Жанна Левін: Звук, що створюється всесвітом

Я хочу, щоб ви уявили на секунду дуже простий факт, що на сьогоднішній день усе, що ми знаємо про всесвіт, надходить до нас із світлом. Ми можемо стояти на Землі та дивитися вгору в нічне небо на зірки неозброєним оком. Сонце засліплює наш периферійний зір: ми бачимо світло відбите від Місяця; і з тих часів, коли Галілей направив елементарний телескоп на небесні тіла, відомості про всесвіт надходили до нас через світло, долаючи незлічимі віки космічної історії. І з усіма нашими сучасними телескопами нам вдалося створити цей приголомшливий беззвучний фільм про всесвіт – цю серію знімків, що долає весь шлях назад до Великого Вибуху.

І все ж, всесвіт не німе кіно, тому що всесвіт не беззвучний. Я хочу запевнити вас, що у всесвіту є звукова доріжка, яка відтворюється ним самим. Тому що простір може дрижати як барабан. Він може створювати деякі коливання через весь всесвіт – коливання найдраматичніших подій, що розгортаються. Зараз ми хотіли б додати до цієї дивовижної візуальної композиції, яку ми отримали з всесвіту, звуковий ряд. І хоча ми ніколи не чули звуки космосу, нам дійсно варто протягом наступних декількох років почати прислухатися до того, що там відбувається.

Тож з метою упіймати пісні із всесвіту, ми звернули нашу увагу на чорні діри та їх можливості, тому що вони можуть вибухати в континуумі, як удари молотків по барабану, і у них дуже характерне звучання. Я хочу дати вам послухати наше бачення того, на що буде схожим це звучання. На сьогоднішній день чорні діри чорні на тлі темного неба. Ми не можемо бачити їх безпосередньо. Вони не надходять до нас із світлом, принаймні не напряму. Ми можемо бачити їх опосередковано, оскільки чорні діри створюють навколо себе хаос. Вони знищують зірки біля себе. Навкруги них обертаються уламки. Але вони не надходять до нас із світлом напряму. Можливо, одного дня ми побачимо тінь, яку покладе чорна діра на дуже яскравий фон, але нам ще це не вдалося. І все ж чорні діри можна почути, навіть коли їх не видно, і це через те, що вони звучать в континуумі як удари по барабану.

Зараз у нас є ідея, що простір може звучати як барабан для Альберта Ейнштейна, якому ми багато чим завдячуємо. Ейнштейн усвідомив, що якщо б простір був порожній, якщо б всесвіт був порожній, це виглядало б як це зображення, можливо, за виключенням допоміжної сітки на ньому. Але якби ми вільно падали через простір, навіть без допоміжної сітки, ми могли б намалювати її власноруч, тому що ми могли б побачити, що ми переміщуємось вздовж прямих ліній, неухильних прямих шляхів через весь всесвіт. Ейнштейн також усвідомив, і в цьому насправді полягає суть питання, що якщо ви розмістите енергію чи масу у всесвіті, то вона викривить простір. І вільно падаючий об'єкт буде проходи біля, скажімо Сонця, і він буде відхилений вздовж природних кривих у просторі. Це була велика теорія відносності Ейнштейна. Зараз навіть світло буде викривлене цими траєкторіями. І ваша траєкторія могла б викривитися настільки, що ви були б піймані на орбіту Сонця, як Земля чи як Місяць навколо Землі. Це природні викривлення у космосі.

Ейнштейн не усвідомив таке: якщо взяти наше Сонце і зменшити його до шести кілометрів, тобто взяти масу в мільйон разів більшу за масу Землі і стиснути до шести кілометрів у діаметрі, утвориться чорна діра, об'єкт такої щільності, що якщо світло занадто наблизиться, то воно ніколи не омине її – темна тінь поглине весь всесвіт. Це помітив не Ейнштейн, а Карл Шварцшильд – німецький єврей під час Першої світової війни, який приєднався до німецької армії як вже сформований вчений, що працював на російському фронті. Мені подобається уявляти Шварцшильда на війні в окопах: він вираховує балістичні траєкторії для артеріального вогню і потім, у перервах, розраховує рівняння Ейнштейна, як ви добре розумієте, в окопах. І він читав недавно опубліковану загальну теорії відносності Ейнштейна і був у захваті від неї. Він швидко вивів точний математичний розв'язок, який описував дещо надзвичайне: криві, настільки сильні, що простір проллється наче дощ на них, простір сам би викривився як водоспад, що втікає в горлянку діри. І навіть світло не може уникнути цього потоку. Світло буде поглинуте дірою, як і все інше, і все що залишиться – це тінь.

