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.

---

11 января 1935 года он предстал перед группой выдающихся астрономов Королевского астрономического общества в Берлингтонхаузе в Лондоне. Тщательно и скрупулезно Чандра оглашал детали своей девятнадцатистраничной статьи, которая была практически готова к публикации в журнале общества Monthly Notices. Свою речь он завершил фразой: «Звезда большой массы не может пройти через стадию белого карлика, поэтому остается строить предположения о других возможностях». Этот парадоксальный результат был представлен вызывающим всеобщее доверие языком математики и физики, поэтому его приняли всерьез. Завершение речи было встречено вежливыми аплодисментами и небольшим количеством вопросов. Дело было сделано.

Затем президент общества повернулся к Эддингтону и пригласил его на трибуну для представления работы «Релятивистское вырождение». Эддингтон вышел и произнес короткую пятнадцатиминутную речь. Он строго разобрал расчеты Чандры, дискредитирующие решение проблемы белых карликов, предложенное Фаулером. А затем бесцеремонно отбросил безупречный результат. С точки зрения Эддингтона, этот результат является «доведенной до абсурда формулой релятивистского вырождения». На самом деле он был твердо уверен, что «в дело могут вмешаться различные случайности, которые спасут звезду», и поэтому заявил: «Я думаю, что должен существовать закон природы, мешающий звезде вести себя подобным абсурдным образом!» Авторитет Эддингтона был столь высок, что большая часть аудитории немедленно отвергла аргументы Чандры. Уж если Эддингтон счел новую идею ложной, значит, она должна быть таковой.

Чандра выступил против могущественного Эддингтона и проиграл. Он подрывал разработанную Эддингтоном красивую теорию жизни и смерти звезд, и разумеется, последнему это не понравилось. Если гравитационный коллапс перекрывает все прочие воздействия, на сцену выходит странное решение Шварцшильда с множеством нетривиальных выводов. Как много лет спустя говорил сам Чандра: «Теперь ясно видно… Эддингтон понял, как из существования предельной массы вытекает наличие в природе черных дыр. Но этот вывод он не принял. Если бы он смог это сделать, то лет на сорок опередил бы всех остальных. В известном смысле это плохо».

В подавленном состоянии Чандра вернулся в Кембридж. Стычка с Эддингтоном повлияла на всю его дальнейшую жизнь. Через несколько лет его пригласили занять пост в Йеркской обсерватории в Чикаго. Он перестал работать над проблемой белых карликов и старался не думать о том, что на самом деле случается при слишком большой их массе. Происходит ли неумолимый переход к решению Шварцшильда? Или что-то мешает событиям развиваться данным способом? Ответ на эти вопросы найдет Роберт Оппенгеймер.

Дж. Роберт Оппенгеймер был порождением своего времени. Воспитанный в богатой нью-йоркской семье, в доме, по стенам которого были развешаны картины Ван Гога, он получил образование сначала в Гарварде, а затем в 1925 году перешел в Кембридж. Его гарвардский наставник писал в рекомендательном письме в Кембридж, что Оппенгеймеру «очевидно, мешает недостаток знакомства с обычным физическим экспериментом», добавив при этом: «Редко можно встретить более интересные и уверенные суждения». Пребывание Оппенгеймера в Кембридже было стихийным бедствием и долго не продлилось. После нервного срыва, во время которого он напал на одного из коллег и пытался отравить другого, Оппенгеймер решил уехать и попытать счастья в Геттингене.

Геттинген — владение Давида Гильберта — увлекался квантовой физикой, и Оппенгеймер не мог найти лучшего места для участия в новой революции. За следующие два года со своим руководителем Максом Борном он напишет ряд работ, оставивших неизгладимый след в истории квантовой физики. Приближение Борна-Оппенгеймера до сих пор изучают в университетах как часть инструментария, используемого для вычисления квантового поведения молекул. В 1927 году Оппенгеймер защитит докторскую диссертацию и через несколько лет вернется в Соединенные Щтаты, где получит должность в Калифорнийском университете в Беркли.

В Беркли Оппенгеймер основал один из маяков теоретической физики Америки 1930-х годов. Казалось, что Оппи, как его позднее стали называть, в состоянии рассуждать на любую тему, от искусства и поэзии до физики и парусного спорта. Проницательный, способный с невероятной скоростью постигать сложные концепции, он переходил от одного проекта к другому, совершая интеллектуальные набеги в новые области и быстро внося туда свой вклад, необязательно глубокий, но, без сомнения, своевременный и продуманный. Он бывал нетерпеливым, иногда жестоким, если не соглашался с оппонентом или не принимал его аргументы, но личное обаяние и энергия сделали Оппенгеймера прирожденным лидером, и он превосходно поддерживал и вдохновлял свою группу. Медленно, но верно он собрал вокруг себя кружок гениальных и полных энтузиазма студентов и исследователей, с которыми можно было заниматься решением множества обсуждаемых в Европе проблем. Заметив, что Оппенгеймер имеет привычку бормотать во время работы, Вольфганг Паули назвал его группу «nim nim boys». Беркли стал для Оппенгеймера Геттингеном, его Копенгагеном.

