Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

• Название: Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения
• Автор: Барри Паркер
• Жанр: Физика

Barry Parker. Einstein's Dream. The search for a unified theory of the Universe.

В популярной форме изложены современные представления об эволюции Вселенной, рассказано о попытках построения единой теории поля, объединения общей теории относительности и квантовой теории. Без привлечения математического аппарата автор доступно излагает основы теории чёрных дыр, квантовой хромодинамики, супергравитации и суперструн; подробно останавливается на нерешённых проблемах космологии. Попутно рассказывается об учёных, работавших в космологии и смежных областях, и их основных достижениях.

Для читателей, интересующихся современными представлениями и гипотезами о строении и эволюции физического мира.

---

Это не означает, что предсказания теории неверны, просто выполнить точные измерения столь малых величин в ходе полевых экспедиций очень трудно. При помощи более совершенных приборов теперь можно наблюдать искривление электромагнитных волн вблизи Солнца (эффект наблюдается для всех электромагнитных волн, а не только для света), не дожидаясь затмения. Эти наблюдения позволили подтвердить правоту Эйнштейна с высокой точностью (с погрешностью около 1%).

Прецессия орбиты Меркурия (вверху) и отклонение света Солнцем (внизу)

Из теории Эйнштейна следует и третье предсказание – время в сильных гравитационных полях течёт медленнее. Этот эффект чрезвычайно мал и заметно проявляется только тогда, когда разница в напряжённости полей очень велика. Известно, что на Земле по мере подъёма сила притяжения убывает. Это означает, что часы, поднятые на высоту, скажем, 100 м, будут идти быстрее тех, которые остались внизу.

Этот эффект был проверен в 1925 году, правда, не на Земле, а для «белого карлика» – спутника Сириуса (белый карлик – звезда гигантской плотности, обладающая мощным гравитационным полем). Так как около белого карлика время течёт медленнее, изменяется частота испускаемого им излучения. Сравнение результатов измерений с теоретическим расчётом изменения частоты излучения продемонстрировало справедливость теории.

В 1956 году был обнаружен эффект Мёссбауэра, который позволил проверить этот результат на Земле. Учёные смогли сравнить ход атомных часов на поверхности Земли с ходом часов, поднятых на высоту 15 м; разность их хода хорошо согласовывалась с расчётами по теории Эйнштейна.

Так же как можно объяснить отклонение луча света, проходящего около Солнца, проделав несложный мысленный эксперимент, легко показать, почему замедляется время. Согласно принципу эквивалентности, в ускоренно движущемся лифте создаётся гравитационное поле. Предположим, что есть два лифта, имеющих разное ускорение, и в каждом из них установлены часы. Пусть находящиеся в лифте наблюдатели поддерживают друг с другом связь при помощи световых сигналов – каждую секунду из того лифта, который движется быстрее, посылается импульс света. Легко заметить, что из-за разницы в ускорениях во втором лифте сигналы будут приниматься реже, чем раз в секунду, а отсюда следует вывод, что время в первом лифте идёт медленнее.

Внимательный читатель, наверное, заметил погрешность в нашем мысленном эксперименте. Мы уже видели, что гравитационное поле слабеет по мере подъёма, поэтому в лифте, покоящемся на Земле, сила тяжести больше у пола, чем у потолка, а вот гравитационное поле, создаваемое при ускоренном движении, везде одинаково. Это означает, что точное совпадение обеих сил возможно только в том случае, если лифт очень мал (полное соответствие наступает, когда размеры лифта бесконечно малы).

Недавно были проведены новые точные эксперименты по проверке теории Эйнштейна. В 1971 году сотрудник Вашингтонской морской обсерватории Ричард Китинг и Джозеф Хейфил из Университета Вашингтона в Сент-Луисе поставили часы в пассажирский самолёт, который облетел Землю сначала с востока на запад, а потом с запада на восток. При этом наблюдались два эффекта, связанные со временем, – его замедление, вызванное движением самолёта, и ускорение, связанное с уменьшением притяжения. При полёте на восток часы отстали в среднем на 59 нс (наносекунда – миллиардная доля секунды) по сравнению с предсказанным значением 49 нс, а при полёте на запад спешили на 273 нс (предсказание теории – 275 нс). В ходе аналогичного эксперимента, проведённого в 1976 году, самолёт летал кругами в районе Чесапикского залива. И вновь теория Эйнштейна была подтверждена в пределах погрешностей эксперимента.

Итогом всех этих и других подобных проверок стало практически всеобщее признание теории Эйнштейна. В Солнечной системе и всюду, где гравитационные силы малы, она даёт те же результаты, что и теория Ньютона, но в мощном гравитационном поле, например в окрестности чёрной дыры (это объект со столь сильным гравитационным полем, что даже свет не может его преодолеть), ньютонова теория отказывает и нужно пользоваться общей теорией относительности.

