Интерстеллар: наука за кадром - Кип Торн

В начале шестидесятых, когда я был учеником Уилера, он убедил меня и других студентов заняться изучением геометродинамики в рамках наших исследовательских проектов. Мы попытались, но это начинание с треском провалилось. Мы недостаточно хорошо знали, как решать уравнения Эйнштейна, чтобы строить на их основе прогнозы, и у нас не было возможности наблюдать явления геометродинамики в астрономической Вселенной.

Большую часть жизни в науке я посвятил тому, чтобы изменить такое положение вещей. В частности, стал одним из организаторов ЛИГО, цель которой — наблюдение геометродинамических явлений в далеких областях Вселенной. В 2000 году, отойдя от работы в ЛИГО, я стал соорганизатором исследовательской группы при Калтехе, занимающейся моделированием геометродинамики на суперкомпьютерах методом численного решения уравнений теории относительности. Мы назвали этот проект SXS (Simulating eXtreme Spacetimes — «Моделирование крайностей пространства — времени»). Эта работа ведется совместно с исследовательской группой Саула Теукольского из Корнелльского университета и другими учеными.

Особый интерес в области геометродинамики представляет столкновение двух черных дыр. Когда дыры сталкиваются, они вовлекают пространство и время в бурные циркуляции. Опыт SXS уже позволяет дать предсказания теории относительности на этот счет: см. рис. 16.9. Всего через несколько лет ЛИГО и ее партнеры приступят к наблюдению гравитационных волн от столкнувшихся черных дыр, и вот тогда можно будет проверить наши прогнозы. Сейчас прекрасная пора для изучения геометродинамики!

Рис 16.9. Момент столкновения двух черных дыр. Модель для одинаковых невращающихся черных дыр. Сверху: орбиты и тени дыр, вид из нашей Вселенной. Посередине: искривленное пространство и время, вид из балка; стрелками показано, как пространство вовлекается в движение, а изменяющимися цветами — как искривляется время. Снизу: форма испускаемых гравитационных волн (Из фильма Гаральда Пфайфера о работе команды SXS.) 

Гравитационные волны от Большого взрыва

В 1975 году Леонид Грищук, мой добрый приятель из России, сделал сенсационное заявление. Он сказал, что в момент Большого взрыва возникло множество гравитационных волн, причем механизм их возникновения (прежде неизвестный) был таков: квантовые флуктуации гравитационного поля при Большом взрыве были многократно усилены первоначальным расширением Вселенной и таким образом стали изначальными гравитационными волнами. Эти волны, если их удастся обнаружить, могут рассказать нам, что происходило в момент зарождения нашей Вселенной.

В последующие годы, по мере того как совершенствовались наши представления о Большом взрыве, стало очевидно, что эти изначальные волны должны быть наиболее сильны на длинах волн, соизмеримых с величиной видимой Вселенной, то есть на длинах в миллиарды световых лет. А на длинах волн, которые охватывают детекторы ЛИГО (сотни и тысячи километров), волны, скорее всего, окажутся слишком слабыми, чтобы их распознать.

Рис 16.9. Аппарат BICEP2 (построен командой Джеми Бока), с помощью которого был обнаружен след изначальных гравитационных волн. Аппарат, находящийся на Северном полюсе, показан здесь во время сумерек, которые бывают там лишь дважды в год. Он окружен щитами, экранирующими аппарат от излучения окружающего ледяного покрова. В правом верхнем углу показан обнаруженный в реликтовом излучении след — поляризационный узор. Линии электрического поля направлены вдоль коротких светлых штрихов 

В начале девяностых некоторые космологи поняли, что эти гравитационные волны длиной в миллиарды световых лет должны были оставить уникальный след в электромагнитных волнах, наполняющих Вселенную, — в так называемом космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении. Это положило начало поискам святого Грааля. Ведь если обнаружить этот след и вывести из него свойства изначальных гравитационных волн, можно узнать, как зарождалась Вселенная.

В марте 2014 года, когда я писал эту книгу, команда Джеми Бока[59], космолога из Калтеха, кабинет которого находится рядом с моим, наконец обнаружила этот след в реликтовом излучении[60] (рис. 16.10).

