Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

• Название: Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности
• Автор: Педро Феррейра
• Жанр: Физика
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-496-01182-2

Каждый человек в мире слышал что-то о знаменитой теории относительности, но мало кто понимает ее сущность. А ведь теория Альберта Эйнштейна совершила переворот не только в физике, но и во всей современной науке, полностью изменила наш взгляд на мир! Революционная идея Эйнштейна об объединении времени и пространства вот уже более ста лет остается источником восторгов и разочарований, сюрпризов и гениальных озарений для самых пытливых умов.

История пути к пониманию этой всеобъемлющей теории сама по себе необыкновенна, и поэтому ее следует рассказать миру. Британский астрофизик Педро Феррейра решил повторить успех Стивена Хокинга и написал научно-популярную книгу, в которой доходчиво объясняет людям, далеким от сложных материй, что такое теория относительности и почему споры вокруг нее не утихают до сих пор.

---

Эта статья стала большой неожиданностью. Фридман ничего не обсуждал с Эйнштейном, не слушал его лекций в Прусской академии наук. Он был человеком со стороны, захваченным поднявшейся после экспедиции Эддингтона волной всеобщей эйфории. Как специалист в первую очередь в области математической физики, Фридман везде применял те же самые навыки, при помощи которых он изучал падение бомб и изменения погоды. И получил результат, вступивший в противоречие с интуитивными озарениями Эйнштейна.

Эйнштейну возможность меняющейся Вселенной представлялась абсурдной. При первом чтении работы Фридмана он отказывался признавать, что его теория может поддерживать подобные вещи. Эйнштейн загорелся идеей доказать неправоту Фридмана. Он тщательно изучил его работы и нашел, как ему показалось, фундаментальную ошибку. После ее исправления расчеты Фридмана стали показывать картину статической Вселенной, в точности в соответствии с предсказаниями Эйнштейна. И Эйнштейн поторопился опубликовать заметку, в которой утверждал, что работа Фридмана «значима» как подтверждение постоянства и неизменности Вселенной.

Заметка сильно обидела Фридмана. Он был уверен в правильности своих выкладок и в том, что Эйнштейн сам ошибся в расчетах. Он написал письмо, разъясняющее Эйнштейну его ошибку, которое заканчивалось так: «Если вы сочтете представленные здесь вычисления корректными, будьте так добры, сообщите это редакторам журнала Zeitschrift für Physik». Отправив свое послание в Берлин, Фридман надеялся на быструю реакцию Эйнштейна.

Эйнштейн мог вообще не получить это письмо. Его слава привела к бесконечной цепи семинаров и конференций, заставляя путешествовать по всему миру от Голландии и Швейцарии до Палестины и Японии и препятствуя возвращению в Берлин, где пылилось письмо Фридмана. И только случайная встреча в Лейденской обсерватории с коллегой Фридмана позволила Эйнштейну узнать о том, что в Берлине его ждет письмо. И только спустя шесть месяцев Эйнштейн опубликовал поправку к своим исправлениям статьи Фридмана, признав правомерность основных результатов и согласившись, что для Вселенной «возможны меняющиеся со временем решения». И в самом деле, в общей теории относительности развитие Вселенной вполне допустимо. Тем не менее, по мнению Эйнштейна, все сделанное Фридманом лишь показало наличие в теории Эйнштейна решений, приводящих к меняющейся Вселенной. Эйнштейн считал, что это были не более чем математически расчеты на базе его теории. И предвзято продолжал верить в статичность Вселенной.

Фридман получил известность как человек, внесший поправки в результаты великого ученого. Несмотря на наличие аспирантов, способных развить его идеи, и на то, что сам он продолжал предавать работы Эйнштейна гласности на территории Советского Союза, Фридман вернулся к метеорологии. В 1925 году в возрасте тридцати семи лет он умер от брюшного тифа, которым заразился в Крыму. На несколько лет его модель развивающейся Вселенной была позабыта.

С математикой и религией Жорж Леметр познакомился в юном возрасте. Он хорошо решал уравнения и изобретал новые красивые разгадки предлагаемых в школе математических головоломок. Поступив в иезуитский колледж в Брюсселе, он начал изучать горное дело и занимался этим до призыва на фронт в 1914 году. В момент вторжения немцев в Бельгию, когда Эйнштейн и Эддингтон вовсю агитировали за мир, Жорж Леметр воевал на передовой. Немцы разрушили город Лувен, возмутив своим поступком международное сообщество, что привело к печально известному «Манифесту девяносто трех», сильно навредившему научным связям между Англией и Германией. Леметр был образцовым солдатом, прошедшим по карьерной лестнице от простого артиллериста до офицера. Как и Александр Фридман, он применял свои способности для решения сложных задач в области баллистики. После окончания войны Леметр был награжден орденом за храбрость.

