друг к другу. И вот, последний поворот – и нет уже двух черных дыр. Они слились друг с другом и образовали новый монстр. В этот момент три массы Солнца мгновенно «испарились»[135]. Через долю секунды они превратились в чудовищное цунами, побежавшее во все стороны от исковерканного пространства-времени со скоростью света.
При слиянии двух черных дыр в одну более массивную черную дыру возникает «цунами» в искривленном пространстве-времени и мчится во все стороны в виде гравитационных волн.
Мощность излученных гравитационных волн превысила энерговыделение всех звезд во Вселенной в пятьдесят раз. Другими словами, если бы слияние черных дыр породило видимый свет, а не гравитационные волны, в небе засверкал бы объект в пятьдесят раз более яркий, чем вся Вселенная. Человечество впервые столкнулось с таким грандиозным событием[136].
Гравитационные волны возникают всякий раз, когда ускоряется какое-либо тело. Взмахните рукой в воздухе. Только что вы возбудили гравитационные волны, и они начали распространяться во все стороны, как рябь по воде. Вот они уже покинули Землю, пролетели мимо Луны и теперь находятся на пути к Марсу. Через четыре года они окажутся в ближайшей звездной системе, подлетая к ее центральному светилу. Мы знаем, что вокруг одной из трех звезд в системе Альфа Центавра вращается по орбите планета. Если на этой планете обитает технологическая цивилизация, которая построила детектор гравитационных волн, через четыре года она может зафиксировать пульсацию пространства-времени – рябь, которую вы подняли, мгновение тому назад взмахнув рукой.
Единственная проблема заключается в том, что эти волны будут слишком слабыми. Вообразите себе барабан. Его легко заставить пульсировать, потому что кожа барабана гибкая. Но пространство-время жестче стали в миллиард миллиардов миллиардов раз. Представьте, что вы хотите заставить вибрировать барабан, который в миллиард миллиардов миллиардов раз жестче, чем сталь! Вот почему только самые яростные космические события, такие как слияния черных дыр, создают значительные колебания пространства-времени.
Эти вибрации, как рябь, распространяющаяся на озере, быстро угасают. Прибыв на Землю 14 сентября 2015 года, пропутешествовав перед этим в космосе 1,3 миллиарда лет, волны оказались чрезвычайно крошечными. Проходя по четырехкилометровым трубам-линейкам в Хэнфорде и Ливингстоне, они попеременно растягивали и сжимали их, но только на одну стомиллионную диаметра атома! Сам факт того, что линейки-близнецы лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) смогли зафиксировать такой малый эффект, поражает воображение.
LIGO по праву можно считать чудом технологического мастерства. Обе приемные установки аппаратуры этой гравитационно-волновой обсерватории (в Хэнфорде и Ливингстоне) имеют по 2 трубы диаметром 1,2 метра, расположенных в виде буквы Г. Лазерный луч, мощность которого планируется довести почти до мегаватта, проходит по этим трубам, внутри которых поддерживается более глубокий искусственный вакуум, чем вакуум в межпланетном пространстве. На каждом конце трубы, на тонких стеклянных нитях – они всего в два раза толще человеческого волоса – в вакуумных камерах подвешены зеркала весом 42 кг каждое. Лазерный луч отскакивает от этих зеркал, отражаясь практически полностью – зеркала идеально гладкие и отражают 99,999 % падающего света. Микроскопический сдвиг подвешенных зеркал дает знать о прохождении гравитационной волны. Вся установка настолько точна, что она «почувствовала» толчки от землетрясения, происшедшего в Китае, и ее пришлось заново отлаживать.
Чтобы обнаружить гравитационные волны, физикам LIGO пришлось совершить нечто экстраординарное: заметить, что длина их 4-километровой «линейки» изменилась на величину, равную единице, деленной на 1 000 000 000 000 000 000 000. Поэтому не стоит удивляться, что Нобелевскую премию по физике в 2017 году получили три физика, стоявшие у истоков этого эксперимента: Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш[137].
