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.

---

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.

Кембридж относится к заведениям высшего эшелона, поэтому Эддингтон сразу оказался в компании гениальных ученых. Там был открывший электрон Джозеф Джон Томпсон, а также Альфред Норт Уайтхед и Бертран Рассел, соавторы «Принципов математики», ставших настоящей библией для специалистов в области логики. Со временем к ним присоединились Эрнест Резерфорд, Ральф Фаулер, Поль Дирак — все сливки физического общества XX века. Эддингтон хорошо вписался в коллектив. Проведя несколько лет в Гринвичской обсерватории в Лондоне, он вернулся в Кембридж. В тридцать один год он уже был назначен на престижную должность профессора астрономии и экспериментальной философии (Plumian Professor of Astronomy and Experimental Philosophy) в Кембридже. Также он получил должность директора расположенной на окраине Кембриджской обсерватории. Рядом с ней он и поселился вместе с матерью и сестрой, чтобы стать со временем ведущим специалистом по астрономии в Великобритании. Он проживет там до конца своих дней, принимая участие в жизни колледжа с ее официальными ужинами и степенными дискуссиями, регулярно посещая Королевское астрономическое общество для Демонстрации достигнутых результатов, а для проведения измерений и наблюдений за небом периодически путешествуя в отдаленные уголки мира.

Именно в одной из таких поездок Эддингтон узнал о новых взглядах Эйнштейна на природу силы тяжести. Предложенная концепция изгибающихся лучей уже привлекла внимание ряда астрономов, которые попытались провести измерения. Экспедиции отправились в разные страны — в Америку, Россию и Бразилию, — чтобы захватить нужный момент солнечного затмения и зафиксировать небольшое отклонение света далеких звезд. В Бразилии в процессе наблюдения за затмением Эддингтон встретил одного из таких астрономов, американца Чарльза Перрайна, и был крайне заинтригован его действиями. Поэтому после возвращения в Кембридж он решил познакомиться с идеями Эйнштейна.

После начала Первой мировой войны Эйнштейн был одним из немногих, кто выступал против волны фанатичного национализма, захватившей не только страну, но и его коллег. Ситуация приводила его в отчаяние. В издании The Observatory, которое было рупором британских астрономов, появился ряд недоброжелательных статей, призывающих к прекращению сотрудничества с немецкими учеными. Как кратко сформулировал профессор Оксфордского университета Герберт Тернер: «Можно снова принять Германию в международное сообщество, ослабив нормы международного права, или исключить ее, ужесточив эти нормы. Третьего варианта не существует». Ненависть ко всему немецкому была столь сильной, что предложение подать в отставку получил имеющий немецкие корни президент Королевского астрономического общества. На время войны были заморожены все контакты британских ученых с немецкими коллегами.

Эддингтон думал и вел себя по-другому. Будучи религиозным человеком, он горячо протестовал против войны. Вокруг активно насаждалось неприязненное отношение к немецкой интеллигенции, но он имел особое мнение. «Подумайте не о символической Германии, а о вашем бывшем друге, например профессоре X, — обращался он к коллегам, — назовите его дикарем, грабителем, убийцей детей и попробуйте ощутить ярость. У вас ничего не получится из этой нелепой затеи». Эддингтон не только высказывался в пользу немцев, он отказывался отправляться на фронт и вступать в бой. После того как некоторые его коллеги были отправлены на фронт и пали смертью храбрых, он стал агитировать против войны. Его «национальная важность» — для нации он был важнее в качестве астронома, чем в качестве пехотинца, — позволила ему прибрести нескольких друзей.

В Берлине, в окружении военной истерии, Эйнштейн в одиночку работал над окончательной версией своей теории. Все выглядело корректно, но для правильного оформления требовались дополнительные математические выкладки. И он отправляется в Геттингенский университет, впоследствии ставший «математической Меккой», для встречи с Давидом Гильбертом. Гильберт был колоссом, правившим миром математиков. Он преобразовал существующий подход, пытаясь сложить устойчивое формальное основание, на котором можно было бы строить все остальное. В математике не было места несогласованности. Все следовало выводить из базового набора принципов в соответствии с общепринятыми формальными правилами. Математически точные вещи считались истинными только при условии доказательства в соответствии с этими правилами. Позднее этот подход стали называть «программой Гильберта».

