Эйнштейн сдержал прогресс науки

Развитие физики неплохо подтверждает законы диалектического материализма. Количественное уточнение и усложнение теорий, описывающих окружающий мир, в какой-то момент приводит к качественным изменениям, революциям в понимании физических процессов. Самые известные революции такого рода в XX веке – это появление теории относительности и квантовой механики, радикально изменивших облик физики и выдержавших немалое число экспериментальных тестов.

В отличие от квантовой теории, которая за сто с лишним лет со знаменитого берлинского доклада Макса Планка о теории излучения разрослась в целое семейство наук, связанных друг с другом лишь самыми общими принципами, Общая теория относительности (ОТО), сформулированная Эйнштейном в 1915—1916 годах, дошла до нас практически в неизменном виде.

Во многом это связано с консервативностью научного мира – ОТО может сколько угодно не нравиться философствующим теоретикам, не устающим предлагать новые варианты теории гравитации. Альтернативные теории лучше отражают физический смысл явления тяготения, способны не допустить появления «нефизических» чёрных дыр или просто удобнее в расчётах, считают их создатели.

Более того, большинство учёных уверены, что ОТО не является окончательной теорией гравитации, поскольку все попытки «поженить» её с квантовой механикой до сих пор оканчивались неудачей. Но создание теории тяготения, которая будет вытекать из квантовой механики и при этом для больших тел сводиться к теории Эйнштейна, остаётся одной из главных задач современной теоретической физики.

Однако последнее слово в физике всегда остаётся за экспериментаторами. А они до сих пор не сделали ни одного убедительного измерения, которое бы в рамки ОТО не укладывалось. Наоборот, все они раз за разом подтверждали точность расчётов, сделанных с помощью эйнштейновской теории, начиная с самой первой её проверки Эддингтоном и Дайсоном во время солнечного затмения 29 мая 1919 года.

Судя по всему, «убить» Общую теорию относительности опять не удалось. Она с блеском выдержала экзамен, сдавать который её заставил уникальный небесный объект – двойной радиопульсар PSR J0737-3039.

Когда в 2003 году радиоастрономы под руководством Ники Д'Амико из группы австралийца Дика Манчестера нашли очень тесную пару нейтронных звёзд, расположенную на расстоянии 2 тысяч световых лет в направлении на южное созвездие Кормы, возбуждению астрономов не было предела. До недавнего времени они не так часто становились Нобелевскими лауреатами, так что все отлично помнили премию 1993 года, которую Халс и Тейлор получили за исследование подобного объекта.

В пульсаре PSR B1913+16, который теперь называют не иначе как пульсаром Халса — Тейлора, две нейтронные звезды — сверхплотные объекты массой порядка массы Солнца и размером в десяток-другой километров — обращаются друг вокруг друга примерно за 8 часов по орбите размером чуть более миллиона километров. При столь тесной близости таких массивных тел проявляются сильнейшие релятивистские эффекты, измерить которые помогло то обстоятельство, что одна из нейтронных звёзд оказалась радиопульсаром – невероятно стабильным источником периодических радиоимпульсов, моменты прихода которых можно измерить с точностью до микросекунд. Один из эффектов — излучение энергии в виде неуловимых гравитационных волн, за счёт которого двойная система медленно сжимается и в конечном итоге сольётся в один объект, — удалось измерить так точно, что Нобелевский комитет, отчаявшись ждать обнаружения гравитационного излучения в земных лабораториях, решил присудить премию астрономам.

В J0737-3039 нейронные звёзды расположены ещё ближе друг к другу, совершая полный оборот за 2 часа 25 минут — вся система целиком поместилась бы внутри нашего Солнца. Здесь эффекты сильного поля тяготения ещё сильнее — например, расчётное время жизни системы для слияния — смешные по астрономическим меркам 85 миллионов лет. Всё это делало исследования J0737-3039 ещё заманчивее, тем более что и период самого пульсара здесь оказался всего 22 мс против 59 мс в пульсаре Халса — Тейлора.

Однако в октябре 2004 года выяснилось, что всё ещё интереснее.

Повторный анализ данных с австралийского телескопа имени Паркеса, в которых и был открыт пульсар J0737-3039A, обнаружил присутствие другого пульсара — J0737-3039B — с периодом почти 3 с.

Это единственный известный в Галактике по-настоящему двойной радиопульсар, в котором пульсарами являются оба компонента.

Более того, пульсар B при своём орбитальном движении периодически оказывается перед пульсаром A и затмевает его излучение своей магнитосферой. При орбитальном движении системы, раз в 2 часа 25 минут на частую гребёнку импульсов пульсара A накладывается 30-секундная «маска» редких затмений с периодом 3 секунды, вызванных поглощением излучения первого пульсара в магнитосфере второго. Если вы запутались в этом словесном описании, посмотрите видеоролик, показывающий поведение системы.

