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.

---

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.

За время пребывания в Праге Эйнштейн понял, что для проверки приходящих ему в голову идей требуется язык другого типа. С одной стороны, он не хотел прибегать к заумной математике, способной затруднить понимание прекрасных физических концепций, которые он пытался собрать воедино, а с другой — через несколько недель после прибытия в Цюрих он умолял одного из своих старых друзей, математика Марселя Гроссмана: «Ты должен мне помочь, или я сойду с ума». На манеру физиков решать проблемы на скорую руку Гроссман смотрел скептически, но приложил все усилия, чтобы помочь другу.

Эйнштейн наблюдал, как движутся объекты в случае ускорения и под действием силы тяжести. Маршрут их перемещений в пространстве отличался от простых прямых линий, описывавших движение в инерциальных системах. Усложненные форма и характер этого движения требовали от Эйнштейна выхода за пределы обычной геометрии. Гроссман дал ему учебник по неевклидовой, или римановой, геометрии.

Почти за сто лет до того как Эйнштейн начал разрабатывать свой принцип относительности, в 20-х годах XIX века немецкий математик Карл Фридрих Гаусс предпринял дерзкую попытку вырваться за пределы геометрии Евклида. Евклид сформулировал правила для линий и форм на плоскости. Именно эту геометрию преподают в современных школах, и именно она утверждает, что параллельные линии никогда не пересекаются, а две прямые могут пересечься всего один раз. Мы усваиваем, что сумма углов треугольника составляет 180 градусов, а у прямоугольника четыре прямых угла. Мы изучаем и применяем целый свод правил. Мы чертим фигуры на плоских листах бумаги и досках, и эти правила служат нам верой и правдой.

А как быть, если нас попросят взять искривленный лист бумаги? К примеру, если нужно нарисовать геометрические фигуры на поверхности гладкого баскетбольного мяча? Наши простые правила сразу перестают работать. Так, две линии, под прямым углом пересекающие экватор, должны быть параллельными. Они и в самом деле параллельны, но если двигаться вдоль этих линий, выясняется, что на одном из полюсов они пересекаются. То есть пересечение параллельных линий на сфере возможно. Можно пойти еще дальше и расположить эти линии таким образом, чтобы они пересекались друг с другом под прямым углом. В результате мы получим треугольник, сумма углов которого будет равна не 180, а 270 градусов. Правило, к которому мы привыкли, снова будет нарушено.

Более того, любая поверхность сложной формы — сфера, тор, смятый лист бумаги — будет обладать собственной геометрией с собственными правилами. Гаусс выработал геометрию для поверхностей произвольного вида. Он придерживался демократических взглядов: все поверхности следовало считать тождественными и выработать для работы с ними общий набор правил. Геометрия Гаусса является крайне мощным и сложным инструментом. Дальнейшей ее разработкой в 1850 годах занялся другой немецкий математик, Бернхард Риман. Он создал столь изощренную и сложную область математики, что даже порекомендовавший Эйнштейну обратить внимание в эту сторону Гроссман счел, что Риман зашел слишком далеко, чтобы плодами его труда мог воспользоваться физик. Геометрия Римана представляла собой хаос с множеством функций, обернутых в ужасные нелинейные конструкции, но это была крайне мощная штука. Освоив ее, Эйнштейн смог бы одолеть собственную теорию.

Новая геометрия была дьявольски трудной, но зайдя в тупик при попытке обобщить свою теорию относительности, Эйнштейн был вынужден приступить к ее освоению. Это была крайне сложная задача — все равно что выучить с нуля санскрит и написать на нем роман.

К началу 1913-го, освоив новую геометрию, Эйнштейн вместе с Гроссманом работал над двумя статьями, кратко описывающими его теорию. Одному из коллег он сказал: «К своему полному удовольствию, я уяснил, что такое гравитация». Теория, сформулированная языком новой математики, с написанным Гроссманом разделом, в котором особенности римановой геометрии объяснялись потенциально неосведомленному сообществу физиков, включала в себя прогнозы, предлагавшиеся Эйнштейном ранее. Эйнштейну удалось добиться одинакового вида всех законов физики в любой системе отсчета, а не только в инерциальной. Он смог описать электромагнитные явления и законы движения Ньютона так же, как это было сделано в первой, более ограниченной версии теории относительности. Более того, у него получилось адаптировать практически все законы физики, кроме закона всемирного тяготения. Новая версия этого закона, предложенная Эйнштейном и Гроссманом, не укладывалась в последовательность, подчиняющуюся общему принципу относительности. Не помогло даже призванное подкрепить физические догадки введение новой математики. Эйнштейн все равно был убежден, что движется в правильном направлении и для завершения теории достаточно устранить мелкие шероховатости. Но он ошибался. Новый подход к теории пространства-времени знаменовался все меньшим количеством прорывов и все более частыми пробуксовками.

