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.

---

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.

25 ноября 1915 года Эйнштейн представил свои уравнения Прусской академии наук в виде небольшой трехстраничной работы. Его версия закона всемирного тяготения радикально отличалась от всех предлагавшихся ранее. По сути, Эйнштейн утверждал, что явление, которое мы называем силой тяжести, — не что иное, как движение объектов в геометрии пространства-времени. Массивные объекты влияют на эту геометрию, искривляя пространство и время. Эйнштейн наконец получил действительно общую теорию относительности. Но по этой дороге он шел не в одиночку. Обдумывая геттингенские лекции Эйнштейна, Гильберт предпринял собственную попытку описания гравитационных взаимодействий. И независимо от Эйнштейна пришел к тем же самым гравитационным законам. 20 ноября, за пять дней до выступления Эйнштейна в Берлинской академии, он представил свои результаты в Королевском научном обществе в Геттингене. В итоге создалось впечатление, что Гильберт опередил Эйнштейна.

Несколько недель после доклада отношения Гильберта и Эйнштейна были крайне напряженными. В письмах к Эйнштейну Гильберт утверждал, что не помнит ничего из лекций, в которых Эйнштейн рассказывал про свои попытки построения уравнений гравитации, и к Рождеству Эйнштейн согласился с тем, что в данном случае речь о нечестной игре не шла. Письмо Гильберту Эйнштейн начал с фразы «у нас произошла размолвка», но он смирился с происшедшим настолько, что написал: «Я вновь думаю о вас с ничем не замутненным дружеским чувством…» Они и в самом деле остались друзьями и коллегами, так как Гильберт больше никогда не заявлял о правах на фундаментальный труд Эйнштейна. И до самой своей смерти называл полученные ими обоими уравнения «уравнениями Эйнштейна».

Работа Эйнштейна шла к завершению. Постепенно поддаваясь силе математики, он смог получить окончательные версии уравнений. С этого момента математика стала его проводником наряду с мысленными экспериментами. Эйнштейна потрясла математическая красота готовой теории. Про уравнения он говорил как про «наиболее ценное открытие в моей жизни».

От своего друга, голландского астронома Виллема де Ситтера, Эддингтон получал оттиски статей из Праги, затем из Цюриха и, наконец, из Берлина. Его крайне заинтриговал совершенно новый подход к рассмотрению гравитации в рамках сложного математического языка. Он был астрономом, и его обязанности сводились к измерениям и наблюдениям с последующими попытками интерпретации результатов, тем не менее он был готов приступить к изучению использовавшейся Эйнштейном для описания своей теории римановой геометрии. Игра явно стоила свеч, ведь Эйнштейн сделал ряд достаточно четких прогнозов, позволяющих проверить его теорию практикой. Идеальной возможностью подобной проверки явилось ожидаемое 29 мая 1919 года солнечное затмение, и было очевидно, что команду наблюдателей возглавит именно Эддингтон.

Существовала, однако, одна, но крайне серьезная проблема. Европу охватил пожар войны, Эддингтон был пацифистом, а Эйнштейн состоял в сговоре с врагом. По крайней мере, коллеги Эддингтона пытались склонить его к этому мнению. В 1918 году военный конфликт достиг своего апогея, возрос риск полного поглощения англичан и французов немецкой армией, что привело к новой волне мобилизации. Эддингтона призвали на фронт, но у него были совсем другие планы.

