Семь этюдов по физике

Ровелли Карло

Однако среди многочисленных научных прорывов, следовавших один за другим на протяжении всей истории, прорыв Эйнштейна, пожалуй, не имеет себе равных. Почему?

Да хотя бы потому, что, чуть только понимаешь, как теория работает, она поражает своей простотой. Опишу ее суть.

Ньютон попытался объяснить причину, по которой предметы падают, а планеты вращаются. Он вообразил, что существует сила, притягивающая все материальные тела друг к другу, и назвал ее силой тяготения. Как эта сила проявлялась по отношению к удаленным друг от друга объектам, между которыми не было ничего, оставалось неясно – и великий отец современной науки опасался выдвигать предположения. Ньютон также считал, что тела перемещаются по пространству и что пространство – вместительный пустой контейнер, большая коробка, содержащая в себе Вселенную, необъятная структура, по которой все объекты движутся

прямо, пока сила не вынудит их траектории искривиться. Из чего сделано это пространство, этот контейнер для мира, изобретенный Ньютоном, он сказать не мог. Однако за несколько лет до рождения Эйнштейна два выдающихся английских физика, Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл, добавили в ньютоновский бесстрастный мир ключевой ингредиент: электромагнитное поле. Это поле – реальная сущность: распределенное повсюду, оно переносит радиоволны, наполняет пространство, колеблется, как поверхность озера, и «передает» электрическую силу. Еще с юности Эйнштейн был зачарован этим электромагнитным полем, вращающим роторы на электростанциях, построенных благодаря его отцу, и вскоре начал понимать, что гравитация, как и электричество, должна также переноситься полем: должно существовать «гравитационное поле», аналогичное электрическому. Он задался целью понять, как это гравитационное поле работает и как его можно описать уравнениями.

И тогда необычайная мысль посетила его, абсолютно гениальная идея: гравитационное поле не распределено по пространству, гравитационное поле и есть само это пространство. Вот в чем смысл общей теории относительности. Ньютоновское «пространство», в котором движутся предметы, и «гравитационное поле» – совершенно одно и то же.

Это был миг прозрения. Серьезное упрощение мира: пространство больше не было чем-то отличным от вещества, оно стало одной из «материальных» составляющих мира. Колеблющейся, изгибающейся, искривляющейся, закручивающейся. Мы не содержимся внутри невидимой жесткой структуры: мы погружены в гигантскую гибкую раковину улитки. Солнце искривляет пространство вокруг себя, и Земля вращается вокруг него не под действием загадочной силы, а потому, что несется по прямой в пространстве, которое изгибается, – как шарик, скатывающийся в воронку. Нет никаких таинственных сил, порождаемых в центре воронки; ее изогнутые стенки – вот что заставляет шарик скатываться. Планеты вращаются вокруг Солнца, а предметы падают, потому что пространство искривляется.

Как описать это искривление пространства? Самый выдающийся математик XIX столетия Карл Фридрих Гаусс – его называют королем математиков – вывел формулу для описания двумерных искривленных поверхностей, таких как поверхности холмов. Затем он попросил своего одаренного студента обобщить теорию, чтобы охватить пространства трех или более измерений. Упомянутый студент, Бернхард Риман, написал впечатляющую докторскую диссертацию на эту тему, которая кажется совершенно бесполезной. Вывод его работы состоял в том, что свойства искривленного пространства отражает определенное математическое понятие, которое мы знаем сегодня как риманову кривизну и обозначаем буквой R. Эйнштейн написал уравнение, гласящее, что R эквивалентна энергии материи. Иными словами, пространство искривляется там, где есть материя. Вот и все. Уравнение умещается на половине строчки, полностью. Предвидение – что пространство искривляется – стало уравнением.

Однако в этом уравнении – целая вселенная. И невероятное богатство теории раскрывается в фантасмагорической цепи предсказаний, которые напоминают исступленный бред безумца, но все до единого подтвердились.

Прежде всего, уравнение описывает, как пространство изгибается около звезды. Из-за этого искривления не только планеты действительно обращаются вокруг звезды, но свет перестает распространяться по прямой линии и отклоняется от нее. Эйнштейн предсказал, что Солнце вынуждает свет отклоняться от прямой. В 1919 году это отклонение было измерено – предсказание оправдалось. Но не только пространство искривляется, время тоже. Эйнштейн предсказал, что время бежит быстрее высоко наверху, чем внизу, ближе к Земле. Это было измерено и оказалось верным. Если человек, живший на уровне моря, встретится со своим близнецом, жившим в горах, он обнаружит, что родственник чуть старше его. И это лишь начало.

