В последние годы физики всё активнее ищут мосты между двумя столпами современной науки — общей теорией относительности Эйнштейна, описывающей гравитацию, и квантовой механикой, царствующей в микромире. Их объединение сулит прорыв в понимании Вселенной, но пока остаётся одной из главных нерешённых задач.

На этом фоне особый интерес вызывают природные лаборатории — пульсары. Эти стремительно вращающиеся нейтронные звёзды, испускающие строго периодические радиоимпульсы, позволяют проверять теорию относительности в условиях экстремальной гравитации. Недавние наблюдения за двойными пульсарами в очередной раз подтвердили предсказания Эйнштейна с высочайшей точностью. Отклонения от расчётов оказались ничтожными — менее 0,05 процента.

Но значит ли это, что альтернативы не нужны? Вовсе нет. Теория относительности, при всей своей элегантности, не стыкуется с квантовыми эффектами вроде запутанности или принципа неопределённости. Поэтому учёные продолжают разрабатывать новые модели — от теории струн до петлевой квантовой гравитации, — надеясь найти подход, который однажды заменит или расширит эйнштейновскую картину мира.

В физике назревает очередная революция? Множество новых теорий пытаются примирить гравитацию с квантовой механикой, обещая устранить все недостатки эйнштейновской концепции. Но недавно общая теория относительности (ОТО) вновь доказала свою силу — на этот раз в экстремальных условиях двойного пульсара J0737-3039. Медленное вращение оси одного из компонентов системы идеально совпало с предсказаниями, оставив конкурентов не у дел.

В тени великих революций

Физика XX века пережила два грандиозных переворота: рождение теории относительности и квантовой механики. Обе концепции радикально изменили науку и выдержали бесчисленные экспериментальные проверки. Но их судьбы сложились по-разному. Квантовая теория, начавшись со скромного доклада Макса Планка в Берлине, разрослась в целую семью дисциплин, объединённых лишь общими принципами. ОТО же, сформулированная Эйнштейном в 1915–1916 годах, дошла до нас почти в первозданном виде.

Отчасти это объясняется консерватизмом учёных, но есть и другая причина: альтернативные теории гравитации, как грибы после дождя, появляются регулярно, но ни одна не может пережить встречи с экспериментом. Их авторы уверяют, что их детища лучше раскрывают физическую суть тяготения, избавляют от «нефизических» чёрных дыр или просто удобнее в расчётах. Да и большинство физиков согласно: ОТО — не последнее слово, ведь все попытки «поженить» её с квантовой механикой пока провалились. Создать теорию, которая на квантовом уровне объясняла бы гравитацию, а для крупных тел сводилась бы к эйнштейновским уравнениям, — эта задача остаётся одной из главных в теоретической физике.

Экзамен для Эйнштейна

Однако последнее слово всегда за экспериментаторами. И пока они не сделали ни одного убедительного измерения, которое не укладывалось бы в ОТО. Напротив, каждая проверка лишь подтверждала точность расчётов — начиная с самого первого теста, проведённого Эддингтоном и Дайсоном во время солнечного затмения 29 мая 1919 года. Похоже, «убить» теорию относительности снова не вышло. На этот раз экзаменатором выступил уникальный космический объект — двойной радиопульсар PSR J0737-3039.

В 2003 году радиоастрономы под руководством Ники Д'Амико из команды австралийца Дика Манчестера обнаружили невероятно тесную пару нейтронных звёзд в двух тысячах световых лет от нас, в созвездии Кормы. Это открытие напоминает историю пульсара-тяжеловеса J1614-2230, чья масса почти вдвое превышает солнечную и заставляет пересматривать модели нейтронных звёзд. Астрономы ликовали: подобные находки случаются редко и сулят нобелевские перспективы. Все помнили премию 1993 года, которую Халс и Тейлор получили за исследование похожей системы — пульсара PSR B1913+16, известного теперь как пульсар Халса-Тейлора.

В той системе две нейтронные звезды — сверхплотные объекты с массой порядка солнечной и диаметром в десяток-другой километров — обращаются друг вокруг друга за 8 часов по орбите размером чуть более миллиона километров. При такой тесноте и массах проявляются мощные релятивистские эффекты. Измерить их удалось благодаря тому, что одна из звёзд оказалась радиопульсаром — источником импульсов с невероятной стабильностью, моменты прихода которых фиксируются с микросекундной точностью. Один из эффектов — излучение энергии в виде неуловимых гравитационных волн, заставляющее систему медленно сжиматься до финального слияния, — был измерен настолько точно, что Нобелевский комитет, отчаявшись поймать гравитационные волны в земных лабораториях, вручил премию астрономам.