Далі він написав Ейнштейну і сказав: "Як бачите, війна була милостива до мене, не дивлячись на важкий обстріл, мені вдалося вибратися звідти і блукати землями ваших ідей". Ейнштейн був дуже вражений точним розв'язком і, сподіваюся, також відданістю вченого. Це працьовитий вчений у важких умовах. І він визнав ідею Шварцшильда в Пруській академії наук наступного тижня. Але Ейнштейн завжди думав, що чорні діри були математичними вигадками. Він не вірив, що вони існують у природі. Він вважав, що природа захистить нас від їх утворення. Пройшли десятки років перед тим, як придумали термін чорна діра і людство усвідомило, що чорні діри реальні астрофізичні об'єкти, власне вони є мертвими залишками дуже масивних зірок, що катастрофічно зруйнувалися наприкінці їхнього життя.

Зараз наше Сонце не перетвориться на чорну діру. Воно насправді не достатньо масивне. Але, якщо б ми провели невеликий уявний експеримент, як це любив Ейнштейн, ми могли б уявити Сонце, стиснене до шести кілометрів у діаметрі, і маленьку Землю на його орбіті, мабуть кілометрів з 30 ззовні сонця-чорної діри. І вона буде самоосвітлюватись, оскільки Сонця вже немає, і немає іншого джерела світла, отже давайте зробимо маленьку Землю самоосвітлюваною. І ви побачите, що ви можете розмістити Землю на орбіті навіть 30 кілометрів за межами цієї стисненої чорної діри. Цю стиснену чорну діру власне можна більш-менш порівняти з Манхеттеном. Вона могла б трохи розлитися на Гудзона до того, як зруйнувати Землю. Але в основному, це те, про що ми говоримо. Ми говоримо про об'єкт, який ви могли б зруйнувати до половини площі Манхеттена.

Отже ми переміщуємо цю Землю дуже близько, 30 кілометрів ззовні, і бачимо, що вона нормально обертається на орбіті навколо чорної діри. Існує свого роду міф про те, що чорні діри руйнують все у всесвіті, але вам насправді треба дуже сильно наблизитись, щоб впасти. Але, що дійсно вражає, це те, що, з нашої точки зору, ми можемо завжди бачити Землю. Вона не може сховатися за чорною дірою. Частина світла від Землі падає в чорну діру, але інша частина відбивається і надходить до нас. Отже, ви не можете нічого сховати за чорною дірою. Якщо б це був зірковий крейсер "Галактика" і ви билися з сайлонами, не ховайтесь за чорною дірою. Вони можуть бачити вас.

Отже, наше Сонце не перетвориться на чорну діру; воно не достатньо масивне, але в нашій галактиці є десятки тисяч чорних дір. І якщо б одна затемнила Чумацький шлях, це виглядало б так. Ми б побачили тінь чорної діри на тлі міліардів зірок Чумацького шляху і його люмінесцентного пилу. І якщо б ми падали в цю чорну діру, то ми б бачили все те світло, що відбивається від неї і ми могли б навіть почати перетинати цю тінь і насправді не помітили б, що сталося дещо трагічне. Це була б погана ідея запустити наші ракети, щоб вибратися звідти оскільки це неможливо, навіть світло не може.

Але хоча чорна діра темна ззовні, вона не є такою зсередини, оскільки все світло з галактики може потрапити у неї. І навіть якщо, завдяки релятивістському ефекту, відомому як сповільнення часу, вважається, що наші годинники уповільняться відносно галактичного часу, це буде виглядати ніби еволюція галактики прискорилась і застрелила нас точно в момент смертельного зіткнення з чорною дірою. Це було наче як переживання близької смерті, коли ти бачиш світло в кінці тунелю, але це досвід загальної смерті. (Сміх) І не прийдеться нікому говорити про світло в кінці тунелю.