Важность прямого обнаружения гравитационных волн трудно переоценить. Представьте, что вы были глухим с самого рождения, а затем внезапно услышали все звуки мира. Именно такое сравнение приходит в голову физикам и астрономам, научившимся «слушать» гравитационные волны. Раньше они могли видеть Вселенную. Теперь они могут ее слышать. Гравитационные волны – это голос пространства. Не будет большим преувеличением сказать, что их обнаружение – самое важное достижение в астрономии после того, как Галилей в 1609 году изобрел свой астрономический телескоп.
14 сентября 2015 года на самом пороге слышимости мы услышали слабый звук, похожий на гул отдаленного грома. Но нам еще предстоит услышать, как будут звучать гравитационные волны, рожденные плачем ребенка, музыкальным произведением или пением птиц. В последующие несколько лет планируется увеличить чувствительность аппаратуры LIGO и ввести в строй другие детекторы – в Европе, Японии и Индии. Наша способность обнаруживать гравитационные волны улучшится. И кто знает, какую космическую симфонию мы услышим, когда настроимся на гравитационную волну, передающую музыку сфер?
48. Вселенная в карманеСохраните информацию о 64 миллионах вселенных на одной флешке объемом 64 гб
И всякому мужчине, и всякой женщине я говорю: да будет душа твоя невозмутима и бесстрастна перед лицом миллиона вселенных.
Вселенная расширяется. Ее галактики разлетаются во все стороны, как праздничный салют, ознаменовавший рождение Вселенной в Большом взрыве. Будучи прокручена в воображении назад во времени, картина расширения Вселенной неизбежно приведет нас к исходной точке. В предыдущих главах мы уже говорили о том, что Вселенная построена на основе квантовой структуры. Будучи, по сути дела, непредсказуемой, Вселенная имеет зернистое строение. Все состоит из квантов – вещество, энергия, даже пространство. Эти кванты, невидимые зерна сущего, не поддаются дроблению на более мелкие частицы. Если бы в наших руках оказался супер-микроскоп, в который мы могли бы увидеть мельчайшую структуру пространства, нашим глазам открылось бы нечто вроде шахматной доски с волнистыми квадратами – полями, чью площадь в принципе невозможно уменьшить.
Теперь представим себе, что пространство сокращается по мере того, как мы «закручиваем» Вселенную назад. Сама шахматная доска становится меньше, но квадраты на ее поле не могут уменьшаться. Просто их становится все меньше и меньше. В начале времен у Вселенной – то время называется инфляционной эпохой – было всего около 1000 «шахматных квадратов». Всего 1000 мест, каждое из которых может обладать некоей энергией. А может быть и пустым. Если вы разбираетесь в компьютерах, вы поймете, что это означает: для описания Вселенной в инфляционную эпоху было достаточно всего лишь 1000 бит – двоичных единиц информации (0 или 1). В мой брелок для ключей встроена карта памяти объемом 64 гигабита, то есть 64 миллиарда бит. На этой карте памяти я мог бы сохранить информацию о 64 миллионах вселенных!
Но вернемся в сегодняшний день. Для того чтобы описать современную Вселенную, нужно было бы записать местоположение и тип каждого атома, энергетическое состояние каждого электрона в каждом атоме и так далее. Нам понадобились бы не 1000 бит, а число, выражаемое единицей с 89 нулями. Возникает вопрос: если в начале Вселенной царила такая простота и почти отсутствовала информация, откуда взялись вся эта сложность и вся эта новая информация? Почему вообще существуют галактики и звезды, атомы и айфоны, радуги и розы?
Посмотрите на отражение вашего лица в оконном стекле. Просто? Да, но в этом простом действии содержится важная подсказка. Из окна вашего дома вы, возможно, увидите, как мимо проезжают машины, качаются под ветром ветви деревьев, хозяева выгуливают собак. Но вы увидите и слабое отражение своего собственного лица. Стекло не является идеально отражающей поверхностью. Оно пропускает почти 95 % света, и только 5 % отражается назад.