Став горячим сторонником новой теории гравитационных взаимодействий, Эддингтон столкнулся с неприязнью коллег. В попытке откреститься от немецкой науки как от не имеющей ценности один из них заявил: «Мы пытались думать, что чрезмерные и неправомерные притязания Германии обусловлены временным помутнением на почве недавнего экономического роста. Но подобные примеры заставляют задуматься, не может ли печальная истина иметь более глубокие причины». И несмотря на то что королевский астроном Фрэнк Дайсон поддерживал назначение Эддингтона главой экспедиции, за отказ отправляться на фронт его хотели отправить в тюрьму. Для рассмотрения взглядов Эддингтона в Кембридже был созван правительственный трибунал. В процессе слушания враждебность по отношению к Эддингтону нарастала. В освобождении было бы отказано, если бы не вмешательство Фрэнка Дайсона. Он объявил, что Эддингтон является ключевой для экспедиции фигурой, кроме того, «в сложившихся условиях наблюдать за затмением будет крайне немногочисленная группа. Профессор Эддингтон имеет исключительную квалификацию в подобных наблюдениях, и я надеюсь, что суд даст ему разрешение взяться за эту задачу». Затмение заинтересовало суд, и Эддингтона освободили в связи с «государственной необходимостью». Увлечение теорией Эйнштейна спасло его от отправки на фронт.

Эта теория предсказывала отклонение света далеких звезд при прохождении рядом с массивным телом, например с Солнцем. Эксперимент Эддингтона сводился к наблюдению за звездным скоплением Гиады два раза в год. Сначала предполагалось аккуратно измерить положение звезд в Гиадах ясной ночью, когда ничто не мешает наблюдениям и ничто не влияет на лучи света. Затем эксперимент требовалось повторить с Солнцем на переднем плане. Эту операцию следовало проделать во время полного солнечного затмения, когда практически весь яркий свет Солнца блокируется Луной. 29 мая 1919 года Гиады находились справа от Солнца, что создавало прекрасные условия для измерений. Сравнение результатов двух экспериментов — с Солнцем и без него — должно было показать, возникает ли отклонение. И если бы оно оказалось равным примерно одной четырехтысячной градуса, или 1,7 угловой секунды, правота теории Эйнштейна была бы доказана. Вот такая простая и понятная задача.

Но на самом деле все было далеко не так просто. Те немногочисленные места, откуда можно было наблюдать полное затмение, находились далеко друг от друга. Для установки оборудования астрономам приходилось отправляться в дальние путешествия. Эддингтон вместе с Эдвардом Коттингемом из Гринвичской обсерватории начали работу на острове Принсипи. Резервная команда из двух астрономов, Эндрю Кром-мелина и Чарльза Девидсона, отправилась в деревушку Собраль, расположенную в сердце северо-восточного региона Бразилии — бедной пыльной области недалеко от экватора.

Принсипи представляет собой маленький остров в Гвинейском заливе. Это португальская колония, известная своим какао. Покрытый пышной растительностью остров в жарком, влажном, сдобренном тропическими штормами климате разделен на несколько больших плантаций, или, как их называют, rogas, появившихся там, где португальские землевладельцы использовали труд местных жителей для обработки земли. В течение десятилетий британской корпорацией Cadbury отсюда поставлялись какао-бобы. В начале XX века обвиненные в использовании рабского труда плантации потеряли свои контракты, что разрушило экономику острова. На момент прибытия туда Эддингтона остров был практически предан забвению.

Эддингтон установил аппаратуру в удаленном уголке Roca Sundy, где она находилась под присмотром землевладельца. Коротая время за игрой в теннис на единственном корте острова, он ждал дня затмения, молясь, чтобы работе не помешали раз за разом повторяющиеся ливни и серое небо. Коттингем подготовил телескоп, надеясь, что тепло не приведет к искажению изображений.

В утро затмения шел сильный дождь, небо было совершенно серым, но менее чем за час до наступления завершающей фазы стало светлеть. Увидеть Солнце Эддингтону и Коттингему удалось, когда затмение уже шло полным ходом. К 14:15 небо полностью очистилось, что позволило провести измерения — было получено шестнадцать фотопластин со снимками Солнца, на заднем плане которого проглядывало скопление Гиады. К концу затмения на небе не было ни облачка. Эддингтон телеграфировал Фрэнку Дайсону: «Через облака. Надеюсь».