Уникальная пара

J0737-3039 оказалась ещё экстремальнее. Здесь нейтронные звёзды сближены сильнее: полный оборот они совершают за 2 часа 25 минут, а вся система целиком поместилась бы внутри Солнца. Эффекты сильного поля тяготения здесь выражены ярче — расчётное время до слияния составляет смешные по астрономическим меркам 85 миллионов лет. К тому же период самого пульсара (обозначим его как A) равен всего 22 миллисекундам против 59 мс у пульсара Халса-Тейлора, что делало исследования J0737-3039 особенно заманчивыми.

Но в октябре 2004 года выяснилось, что система ещё интереснее. Повторный анализ данных с австралийского телескопа имени Паркеса, в которых был открыт пульсар J0737-3039A, выявил присутствие второго пульсара — J0737-3039B — с периодом почти 3 секунды. Это единственная известная в Галактике по-настоящему двойная система, где пульсарами являются оба компонента. Более того, пульсар B при своём орбитальном движении периодически заслоняет пульсар A, и его магнитосфера поглощает излучение. Раз в 2 часа 25 минут на частую гребёнку импульсов пульсара A накладывается 30-секундная «маска» редких импульсов пульсара B с периодом 3 секунды. Представьте себе эту картину: два мёртвых светила, кружащихся в бешеном танце и посылающих радиосигналы, которые то пропадают, то появляются вновь.

Точность до пяти сотых процента

Неудивительно, что астрономы всего мира бросились изучать J0737-3039. Впрочем, «изучать» — громко сказано: в основном работа сводится к измерению моментов прихода импульсов. Для этого использовали сигналы первого пульсара — они ярче, чётче и видны постоянно, тогда как второй пульсар проявляется лишь на определённых орбитальных фазах.

Эти данные, однако, дали массу информации о тонких деталях эволюции системы. В 2006 году в журнале Science вышла статья, где на их основе провели проверку предсказаний ОТО. Параметры, описывающие систему, совпали с теоретическими расчётами с точностью до 0,05%. Двойной пульсар стал лучшим доказательством применимости теории Эйнштейна в сильных гравитационных полях.

Но то согласование касалось лишь орбитального движения. Уравнения ОТО невероятно сложны, и решать их в общем виде никто не умеет. Есть несколько точных решений, не имеющих широкого практического применения, а во всех остальных случаях учёные вынуждены довольствоваться приближениями. Первое приближение, описывающее отличия релятивистского движения от классического, работает хорошо, но что насчёт более тонких эффектов? Ответ дал новый тест, связанный с прецессией оси вращения одного из пульсаров. И вновь теория Эйнштейна устояла, словно скала среди бушующего моря альтернативных гипотез. Каждая такая проверка не просто подтверждает ОТО — она задаёт всё более жёсткие рамки для тех, кто пытается её превзойти. Впрочем, поиск отклонений продолжается и в других экстремальных условиях, например, при прямой фиксации вращения чёрных дыр, где также можно проверить теорию относительности. И пока экспериментаторы говорят: «Эйнштейн прав», теоретикам остаётся лишь искать новые способы уловить гравитацию в квантовые сети.

Андре Моруа однажды заметил: «Мужчина — это противоречие. Прилив и отлив».

Эта метафора, описывающая переменчивость человеческой натуры, удивительно перекликается с современными научными поисками. В последнее время возникло немало теорий, которые стремятся сблизить тяготение с квантовой механикой — двумя столпами физики, до сих пор отказывающимися говорить на одном языке.

Гравитация, величественная и плавная, как океанский прилив, управляет движением звёзд и галактик. Квантовый мир, напротив, напоминает отлив — хаотичный, дискретный, полный неопределённости.

Объединить их — значит найти единую теорию, способную описать всё: от мельчайших частиц до крупномасштабной структуры Вселенной. И хотя полного доказательства пока нет, новые гипотезы предлагают смелые пути к разгадке этой фундаментальной тайны.