Жанна Левин: Звук, который издает Вселенная

Космос кажется нам беззвучным местом, но физик Жанна Левин утверждает, что у Вселенной есть свой саундтрек — акустическая композиция, передающая самые яркие события в космическом пространстве (черная дыра, например, резонирует в пространстве-времени как барабан). Простой, но революционный «звуковой портрет» космоса.

Я хочу, чтобы вы задумались на секунду

о том,

что почти все

наши знания о Вселенной

получены благодаря свету.

Мы стоим на Земле и невооруженным глазом

видим в ночном небе звезды.

Яркое Солнце может обжечь сетчатку глаза,

но этот же свет мы видим в отражении Луны.

Со времен Галилея, наблюдавшего небесные тела

в свой примитивный телескоп,

мы созерцаем вселенную благодаря свету, проходящему

через безбрежные века космической истории.

С помощью современных телескопов

мы смогли собрать

потрясающий немой фильм о Вселенной,

охватывающий всю нашу историю

вплоть до Большого взрыва.

Однако кино это вовсе не лишено звука,

потому как Вселенная не беззвучна.

Я хочу доказать вам,

что у Вселенной есть своя звуковая дорожка,

и она «воспроизводится» самим космосом,

ведь космическое пространство вибрирует как барабан.

В нем разносятся своеобразные звуки,

сопровождающие самые яркие события

по мере того, как они происходят.

Сегодня мы хотели бы дополнить

роскошный визуальный образ вселенной,

имеющийся у нас,

еще и саундтреком.

До сих пор мы никогда не слышали звуков из космоса,

но в ближайшее время нам стоит

внимательно прислушаться к тому, что там происходит.

Итак, с целью

записать «песню» Вселенной,

мы сосредоточились

на черных дырах как самых многообещающих объектах,

ведь они «бьют» в пространство-время

как в колокол,

и дают характерный звук.

Сейчас вы услышите как, по нашему мнению,

будет звучать эта песня.

Черные дыры теряются на фоне темного неба.

Мы не можем видеть их непосредственно.

Они не излучают свет, по крайней мере, напрямую.

Но мы можем наблюдать их косвенно,

потому что черные дыры создают вокруг себя хаос.

Они уничтожают окружающие их звезды,

вокруг них вращаются обломки породы.

Но мы не видим их благодаря излучаемому свету.

Может быть, однажды мы увидим тень,

которую черная дыра отбрасывает, оказываясь на ярком фоне,

но пока такого мы не наблюдали.

Тем не менее, черную дыру, пусть и невидимую,

можно услышать,

поскольку она «бьет» в пространство-время как в барабан.

Предположение о том, что космос подобен мембране барабана

принадлежит Альберту Эйнштейну, которому мы столь многим обязаны.

Эйнштейн заключил, что если бы пространство было пустым,

если бы вселенная была пуста,

она выглядела бы как на этом рисунке,

за исключением, конечно, такой наглядной сетки.

Если бы мы свободно падали через космос,

даже без удобной координатной сетки,

мысленно мы сами могли бы ее изобразить,

так как заметили бы, что движемся по прямой,

строго по прямой

через вселенную.

Эйнштейн так же понял —

и в этом самая суть —

что если поместить во вселенную энергию или массу,

это приведет к искривлению пространства,

и свободно падающий объект

будет огибать, к примеру, Солнце,

отклоняясь вдоль

естественных кривых в космосе.

Это была великая общая теория относительности Эйнштейна.

Даже свет искривляется по такой траектории.

Отклонение может быть настолько сильным,

что объект просто попадет на орбиту, и будет вращаться вокруг Солнца

как Земля, или как Луна — вокруг Земли.

Это естественные искривления в пространстве.

А вот этого Эйнштейн не понял —

если взять наше Солнце

и сжать его до 6 километров в диаметре,

то есть массу в 1 млн раз тяжелее Земли

уместить в объекте диаметром в 6 км,

то получится черная дыра,

настолько плотная, что прошедший

слишком близко от нее свет никогда уже не вырвется.

Мрачная тень во вселенной.

Эта идея принадлежит не Эйнштейну,

а Карлу Шварцшильду,

немецкому еврею, который во время I мировой войны,

уже будучи видным ученым, вступил в немецкую армию,

и служил на Восточном фронте.

