Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

Педро Феррейра

ИДЕАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ.

Битва за общую теорию относительности

Эта книга появилась благодаря двум людям. Патрик Уолш (Patrick Walsh) не только убедил меня написать о предмете моей страсти, но и предоставил мне такую возможность. Кортни Янг (Courtney Young) взяла мою рукопись и с удивительным тактом, но одновременно с твердостью превратила ее в книгу, которую хочется прочитать.

Я полагался на замечания, советы и критику, которые мне на протяжении многи хлет давали коллеги, друзья, члены семьи, читатели и писатели. Вот их список (возможно, неполный): Энди Албрехт (Andy Albrecht), Арлен Андерсон (Arlen Anderson), Тесса Бейкер (Tessa Baker), Макс Банадос (Мах Banados), Джулиан Барбур (Julian Barbour), Джон Бэрроу (John Barrow), Адриан Бикрофт (Adrian Beecroft), Яаков Бекенштейн (Jacob Bekenstein), Джоселин Белл Бёрнелл (Jocelyn Bell Burnell), Орфей Бертолами (Orfeu Bertolami), Стив Биллер (Steve Biller), Майкл Брукс (Michael Brooks), Харви Браун (Harvey Brown), Фил Булл (Phil Bull), Алекс Баттерворс (Alex Butterworth), Филипп Канделас (Philip Candelas), Ребекка Картер (Rebecca Carter), Крис Кларксон (Chris Clarkson), Тим Клифтон (Tim Clifton), Фрэнк Клоуз (Frank Close), Питер Коулс (Peter Coles), Аманда Кук (Amanda Cook), Марк Дэвис (Marc Davis), Ксения де ла Осса (Xenia de la Ossa), Сесиль Девитт-Моретт (Cecile DeWitt-Morette), Майк Дафф (Mike Duff), Джо Данкли (Jo Dunkley), Рут Дюрер (Ruth Durrer), Джордж Эфстатиу (George Efstathiou), Джордж Эллис (George Ellis), Грэм Фармело (Graeme Farmelo), Хьюго и Карин Джил Феррейра (Hugo and Karin Gil Ferreira), Эндрю Ходжес (Andrew Hodges), Крис Ишам (Chris Isham), Эндрю Яффе (Andrew Jaffe), Дэвид Кайзер (David Kaiser), Янна Левин (Janna Levin), Рой Маартенс (Roy Maartens), Эд Макъюли (Ed Macaulay), Жуан Магейжу (Joao Magueijo), Дэвид Марш (David Marsh), Джон Миллер (John Miller), Ланс Миллер (Lance Miller), Жозе Мауро (Jose Mourao), Самая Ниссанке (Samaya Nissanke), Тим Палмер (Tim Palmer), Джон Пикок (John Peacock), Джим Пиблс (Jim Peebles), Роджер Пенроуз (Roger Penrose), Жоао Пиментел (Joao Pimentel), Эндрю Понтцен (Andrew Pontzen), Франс Преториус (Frans Pretorius), Димитриос Псалтис (Dimitrios Psaltis), Мартин Рис (Martin Rees), Бернар Шатц (Bernard Schutz), Джо Силк (Joe Silk), Константинас Скордис (Constantinos Skordis), Ли Смолин (Lee Smolin), Джордж Смут (George Smoot), Андрей Старинен, (Andrei Starinets), Келли Стел (Kelly Stelle), Франческо Силос-Лабини (Francesco Sylos-Labini), Кип Торн (Kip Thorne), Нил Турок (Neil Turok), Тони Тайсон (Tony Tyson), Гиза Вешкаль-нис (Gisa Weszkalnys), Джон Уитер (John Wheater), Адам Уишарт (Adam Wishart), Лукас Виловски (Lukas Wilowski), Андреа Вульф (Andrea Wulf) и Том Злосник (Tom Zlosnik). Их вклад неоценим, а за любые ошибки и заблуждения, оказавшиеся в окончательной версии текста, ответственность лежит исключительно на мне.

Команда агентства Conville and Walsh была невероятно доброжелательно настроена к данной книге, а коллеги из Оксфордского университета полны энтузиазма и готовы помочь.

Пролог

Доклад Артура Эддингтона на совместном заседании Королевского и Астрономического обществ 6 ноября 1919 года в корне изменил парадигму гравитационной физики. С торжественной монотонностью кембриджский астроном описал свое путешествие на маленький, поросший буйной зеленью остров Принсипи у западного побережья Африки, где с помощью телескопа он сфотографировал полное солнечное затмение, постаравшись запечатлеть находящееся за Солнцем неяркое звездное скопление. Измерив положение звезд, Эддингтон обнаружил отклонения от закона всемирного тяготения, открытого покровителем британской науки Исааком Ньютоном и безоговорочно принимавшегося в течение более чем двух столетий. Астроном утверждал, что место этого закона теперь занимает новая и более правильная теория, предложенная Альбертом Эйнштейном под названием «общая теория относительности».