А затем после почти десяти лет концентрации исключительно на квантовой физике, в 1938 году Оппенгеймера заинтересовала общая теория относительности Эйнштейна. Как и Чандра, он подошел к теории с точки зрения квантов, пытаясь понять, как квантовые эффекты материи могут противостоять гравитационному сжатию пространства и времени.

Каждое лето Оппенгеймер с группой студентов и исследователей отправлялся в Южную Калифорнию и селился в Калифорнийском технологическом институте, в солнечной Пасадене. Там он мог беседовать не только с другими физиками, но и со старыми астрономами, следившими за успехами Хаббла и лично слушавшими лекции Леметра о первичном атоме. Здесь все еще верили в общую теорию относительности. Именно в Пасадене Оппенгеймер познакомился со статьей русского физика Льва Давыдовича Ландау, в которой рассматривалась гипотетическая ситуация звездных ядер, полностью состоящих из компактной массы нейтронов.

Ландау был одним из ведущих светил советской физики, гениальным ученым, выросшим во время русской революции, который воспользовался преимуществами прокатившейся по новой России волны модернизации. Как и Оппенгеймер, он некоторое время жил за границей, обучаясь в лучших лабораториях Европы, где и стал свидетелем рождения квантовой физики. В девятнадцать он уже написал статью, в которой новая физика применялась к поведению атомов и молекул. В возрасте двадцати трех лет вернувшись в Ленинград, он вызвал восхищение старших коллег и быстро вписался в советскую систему.

Обладающий талантом решать сложные и запутанные задачи при помощи квантовой физики, Ландау решил обратить внимание на новый источник энергии звезд: обнаруженные в ядре атома нейтрально заряженные частицы — нейтроны. За предыдущее десятилетие стало ясно, что добавление к ядру нейтронов или протонов, как и удаление их оттуда, приводит к выбросу изрядного количества ядерной энергии. Поэтому Ландау предположил, что если бы ядро звезд состояло из нейтронов, появилась бы возможность высвобождать достаточно энергии для свечения. Обеспечив такую же плотность нейтронов, как в ядре атома, можно было бы получить нужное топливо. Такой ядерный материал получился бы невероятно тяжелым — созданная из него чайная ложка весила бы тонны. Если атом в толще звезды упадет на ядро, он разобьется вдребезги, частично поглощенный, частично преобразованный в излучение. Согласно Ландау, за яркость звезды отвечает нейтронное ядро — именно оно заставляет Солнце светиться. Затем Ландау рассчитал размер этого ядра и определил, что для стабильности ядра его вес должен в тысячи раз превышать вес Солнца. Такие ядра могут быть спрятаны в центре звезд, выгорая и производя звездный свет.

Однако в процессе написания этой работы Ландау попал под прокатившуюся по стране волну политических репрессий. Через два месяца после публикации в журнале Nature короткой статьи «Об источниках звездной энергии», посвященной нейтронным ядрам, он был арестован НКВД. Ландау был пойман за редактированием антисталинской листовки, которую должны были распространить в Москве во время майского парада 1938 года. В листовке Сталин обвинялся в том, что «в своей бешеной ненависти к настоящему социализму он сравнился с Гитлером и Муссолини». Ландау на год был заключен в тюрьму на Лубянке, причем произошло это сразу после того, как газета «Известия» отметила его статью в Nature как гордость советской физики.

Заинтригованный лаконичностью статьи Ландау и простотой предложенной идеи, Оппенгеймер решил самостоятельно повторить все вычисления. Потребовалось сотрудничество с тремя одаренными студентами, но в конце концов он получил нужный результат. Его первым соавтором был Роберт Сервер. Совместно они тщательно проанализировали идею Ландау, согласно которой нейтронное ядро, окруженное горячими газами, можно было легко спрятать внутри Солнца, и пришли к выводу, что на самом деле всё обстоит по-другому. Свое письмо, почти такое же короткое, как и материал Ландау, Оппенгеймер и Сервер опубликовали в журнале Physical Review в октябре 1938 года, когда Ландау уже томился на Лубянке. Затем Оппенгеймер сделал следующий шаг уже с другим своим студентом, Джорджем Волковым. Они исследовали стабильность нейтронных ядер. Их статья, опубликованная в январе 1939 года, представляла собой смесь математики, использующей искусные упрощения теории Эйнштейна, проницательной физической интуиции и сложных расчетов. Они показали крайнюю нестабильность конфигурации нейтронных ядер, а значит, невозможность их использования в качестве топлива для больших звезд, что в очередной раз доказывало несостоятельность идеи Ландау.