В общем, неудивительно, что изучать J0737-3039 бросились астрономы по всему миру. Впрочем, изучать — это, может быть, сильно сказано. В большинстве случаев такое изучение ограничивается именно измерением моментов прихода импульсов. При этом использовались именно импульсы первого пульсара — они гораздо ярче и чётче и видны всё время, в то время как у второго пульсара показываются лишь на некоторых орбитальных фазах.

Моменты прихода импульсов, на самом деле, дали огромное количество информации о тонких деталях эволюции системы. В 2006 году в журнале Science была опубликована статья, в которой на основании этих данных была проведена проверка предсказаний Общей теории относительности. Параметры, описывающие систему, сошлись с предсказаниями ОТО с точностью до 0,05%, и этот двойной пульсар стал лучшим доказательством применимости теории в сильных гравитационных полях.

Однако это согласование касалось лишь орбитального движения двух пульсаров друг вокруг друга. Уравнения общей теории относительности невероятно сложны, и решать их никто не умеет. Существуют лишь несколько абсолютно точных решений, не имеющих большого практического применения, а во всех оставшихся случаях учёным приходится пользоваться приближениями. Первое приближение, описывающее отличия релятивистского движения от того, что предсказывается законом тяготения Ньютона, так и называется — первым постньютоновским приближением. Оно предполагает вычисление нескольких параметров, и когда мы упоминали о точности в 0,05%, имелось в виду именно согласие этих «постньютоновских» параметров с предсказаниями ОТО.

На самом деле, постньютоновские параметры можно измерить и в Солнечной системе — пусть и не с такой точностью, как в двойном пульсаре. Эти классические тесты теории относительности учёные провели ещё много десятилетий назад, и поэтому большинство обобщений ОТО уже заранее строится таким образом, чтобы орбитальное движение в этом приближении не отличалось от эйнштейновского — глупо, в конце концов, предлагать теорию, которая уже опровергнута экспериментом. Так что на большинство альтернативных теорий прежние результаты накладывали не такие уж сильные ограничения.

На этот раз Рене Бретон из Университета имени Джеймса Макгилла в канадском Монреале и его коллеги из Великобритании, США, Франции и Италии решили изучить не орбитальное движение двух пульсаров, а изменение ориентации оси вращения пульсара B со временем. Ось вращения пульсара медленно поворачивается, описывая большой конус вокруг оси орбитального вращения двух тел; это явление называется прецессией. Подобным образом, кстати, поворачивается и земная ось, за счёт чего 12 тысяч лет назад, например, она смотрела не на Полярную звезду, а на Вегу, которая и была настоящей «полярной».

Однако если в случае с Землёй прецессия — результат работы приливных сил Солнца и Луны, и период её зависит от распределения массы в теле нашей планеты, то Бретон и его коллеги измеряли чисто релятивистский эффект взаимодействия моментов вращения пульсара B и двойной системы в целом. В соответствии с теорией Эйнштейна, период такой прецессии можно определить исключительно из массы двух тел и расстояния между ними. В случае J0737-3039 ОТО предсказывает период прецессии в 70 лет 350 дней (с точностью около 3 суток). Второй видеоролик показывает, как в соответствии с теорией прецессирует ось пульсара в период с января 2004 по январь 2029 года.

Чтобы измерить эту величину в действительности, учёные воспользовались медленным смещением «маски» редких затмений, которая каждый орбитальный период оказывается перед частоколом импульсов пульсара A на его кривой блеска. Воспользовавшись моделью магнитосферы пульсара B, построенной Максимом Лютиковым из американского Университета имени Джона Пердью, учёные смогли связать смещение маски с поворотом оси пульсара. Период этой прецессии, вычисленный из наблюдений, составил примерно 75 +/- 10 лет, то есть в полном согласии с предсказаниями теории Эйнштейна. Работа учёных опубликована в последнем номере Science.

Конечно, плюс-минус десять лет — это не точность в 0,05%, это в 300 раз хуже. Однако, во-первых, точность этой оценки с накоплением новых данных будет быстро возрастать (квадратично по суммарной продолжительности наблюдений).

А во-вторых, и это самое главное, данный тест смогут выдержать далеко не все «обобщённые» теории, которые успешно проходят проверку орбитальным движением.

Простор для деятельности теоретиков, пытающихся разработать альтернативные теории гравитации, с появлением новых измерений существенно сузился.

Конечно, не стоит думать, что «очередной триумф теории Эйнштейна», как уже называют результат работы Бретона и его коллег, заставит физиков остановиться в своих поисках — будь они экспериментаторы или теоретики. Для первых найти эффект, объяснение которого не укладывается в рамки одной из самых успешных физических теорий, — что-то сродни поискам святого Грааля. А последние уже давно чувствуют, что развитие теории гравитации как-то «застоялось», и с нетерпением ждут от экспериментаторов подсказки, куда же двигаться дальше. Быстрое увеличение точности измерения прецессии пульсара PSR J0737-3039 даёт надежду, что подобная подсказка может проявиться в данных уже в ближайшие годы.