Когда большая звезда сжигает все свое сгораемое вещество (водород), она умирает. Остатки звезды больше не поддерживаются теплом сгорания и сжимаются под собственным весом в точку, где искривляют пространство настолько, что оно схлопывается в настоящую дыру. Это знаменитые

черные дыры. Когда я учился в университете, их считали предсказаниями заумной теории, вызывающими мало доверия. Сегодня астрономы наблюдают их в небе сотнями и очень детально изучают.

Но и это еще не все. Пространство целиком способно расширяться и сжиматься. Более того, уравнение Эйнштейна показывает, что пространство не может не изменяться, оно должно расширяться. В 1930 году расширение Вселенной действительно зарегистрировали. То же уравнение предсказывает, что расширение должно было запуститься взрывом молодой, чрезвычайно маленькой и необычайно горячей Вселенной – тем, что сейчас мы называем Большим взрывом. Опять же никто поначалу в это не верил, но подтверждения все накапливались, пока в небе не было непосредственно зарегистрировано космическое фоновое излучение – рассеянное свечение, оставшееся от тепла, выделившегося при исходном взрыве. Предсказание, порожденное уравнением Эйнштейна, оказалось верным. А дальше теория утверждает, что пространство колышется, как поверхность моря. Эффекты от этих «гравитационных волн» наблюдаются в небе на двойных звездах и соответствуют предсказаниям теории с поразительной точностью – до одной стомиллиардной. И так далее.

Если вкратце, теория описывает многоцветный и потрясающий мир, где вселенные взрываются, пространство схлопывается в бездонные дыры, время замедляется вблизи планет и по безграничному межзвездному пространству бежит рябь, словно по поверхности моря… И все это, постепенно вырисовывавшееся из моей погрызенной мышами книги, не было сказкой, выдуманной сумасшедшим в припадке безумия, или галлюцинацией, вызванной жгучим средиземноморским солнцем и ослепительным морем Калабрии. Это было реальностью.

Или, лучше сказать, проблеском реальности, чуть приоткрывшейся по сравнению с нашим замутненным и банальным повседневным взглядом на нее. Реальности, кажущейся сотканной из той же материи, что и наши сны, но тем не менее более подлинной, чем наши неопределенные ежедневные грезы.

Все это результат изначального прозрения: пространство и гравитационное поле суть одно и то же. И простого уравнения, которое я не могу не привести здесь, даже несмотря на то, что вы почти наверняка не сумеете в нем разобраться. Возможно, кто-то из читателей все-таки сможет оценить его дивную простоту:

R_ab – 1/2 R g_ab = T_ab

Вот и все.

Вам, конечно, придется изучить и усвоить риманову геометрию, чтобы овладеть техникой для прочтения и использования этого уравнения. Это требует некоторой решимости и усердия. Но меньших, чем необходимо для того, чтобы оценить изысканную красоту позднего струнного квартета Бетховена. Награда в обоих случаях – истинная красота и новый взгляд на мир.

Этюд второй

Кванты

Два столпа физики XX века – общая теория относительности, о которой я говорил в первой главе, и квантовая механика, с которой мы имеем дело здесь, – не могли бы отличаться друг от друга сильнее. Обе теории учат нас, что тонкая структура природы искуснее, чем кажется. Однако общая теория относительности – плотная жемчужина: это простое и согласованное видение гравитации, пространства и времени, постигнутое единственным умом – Альберта Эйнштейна. Квантовая же механика, или квантовая теория, добилась несравненного экспериментального успеха и привела к созданию практических приложений, преобразивших нашу повседневную жизнь (вспомним хотя бы компьютер, на котором я печатаю), – и все равно спустя более ста лет после своего рождения она остается окутанной тайной, непостижимой.

Обычно говорят, что квантовая механика родилась точно в 1900 году, фактически ознаменовав наступление века напряженной мысли. Немецкий физик Макс Планк вычислил электрическое поле в горячем ящике в состоянии теплового равновесия. Для этого он прибегнул к трюку: представил, будто энергия поля распределена по «квантам», то есть сосредоточена в пакетах, порциях. Это ухищрение привело к результату, который прекрасно воспроизвел измерения (а значит, обязательно в какой-то степени был правильным), но расходился со всем, что тогда было известно. Считалось, что энергия изменяется непрерывно, и не было причин обращаться с ней так, словно она сложена из небольших кирпичиков. Вообразить энергию составленной из ограниченных пакетов было для Планка своеобразной вычислительной уловкой, и он сам не понял до конца причину ее эффективности. И снова Эйнштейн пять лет спустя осознал, что «пакеты энергии» реальны.