Это совершенно потрясающее открытие, но есть один спорный момент: след, найденный командой Джеми, мог быть вызван не гравитационными волнами, а чем-то еще. Во время подготовки этой книги к печати ведется напряженная работа по выяснению этого момента.

Если действительно найден след гравитационных волн, возникших при Большом взрыве, значит, произошло космологическое открытие такого уровня, какие случаются, быть может, раз в полвека. Оно дает шанс прикоснуться к событиям, которые происходили спустя триллионную от триллионной от триллионной доли секунды после рождения Вселенной. Оно подтверждает теории, гласящие, что расширение Вселенной в тот миг было чрезвычайно быстрым, на сленге космологов — инфляционно быстрым. Оно возвещает наступление новой эры в космологии.

Итак, потешив мою страсть к гравитационным волнам, разобравшись, как с их помощью можно было обнаружить червоточину в фильме, а также изучив свойства червоточин, особенно червоточины в «Интерстеллар», мы готовы к путешествию на другую сторону этой червоточины. К путешествию, где мы познакомимся с планетой Миллер, планетой Манн и космолетом «Эндюранс».

V.

ИССЛЕДУЕМ ОКРЕСТНОСТИ ГАРГАНТЮА 

17. Планета Миллер

Первая планета, на которую высаживаются Купер и его команда, — это Миллер. Ее наиболее впечатляющие особенности — сильное замедление времени, гигантские волны и мощнейшая приливная гравитация. Эти три особенности связаны между собой и проистекают из близости планеты к Гаргантюа.

Рис. 17.1. Искривленное пространство вблизи Гаргантюа, вид из балка, одно пространственное измерение опущено. Также показана орбита планеты Миллер и орбита «Эндюранс», ожидающего возвращения десанта 

Орбита планеты

По Кип-версий, планета Миллер расположена в области, помеченной на рис. 17.1 синим кольцом, очень близко к горизонту Гаргантюа (см. главы 6 и 7).

Искривленное пространство здесь имеет форму поверхности цилиндра. На рисунке поперечные сечения цилиндра — это окружности, длина которых не меняется вне зависимости от расстояния до Гаргантюа. На самом деле, если вернуть опущенное измерение, эти поперечные сечения — сфероиды, тоже одинакового размера.

Так чем же это положение на цилиндре отличается от других? Что в нем особенного?

Рис. 17.2. Гравитационные и центробежные силы, действующие на планету Миллер

Ключ к ответу — искривление времени, которое на рис. 17.1 не показано. Вблизи Гаргантюа время замедляется, и это замедление усиливается по мере приближения к горизонту событий Гаргантюа. Следовательно, согласно эйнштейновскому закону искривления времени (см. главу 4), при приближении к горизонту гравитация становится сверхсильной. На рис. 17.2 красная кривая, обозначающая силу гравитационного поля, около горизонта резко уходит вверх. Центробежная сила, которую испытывает планета (синяя кривая), изменяется более плавно. В результате кривые пересекаются в двух точках — положения, где центробежная сила и сила гравитационного притяжения, действующие на вращающуюся вокруг Гаргантюа планету, уравновешены.

Во внутренней точке равновесия орбита планеты нестабильна: если планета чуть-чуть сместится в сторону от Гаргантюа (например, под воздействием гравитации пролетающей мимо кометы), центробежная сила возобладает и вытолкнет планету наружу. Если же она сместится к Гаргантюа, возобладает сила гравитации, и планета начнет падать к черной дыре. Это означает, что во внутренней точке равновесия планета Миллер долго не продержится.

Внешняя точка равновесия, напротив, стабильна: если планета Миллер, находясь там, сместится от Гаргантюа, сила гравитации «перевесит» и подтянет ее обратно. Если же планета сместится к Гаргантюа, «перевесит» центробежная сила и вернет планету на место. Поэтому планета Миллер, согласно Кип-версий, располагается именно в этой точке[61]. 

Замедление времени и приливная гравитация

Орбита планеты Миллер — самая близкая к черной дыре из всех стабильных круговых орбит вокруг Гаргантюа. Таким образом, это орбита с максимальным замедлением времени. На семь земных лет приходится один час на планете Миллер — время там течет в 60000 раз медленнее, чем на Земле! Именно это и нужно было Кристоферу Нолану