Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство
Шрифт:
Новый фундамент
Ситуация изменилась, когда Эйнштейн создал теорию относительности. Он разрабатывал ее не с целью изучения эволюции Вселенной. Эйнштейн поставил перед собой другую цель: разработать теорию, способную устранить противоречие между механикой и электродинамикой, между законами движения вещества и свойствами света.
В 1905 году Эйнштейн показал, что достаточно изменить процедуру измерения времени и расстояний, чтобы устранить эти противоречия. При этом Эйнштейн выяснил что предложенный им метод измерения времени и длины вместе с предположением о постоянстве скорости света позволяет расширить область
Так Эйнштейн устранил противоречия между механикой, описывающей движение всех тел, и электродинамикой, управляющей движением света и силами, действующими между электрическими зарядами и магнитами. Он достиг этого путем сравнительно небольшого усложнения уравнений движения.
Теория удовлетворяла всем требованиям, предъявляемым к научной теории: она была непротиворечива и однозначна, описывала все известные явления и предсказывала неизвестные, которые затем подтверждались опытом.
Теория была вскоре признана большинством ученых. Им пришлось примириться с непривычными уравнениями и со странной зависимостью размеров тел, их масс и интервалов времени от скорости относительного движения этих тел. Следовало научиться пользоваться новыми уравнениями, позволяющими глубже проникнуть в тайны природы. Неожиданный вывод Эйнштейна о том, что между массой вещества и энергией, заключенной в нем, существует жесткая связь, казался в то время несколько странным, но не связанным с тем, что можно наблюдать в природе и в специальных опытах.
Все были довольны тем, что наконец устранены противоречия между электродинамикой и механикой, что исчезли парадоксы, возникавшие раньше при попытках применить электродинамику к движущимся телам. Довольны были все, за исключением Эйнштейна. Его с самого начала тревожила необходимость ограничивать новую теорию случаем равномерных и прямолинейных движений. Ускоренные и вращательные движения оставались за ее пределами. Доведя построение теории до конца и получив из нее ряд интересных результатов, он продолжал обдумывать суть ограничений, заложенных в теории, причины их возникновения, возможные пути устранения.
Два года прошло в мучительных раздумьях и безуспешных попытках. Не найдя выхода, Эйнштейн высказал свою тревогу в докладе перед собранием ученых, а затем и в статье, направленной в ведущий физический журнал.
Эйнштейн обращал внимание физиков на ограниченность теории. Ее нельзя применять, если в изучаемых процессах участвуют вращающиеся тела или если они подвержены простому прямолинейному ускорению, например, при движении в поле тяжести.
Потребовались годы упорной работы, в ходе которой Эйнштейн продумывал и проверял различные способы расширения теории, основанные на известных свойствах природы. Он комбинировал различные варианты уравнений, воплощающих эти свойства.
Ключом, открывшим Эйнштейну путь к решению задачи, стал известный эксперимент венгерского физика Р. Этвеша, выявивший с чрезвычайной точностью пропорциональность между массой, связанной с ускорением тел (ее называют инертной массой), и их тяжелой (гравитационной) массой, определяющей вес тел в поле тяготения.
Именно из-за этой связи все тела падают с одинаковым ускорением (факт, установленный Галилеем). Это со своей стороны, приводит к тому, что масса, входящая во второй закон Ньютона (закон ускорения), и масса, входящая в закон тяготения, являются двумя проявлениями единой сущности.
Ни механика Ньютона, ни первоначальный вариант теории относительности не объясняли этого равенства Пропорциональность инертной и гравитационной массы всех тел присутствовала в обеих теориях. Обе теории учитывали этот факт, а поэтому не противоречили ему. Ученые признали, что пропорциональность инертной и гравитационной массы является одним из глубинных свойств природы, и смирились с тем, что причины этой пропорциональности оставались неизвестными.
Но Эйнштейн не мог примириться с таким положением. Он чувствовал, что здесь проявляется не известная ему фундаментальная закономерность, и настойчиво пытался ее понять.
Глубокий физический анализ, опирающийся на интуицию и на твердую уверенность в том, что все тайны природы могут быть познаны, привел Эйнштейна к цели. Он понял, что в опытах, производимых в лабораториях, имеющих малые размеры по сравнению с радиусом Земли, а таковы практически все лаборатории, совершенно невозможно установить различие между действием ускорения и действием тяготения. Он увидел в этом возможность развития первоначального варианта теории относительности. Новый вариант объяснял, почему в изолированной лаборатории не только при помощи механических опытов, но и на основе оптических экспериментов невозможно определить, покоится ли лаборатория или она перемещается с постоянной скоростью, постоянной и по величине и по направлению.
Теперь Эйнштейн осознал истинный смысл опыта Этвеша. Опыт Этвеша указывал на то, что и о равномерно ускоренном движении лаборатории нельзя судить по опытам, производимым внутри этой лаборатории без привлечения к опыту тел, находящихся вне ее. Эйнштейн иллюстрировал это знаменитым мысленным экспериментом в лифте. Приборы, расположенные в лифте, не могут различить, покоится ли лифт в поле тяжести, например в гравитационном поле Земли, или лифт находится в космическом пространстве вдали от крупных небесных тел, где поле тяготения исчезающе мало, а какая-то постоянная сила, приложенная извне, движет лифт с постоянным по величине и направлению ускорением.
Но теперь Эйнштейн не мог ограничить теорию случаем постоянного ускорения. Он понимал недостаточность этой полумеры. Нужно было создать теорию, применимую в случае любых ускоренных движений и любых полей тяготения. Ведь эквивалентность ускорения и поля тяготения существует только в небольших областях пространства, в небольших лабораториях. Невозможно, придавая общее ускорение, заменить поле тяготения Земли в двух лабораториях, находящихся в противолежащих точках земной поверхности. Для того чтобы достичь цели, пришлось бы ускорять эти лаборатории в противоположных направлениях, тянуть каждую в зенит, но в антиподах эти направления противоположны.
Решающий шаг
Ценой огромных усилий, изучив и применив не известное ему ранее тензорное исчисление (разработанное специально для решения сложных задач механики твердых тел), Эйнштейн пришел к системе уравнений, объединяющей все механические и электромагнитные процессы.
Новые уравнения показали существование удивительных связей: свойства пространства зависят от распределения в нем вещества. В свою очередь движения материальных тел зависят от свойств этого же пространства.