Оригинал материала
Игорь Новиков: первопроходец «кротовых нор» и черных дыр
Черные дыры, «кротовые норы», реликтовое излучение, машина времени — эти понятия знакомы широкому кругу людей, достаточно далеких от науки. Всё вышеперечисленное так или иначе ассоциируется с деятельностью Игоря Дмитриевича Новикова, которому 10 ноября исполнилось 80 лет. Мы не будем пересказывать его биографию, лучше сосредоточимся на его интересных работах и идеях. Список книг, написанных юбиляром, и список полученных им регалий даны в конце очерка.
Научная деятельность Игоря Новикова началась в пятидесятые годы прошлого века с изучения свойств черных дыр, вокруг которых уже в то время клубилось множество различных мифов. В те времена отношение к ним было весьма специфическим. По словам Кипа Торна (который впоследствии стал соавтором Игоря Новикова во многих работах), решение ввести в науку черные дыры слишком «плохо пахнет» и не может быть реальным описанием природы. Никакой физики, стоящей за этим решением, до Игоря Новикова не существовало.
Никто не думал, что это не абстракция, некое нереализуемое решение уравнений Эйнштейна, а физический объект во Вселенной, который, более того, вполне можно наблюдать. В своей диссертации Игорь Новиков очень четко отделил факты от домыслов и заложил прочный фундамент современного понимания сложного комплекса процессов, происходящих внутри и в окрестности черных дыр. Сейчас существование во Вселенной огромного количества черных дыр в очень широком диапазоне масс — твердо установленный наблюдательный факт.
За прошедшие полвека тема черных дыр превратилась в особый раздел релятивистской астрофизики, объединяющий работы сотен наблюдателей и теоретиков, многих мощных телескопов и суперкомпьютеров. Эта область релятивистской астрофизики содержит множество интересных и всё еще не решенных проблем, а Игорь Новиков остается одним из главных экспертов по этим вопросам. В частности, написанная им в соавторстве с Валерием Фроловым обширная монография «Физика черных дыр» (1986, 1998) в течение 20 лет остается одной из лучших как по ясности изложения, так и по полноте охвата.
В 1960-е годы, богатые на великие открытия, произошел очередной прорыв в космологии. К тому времени практически устоялась теория расширяющейся Вселенной Фридмана, но в ней не хватало важных деталей. Например, какова была температура Вселенной в ее первые минуты, когда шел нуклеосинтез?
Георгий Гамов в 1948 году предложил теорию горячей Вселенной, в которой исходя из данных по соотношению водорода и гелия в космосе предсказал современную температуру электромагнитного фона 5 градусов Кельвина. Однако к 1960 году практически все наблюдательные данные, которыми пользовался Гамов, были опровергнуты или качественно изменены. Более того, наблюдения обилия гелия во Вселенной показывали, что существуют объекты с низким его содержанием (это впоследствии не подтвердилось), что противоречило теории Гамова. Таким образом, теория горячей Вселенной в начале шестидесятых годов прошлого века была под очень большим сомнением и в школе Зельдовича считалась похороненной.
Также интересно отметить, что Гамов, рассматривая вопрос о возможности наблюдения реликтового фона в горячей Вселенной, сравнил полную его плотность с плотностью энергии излучения звезд и сделал вывод, что наблюдать фон невозможно. Этот вывод был неправильным — реально плотность энергии реликтового фона оказалась в десятки раз выше фона от звезд.
Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков занимались исследованием электромагнитных фонов Вселенной, и ими была построена кривая зависимости суммарных интенсивностей всех источников (радиогалактик и далеких звезд) от частоты излучения. Полученная кривая имела четкий минимум в районе длины волны 1 сантиметр. Авторы статьи указали, что реликтовый фон, если бы его температура была по меньшей мере 1 градус Кельвина, можно было бы наблюдать на этих длинах волн. Таким образом, ими было найдено спектральное «окно», где фон мог быть наблюдаем. Более того, они указали, на каком телескопе это возможно было наблюдать. Спустя год после публикации работы всё так и оказалось: реликтовое излучение было зарегистрировано Пензиасом и Вильсоном, длина волны в пике составляла доли сантиметра. Предсказания блестяще подтвердились, но в 1964 году работа прошла незамеченной, и только после открытия реликтового излучения и получения за это открытие Нобелевской премии замечательная работа Андрея Дорошкевича и Игоря Новикова была полностью оценена научным сообществом и упомянута в соответствующей нобелевской лекции [1].
Впоследствии, уже в ХХI веке, Игорь Новиков с Олегом Верходановым, Андреем Дорошкевичем и Павлом Насельским продолжили эту тему уже на совершенно новом уровне. Они работали с данными космической микроволновой обсерватории WMAP, измерявшей неоднородности температуры и поляризации реликтового излучения, что привело в настоящее время к открытию двух главных составляющих материи, заполняющей Вселенную и определяющей ее фундаментальные свойства. Это загадочные «темная энергия» и «темная материя». Оказалось, что хорошо известное нам барионное вещество составляет лишь около 3–4% средней плотности Вселенной. Игорь Дмитриевич с коллегами внесли свой вклад в надежность и точность этих результатов.
