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.

---

Первый шаг на длинном пути к устранению данного противоречия и обобщению теории относительности был сделан в патентном бюро, где Эйнштейн сидел, погрузившись в собственные мысли. Годы спустя он вспоминал идею, позволившую ему распространить свою теорию на гравитационные взаимодействия: «В свободном падении человек не чувствует собственного веса».

Поставьте себя на место провалившейся в кроличью нору Алисы, падению которой ничто не в силах помешать. Так как вы падаете под действием силы тяжести, скорость движения будет равномерно увеличиваться. Ускорение точно совпадает с гравитационным притяжением, и в результате ваше падение будет ощущаться как не требующее усилий — вы не почувствуете, что вас что-то подталкивает или тянет, хотя такое падение, без сомнения, внушит вам ужас, ведь вы мчитесь сквозь пространство. А теперь представьте, что вместе с вами падает ряд предметов: книга, чашка чая, белый кролик, пребывающий в такой же панике, как и вы. Движение всех этих объектов также будет равноускоренным, компенсируя силу тяжести. В результате они начнут парить вокруг вас в процессе вашего совместного падения. Если поставить эксперимент и попытаться определить движение этих объектов относительно вас и измерить силу тяжести, это ничего не даст. Вы будете чувствовать себя невесомым, невесомыми будут выглядеть и падающие вместе с вами объекты. Все это указывает на наличие тесной взаимосвязи между ускоренным движением и силой тяжести — в данном случае одно полностью компенсирует другое.

Возможно, свободное падение — излишне радикальный эксперимент. Слишком много отвлекающих факторов: в ушах свистит воздух, а мысль о том, что рано или поздно вы достигнете дна, мешает ясности мышления. Проделаем более простые и куда более спокойные действия. Представьте, что вы вошли в лифт на первом этаже высотного дома. В первые несколько секунд подъема, пока лифт ускоряется, вы чувствуете, что стали немного тяжелее. И наоборот, представьте движение в лифте вниз с последнего этажа. В первый момент, пока он набирает скорость, вы ощутите легкость. Разумеется, после достижения максимальной скорости перемещения ваш вес меняться уже не будет. Но ускорение и замедление лифта сдвигают ваше восприятие собственного веса, а значит, и силы тяжести. Другими словами, ощущение силы тяжести зависит от того, разгоняетесь вы или тормозите.

В тот день 1907 года, когда Эйнштейн представил себе падающего человека, он понял, что между силой тяжести и ускорением существует тесная связь, которая и послужит ключом к двери, открывающей гравитационным взаимодействиям путь в его теорию относительности. Если отредактировать принцип относительности таким образом, чтобы сделать законы физики инвариантными по отношению не только к системам отсчета, движущимся с постоянной скоростью, но и к ускоряющимся или замедляющимся системам, он позволит добавить к комбинации механики и электродинамики еще и гравитационные взаимодействия. Полной уверенности в правильности выбранного пути не было, но именно это гениальное озарение стало первым шагом на пути к универсальной теории относительности.

Под давлением немецкого редактора Эйнштейн написал обзор «О принципе относительности и вытекающих из него следствиях». Туда он включил раздел, описывающий, что произойдет, если подправить принцип с учетом гравитационных взаимодействий. Вкратце были отмечены некоторые следствия, например то, что наличие гравитации меняет скорость света и заставляет часы двигаться медленнее. Обобщенный принцип относительности позволял объяснить даже дрейфующую орбиту Меркурия. Все эти перечисленные в конце статьи эффекты можно было использовать для проверки высказанной идеи, но их следовало проработать более тщательно и подробно. Все это могло подождать. И на несколько лет Эйнштейн оставил свою теорию.

К концу 1907 года великолепная безвестность Эйнштейна завершается. Медленно; но верно опубликованные в 1905 году работы начинают привлекать к себе внимание. Начинают приходить письма от выдающихся физиков с просьбами прислать копии статей и с обсуждениями выдвинутых Эйнштейном идей. Взволнованный всем этим Эйнштейн говорит друзьям: «Мои работы получили большое признание и дают мне стимул к дальнейшим исследованиям». Один из его поклонников съязвил: «Должен признаться; я был поражен, прочитав, что вам приходилось по восемь часов высиживать в офисе. Но история полна дурными шутками!» Жизнь Эйнштейна нельзя назвать плохой. Работа в Берне позволила ему создать семью с Милевой. В 1904 году у них родился сын Ганс Альберт. График работы в патентном бюро позволял Эйнштейну проводить время дома, мастеря игрушки для ребенка, хотя он уже был готов ворваться в научный мир.