Благодаря своей теории Эйнштейн прославился; пожалуй, он стал самым знаменитым учёным на свете – один из немногих, кого по фотографии узнает каждый. Несмотря на все оказывавшиеся ему почести, Эйнштейн до самой смерти, последовавшей в 1955 году, оставался скромным и непритязательным человеком. Известность его смущала, но он терпеливо её сносил, позировал фотографам, художникам и скульпторам. Позировать приходилось так часто, что на вопрос, чем он занимается, Эйнштейн однажды ответил: «Я натурщик».

При разработке своей теории Эйнштейн столкнулся со сложными математическими уравнениями. Нет сомнений, что успеха он добился благодаря способности полностью сосредоточиваться на одной проблеме. А задачи, которые ему приходилось решать, были совсем не похожи на те, с которыми сталкиваешься в повседневной жизни или даже в университетском курсе. Биограф Эйнштейна Карл Зелиг рассказал в своей книге об одном случае, показывающем, как искажённо понимали некоторые люди его работу.

Как-то на приёме Эйнштейн оказался за одним столом с восемнадцатилетней американкой. Разговор не клеился; девушка спросила: «А кто вы по профессии?» «Я занимаюсь физикой», – ответил убелённый сединами учёный. «Вы хотите сказать, что до сих пор изучаете физику? – поразилась его собеседница. – Я с ней разделалась ещё год назад».

По многим высказываниям Эйнштейна можно проследить склад его ума, желание понять, как устроена природа, неустанное стремление исследовать её. Вот что он писал: «Когда я не занят конкретной задачей, я люблю вспоминать, как доказываются теоремы в математике и формулируются физические теории, которые я давно знаю. Делаю я это просто так, чтобы предаться сладостному занятию – подумать».

Однажды, затруднившись ответить на вопрос, какова скорость звука, Эйнштейн заметил: «Я стараюсь не забивать голову цифрами, которые можно найти в любом справочнике». В другой раз он сказал: «Я без конца думаю и считаю в надежде разгадать сокровенные тайны природы».

А на вопрос, что заставляет его так долго и упорно трудиться, он ответил: «Почему мы чертовски серьёзно относимся к своей работе – вот загадка! Для чего всё это? Для себя? Но жизнь так коротка! Для потомков?.. Нет, всё-таки это загадка».

Предельное искривление

Как ни странно, Эйнштейн так и не нашёл решения своих уравнений. Он показал, что в пределе они сводятся к уравнениям Ньютона, сделал на их основе ряд предсказаний, но так и не смог их решить. И всё же через несколько месяцев после опубликования теории решения были найдены.

Зимой 1915-1916 годов, когда первая мировая война была в самом разгаре, о теории Эйнштейна узнал немецкий астроном Карл Шварцшильд. Против ожидания, познакомился он с теорией не в университете и не в тиши своего кабинета. Несмотря на академическое звание и возраст (ему было за сорок), он пошёл на войну добровольцем и был отправлен на русский фронт. Не прошло и нескольких месяцев, как его подкосила редкая болезнь, и с работой Эйнштейна он познакомился на смертном одре. Несмотря на болезнь, ему удалось найти решение для сферического распределения масс, которое он послал Эйнштейну.

Эйнштейна удивило и обрадовало то, что его уравнения были решены так быстро. На очередном заседании Прусской академии наук он доложил результаты Шварцшильда. То, что решение найдено, радовало Эйнштейна, хотя сам характер этого решения его беспокоил. Получалось, что при достаточно высокой концентрации масс происходит нечто странное – пространство искривляется так сильно, что вся область внутри поверхности определённого радиуса оказывается отрезанной от остальной Вселенной. Эйнштейну это не нравилось, и он много лет безуспешно пытался доказать, что в реальном мире такая возможность физически не реализуется.

Гораздо позже, подробно анализируя эту предельную искривлённость пространства, Эйнштейн обнаружил нечто ещё более странное – по мере приближения к веществу большой плотности пространство изгибается всё сильнее и становится похоже на бутылочное горлышко или воронку. Эта воронка не заканчивается на веществе; из уравнений следует, что по другую сторону имеется её зеркальное отражение. По сути, получается что-то вроде туннеля в пространстве, который сначала сужается, а потом начинает расширяться. Эйнштейн задался вопросом: куда ведёт этот туннель (или, как он его называл, «пространственно-временной мостик»)? Он пришёл к выводу, что мостик может вести только в «Другую Вселенную», хотя непонятно, что это такое. Полученный результат не понравился Эйнштейну, ведь из него следовало, что кто-то может попасть в туннель с одной стороны и появиться в «другой Вселенной». К его облегчению, дальнейшие расчёты показали, что для прохождения сквозь туннель потребуются скорости, большие световой, что согласно специальной теории относительности невозможно.