Бойня, свидетелем которой он стал на фронте, разрушительное действие газообразного хлора и окружающая жестокость оказали на него сильное влияние. После действительной военной службы Леметр не только возвращается к изучению физики и математики, но и поступает в 1920 году в семинарию Святого Румольда в Малине, а в 1923 году принимает сан священника. До конца своих дней Леметр будет очарован математикой и останется верным служителем католической Церкви, увенчав свою карьеру президентством в Папской академии наук. Священник-ученый, занявшийся решением Уравнений Вселенной.

Еще в университете Лувена Леметра привлекала общая теория относительности Эйнштейна, по которой он проводил семинары и писал небольшие обзоры. Часть 1923 года он провел в Англии, в Кембридже, в доме для католических духовных лиц, сотрудничая с Эддингтоном. Последний познакомил Леметра с основами теории относительности, предоставив место в первом ряду в разворачивающемся поиске истинной теории Вселенной. Эддингтон считал Леметра «крайне одаренным студентом, быстро схватывающим и проницательным, обладающим недюжинными математическими способностями». После переезда в 1924 году в Кембридж в штате Массачусетс Леметра в основном заботила нерешенная проблема точного моделирования Вселенной. Он углубился в нее с таким же рвением, как и в работу над своей докторской диссертацией в Массачусетском технологическом институте.

Когда в 1923 году Леметр обратился к космологии, в мире все еще рассматривались модели Эйнштейна и де Ситтера. Это были единственные математические модели, полученные из уравнений Эйнштейна, при этом они не были подтверждены никакими наблюдениями. Развивающаяся Вселенная Александра Фридмана ни на что не повлияла, так как предубеждение Эйнштейна против подобной модели имело такой вес, что никто не осмеливался ему противоречить. Поэтому в соответствии с преобладающими взглядами Вселенная оставалась статичной, хотя Эддингтона заинтересовала модель де Ситтера, в которой звезды и галактики удалялись от центра Вселенной. Де Ситтер утверждал, что одна из характеристик его Вселенной доступна для наблюдений. Удаленные объекты будут выделяться на общем фоне, так как свет от них окрасится в красный цвет.

Свет можно представить в виде набора волн с разной длиной, соответствующих различным состояниям энергии. Красному свету соответствует большая длина волны и более низкое энергетическое состояние, чем расположенному на другом конце спектра синему. Звезды, галактики и другие яркие объекты испускают набор таких волн, некоторые обладают большей энергией, чем другие. Де Ситтер обнаружил, что свет любого удаленного объекта смещается в красную сторону спектра, создавая впечатление большей длины волны й более низкой энергии, чем у аналогичных близкорасположенных объектов. Чем сильнее удален объект, тем более красным является его свечение. Поиск подобного явления в реальной Вселенной был гарантированным способом проверки жизнеспособности модели де Ситтера.

Эффект красного смещения показывал, что с моделью де Ситтера не все ясно. Вместе с Германом Вейлем, одним из геттингенских учеников Давида Гильберта, Эддингтон более подробно исследовал решение де Ситтера и обнаружил, что при распределении звезд или галактик по всему пространству-времени существует тесное линейное соотношение между красным смещением и расстоянием до звезды или галактики. Красное смещение объекта, расположенного от Земли в два раза дальше другого объекта, оказывается в два раза сильнее. Этот принцип стал известен как эффект де Ситтера.

Когда в 1924 году Леметр внимательно исследовал Вселенную де Ситтера и выводы Эддингтона и Вейля, он обнаружил в уравнениях необычную деталь. Свою теорию де Ситтер формулировал, взяв за основу статическую Вселенную со странным свойством: она обладала центром, причем для помещенного в этот центр наблюдателя существовал горизонт, за которым ничего нельзя было увидеть. Это шло вразрез с основным предположением Эйнштейна об эквивалентности всех мест во Вселенной. После того как Леметр убрал из модели горизонт и сделал все точки равноправными, оказалось, что Вселенная де Ситтера ведет себя совсем по-другому. При более простом взгляде на Вселенную, предложенном Леметром, кривизна пространства менялась со временем, а геометрия эволюционировала таким образом, что точки пространства разбегались друг от друга. Это объясняло эффект де Ситтера.

Леметр, как и Фридман за пару лет до него, столкнулся с расширяющейся Вселенной. Но в отличие от выкладок Фридмана, открытая им связь расширения Вселенной и красного смещения допускала проверку путем наблюдений.

Леметр пошел в своем анализе дальше и стал искать дополнительные решения. К его удивлению, оказалось, что статические модели, продвигаемые Эйнштейном и де Ситтером, представляли собой не просто частные случаи, а почти отклонения от теории пространства-времени Эйнштейна. Если модель де Ситтера можно было перестроить в развивающуюся Вселенную, то модель Эйнштейна страдала от нестабильности, способной быстро нарушить весь порядок. При минимальном дисбалансе между материей и космологической постоянной Вселенная Эйнштейна начинала быстро расширяться или сжиматься, уходя от так желаемого Эйнштейном равновесного состояния. Более того, оказалось, что модели Эйнштейна и де Ситтера входят в огромное семейство моделей, все из которых со временем расширяются.