Значительная часть работ Игоря Новикова посвящена вопросам гравитационной неустойчивости, образованию галактик, скоплений галактик и наблюдаемой структуры Вселенной.
Нужно ли заниматься явлениями, которые почти наверняка невозможно наблюдать, и эффектами, которые вряд ли могут иметь отношение к природе? Можно ли проскочить в другую вселенную через «кротовую нору»? Можно ли в принципе создать вселенную «в лаборатории»? Возможна ли машина времени в рамках Общей теории относительности? С точки зрения многих физиков, подобная деятельность не слишком респектабельна — лучше заниматься тем, что может быть подтверждено наблюдениями или экспериментами. Но ведь это интересно с мировоззренческой стороны! Допускает ли теория подобную экзотику? Кстати, это интересно не только ученым, но и людям далеким от науки. Значит, кто-то должен этим заниматься на хорошем профессиональном уровне. При этом кроме некоторой научной смелости здесь требуется хорошая фантазия. Игорь Новиков упорно работал над этими вопросами, в том числе и в соавторстве с Кипом Торном, который, кстати, стал соавтором сценария фильма «Интерстеллар», где фигурируют и «кротовые норы», и черные дыры.
Конечно, возможности путешествия через «кротовые норы» и осуществления машины времени писаны вилами на воде: это требует материи с весьма экзотическим уравнением состояния — фантомной материи (давление отрицательно и по модулю больше плотности энергии). Существование такой материи, с одной стороны, противоречит некоторым физическим принципам, с другой стороны, эти принципы не столь фундаментальны, как закон сохранения энергии. Что же, это цена, которую требуется заплатить за проходимые «кротовые норы». Но если природа заплатила эту цену и фантомная материя существует, то возникает фундаментальный парадокс — машина времени. «Кротовые норы» могут соединять разные вселенные, а могут — разные области одной вселенной. И тогда пролет через такую «кротовую нору» может забрасывать путешественника назад во времени — это не фантазия, а следствие Общей теории относительности. Но путешествие назад во времени нарушает принцип причинности (например, можно убить свою бабушку и не родиться). А это уже слишком фундаментальная вещь: если рушится причинность, рушатся наши представления о мире.
Для того чтобы преодолеть эту ловушку, Игорь Новиков предположил, что в мире действует дополнительный принцип — принцип самосогласованности: все мировые линии, описывающие петли во времени, сшиваются так, что история остается единственной; не только прошлое влияет на будущее, но и будущее влияет на прошлое в таких петлях. Другими словами, вероятность любых событий, приводящих к изменению истории, стремится к нулю. Этот принцип, носящий имя Новикова, довольно популярен и «пошел в культуру», подобно черным дырам и «кротовым норам».
Возвращаясь на Землю, надо признать, что главный вклад Игоря Дмитриевича в науку — не только в его работах в экзотических областях, но и в книгах, которые он написал. Книг много. Это, во-первых, монографии, где всё, что касается черных дыр и других явлений, связанных с сильной гравитацией, разложено по полочкам. Этими книгами пользуется уже не одно поколение научных работников и студентов. Во-вторых, это увлекательные научно-популярные книги, которые рекрутировали в науку тоже не одно поколение школьников и студентов. Эти книги заслуживают того, чтобы дать их полный список.
Монографии
Релятивистская астрофизика, (1967) (с Я. Б. Зельдовичем)
Строение и эволюция Вселенной, (1971) (с Я. Б. Зельдовичем)
Эволюция Вселенной (1979, 1983) (с Я. Б. Зельдовичем)
Физика черных дыр (1986) (с В. П. Фроловым)
Реликтовое излучение Вселенной, (2003) (с П. Д. Насельским и Д. И. Новиковым)
Научно—популярные книги
Эволюция Вселенной (1983)
Черные дыры и Вселенная (1985)
Как взорвалась Вселенная (1988)
Человек, открывший взрыв Вселенной (1989) (с А. С. Шаровым)
Куда течет река времени? (1990)
Книги переведены на ряд иностранных языков.
И наконец, поскольку очерк написан к юбилею, полезно привести список регалий Игоря Дмитриевича.
Член—корреспондент РАН (2000)
Член Academia Europaea (с 1992 года)
Член Датской королевской академии наук (с 1996 года)
Член Королевского астрономического общества (с 1998 года)
Член бельгийской академии наук (г. Льеж) (с 1996 года)
Премия итальянского университета (2003)
Медаль Эддингтона (2007)
Премия имени Амбарцумяна (2011)
Премия имени Фридмана (2014)