Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности
Шрифт:
И снова постулировав корректность законов Ньютона, Леверье в 1859 году предположил наличие недалеко от Солнца планеты Вулкан, размер которой примерно совпадал с размерами Меркурия. Это была крайне дерзкая и нелепая гипотеза. Как выразился сам Леверье: «Неужели очень яркую и расположенную недалеко от Солнца планету нельзя было заметить во время полного солнечного затмения?»
Гипотеза Леверье спровоцировала настоящую гонку за новой планетой. В течение десятилетий то и дело поступали сведения об обнаружении рядом с Солнцем некоего объекта, но при внимательном изучении информация не выдерживала критики. Поиск продолжался даже после смерти Леверье, но объяснить аномалию удалось и без помощи невидимой планеты.
Когда в 1907 году гравитационными взаимодействиями заинтересовался Эйнштейн, ему требовалось согласовать теорию Ньютона
Теория гравитационных взаимодействий Ньютона противоречила обоим постулатам красивого и лаконичного принципа относительности. Сила тяжести действует мгновенно. Как только два объекта оказываются рядом, между ними возникает гравитационное взаимодействие — время для его передачи от одного объекта к другому не требуется. Но как быть с тем, что в соответствии с принципом относительности ничто, никакой сигнал и никакой эффект не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость света? Фактически согласовавший механику и электромагнетизм, принцип относительности Эйнштейна не распространялся на гравитационные взаимодействия. Более того, ньютоновская гравитация по-разному выглядела в разных инерциальных системах отсчета.
Первый шаг на длинном пути к устранению данного противоречия и обобщению теории относительности был сделан в патентном бюро, где Эйнштейн сидел, погрузившись в собственные мысли. Годы спустя он вспоминал идею, позволившую ему распространить свою теорию на гравитационные взаимодействия: «В свободном падении человек не чувствует собственного веса».
Поставьте себя на место провалившейся в кроличью нору Алисы, падению которой ничто не в силах помешать. Так как вы падаете под действием силы тяжести, скорость движения будет равномерно увеличиваться. Ускорение точно совпадает с гравитационным притяжением, и в результате ваше падение будет ощущаться как не требующее усилий — вы не почувствуете, что вас что-то подталкивает или тянет, хотя такое падение, без сомнения, внушит вам ужас, ведь вы мчитесь сквозь пространство. А теперь представьте, что вместе с вами падает ряд предметов: книга, чашка чая, белый кролик, пребывающий в такой же панике, как и вы. Движение всех этих объектов также будет равноускоренным, компенсируя силу тяжести. В результате они начнут парить вокруг вас в процессе вашего совместного падения. Если поставить эксперимент и попытаться определить движение этих объектов относительно вас и измерить силу тяжести, это ничего не даст. Вы будете чувствовать себя невесомым, невесомыми будут выглядеть и падающие вместе с вами объекты. Все это указывает на наличие тесной взаимосвязи между ускоренным движением и силой тяжести — в данном случае одно полностью компенсирует другое.
Возможно, свободное падение — излишне радикальный эксперимент. Слишком много отвлекающих факторов: в ушах свистит воздух, а мысль о том, что рано или поздно вы достигнете дна, мешает ясности мышления. Проделаем более простые и куда более спокойные действия. Представьте, что вы вошли в лифт на первом этаже высотного дома. В первые несколько секунд подъема, пока лифт ускоряется, вы чувствуете, что стали немного тяжелее. И наоборот, представьте движение в лифте вниз с последнего этажа. В первый момент, пока он набирает скорость, вы ощутите легкость. Разумеется, после достижения максимальной скорости перемещения ваш вес меняться уже не будет. Но ускорение и замедление лифта сдвигают ваше восприятие собственного веса, а значит, и силы тяжести. Другими словами, ощущение силы тяжести зависит от того, разгоняетесь вы или тормозите.
В тот день 1907 года, когда Эйнштейн представил себе падающего человека, он понял, что между силой тяжести и ускорением существует тесная связь, которая и послужит ключом к двери, открывающей гравитационным взаимодействиям путь в его теорию относительности. Если отредактировать принцип относительности таким образом, чтобы сделать законы физики инвариантными по отношению не только к системам отсчета, движущимся с постоянной скоростью, но и к ускоряющимся или замедляющимся системам, он позволит добавить к комбинации механики и электродинамики еще и гравитационные взаимодействия. Полной уверенности в правильности выбранного пути не было, но именно это гениальное озарение стало первым шагом на пути к универсальной теории относительности.
