Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

История общей теории относительности необыкновенна и всеобъемлюща, поэтому ее следует рассказать миру. Ведь даже войдя в XXI век, мы продолжаем сталкиваться с множеством порожденных ею великих открытий и оставшихся без ответа вопросов. В ближайшие годы должно произойти что-то действительно важное, и нужно понимать, откуда оно придет. Я подозреваю, что если XX век стал веком квантовой физики, то в XXI в полной мере проявит себя общая теория относительности.

Глава 1.

Человек в свободном падении

Осенью 1907 года Альберт Эйнштейн работал в стрессовых условиях. Ежегодник Electronics and Radioactivity попросил его прислать полный обзор теории относительности. Обобщить столь солидный труд за короткий срок было непросто, особенно если учесть, что работать приходилось исключительно в свободное время. С 8 утра до 6 вечера с понедельника по субботу Эйнштейн находился в Федеральном бюро патентования изобретений в только что построенном здании почты и телеграфа, где он тщательно изучал схемы вновь придуманных электрических устройств и пытался определить, есть ли в них какая-либо ценность. Начальник советовал ему: «Взяв в руки заявку, представь, что все написанное изобретателем — вранье», и Эйнштейн старательно следовал этому совету. Большую часть дня заметки и расчеты, связанные с его собственными теориями, лежали во втором ящике стола, который Эйнштейн называл своей «кафедрой теоретической физики».

Обзор Эйнштейна был призван закрепить торжественное объединение механики Галилео Галилея и Исаака Ньютона с теориями электричества и магнетизма Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла. Он объяснял бы открытое несколькими годами раньше замедление хода часов при движении и уменьшение размеров движущихся тел. Он проливал бы свет на странную формулу, демонстрирующую взаимозаменяемость массы и энергии и утверждающую, что превысить скорость света невозможно. Обзор принципа относительности показал бы, что почти вся физика должна определяться новым общим набором правил.

За несколько месяцев 1905 года Эйнштейн написал ряд работ, которые преобразовали физику. Во вдохновенном порыве он продемонстрировал, что свет ведет себя как пучки энергии, напоминающие частицы материи. Также им было показано, что хаотичные перемещения пылинок на поверхности налитой в блюдце воды вызваны молекулами воды, вибрирующими и отскакивающими друг от друга. Кроме того, он решил проблему, досаждавшую физикам почти полвека: почему кажется, что действие физических законов зависит от того, каким образом мы на них смотрим. Все это Эйнштейн систематизировал в своем принципе относительности.

И эти ошеломляющие открытия Эйнштейн сделал, работая скромным патентным экспертом в Берне и попутно анализируя научные и технические разработки того времени. В 1907 году он все еще находился там, так и не попав в, казалось бы, избегающие его высокие академические круги. На самом деле Эйнштейн мало напоминал человека, способного переписать часть основных физических законов. Во время обучения в высшей технической школе Цюриха он пропускал не интересующие его лекции и восстанавливал против себя людей, которые могли бы пестовать его гений. Один из профессоров сказал ему: «Вы очень умный мальчик… Но у вас есть один недостаток: вы никогда не позволяете, чтобы вам на что-либо указывали». Из-за того, что научный руководитель запретил Эйнштейну работать над самостоятельно выбранной темой, его финальная работа оказалась столь унылой, что заслужила крайне низкий балл, впоследствии помешавший ему получить должность ассистента во всех университетах, куда он посылал заявки.

С момента выпуска в 1900 году до поступления на работу в патентное бюро в 1902 карьера Эйнштейна представляла собой цепь неудач. Довершил его разочарование тот факт, что отправленная в 1901 году в Цюрихский университет докторская диссертация годом позже была отклонена. В представленной рукописи Эйнштейн опровергал ряд идей, выдвинутых одним из величайших физиков-теоретиков конца XIX века Людвигом Больцманом. Попытка иконоборчества потерпела фиаско. И докторскую степень он получил только в 1905 году за работу «Новое определение размера молекул». Для себя же Эйнштейн обнаружил, что степень «значительно облегчает взаимоотношения с людьми».