На даний час ми не бачили тіні від чорної діри такої як ця, але чорні діри можна почути, навіть коли їх не видно. Уявіть астрофізично реальну ситуацію, уявіть дві чорні діри, що знаходились поруч довгий час. Можливо, вони колись були зірками але перетворились на дві чорні діри, кожна з яких вдесятеро важча від Сонця. Отже тепер ми хочемо стиснути їх до 60 кілометрів у діаметрі. Вони можуть обертатися сотні разів в секунду. Наприкінці їх життя вони можуть обертатися одна навколо одної з швидкістю близькою до швидкості світла. Отже вони проходять тисячі кілометрів за частку секунди. І поки вони продовжують це робити, вони не тільки викривляють простір, а і залишають на своєму шляху дзвін простору, фактичні хвилі в континуумі. Простір стискається і розтягується як тільки він виходить з цих чорних дір створюючи шум у просторі. І вони переміщуються в космосі зі швидкістю світла.

Це комп'ютерна модель створена за допомогою релятивістської групи Goddard в NASA. Вирішення цієї проблеми зайняло 30 років для будь-кого в світі. Це була одна з груп. Вона показує дві чорні діри на орбіті одна одної, знову, за допомогою цих допоміжних кривих. І як ви можете бачити, це досить прозоро, але якщо ви можете бачити червоні хвилі, що випромінюються, це гравітаційні хвилі. Вони буквально і є звуками космічного звучання, і вони будуть переміщуватись від цих чорних дір зі швидкістю світла в той час як вони звучать і з'єднуються в одну тиху чорну діру, що обертається, кінець кінцем. Якщо ви будете стояти достатньо близько, ваше вухо буде резонувати зі стисненням і розтягуванням простору. Ви буквально почуєте звук. Звісно, ваша голова буде безпорадно стискатися і розтягуватись, внаслідок чого вам може бути важко зрозуміти, що відбувається. Але я хотіла б, що би почули звук, який ми пророкуємо.

Це від нашої групи – трохи менш гламурна комп'ютерна модель. Уявіть меншу чорну діру, яка падає в дуже важку чорну діру. Звук, який ви чуєте, це менша чорна діра, яка стукає в просторі, наближаючись. Коли вона віддаляється, то стає трохи тихіше. Але звук стає подібним на молот і буквально розриває простір, розгойдуючи його наче барабан. І ми можемо передбачити, яким буде цей звук. Нам відомо, що коли вона падає, то стає швидшою і звук стає голосніше. І врешті-решт, ми почуємо як менша діра падає у більшу. (Гуркіт) І вона зникає. Я ніколи не слухала це голосно, це справді звучить більш драматично. Вдома це звучить трохи розчаровуюче. Це десь як дзень, дзень, дзень.

Ось ще один звук від моєї групи. Ні, я не показую вам жодних картинок, тому що чорні діри ніколи не залишають чорних слідів і простір не розмальований кривими. Але якщо б ви полетіли на космічні свята і почули це, вам слід було б тікати. (Сміх) Ви б хотіли б позбутися цього звуку. Але обидві чорні діри рухаються. Обидві діри наближаються одна до одної. У цьому випадку вони обидві створюють дуже багато вібрацій. І потім вони збираються злитися. (Гуркіт) Ні, він зник. Отже, цей тріск дуже характерний для злиття чорних дір, такий як звучав наприкінці. Отже, це наш прогноз того, що ми бачимо.

На щастя, ми були на безпечній відстані в Лонг Біч, Каліфорнія. І безсумнівно, десь у всесвіті дві чорні діри злилися. І безсумнівно, простір навколо нас дзвенить можливо, після подорожі в мільйон чи мільйони світлових років зі швидкістю світла, щоб дістатись до нас. Але звук надто тихий, щоб його почути. На Землі проводяться дуже успішні експерименти, так звані LIGO, що виявлять відхилення у стисненні та розтягненні простору на менш ніж частку ядра атома більше ніж чотири кілометри. Це дуже амбітний експеримент і планується, що він матиме покращену чутливість протягом наступних кількох років, щоб вловити це. Є ще одне завдання запропоноване для вивчення простору, яке маємо надію запустити протягом наступних десяти років, так звана LISA. І LISA зможе помітити надважкі чорні діри, чорні діри, що в мільйони чи мільярди разів важчі від Сонця.

