Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

class="p1">Работая над общей теорией относительности, Эйнштейн сделал несколько последовательных логических выводов на основе предположений. Они имели разное значение, и коллеги Эйнштейна приняли во внимание не все из них.

Принцип эквивалентности: инертная масса равна гравитационной, и разные тела падают в вакууме с одинаковым ускорением.

Принцип соответствия: общая теория относительности должна включать в себя, как частный случай, теорию гравитации Исаака Ньютона. Потому что для слабых гравитационных полей и медленных скоростей – например, для броска камня или движения планет по орбитам – закон тяготения Ньютона прекрасно работал с тех пор, как был сформулирован в 17 веке.

Законы сохранения: в замкнутой системе энергия и импульс остаются постоянными. Они не могут возникнуть из ниоткуда или исчезнуть бесследно.

Ковариантность (расширенный принцип относительности): уравнения гравитационного поля должны быть одинаковыми во всех системах координат, то есть оставаться неизменными при преобразовании из одной системы в другую. В том числе и для систем, движущихся с ускорением, в том числе находящихся в гравитационном поле.

Эмпиризм: как и любая полезная научная теория, общая теория относительности должна подтверждаться результатами наблюдений и экспериментов. Она должна, с одной стороны, предсказывать те результаты, которые теория Ньютона предсказывает неверно или вообще не предсказывает. И, с другой стороны, она должна объяснять те данные, которых не объясняет теория Ньютона.

Такими принципами руководствовался Эйнштейн, работая над общей теорией относительности. По крайней мере, так можно сказать, оглядываясь назад. Результаты опытов, кроме достаточно точных измерений, подтверждающих принцип эквивалентности, поначалу не имели большого значения. До тех пор, пока не удалось объяснить особенность орбиты Меркурия.

Поворот в тупик

Марсель Гроссман помог Эйнштейну не только заложить математические основы общей теории, но и разобраться с уравнениями гравитационного поля. В мае 1913 года они подготовили совместную работу, которую осторожно озаглавили: «Проект обобщенной теории относительности и теории тяготения». В ней уже содержались все основные положения и математические расчеты общей теории относительности.

Но Эйнштейн и Гроссман были не совсем довольны. «Бесспорная сложность» приносила много проблем. Особенно когда речь шла о вращающихся системах. Их было очень трудно описать уравнениями общей теории относительности. Эйнштейн даже думал, что на это «проклятое темное пятно» можно не обращать внимания, обойти «препятствие», так как преодолеть его невозможно. Но позже его аргументы признали ошибочными, и он смог правильно сформулировать положения своей теории только через два года. Но он продолжал неутомимо работать и был уверен, что:

«Природа показывает нам только хвост льва. Но я не сомневаюсь, что это именно львиный хвост, хотя другие части его тела еще не видны из-за его чудовищных размеров. Но видим его лишь так, как будто мы вошь, сидящая на нем».

В мае 1914 года вышла последняя совместная статья Эйнштейна и Гроссмана.

Это было невероятно сложно для Эйнштейна – увидеть громаду теории относительности «с точки зрения вши».

6 апреля того же года Эйнштейн «находился при Академии без каких-либо обязанностей, фактически живая мумия» – как писал он своему другу и коллеге Якобу Лаубу[41], и сообщал, что стал членом Прусской академии наук, где ему не нужно было читать лекции студентам. Но поначалу дела пошли плохо.

В мире Эйнштейна произошло два потрясения. Одно личное: его брак с Милевой распался окончательно. И одно общечеловеческое: в конце июля 1914 года началась Первая мировая война. Это было тяжелым грузом для Эйнштейна: из ученого-затворника он превратился в публичную фигуру, его мнением интересовались многие, и их вопросы касались не только науки. Он публиковал статьи в газетах, где решительно и смело отстаивал свои политические идеалы: пацифизм (борьба за мир) и ненависть к нацизму, который он называл «детской болезнью» – «корью человеческой расы», а позже выступал за создание мирового демократического правительства. Ему самому были чужды любые патриотические настроения. В 1915 году он написал:

«Государство, гражданином которого я являюсь, не слишком сильно влияет на мою повседневную жизнь. Я рассматриваю принадлежность к моему государству как деловое соглашение, вроде отношений со страховой конторой».

Эйнштейн трудился как в лихорадке, он пересматривал много раз полученные результаты. «С Эйнштейном удобно иметь дело. Каждый год он опровергает то, что написал в предыдущем году», – самокритично признавался он в одном из писем Эренфесту. В ноябре 1914 года он опубликовал важную работу – «Формальные основы общей теории относительности». В ней были выводы их совместной с Гроссманом работы над уравнениями поля. Но в ней была ошибка.

В конце июня 1915 года Эйнштейн уехал на неделю в Гёттинген, чтобы сделать доклад в университете о проделанной работе. Его пригласил Давид Гильберт, профессор математики, известный во всем мире. В результате Гильберт также попытался найти правильные уравнения поля и чуть было не опередил Эйнштейна.

Не позднее начала ноября величественное здание теории полностью развалилось. Расстроенный Эйнштейн назвал свои попытки «роковым предрассудком». Это было неудачное стечение обстоятельств, которые помутили его взгляд:

«Перед теоретиком два пути: 1) либо дьявол ведет его по ложному пути (и тогда несчастный заслуживает снисхождения); 2) либо он сам допускает ошибки в рассуждениях (и тогда заслуживает порки)».

Так писал Эйнштейн Лоренцу в 1915 году и просил о снисхождении. Теперь он понял, какую ошибку допустили он и Гросссман. Они рассматривали статическое гравитационное поле в рамках евклидовой геометрии, отказавшись от изучения других возможностей, которые бы обеспечили ковариантность. Если бы они этого не сделали, им удалось бы проложить прямую и широкую «королевскую дорогу» к общей теории относительности. Как показывают записные книжки Эйнштейна, еще в 1912 году он нашел правильные уравнения в упрощенной форме, но пока он об этом не догадывался.

Прорыв

Осенью 1915 года Эйнштейн начал все сначала. Он вернулся к работам 1912 и 1913 годов. Он продвигался шаг за шагом. В ноябре Эйнштейн еженедельно вносил по одному докладу в отчеты о заседаниях Академии. В течение этого месяца, трудясь на грани истощения, Эйнштейн складывал из обломков предыдущих построек новое здание, увенчать которое должны были уравнения гравитационного поля. Сейчас эти формулы можно найти в любом учебнике физики (хотя чаще всего в более современном виде).

Первая работа, представленная для публикации 4 ноября, носила простое название «К общей теории относительности». В ней Эйнштейн сразу на первой же странице признал свою «ошибку» с предыдущими уравнениями поля. Он вернулся к своему первоначальному основному предположению, что законы природы