В то время теория относительности Эйнштейна была известна не только своим потенциалом в плане объяснения происходящих во Вселенной явлений, но и своей невообразимой сложностью. После церемонии, когда слушатели и докладчики уже готовились выйти в лондонские сумерки, к Эддингтону подошел польский физик Людвиг Зильберштейн. Зильбер-штейн был автором книги о более ограниченной «специальной теории относительности» Эйнштейна и с интересом следил за выступлением Эддингтона. Он сказал: «Профессор Эддингтон, вы, должно быть, один из трех человек в мире, понимающий общую теорию относительности». Заметив замешательство Эддингтона, Зильберштейн добавил: «Не скромничайте». Эддингтон решительно взглянул на него и произнес: «Напротив, я пытаюсь понять, кто же является третьим».

К моменту моего первого знакомства с общей теорией относительности названную Зильберштейном цифру уже можно было скорректировать в сторону увеличения. В начале 1980-х я услышал, как Карл Саган рассказывает о сжатии и растяжении времени и пространства в телесериале «Космос». Я немедленно попросил отца объяснить мне эту теорию. Он ограничился словами о том, что она крайне сложна. «Вряд ли кто-то понимает общую теорию относительности», — вот как он сказал. Но остановить меня было непросто. В этой странной теории с ее искривленными сетками пространства-времени, обернутыми вокруг пустынных впадин небытия, имелось что-то до крайности притягательное. Действие принципа общей относительности можно было наблюдать в старых эпизодах «Звездного пути», когда «черная звезда» отправляла в прошлое космический корабль «Энтерпрайз» или когда Джеймс Т. Кирк путался в измерениях пространства-времени. Неужели понять все это настолько сложно?

Несколькими годами позднее я изучал инженерное дело в Лиссабонском университете, в тяжеловесном здании из камня, железа и стекла, представлявшем собой превосходный образчик архитектуры времен Салазара. Обстановка удивительно подходила для бесконечных лекций, обучающих нас полезным вещам: искусству создания компьютеров, мостов и машин. Некоторые студенты спасались от этого занудства, читая в свободное время материалы по современной физике. И каждый мечтал стать Альбертом Эйнштейном. Время от времени на наших лекциях излагались некоторые из его идей. Мы узнали о связи массы с энергией и о том, что свет на самом деле состоит из частиц. Когда дело дошло до изучения электромагнитных волн, нас познакомили со специальной теорией относительности. Эйнштейн сформулировал ее в 1905 году, когда ему было двадцать шесть, то есть всего на несколько лет больше, чем нам. Один из наиболее просвещенных преподавателей посоветовал нам почитать оригинальные труды Эйнштейна. В сравнении с нудными упражнениями, которые мы были вынуждены делать, это были шедевры выразительности и ясности. Однако общая теория относительности — созданная Эйнштейном грандиозная теория пространства-времени — в нашу программу не входила.

В какой-то момент я решил самостоятельно заняться ее изучением. В библиотеке нашего университета обнаружилась завораживающая коллекция монографий и учебников величайших физиков и математиков двадцатого столетия. Там были Артур Эддингтон, президент Королевского астрономического общества из Кембриджа; Герман Вейль, математик из Геттингена; отцы квантовой физики Эрвин Шрёдингер и Вольфганг Паули, — и у каждого из них было свое мнение о том, как следует преподавать теорию Эйнштейна. Один том выглядел как большая черная телефонная книга и насчитывал более тысячи страниц, уснащенных орнаментами и комментариями тройки американских релятивистов. Другой, написанный физиком-теоретиком Полем Дираком, содержал всего семь десятков глянцевых страниц. Я полностью погрузился в совершенно новую Вселенную идей, населенную самыми увлекательными персонажами.

Понимание этих идей давалось непросто. Пришлось учиться думать по-новому, опираясь на выкладки, которые изначально воспринимались как трудная для понимания геометрия и абстрактная математика. Для расшифровки теории Эйнштейна требуется овладеть математическим языком. Тогда я не знал, что в попытках разобраться в собственной теории Эйнштейну пришлось пройти тот же самый путь. Изучив лексику и грамматику, я пришел в восторг от открывшихся возможностей. И тогда начался мой роман с общей теорией относительности длиною в жизнь.

Это будет сильным преувеличением, но выразиться по-другому я не могу: наградой за покорение общей теории относительности Эйнштейна становится ключ к пониманию истории Вселенной, возникновению времени, эволюции звезд и галактик. Эта теория может рассказать, что находится в самых дальних уголках Вселенной, и объяснить, как это влияет на нашу жизнь. Она проливает свет на возникновение частиц высоких энергий из ничего и объясняет, как появляется ткань реальности, пространства и времени, превращаясь в основу Вселенной.

За месяцы интенсивного обучения я понял, что общая теория относительности оживляет пространство и время. Пространство — это не просто место существования вещей, а время — не только часы, отсчитывающие мгновения. Согласно Эйнштейну, пространство и время переплетены в космическом танце, отвечая за каждый кусочек материи, от частиц до галактик, и соединяясь в сложные структуры, которые порождают самые невероятные эффекты. Предложенная им теория с момента своего появления применялась для исследования окружающего мира, открыв, что Вселенная является динамическим объектом, расширяющимся с головокружительной скоростью и наполненным черными дырами, ужасными пробоями пространства и времени, громадными волнами энергии, каждая из которых сравнима по мощности с энергией целой галактики. Общая теория относительности позволяет заглянуть в такие дали, о которых мы никогда не мечтали.