Пока он пробивал себе путь, его друг Марсель Гроссман шел к должности достопочтимого профессора кратчайшим путем. Именно благодаря дисциплинированному, старательному и любимому учителями Гроссману, который подробно и тщательно вел конспекты лекций, Эйнштейну удалось удержаться в университете. Во время обучения в Цюрихе Гроссман стал близким другом Эйнштейна и его будущей жены Милевы Марич. Все трое окончили университет одновременно. В отличие от карьеры Эйнштейна, карьера Гроссмана с самого начала шла гладко. В 1902 году он был назначен ассистентом в Цюрихе и в 1902 получил докторскую степень. После недолгой преподавательской деятельности Гроссман стал профессором начертательной геометрии в Швейцарской высшей технической школе в Цюрихе. Эйнштейну же не удавалось устроиться даже на место школьного учителя. И только благодаря рекомендации отца Гроссмана, знакомого с главой Федерального бюро патентования изобретений, Эйнштейн был взят на должность патентного эксперта.

Работа в бюро патентов стала для Эйнштейна благословлением. После долгой финансовой нестабильности и зависимости от отца он, наконец, смог жениться на Милеве и начать семейную жизнь в Берне. Относительная монотонность работы с четко определенными задачами и отсутствием отвлекающих факторов создала идеальную среду для размышлений. За несколько часов Эйнштейн справлялся с текущими делами и мог сконцентрироваться на собственных проблемах. За маленьким деревянным столом в компании немногочисленных книг и бумаг со своей «кафедры теоретической физики» он мог мысленно ставить эксперименты. И в процессе этих, как он называл их по-немецки, gedanken experimenten, Эйнштейн воображал ситуации и конструкции, позволяющие исследовать физические законы. В отсутствие настоящей лаборатории он прокручивал в голове тщательно моделируемые игры, инсценируя события, которые затем детально изучал. Эйнштейн хорошо знал математику и мог изложить результаты таких экспериментов на бумаге, создавая изысканные шедевры, в конечном счете поменявшие путь развития физики.

Владельцы патентного бюро были довольны работой Эйнштейна и повысили его до эксперта II класса, и это никак не было связано с появившейся у него научной репутацией. Эйнштейн все еще корпел над ежедневными порциями патентов, когда в 1907 году немецкий физик Йоханесс Штарк поручил ему обзор «О принципе относительности и вытекающих из него следствиях». На эту работу было отведено два месяца, и за это время Эйнштейн осознал, что выведенный им принцип относительности не универсален и требует тщательного пересмотра.

Статья в ежегоднике предполагалась как краткое изложение исходного принципа относительности, который гласил, что законы физики должны быть одинаковы в любой инерциальной системе отсчета. Лежащая в основе принципа идея была не нова и эксплуатировалась столетиями.

Законы физики и механики описывают движение, ускорение и замедление объектов под действием сил. В XVII веке английский физик и математик Исаак Ньютон сформулировал законы, объясняющие реакцию объектов на механические силы. Они последовательно демонстрировали, что произойдет при столкновении двух бильярдных шаров, вылете пули из ружья или при подбрасывании мяча в воздух.

Инерциальной называется система отсчета, движущаяся с постоянной скоростью. Если вы читаете эту книгу, сидя на одном месте, например дома в кресле или за столиком в кафе, вы находитесь в инерциальной системе отсчета. Другим классическим примером является равномерно перемещающийся скорый поезд с закрытыми окнами. Находящийся внутри человек после достижения постоянной скорости движения не сможет определить, движется поезд или стоит. Обнаружить разницу между двумя инерциальными системами в принципе невозможно, даже если одна перемещается с большой скоростью, а вторая покоится. Результат измерения действующих на объект сил будет тождественным в любой из инерциальных систем. Законы физики работают во всех этих системах одинаково.

Девятнадцатый век породил совершенно новые законы, объединившие две основные силы: электричество и магнетизм. На первый взгляд эти явления не связаны друг с другом. Электричество — это лампочки у нас дома или молнии во время грозы, а с проявлениями магнетизма мы сталкиваемся, прикрепляя магнитики к холодильнику или определяя направление по компасу. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что эти две силы можно рассматривать как различные проявления общей базовой силы, электромагнетизма, восприятие которой зависит от того, как именно движется наблюдатель. Человек, сидящий рядом с магнитным бруском, столкнется с магнетизмом, но не с электричеством. А вот при быстром круговом движении можно ощутить не только магнетизм, но и толику электричества. Максвелл скомпоновал две силы в одну, не зависящую от положения и скорости наблюдателя.