На цьому зображенні з телескопа Хаббл ми бачимо дві галактики. Вони виглядають, як ніби застигли в обіймах. І кожна з них ймовірно містить надважку чорну діру в якості ядра. Але вони не застигли, вони насправді зливаються. Ці дві чорні діри зіштовхуються і вони зіллються через мільярд років по часовій шкалі. Це за межами нашого сприйняття вловити пісню такої тривалості. Але LISA може побачити фінальні стадії двох надважких чорних дір, що вже було в історії всесвіту, останні 15 хвилин до того, як вони зіткнулись. І це не просто чорні діри, це також будь-яке велике порушення порядку у всесвіті, і найбільше з них – це Великий Вибух. Коли цей вираз придумали, це була насмішка як: "О, хто повірить у Великий Вибух?" Але зараз це насправді можливо технічно більш точно, тому що це ймовірно вибух; це ймовірно видало звук.

Ця анімація, створена моїм другом в Proton Studios, показує вигляд Великого Вибуху ззовні. Ми насправді не хотіли б робити цього; ми хочемо бути всередині всесвіту, тому що немає такого поняття, як знаходитись поза всесвітом. Отже уявіть собі, що ви всередині Великого Вибуху. Це всюди, це навкруги вас, і простір хаотично вібрує. Проходить 14 мільярдів років і ця пісня продовжує звучати навколо нас. Формуються галактики і формуються покоління зірок в цих галактиках. І навколо одної зірки, хоча б одної зірки, обертається населена планета. І тут ми відчайдушно проводимо ці експерименти, робимо ці обчислення, пишемо ці комп'ютерні коди.

Уявіть, мільярд років тому дві чорні діри зіштовхуються. Та пісня дзвенить крізь простір весь цей час. Ми навіть не були тут. Вона все наближалась і наближалась; 40 000 років тому, ми все ще робимо наскельні малюнки. Це як: поспішайте, створюйте свої інструменти. Вона стає все ближче і ближче, і в 20... якомусь році тоді, коли нарешті чутливість наших сенсорів покращиться, коли ми їх побудуємо, ми включимо апарати і, бах, ми впіймаємо її – першу пісню з космосу. Якщо це був Великий Вибух, ми вловимо його, це звучатиме так. (Шум) Це жахливий звук. Це буквально визначення шуму. Це білий шум, це такий хаотичний дзвін. Але він,мабуть, повсюди навкруг нас, якщо він не був знищений якимись іншими процесами у всесвіті. І якщо ми вловимо його – це буде музика для наших вух, тому що це буде тихе ехо моменту нашого створення, створення нашого осяжного всесвіту.

Отже протягом наступних декількох років ми зможемо трохи підсилити звукову доріжку, записати всесвіт на аудіо. Але якщо ми визначимо ці ранні моменти це наблизить нас до розуміння Великого Вибуху, що наблизить нас до постановки найбільш складних, невиразних питань. І якщо ми відтворимо фільм нашого всесвіту назад, ми знатимемо, що був Великий Вибух в нашому минулому, і, можливо, ми навіть почуємо його немилозвучність, але чи наш Великий Вибух єдиний Великий Вибух? Я маю на увазі нам необхідно запитати: чи відбувалося таке раніше? чи відбудеться знову? Я маю на увазі, в дусі TED, який кидає виклик, щоб знову розпалити інтерес, ми можемо ставити питання, хоча б ті за останню хвилину, які можуть оминути нас назавжди.

Але ми повинні запитати: чи можливо, що наш всесвіт – це лише шлейф від чогось більшого? Або, чи можливо що ми всього на всього гілка мультисвіту – кожна гілка із своїм Великим Вибухом, можливо деякі з них з чорними дірками, що грають як барабани, можливо деякі без них, можливо деякі з розумним життям і деякі, мабуть, без, ні в нашому минулому, ні в нашому майбутньому, але якось фундаментально зв'язані з нами? Отже, нам слід цікавитись, чи є мультисвіти, в якісь іншій ділянці того мультисвіту, чи є там істоти? Це мої істоти з мультисвіту. Чи є інші істоти в мультисвіті, які цікавляться нами і цікавляться їх власним походженням? І якщо так, я можу уявити їх такими як ми: воно роблять підрахунки, пишуть комп'ютерний код, створюють інструменти, намагаються засікти той чудовий звук їх предків і цікавляться хто ще там є.

Дякую. Дякую.

(Оплески)