В 1914 году жизнь Эйнштейна наконец вошла в колею. Из Берлина ему пришло приглашение возглавить только что созданный институт физики имени кайзера Вильгельма. Это дало достойный заработок и членство в Прусской академии наук. Эйнштейн попал на вершину европейского научного сообщества и получил возможность работать в окружении таких коллег, как Макс Планк и Вальтер Нернст. При этом ему не приходилось заниматься преподавательской деятельностью. Словом, он получил идеальную работу, в тот же самый период потерпев крах в личной жизни. Семье Эйнштейна надоели его скитания по Европе, и к месту нового назначения они не поехали. Жена Милева с сыновьями осталась в Цюрихе. После пяти лет жизни врозь в 1919 году они разведутся, и Эйнштейн начнет новую жизнь и новые отношения со своей кузиной Эльзой Левенталь. Они поженятся в 1919 году и проживут вместе до смерти Эльзы в 1936-м.

Эйнштейн прибыл в Берлин в начале Первой мировой войны и сразу попал, по его выражению, в «сумасшедший дом» немецкого национализма. Безумие охватило практически всех. Его коллеги собирались на фронт или занимались разработками нового оружия, такого как ужасающий иприт. В сентябре 1914-го был опубликован поддерживающий германское правительство манифест «К культурному миру». Подписанный девяносто тремя немецкими учеными, писателями, артистами и деятелями культуры, он был направлен против дезинформации, распространяемой о Германии. По крайней мере, так думали подписанты. Манифест утверждал, что немцы не несут ответственности за разразившуюся войну. Замалчивался факт, что Германия только что вторглась в Бельгию и разрушила город Левен. Вместо этого было написано: «Неправда, что наши солдаты посягнули на жизнь хотя бы одного бельгийского гражданина и его имущество». Манифест был вызывающим и скандальным, большая его часть была неправдой.

Эйнштейна происходящее шокировало. Будучи пацифистом и интернационалистом, он вступил в борьбу, подписав контрманифест «К европейцам». В нем Эйнштейн с горсткой коллег отмежевывались от «Манифеста девяносто трех», осуждая тех, кто его подписал, и умоляя «образованных людей из всех стран» бороться с разрушительной войной. Но обращение «К европейцам» было, по большому счету, проигнорировано. Остальной мир воспринимал Эйнштейна как еще одного немецкого ученого, поддержавшего документ девяносто трех, а значит, как врага. По крайней мере, так считалось в Англии.

Англичанин Артур Эддингтон был знаменит своими долгими велосипедными прогулками. В качестве меры своей выносливости он использовал число Е. Оно обозначало максимальное число дней, в которые он проезжал больше, чем Е миль. Сомневаюсь, что мое Е превосходит 5 или 6. Я проезжал шесть миль в день не более шести раз в жизни — я знаю, что это мизерная цифра. Когда Эддингтон умер, его число Е было равно 87, то есть он предпринял восемьдесят семь индивидуальных велосипедных выездов протяженностью более восьмидесяти семи миль. Уникальная выносливость и настойчивость позволили ему достичь выдающихся результатов во всех сферах жизни.

Эйнштейну пришлось бороться за право приступить к научной карьере, а Эддингтон легко проник в сердце английских академических кругов. Продвигая собственные идеи, Эддингтон бывал высокомерным, пренебрежительным, бескомпромиссно упрямым, но одновременно это был настойчивый ученый, практически никогда не отступавший ни перед чертовски сложными астрономическими наблюдениями, ни перед запутанной новой математикой. Он родился в набожной квакерской семье и с раннего возраста отлично успевал в школе. В шестнадцать лет он отправляется в Манчестер изучать математику и физику и в конце концов оказывается в Кембридже, где получает звание самого успевающего студента года, известное как «мистер Математик». Сразу после получения степени бакалавра он становится ассистентом в Королевской обсерватории и сотрудником Тринити-колледжа в Кембридже.