Гильберт собрал вокруг себя наиболее значимых математиков мира. Один из его коллег, Герман Минковский, показал Эйнштейну, как при помощи знаний, которые Эйнштейн еще несколько лет назад пренебрежительно называл «избыточным умственным багажом», записать специальную теорию относительности более элегантным математическим языком. Ученики и ассистенты Гильберта, такие как Герман Вейль, Джон фон Нейман и Эрнст Цермело, стали ведущими математиками XX века. У Гильберта и его группы в Геттингене были большие планы: они хотели провести аксиоматизацию физики, как это было сделано с математикой. Работу Эйнштейна Гильберт считал неотъемлемой частью своего проекта.

Во время короткого визита в Геттинген в июне 1915 года Эйнштейн читал лекции, а Гильберт делал заметки. Они бесконечно дискутировали по поводу отдельных деталей. Физика была сильной стороной Эйнштейна, математика — сильной стороной Гильберта. Но вперед они не продвинулись ни на йоту. По-прежнему с подозрением относящийся к математике и не очень разбирающийся в римановой геометрии Эйнштейн не смог до конца понять излагаемые Гильбертом технические детали.

После завершения этого казавшегося бесплодным визита Эйнштейн начал сомневаться в своей новой теории относительности. Он уже был осведомлен, что универсальной она не является: когда в 1913 году они с Гроссманом завершили работу над статьями, стало ясно, что закон всемирного тяготения в выдвинутую концепцию не вписывается. Ошибочными оказались и некоторые прогнозы. К примеру, теория предсказывала отклонение орбиты Меркурия в соответствии со сделанными почти пятьдесят лет назад наблюдениями Леверье, но практика показала, что Эйнштейн ошибся в два раза. Ему пришлось снова пересматривать свое уравнение.

Через три недели Эйнштейн решил отказаться от нового закона всемирного тяготения, который они разработали вместе с Гроссманом и который не подчинялся общему принципу относительности. Ему был нужен другой закон всемирного тяготения, который подобно остальным физическим законам был бы справедливым во всех системах отсчета. Кроме того, он хотел воспользоваться новой римановой геометрией, которой его научил Гроссман. Каждые несколько дней он вносил поправки в уже сделанную работу по формулировке закона, убирая часть допущений и одновременно вводя другие. Постепенно он избавлялся от некоторых мешавших ему продвигаться вперед физических предрассудков, все глубже и глубже погружаясь в новую для него математику. Он понял, что с верно служившей на протяжении его головокружительной карьеры физической интуицией следует быть осторожным, не давая ей заслонять более общую картину, вырисовывающуюся при помощи математики.

К концу ноября, наконец, стало ясно, что работа закончена. Эйнштейн сформулировал общий закон всемирного тяготения, согласующийся с общей теорией относительности. В пределах Солнечной системы этот закон хорошо описывался классической теорией тяготения Ньютона, как это, собственно, и должно было быть. Более того, он точно предсказывал установленную Леверье прецессию перигелия Меркурия. В соответствии с этой теорией искривление лучей света, проходящих рядом с тяжелым объектом, должно быть еще больше — в два раза больше величины, предсказанной при первом обдумывании теории в Праге.

Готовая общая теория относительности Эйнштейна предлагала совершенно новый подход к пониманию физики, заменивший господствовавший в течение веков подход Ньютона. Теория предлагала набор уравнений, которые впоследствии стали называть «уравнениями Эйнштейна». Хотя лежащая в их основе идея, связывающая уравнения Гаусса и Римана с силой тяжести, была красивой, или, как выразились бы физики, «элегантной», подробные уравнения производили впечатление полного хаоса. Фактически это был набор из десяти уравнений для десяти функций геометрии пространства и времени, нелинейных и переплетенных между собой таким образом, что решить отдельное уравнение было попросту невозможно — решались они только вместе. При лобовом подходе такая перспектива пугала. Тем не менее эта система уравнений обещала очень много, так как ее решение позволяло предсказывать протекание происходящих в окружающем мире процессов, от полета пули и падающего с дерева яблока до движения планет в Солнечной системе. Казалось, что решение уравнений Эйнштейна дало ключ к секретам Вселенной.