Под давлением немецкого редактора Эйнштейн написал обзор «О принципе относительности и вытекающих из него следствиях». Туда он включил раздел, описывающий, что произойдет, если подправить принцип с учетом гравитационных взаимодействий. Вкратце были отмечены некоторые следствия, например то, что наличие гравитации меняет скорость света и заставляет часы двигаться медленнее. Обобщенный принцип относительности позволял объяснить даже дрейфующую орбиту Меркурия. Все эти перечисленные в конце статьи эффекты можно было использовать для проверки высказанной идеи, но их следовало проработать более тщательно и подробно. Все это могло подождать. И на несколько лет Эйнштейн оставил свою теорию.
К концу 1907 года великолепная безвестность Эйнштейна завершается. Медленно; но верно опубликованные в 1905 году работы начинают привлекать к себе внимание. Начинают приходить письма от выдающихся физиков с просьбами прислать копии статей и с обсуждениями выдвинутых Эйнштейном идей. Взволнованный всем этим Эйнштейн говорит друзьям: «Мои работы получили большое признание и дают мне стимул к дальнейшим исследованиям». Один из его поклонников съязвил: «Должен признаться; я был поражен, прочитав, что вам приходилось по восемь часов высиживать в офисе. Но история полна дурными шутками!» Жизнь Эйнштейна нельзя назвать плохой. Работа в Берне позволила ему создать семью с Милевой. В 1904 году у них родился сын Ганс Альберт. График работы в патентном бюро позволял Эйнштейну проводить время дома, мастеря игрушки для ребенка, хотя он уже был готов ворваться в научный мир.
В 1908 году Эйнштейн наконец получает возможность читать факультатив в университете Берна. Он счел преподавание ужасно обременительным и как лектор заработал ужасную репутацию. Тем не менее в 1909 году его пригласили на должность экстраординарного профессора в университет Цюриха. Там он оставался чуть больше года. Уже в 1911 году он получает предложение возглавить кафедру в Немецком университете в Праге. На этот раз преподавательская деятельность не вошла в его обязанности. Без этого груза ум Эйнштейна вернулся в то состояние, которое владело им в упорядоченной и изолированной атмосфере патентного бюро. Он снова мог размышлять над тем, как сделать теорию относительности более универсальной.
Глава 2.
Самое ценное открытие
Однажды Альберт Эйнштейн признался своему другу и коллеге Отто Штерну: «Занимаясь расчетами, ты попадаешь впросак, прежде чем успеваешь это осознать». Это вовсе не означает, что он недостаточно хорошо знал математику. Он прекрасно успевал по этому предмету во время учебы и без проблем мог изложить свои идеи на бумаге. В его работах соблюдался совершенный баланс между физическими обоснованиями и их представлением в математической форме. Но сделанные в 1907 году расчеты обобщенной теории в плане математики оказались не совсем удачными — один из цюрихских профессоров сказал, что работа Эйнштейна является «математически громоздкой». На математику Эйнштейн посматривал свысока, называя ее «избыточным умственным багажом», и иронизировал: «С тех пор как на теорию относительности обрушилась математика, я перестал ее понимать». Но в 1911 году, пересматривая концепции из своего обзора, Эйнштейн понял, что развить их дальше поможет именно математика.
Рассматривая свой принцип относительности, он в очередной раз подумал про свет. Представьте, что вы находитесь в летящем вдалеке от планет и звезд космическом корабле. Луч далекой звезды проникает внутрь через маленький иллюминатор справа, пересекает корабль и через аналогичное окошко слева выходит наружу. Бели космический корабль неподвижен, траектория движения луча не изменится, входить и выходить свет будет под прямым углом. А вот при очень быстром перемещении с постоянной скоростью к моменту, когда луч достигнет противоположной стены, корабль сместится вперед, и выход луча наружу произойдет уже через окно, расположенное дальше по борту. Со своей точки наблюдения вы увидите луч, вошедший под непрямым углом и прошедший через внутрикорабельное пространство по прямой. Совсем другая картина нарисуется при ускорении: световой луч опишет дугу и выйдет наружу где-то в задней части корабля.