В 1908 году Эйнштейн наконец получает возможность читать факультатив в университете Берна. Он счел преподавание ужасно обременительным и как лектор заработал ужасную репутацию. Тем не менее в 1909 году его пригласили на должность экстраординарного профессора в университет Цюриха. Там он оставался чуть больше года. Уже в 1911 году он получает предложение возглавить кафедру в Немецком университете в Праге. На этот раз преподавательская деятельность не вошла в его обязанности. Без этого груза ум Эйнштейна вернулся в то состояние, которое владело им в упорядоченной и изолированной атмосфере патентного бюро. Он снова мог размышлять над тем, как сделать теорию относительности более универсальной.

Глава 2. Самое ценное открытие

Однажды Альберт Эйнштейн признался своему другу и коллеге Отто Штерну: «Занимаясь расчетами, ты попадаешь впросак, прежде чем успеваешь это осознать». Это вовсе не означает, что он недостаточно хорошо знал математику. Он прекрасно успевал по этому предмету во время учебы и без проблем мог изложить свои идеи на бумаге. В его работах соблюдался совершенный баланс между физическими обоснованиями и их представлением в математической форме. Но сделанные в 1907 году расчеты обобщенной теории в плане математики оказались не совсем удачными — один из цюрихских профессоров сказал, что работа Эйнштейна является «математически громоздкой». На математику Эйнштейн посматривал свысока, называя ее «избыточным умственным багажом», и иронизировал: «С тех пор как на теорию относительности обрушилась математика, я перестал ее понимать». Но в 1911 году, пересматривая концепции из своего обзора, Эйнштейн понял, что развить их дальше поможет именно математика.

Рассматривая свой принцип относительности, он в очередной раз подумал про свет. Представьте, что вы находитесь в летящем вдалеке от планет и звезд космическом корабле. Луч далекой звезды проникает внутрь через маленький иллюминатор справа, пересекает корабль и через аналогичное окошко слева выходит наружу. Бели космический корабль неподвижен, траектория движения луча не изменится, входить и выходить свет будет под прямым углом. А вот при очень быстром перемещении с постоянной скоростью к моменту, когда луч достигнет противоположной стены, корабль сместится вперед, и выход луча наружу произойдет уже через окно, расположенное дальше по борту. Со своей точки наблюдения вы увидите луч, вошедший под непрямым углом и прошедший через внутрикорабельное пространство по прямой. Совсем другая картина нарисуется при ускорении: световой луч опишет дугу и выйдет наружу где-то в задней части корабля.

Вот тут нам и пригодится озарение Эйнштейна о природе силы тяжести. Мы испытываем одинаковые ощущения в движущемся с ускорением корабле и в корабле, стоящем на месте, когда на нас действует земное тяготение. Эйнштейн понял, что на простейшем уровне ускорение неотличимо от силы тяжести. Человек, сидящий в покоящемся на поверхности планеты корабле, и человек в корабле, движущемся с ускорением, увидят одно и то же: луч света, изогнутый под действием силы тяжести. Другими словами, Эйнштейн понял, что гравитация, как линза, отклоняет световые лучи.

Однако выявить такое отклонение можно только при очень сильном гравитационном притяжении — одной планетой тут не обойтись. Эйнштейн предложил простую проверку с применением более массивного объекта: нужно было измерить отклонение луча далекой звезды в момент его прохождения рядом с Солнцем. Угловые позиции далеких звезд должны слегка измениться в момент прохождения перед ними Солнца — примерно на одну четырехтысячную градуса. Существовавшие в то время телескопы уже давали возможность регистрировать такие почти незаметные отклонения. Эксперимент следовало проводить во время полного солнечного затмения, чтобы слишком яркий солнечный свет не помешал зафиксировать положение звезд.

Эйнштейн нашел способ проверить обоснованность своих новых идей, но до завершения теории было еще далеко. Он все еще занимался импровизациями на тему посетившего его в патентном бюро озарения — человека в свободном полете. На преподавательскую деятельность тратить время уже не приходилось, и можно было предаться мысленным экспериментам и тщательному обдумыванию теории, но счастливым Эйнштейн себя не ощущал. Непосредственно перед прибытием в Прагу родился его второй сын Эдуард, и жена чувствовала себя несчастной и одинокой, лишившись окружения, к которому она привыкла в Цюрихе. Поэтому в 1912 году Эйнштейн ухватился за возможность вернуться в этот город, став профессором своей родной Швейцарской технической школы.