Я представляю себе Шварцшильда в траншее,

рассчитывающего траектории пушечного огня,

а затем, в свободную минутку,

проверяющего уравнения Эйнштейна —

чем еще скоротать досуг в окопе?

Он прочитал недавно опубликованную

общую теорию относительности Эйнштейна,

которая потрясла его.

Карл быстро вывел

точное математическое решение

и описал удивительное явление:

искривления настолько сильные,

что пространство буквально стекало бы в них,

превращаясь в некое подобие водопада,

скрывающегося в жерле черной дыры.

И даже свет не может избежать этого «утекания».

Дыра бы поглотила свет,

как и все остальное,

оставив только лишь тень.

Итак, он написал Эйнштейну:

«Как видите,

я не так уж и пострадал от войны,

ведь даже в пылу сражений

мне удается отключиться от всего вокруг,

и мысленно углубиться в ваши идеи».

Эйнштейн был очень впечатлен его точным решением,

а также, я надеюсь, и степенью преданности науке.

Он, действительно, оставался трудоголиком даже в самых суровых условиях.

Эйнштейн представил идею Шварцшильда

Прусской Академии Наук уже через неделю.

Однако он всегда считал черные дыры просто математическим курьезом.

Эйнштейн не верил, что они существуют в реальности.

Он считал, что природа должна сама защитить нас от их появления.

Прошли десятилетия,

прежде чем был изобретен термин «черная дыра»,

и люди осознали,

что они являются реальными астрофизическими объектами —

фактически, это очень массивные звезды

в посмертном состоянии,

катастрофическим образом

разрушившиеся в конце своего жизненного цикла.

Наше Солнце не превратится в черную дыру.

Его массы недостаточно для этого.

Но мы проведем небольшой мысленный эксперимент, —

Энштейн их очень любил —

и представим себе, как Солнце

сжимается до 6 километров в диаметре,

а вокруг него вращается крошечная Земля,

примерно в 30 км

от черной дыры солнца.

Эта Земля — светится,

Солнца ведь больше нет, как и другого источника света,

поэтому сделаем нашу маленькую Землю самосветящейся.

Оказывается, мы можем поместить Землю на очень близкую орбиту,

всего в 30 км

от этой черной дыры.

По размеру она

не сильно превышает Манхэттен.

Возможно, она зацепила бы немного и Гудзон,

прежде чем разрушить Землю.

Но масштаб примерно таков.

Мы говорим об объекте, который занял бы

примерно 1/2 площади Манхэттена.

Итак, поместив эту Землю совсем близко —

всего в 30 км —

мы заметим, что она прекрасно вращается вокруг черной дыры.

Это своего рода миф,

что черные дыры поглощают все без разбора —

чтобы в нее попасть, надо подойти очень близко.

Но что поразительно — с нашей точки обзора

мы будем все время видеть Землю.

Она не может скрыться за черной дырой.

Часть света, который излучает Земля, поглощается дырой,

но часть его как бы огибает ее и возвращается обратно к нам.

Так, что за черной дырой ничего невозможно спрятать.

Если вы вдруг попадете в сериал «Звездный Крейсер "Галактика"»,

и будете сражаться с Сайлонами —

не прячьтесь за черной дырой.

Они увидят вас!

Наше Солнце не превратится в черную дыру —

для этого оно не достаточно массивное.

Но в нашей галактике существуют десятки тысяч черных дыр.

И если бы одна из них заслонила Млечный Путь,

вот как это выглядело бы.

Мы бы увидели тень черной дыры

на фоне сотен миллиардов звезд

и светящейся пыли.

Если бы мы были на грани падения в эту черную дыру,

то увидели бы весь этот свет, огибающий ее,

и даже уже входя в эту тень,

не замечали бы близкой катастрофы.

Уже бесполезно было бы запускать двигатели и пытаться выбраться,

потому что ничто, включая свет,

не может из нее сбежать.

Хотя черная дыра и выглядит таковой снаружи,

внутри она не темная,

так как весь свет проваливается в нее вместе с нами.

Согласно релятивистскому эффекту, известному как растяжение времени,

наши часы как будто замедлили бы свой ход

относительно общегалактического времени,

но мы, напротив, увидели бы эволюцию галактики

в ускоренном режиме

за миг до гибели внутри черной дыры.

Это было бы похоже на околосмертный опыт,

где вы видите свет в конце туннеля,

но только не «около», а абсолютно смертный.

