А есть ли волны: дискуссия с переходом в потасовку

Гравитационные волны предсказал еще Эйнштейн, но зафиксировать их удалось совсем недавно. В сентябре 2015 года они достигли Земли. Два гигантских детектора LIGO зарегистрировали мельчайшую дрожь. Момент первой регистрации гравитационных волн признан сегодня научным прорывом века, открывшим ученым новое понимание процессов, лежавших в основе формирования Вселенной. Книга Говерта Шиллинга — захватывающее повествование о том, как ученые всего мира пытались зафиксировать эту неуловимую рябь космоса: десятилетия исследований, перипетии судеб ученых и проектов, провалы и победы. С любезного разрешения издательства «Альпина нон-фикшн» Indicator.Ru публикует отрывок из этой книги.

Филипу Моррисону не на что было надеяться, кроме трости. В понедельник 10 июня 1974 года 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 году 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 годах 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 года, 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 году 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 года финский физик Гуннар Нордстрем 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 году. Знаковой следует считать его статью от января 1918 года 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 года 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 году произнес знаменитые слова, что «гравитационные волны распространяются со скоростью мысли» — остроумный намек, что они не более чем игра воображения.

В 1920–1930-х годах 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 году. 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 Physical Review статью «Существуют ли гравитационные волны?», где отвечали на заданный в заголовке вопрос отрицательно, объясняя причины такого вывода.

Конечно, Эйнштейн и Розен заблуждались — спросите тысячи ученых из международных научных сообществ LIGO и Virgo, заявивших о первой в истории регистрации гравитационных волн в феврале 2016 года. Хорошо, что статья так и не была опубликована. Джон Тейт, редактор Physical Review, отослал рукопись рецензенту, высказавшемуся против публикации и написавшему: «Насколько я могу судить… возражения Эйнштейна и Розена [против гравитационных волн] не существуют».

Оценка научных статей анонимными рецензентами-коллегами — обычная современная практика, особенно в физике. Но в те времена это было новинкой даже для Physical Review, о которой Эйнштейн не подозревал. Европейские журналы просто печатали присылаемые статьи. Он пришел в ярость, получив отказ, и никогда больше не публиковался в Physical Review. Статью он предложил в филадельфийский Journal of the Franklin Institute, имевший гораздо меньший тираж и не прибегавший к практике рецензирования, где ее охотно приняли.

Все изменилось осенью 1936 года. Натан Розен принял предложение работать в Советском Союзе, и ассистентом Эйнштейна стал польский физик Леопольд Инфельд. Космолог Говард Робертсон объяснил Инфельду заблуждение Эйнштейна и Розена. (Робертсон, кстати, и был рецензентом статьи в Physical Review.) К тому моменту, когда Инфельд сообщил своему руководителю о проблеме, Эйнштейн и сам обнаружил ошибку. Даже Натан Розен в далеком Киеве заметил эту проблему, имевшую сложный для непосвященных математический характер.

Статья в конце концов вышла в январе 1937 года в Journal of the Franklin Institute в значительной переработке. Эйнштейн изменил и название. Как и публикация 1918 года (тоже исправленный вариант более ранней статьи), она стала называться «О гравитационных волнах». Вот ее смысл: мы не можем доказать, что эти неуловимые волны не существуют, но и в их существовании мы не уверены.

К тому моменту ОТО было почти 25 лет. Но ученые продолжали оспаривать существование предсказанного теорией феномена. Это положение сохранялось следующие 20 лет. Когда Эйнштейн умер в 1955 году, физическая реальность гравитационных волн по-прежнему вызывала серьезную полемику, а их свойства оставались практически неизвестными. Например, менее чем через три месяца после смерти Эйнштейна Розен заявил, что гравитационные волны не могут переносить энергию — завуалированный способ сказать, что они не имеют реального физического существования. Через полтора года мнения начали меняться, особенно после того, как физики-теоретики Феликс Пирани и Ричард Фейнман и космолог Герман Бонди доказали, что они все-таки могут переносить энергию. Гравитационные волны стали считаться реальным физическим феноменом. Оставалась лишь одна проблема — как их обнаружить.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.