Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
Как примирить инстинкт-интуицию с традиционной механикой? Ведь относительно ускоренной системы изолированное от всяких сил тело не движется равномерно и прямолинейно. Это позволяет отличить ускоренную систему от неускоренной. Есть еще опытный факт эквивалентности инертной и тяжелой массы. Возможно, что, комбинируя этот факт с расширенным принципом относительности, удастся создать физическую теорию тяготения, решить задачу, от которой отказался даже Ньютон. Замыслы Эйнштейна были непривычными и казались невероятными. Но к нему в то время уже прислушивались.
Первым, понявшим, что в физике появился новый гений, стал другой гений — Планк. Его поддержали еще несколько ученых. Цюрихский университет захотел иметь Эйнштейна в числе своих профессоров. Но это было невозможно. По старинным правилам стать профессором
Летом 1909 года Эйнштейн удостоился первых научных почестей — звания почетного доктора Женевского университета. Но Цюрихский университет избрал его лишь на должность экстраординарного (внештатного) профессора. Оклад такого профессора невысок, и жене Эйнштейна пришлось готовить домашние обеды для студентов, чтобы дополнять бюджет семьи. Экстраординарный профессор в служебные часы читает лекции и занимается со студентами. Часы «безделья» по-прежнему посвящены науке. Из-под его пера одна за другой выходят работы о квантовой природе излучения и квантовой теории теплоемкости. Он решает ряд конкретных задач, относящихся к молекулярному строению вещества. Но он не перестает думать о возможности расширения принципа относительности.
Осенью 1910 года в Пражском университете открылась вакансия ординарного профессора теоретической физики. Ректорат обсуждал возможных кандидатов, советовался с крупными физиками. Планк написал: «Если теория Эйнштейна окажется справедливой, на что я рассчитываю, его следует считать Коперником двадцатого столетия».
16 января 1911 года Эйнштейн, по-видимому впервые, выступил с лекцией о теории относительности перед аудиторией, в которой физики были в меньшинстве. Его доклад на заседании Общества естествоиспытателей в Цюрихе имел название: «Теория относительности». Здесь он впервые знакомит слушателей с поразительным выводом теории: заставив часы проделать длительное путешествие и вернув их на— зад, мы увидим, говорит он, что они отстали от контрольных часов, остававшихся на месте. Более того, «если бы мы поместили живой организм в некий футляр и заставили бы всю эту систему совершить такое же движение вперед и обратно, как описанные выше часы, то можно было бы достичь того, что этот организм после возвращения в исходный пункт из своего сколь угодно далекого путешествия изменился бы как угодно мало, в то время как подобные ему организмы, оставленные в пункте отправления в состоянии покоя, давно уже уступили место новым поколениям. Для движущегося организма длительное время путешествия будет лишь мгновением, если движение будет происходить со скоростью, близкой к скорости света! Это неизбежное следствие наших исходных принципов, к которым нас приводит опыт».
Так родился знаменитый парадокс близнецов. Парадокс, ибо в соответствии с теорией, которую Эйнштейн изложил в докладе, нельзя отличить движущийся объект от неподвижного, и, казалось бы, каждый из близнецов может считать себя неподвижным и поэтому более взрослым, чем его путешествующий брат. Это, конечно, невозможно. Но Эйнштейн не разъяснил слушателям сути парадокса и не показал, как он устраняется.
Мы тоже отложим это на будущее.
С осени 1911 года Эйнштейн стал профессором в Праге, но еще до того, 21 июня, в редакцию журнала «Аннален дер физик» поступила его статья «О влиянии силы тяжести на распространение света». Она начинается так:
«В работе, опубликованной четыре года назад, мы уже пытались ответить на вопрос, влияет ли тяготение на распространение света. Мы снова возвращаемся к этой теме, так как нас не удовлетворяет прежнее изложение вопроса; кроме того, мы теперь еще раз убедились в том, что один из наиболее важных выводов указанной работы поддается экспериментальной проверке. Оказывается, что лучи, проходящие вблизи Солнца, согласно излагаемой ниже теории, испытывают под влиянием поля тяготения Солнца отклонение, вследствие чего должно произойти кажущееся увеличение углового расстояния между оказавшейся вблизи Солнца неподвижной звездой и самим Солнцем почти на одну угловую секунду. Развитие этих идей привело также к некоторым результатам, относящимся к тяготению».
