Астрофизика начинающим: как понять Вселенную

Как любопытный малыш, я не мог не думать о том, как именно удается Майти Маусу летать. Крыльев у него не было, как и пропеллеров или спрятанных в поясе реактивных двигателей. Зато у него имелась накидка. Супермен, другой знаменитый летающий герой, тоже носил пелерину. Может, в этом и был их секрет? Неужели способность летать и правда зависит от того, как одеваешься?

Я разработал теорию: накидки наделяют людей и мышей способностью летать.

Хотя я тогда еще не был ученым, я уже начинал думать на ученый манер. Наука ведь не может обойтись одними теориями. Теории надо проверять. Поэтому мне было необходимо провести эксперимент, чтобы проверить мою идею. Я нашел какую-то пелерину, завязал ее потуже на шее и попробовал прыгнуть как можно дальше.

Затем я измерил расстояние, на которое я сумел прыгнуть с помощью накидки.

Потом снял накидку, прыгнул опять и снова измерил длину прыжка.

Никакой разницы не было.

Мне не удалось прыгнуть дальше с накидкой. Я не сумел полететь. Но я получил очень ценный урок: в науке теория должна соответствовать фактам, собранным с помощью опытов. А иначе ее либо надо исправить, либо выбросить на свалку идей. Моя догадка о том, что пелерины позволяют мышам и людям летать, не соответствовала результатам моего опыта с прыжком, и потому мне пришлось отказаться от этой теории и продолжать жить, научившись в конце концов летать, как летает все остальное человечество, – в больших машинах, называемых самолетами.

Но случается иногда, что самые дикие с виду теории успешно проходят экспериментальные испытания. Альберт Эйнштейн вряд ли когда-нибудь заходил в физическую лабораторию. Он был чистым теоретиком – ученым, придумывающим идеи о том, как устроена природа. Он в совершенстве владел искусством мысленного эксперимента, который позволяет разгадывать загадки природы при помощи воображения.

Например, когда ему было шестнадцать лет, Эйнштейн задумался: что было бы, если бы можно было лететь рядом с лучом света. Конечно, это невозможно. Мы уже обсуждали вопрос о предельной космической скорости. Но Эйнштейн продолжал думать над этой странной идеей много лет и в конце концов пришел к одному из своих величайших озарений.

Теоретики вроде Эйнштейна разрабатывают модели устройства Вселенной. Пользуясь этими моделями, они делают предсказания. Если модель неудачная, наблюдатели – ученые, изучающие природу с помощью сложных инструментов, – обнаруживают расхождение между предсказанием и реальностью. «Модель» полета, которую я разработал ребенком, предполагала, что пелерины позволяют людям и мышам летать по воздуху. Затем я испытал свою модель – сложные инструменты для этого не понадобились – и обнаружил несоответствие между теорией и действительностью. Я был расстроен. Правда, ученые обычно очень радуются, когда находят ошибку в модели другого исследователя. Мы все любим находить ошибки в домашней работе кого-то другого.

Эйнштейн разработал одну из самых мощных и всеобъемлющих теоретических моделей в истории – свою общую теорию относительности[4]. Эта модель подробно объясняет, как все во Вселенной движется под воздействием тяготения и как само тяготение изменяет форму пространства. Эта общая теория ведет к предсказаниям, которые ученые и сегодня продолжают проверять.

Модель Эйнштейна предсказывает, что, когда сталкиваются черные дыры, они должны выделять энергию в виде гравитационных волн, которые разносятся по всей Вселенной. Эта рябь пространства-времени похожа на мелкие волны, набегающие на тихий песчаный берег. И конечно, ученые уже поймали такие омывающие Землю волны от столкновений далеких черных дыр – столкновений, случившихся в далеком прошлом. Эйнштейн оказался прав.

Раз в каждые несколько лет экспериментаторы предлагают все новые и новые, все более чувствительные опыты по проверке теории Эйнштейна. И каждый раз эта теория подтверждается. Эйнштейн был далеко не самым умным ребенком в классе. Но он оказался одним из самых умных людей в истории человечества.

И все-таки даже он мог ошибаться.

При жизни Эйнштейна люди отчаянно стремились доказать, что он ошибается. Его работы поставили под сомнение правоту идей Ньютона, а многим в научном сообществе это не очень нравилось. Группа таких ученых в 1931 году опубликовала книгу под заголовком «Сто авторов против Эйнштейна». Когда он узнал об этом, то сказал, что, будь он действительно неправ, вполне достаточно было бы и одного автора, чтобы доказать это.

Общая теория относительности резко отличалась от всех предшествовавших ей идей о природе тяготения. Согласно общей теории относительности массивные объекты деформируют вокруг себя пространство, вызывая что-то вроде морщин на ткани пространства-времени.