(Смех)

И уже никому не расскажешь

о свете в конце туннеля.

Ученые не смогли пока увидеть тень черной дыры,

зато мы можем ее услышать,

пусть и невидимую.

Представим реальную астрофизическую ситуацию —

две черные дыры, что прожили вместе долгую жизнь.

Возможно, сначала они были звездами,

а затем превратились в черные дыры.

Каждая из них тяжелее Солнца в 10 раз.

Сожмем их до 60 км в диаметре.

Они могут быстро вращаться:

сотни оборотов в секунду.

В конце их жизненного цикла, они вращаются

друг вокруг друга практически со скоростью света.

Они покрывают тысячи км

в долю секунды,

и не только искривляют тем самым пространство,

но и оставляют за собой след:

вызывают колебания,

волновой след в пространстве-времени.

Пространство сжимается и растягивается,

освобождаясь из этих черных дыр,

колеблющихся во вселенной.

И они путешествуют сквозь космос

со скоростью света.

Эта компьютерная симуляция сделана

группой Годдарда в НАСА, изучающей теорию относительности.

Почти 30 лет ученые мира бились над этой проблемой.

Это была одна из групп.

Вы видите две черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга —

и снова здесь наглядно изображены кривые.

Если вы видите — немножко бледно получилось —

они испускают красные волны,

гравитационные волны.

Это и есть звуки вибрирующего пространства,

и они будут исходить из этих черных дыр со скоростью света,

пока они затихают и сливаются

в одну вращающуюся, тихую черную дыру —

таков исход.

Если бы вы стояли достаточно близко,

ваше ухо резонировало бы,

по мере сжатия и растяжения пространства.

Вы бы на самом деле услышали звук.

Конечно, и ваша голова сжималась бы и растягивалась,

поэтому вам было бы трудно понять, что происходит.

Но я хотела бы проиграть вам

этот звук, как мы его предсказываем.

Это работа моей группы,

так что графика здесь поскромнее.

Представьте легкую черную дыру,

проваливающуюся в очень тяжелую.

Звук, который вы слышите,

издает легкая дыра, выгибая пространство,

приближаясь шаг за шагом к концу.

Если она удаляется, звук становится тише.

Но она подобна молоточку,

«ударяющему» в пространство,

которое вибрирует, как мембрана.

И мы можем предсказать, каким будет этот звук.

Мы знаем, что по мере поглощения дыры,

он становится все быстрее и громче.

В конце

мы услышим, как маленькая дыра просто проваливается в большую.

(Шум)

Все, конец.

Я еще не слышала запись так громко — действительно, весьма впечатляет.

Дома получается гораздо скромнее.

Просто тихие щелчки.

Это другой звук, созданный моей группой.

Здесь я не показываю вам картинку,

так как черные дыры не оставляют за собой

наглядных следов,

в космосе нет видимых кривых.

в космосе нет видимых кривых.

Если бы вы отправились в космический круиз,

и услышали бы такой звук,

я бы рекомендовала поскорее улетать.

(Смех)

Подальше от этого звука.

Обе черные дыры двигаются.

Они приближаются друг к другу.

В данном случае, они обе сильно колеблются.

И сейчас произойдет слияние.

(Шум)

Все, конец.

Это «стрекотание» очень характерно для сливающихся черных дыр,

это вот ускорение в конце.

Мы предполагаем, что это

звучало бы именно так.

К счастью, мы сейчас на безопасном расстоянии, в Лонг-Бич в Калифорнии.

Несомненно, где-то во вселенной

сливаются две черных дыры.

И без сомнений, пространство вокруг нас

вибрирует, и эти колебания,

возможно, прошли миллионы световых лет, то есть миллион лет

двигались к нам со скоростью света.

Но звук слишком тихий, мы не можем его услышать.

Есть сегодня очень сложный проект:

ЛИГО (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) —

она отслеживает отклонения

в колебаниях пространства,

мельчайшие — на величину ядра атома

на 4 километра.

Это крайне амбициозный эксперимент,

и в ближайшие несколько лет

он будет посвящен улавливанию таких волн.

Планируется также одна космическая программа,

которая, надеюсь, будет запущена в ближайшие 10 лет:

ЛИКА (Лазерная интерферометрическая космическая антенна).

Она сможет увидеть супертяжелые черные дыры,

в миллионы и миллиарды раз более массивные,

чем Солнце.

