Чем мир держится?

Солнечная система стала самым популярным полигоном для испытания общей теории относительности, но все-таки только одним из многих полигонов.

Соединение теории гравитации с астрофизикой было неизбежно, и оно состоялось уже довольно давно.

Если мала масса Земли, маловата масса Солнца, орбиты планет вокруг него не очень удачно расположены для наблюдений, то, как справедливо заметил Р. Дике: «К счастью, наша Вселенная содержит такое множество объектов и эти объекты так разнообразны по своим размерам, что находчивый экспериментатор может рассчитывать найти в ней уже готовые и действующие приборы, дающие фундаментальную информацию о природе тяготения».

Здесь, как видим, наблюдение приравнивается к эксперименту, а уверенность ученого в том, что Вселенная не оставит его без необходимой информации, поистине великолепна. Но, думается, даже этот оптимист никак не мог рассчитывать на прибор, который сравнительно недавно космос любезно предложил ученым.

В 1974 году природа поднесла астрофизике, космологии и общей теории относительности подарок неслыханной ценности. В сугубо научной работе В. Б. Брагинского и В. Н. Руденко об этом говорится именно так — как о приятнейшем сюрпризе: «Природа дарит нам релятивистскую лабораторию с готовым инструментом для ее исследования».

Ну, а как иначе назвать открытие двойной звезды, в которой, правда, один из двойников не виден ни в оптическом, ни в радиодиапазоне, зато другой представляет собой пульсар, посылающий радиоволны строго определенной длины? Открыт радиомаяк в космосе! Отделяют его от Земли пять тысяч парсеков — более шестнадцати тысяч световых лет. Масса его приблизительно равна солнечной, а размеры, как полагается нейтронной звезде, чрезвычайно малы — радиус пульсара примерно десять километров. Обычными методами, применяемыми при исследовании двойных звезд, было определено время полного оборота пульсара на его орбите — оно оказалось равно примерно семи с половиной часам. Значит, звезда-спутник расположена очень близко к радиомаяку, и их гравитационное взаимодействие огромно.

Каким было первое фактическое доказательство верности общей теории относительности? Им было смещение перигелия Меркурия. Точка наибольшего удаления спутника от звезды называется периастром. Смещение периастра пульсара, вычисленное теоретически, составило три угловых градуса в год — это вместо сорока трех угловых секунд в столетие у Меркурия! Наблюдения дали такую величину: 3,6±1,6 градуса. Совпадение блестящее.

Давно уже бьются ученые над тем, как проверить предсказание Эйнштейна, касающееся вращения оси гироскопа, находящегося в гравитационном поле вращающегося тела. Разрабатываются проекты запуска специальных спутников Земли, ведь Земля тоже вращающееся тело. Но этот эффект так тонок, что пока нельзя считать пригодным для его обнаружения ни один из предложенных конкретных проектов.

А в космической «релятивисткой лаборатории» роль гироскопа выполняет сам пульсар, роль вращающегося центра тяготения — его невидимый спутник. Тут тоже есть свои сложности, нужно провести очень точные и долгие наблюдения, сделать очень трудные расчеты, но все это куда дешевле, чем запускать специальный спутник-гироскоп.

Многое еще обещает дать естественный радиомаяк в двойной звезде для теории гравитации. Но и современная теория гравитации может многое подсказать астрофизикам, изучающим эту систему.

Общая теория относительности здесь «выступает не как гипотеза, нуждающаяся в проверке, а как критический тест астрофизической модели пульсара» (В. Б. Брагинский, В. Н. Руденко).

Уже по наблюдаемому смещению периастра можно сказать, что звезда-спутник невелика по размерам и, значит, тоже представляет собой весьма плотное космическое тело Будь этот спутник нормальных звездных размеров, смещение периастра было бы в пятьдесят раз больше.

Общая теория относительности после многих точных измерений позволит определить и массу второй звезды, и наклонение орбиты, и некоторые другие характеристики системы. А это, в свою очередь, позволит наблюдать новые эффекты, следующие из теории.

Радиомаяк такого типа — пока единственный в своем роде, и использовать представляемые им возможности надо на все сто процентов!

О некоторых других планируемых гравитационных экспериментах и наблюдениях мы поговорим в третьей части книги. А сейчас покинем земные лаборатории, где, подтверждая общую теорию относительности, измеряют триллионные доли миллиметра, оставим маленькую Солнечную систему и даже уникальный радиомаяк, чтобы вместе с общей теорией относительности выйти на действительно широкие просторы Вселенной.

Ведь предсказания свои теория делает отнюдь не только для того, чтобы их проверяли.

Во вселенной

Во Вселенной, как и во времена Ньютона, главной силой остается гравитация.

Теория относительности ввела представление о кривизне пространства-времени, но постоянна ли эта кривизна в реальной Вселенной? Сам Эйнштейн поначалу пришел к выводу, что Вселенная стационарна, ее составные части — галактики и скопления галактик — в среднем остаются на своих местах, радиус кривизны пространства-времени постоянен. Он увидел мир успокоенным и упорядоченным. Может быть, тут сыграло свою роль руководившее Эйнштейном всю его жизнь представление о стройной гармонии мироздания. Для того, чтобы уравнения рисовали мир именно таким, ученому пришлось ввести в них так называемую космологическую постоянную. Не будем входить в сложные математические подробности такой операции, тем более, что впоследствии Эйнштейн называл эту свою «добавку» самой большой ошибкой своей жизни. (Впрочем, часть физиков сегодня не соглашается с «отречением» Эйнштейна и продолжают использовать его «старовведение».)

Так или иначе, первые годы Эйнштейн был вполне удовлетворен Вселенной, вышедшей из-под его пера.

Но тут слово взял петроградский ученый Александр Александрович Фридман…

Он умер в тридцать семь лет — роковой возраст для великих поэтов. Но сколько было сделано и сколько прожито в этот короткий срок! Математик, метеоролог, доброволец русской армии в первую мировую войну, военный летчик, организатор аэронавигационной службы на всем протяжении русского фронта, директор завода измерительных приборов, профессор Пермского университета, организатор математического бюро Петроградской Главной физической обсерватории… Перечислены далеко не все дела, которыми он успешно занимался.

А в 1922 году, за три года до смерти, он опубликовал небольшую работу «К вопросу о кривизне пространства».

Название спокойное, академическое. Между тем статья доказывала не больше и не меньше как то, что кривизна пространства меняется и Вселенная расширяется. Он выяснил это, по-новому решая уравнения общей теории относительности.

Достаточно известна история о том, как Эйнштейн прочел работу Фридмана, не согласился с нею, послал возражение в журнал, потом получил письмо Фридмана, убедившее его в ошибочности собственных возражений. И признал, что Вселенная может оказаться не только стационарной, но и динамической, меняющейся.

Это был чисто теоретический спор по математическим проблемам. Но именно тут теория гравитации Эйнштейна проявила себя, что довольно скоро выяснилось, как учение, способное делать предсказания гигантского масштаба. Эта теория, еще и не подтвержденная тогда «как следует», оправдала то доверие к ней физиков, о котором говорил Г. Бонди. Потому что через шесть лет после появления статьи Фридмана астроном Эдвин Хаббл обнаружил факт «разбегания» галактик. Следовательно, Вселенная расширялась — по Фридману [15].

Хаббл и астрономы, его последователи, на основе своих наблюдений по скорости разбегания галактик определили возраст Вселенной примерно в два миллиарда лет. Они опирались как будто на факты. А теоретики, развивавшие общую теорию относительности, настаивали на удлинении временной шкалы по меньшей мере в пять раз.