В этой статье Эйнштейн совершенно ясно излагает свое убеждение в том, что равномерное ускорение эквивалентно действию однородного поля тяжести. Принцип эквивалентности станет важнейшей основой будущей теории. Далее он обстоятельно анализирует «тяжесть энергии», показывая, что тело, приобретая энергию, увеличивает не только свою инерцию, но и вес. А следовательно, свет, как одна из форм энергии, подвергается действию поля тяготения. Затем он вновь рассчитывает сдвиг спектральных линий атомов на поверхности Солнца по отношению к спектральным линиям, наблюдаемым в земных условиях. Результат таков: любые часы на поверхности Солнца должны отставать на 2 миллионных доли секунды за секунду по отношению к часам на Земле. Наконец, он вычисляет отклонение луча света, проходящего мимо Солнца, и получает величину 0,83 дуговой секунды. Он пишет: «Было бы крайне желательно, чтобы астрономы заинтересовались поставленным здесь вопросом даже и в том случае, если бы предыдущие рассуждения казались недостаточно обоснованными или фантастическими».
Еще бы, Эйнштейн предлагает отказаться от принципа постоянства скорости света! От принципа, базирующегося на опыте и положенного им самим в основу теории относительности! Теперь он предлагает принять скорость света за величину, характеризующую поле тяжести. Он вступает на путь, на котором с первых шагов видны величайшие трудности.
Уже в начале следующего года Эйнштейн начинает дальнейшее продвижение по избранному пути. 26 февраля 1912 года в тот же журнал поступает статья «Скорость света и статическое гравитационное поле». В ней Эйнштейн уже не ограничивается изложением идей и простыми расчетами, он берется за дело без скидок на математические трудности и впервые получает дифференциальные уравнения для гравитационного поля. Статья начинается так: «В нашей работе, вышедшей в прошлом году, показано, что из гипотезы о физической эквивалентности ускоренной системы координат полю тяжести следуют выводы, хорошо согласующиеся с результатами теории относительности (теории относительности равномерного движения). Но при этом оказалось, что справедливость одного из основных принципов последней, а именно закона постоянства скорости света, ограничена областями пространства — времени, в которых постоянен гравитационный потенциал. Несмотря на то, что этот результат исключает всеобщую применимость преобразования Лоренца, он не должен отпугивать от дальнейшего следования по предложенному пути».
И он пускается в путь. Уравнения поля тяжести, полученные в этой работе, не похожи ни на уравнения Максвелла, ни на уравнения Ньютона. В каждый из членов этих уравнений входит скорость света или ее квадрат. Можно сказать, что скорость света характеризует структуру гравитационного поля. В свою очередь, гравитационное поле определяет величину скорости света. Это выглядит очень сложно и совсем непривычно, но дает логичные результаты. Если поле тяжести очень слабо, то результаты новой теории переходят в результаты прежней теории относительности. Эйнштейн называет ее «обычной теорией относительности», ибо название для новой теории еще не найдено, а ведь она тоже теория относительности. Работа заканчивается оптимистическим заключением, в котором, однако, не скрываются предстоящие трудности:
«Нам кажется, что проблему пространства — времени надо ставить следующим образом. Если ограничиться областью постоянного гравитационного потенциала, то законы природы принимают чрезвычайно простую и инвариантную (неизменную. — И. Р.) форму по отношению ко множеству пространственно-временных систем, связанных друг с другом преобразованием Лоренца с постоянной с. Если же не ограничиваться областями, где с постоянно, то множество эквивалентных систем, равно как и множество преобразований, оставляющих законы природы неизменными, станет более обширным, однако эти законы станут более сложными».