На этом снимке с телескопа «Хаббл» мы видим две галактики.

Они выглядят так, будто замерли в некоем «объятии»,

и каждая из них, вероятно,

содержит в своем ядре супертяжелую черную дыру.

Но они не замерли.

На самом деле, они сливаются.

Эти две черные дыры сталкиваются,

и продлится это более миллиарда лет.

Это за гранью нашего восприятия —

услышать песню такой длительности.

Но ЛИКА может увидеть финал

слияния двух супертяжелых черных дыр,

начавшегося уже очень давно:

последние 15 минут этого действия.

Мы говорим не только о черных дырах,

но и о любых серьезных передрягах во вселенной,

и самая главная из них — Большой взрыв.

Когда это выражение придумали, оно было ироничным —

«мол, кто же поверит в Большой взрыв?»

Сейчас мы понимаем — это весьма точный термин,

так как это действительно был взрыв.

Он сопровождался звуком.

Это анимация от моего друга из Proton Studios

показывает Большой Взрыв извне.

Любой наблюдатель хотел бы находиться в этот момент внутри,

ведь быть за пределами вселенной невозможно.

Представьте, что вы внутри Большого взрыва.

Он повсюду, вокруг вас,

и пространство хаотически вибрирует.

Прошло уже 14 миллиардов лет,

а эта песня до сих пор звучит вокруг нас.

Рождаются галактики,

а в них — поколения звездных форм.

И вокруг одной звезды,

как минимум одной,

есть обитаемая планета.

И здесь мы упорно проводим эти эксперименты,

делаем расчеты, пишем программы.

Представьте — миллиард лет назад

столкнулись две черных дыры.

Все это время, их песня звучит

в космосе.

Мы еще даже не появились на свет.

Звук приближается, ближе и ближе —

40 тыс. лет назад, мы все еще делаем наскальные рисунки.

«Скорее! Стройте свои инструменты!».

Он ближе и ближе, и в 20NN году

это случится —

наши приборы, наконец, станут достаточно чувствительными,

мы достроим их, мы запустим свои машины,

и бах! Мы поймаем ее — первую песню из космоса.

Если бы мы собирались «услышать» Большой взрыв,

он бы прозвучал вот так.

(Помехи). Это ужасный звук.

Шум в чистом виде.

Это белый шум, просто хаотичные звуки.

Но он, вероятно, повсюду окружает нас,

если его не заглушили

какие-то другие процессы во вселенной.

И если мы уловим его, он будет для нас самой приятной музыкой,

ведь это тихое эхо

момента нашего сотворения,

рождения наблюдаемой Вселенной.

В течение следующих нескольких лет

мы сможем немного прибавить громкости,

и услышим вселенную в звуке.

Но если мы уловим эхо тех ранних событий,

это приведет нас намного ближе

к пониманию Большого взрыва,

а это уже позволит нам

задать некоторые из самых сложных, неуловимых вопросов.

Прокрутив фильм о нашей вселенной задом наперед,

мы узнаем, что в прошлом там был Большой Взрыв,

и возможно мы даже услышим его какофонию,

но был ли этот взрыв единственным?

Я имею в виду — не происходил ли он и до этого?

Не повторится ли он?

В духе TED, призывающего нас

вернуть себе веру в чудеса,

мы можем сейчас задать вопросы,

которые всегда ускользали от нас.

Но мы должны спросить:

возможно ли, что наша Вселенная

это всего лишь след какой-то более значимой истории?

Или — не являемся ли мы лишь одной из ветвей мультивселенной —

у каждой из которых был свой Большой взрыв в прошлом?

Может, с черными дырами и их «песнями»,

или без них,

может с разумной жизнью, а возможно и без —

они не в нашем прошлом, не в нашем будущем,

но каким-то образом связаны с нами?

Мы спросим — в такой мультивселенной,

в других ее ответвлениях,

есть ли там жизнь?

Вот мои собратья по мультивселенной.

Но есть ли там другие создания,

которые задумываются о нас,

и о своем происхождении?

И, если они есть,

я могу представить их,

ведущих расчеты, как и мы,

строящих инструменты,

пытающихся обнаружить тот слабый звук

момента их творения,

и думающих — кто еще есть там, кроме нас?

Спасибо вам. Спасибо.

(Аплодисменты)