Давид Ласерна - Эйнштейн. Теория относительности. Пространство – это вопрос времени.

• Название: Эйнштейн. Теория относительности. Пространство – это вопрос времени.
• Автор: Давид Ласерна
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015

Альберт Эйнштейн – один из самых известных людей прошлого века. Отгремело эхо той бурной эпохи, в которую ученому выпало жить и творить, эхо мировых войн и ядерных атак, но его гениальные открытия и сегодня не потеряли остроты: закон взаимосвязи массы и энергии, выраженный знаменитой формулой Е = mc² , поистине пионерская квантовая теория и особенно теория относительности, навсегда изменившая наши, до того столь прочные, представления о времени и пространстве.

---

« […] из-за быстрого сжатия [поверхность умирающей звезды] отдаляется от наблюдателя все с большей скоростью. Свет смещается в сторону красного спектра. За доли секунды он слабеет настолько, что мы перестаем его воспринимать… [Звезда], как Чеширский кот, исчезает из поля зрения, и остается только ее улыбка – ее гравитационное притяжение».

Мы уже знаем, что искажения пространства-времени отражают состав материи. Если сжать массу Солнца так, чтобы она уместилась в пространстве, равном примерно половине острова Манхэттен, материя достигнет плотности черной дыры. Концентрация материи в пространстве-времени доходит до таких пределов, что Шварцшильд и Эйнштейн едва ли осмеливались делать эти вычисления на полях своих записей. Однако Вселенная оказалась гораздо более необычным местом, чем ее видели патриархи релятивизма. Вблизи черной дыры время резко замедляется, а сама звезда окружена невидимой сферой, известной как горизонт событий, которая является своеобразной чертой невозврата. Провалившись под этот горизонт, наблюдатель увидит свет, запертый внутри сферы и блуждающий в ней миллиарды лет. Это словно фильм, запечатлевший историю черной дыры с самого момента ее рождения.

Черные дыры не отслеживаются ни в одном спектре, заметить их не легче, чем поймать человека-невидимку: для этого нужно опустить взгляд и обнаружить его следы на снегу. Прямых подтверждений существования черных дыр нет, однако телескопы фиксируют гравитационные смещения звезд и галактик, которые могут быть вызваны именно влиянием черных дыр. Предубеждение Эйнштейна против этих тел кажется иронией. Как отмечал Фримен Дайсон, «это единственные тела во Вселенной, которые во всей полноте и великолепии воплощают теорию относительности».

Смещение перигелия Меркурия или черные дыры показывают любопытные уголки релятивистского космоса, но не отвлекают внимание от деталей. Описывающие их уравнения можно использовать и для других областей, обозначив буквой Т всю энергию и материю Вселенной. Эйнштейн первым сделал возможной современную космологию, однако задача, с которой он столкнулся, была настолько сложной, что поначалу ученый должен был опираться на приблизительные вычисления. Первым его шагом стало предположение, что материя непрерывно делится. Он также заявил, что все направления во Вселенной равноправны и поворот системы отсчета на произвольный угол не влечет изменения результатов измерений (условия гомогенности и изотропии).

Гравитационная линза

В 1936 году Руди Мандл, инженер и страстный ученый венгерского происхождения, отметил, что гравитационное поле массивных тел искривляет направление электромагнитного излучения, воздействуя на него так же, как обычная линза влияет на световой луч. Если между звездой и Землей на одной линии поместить массивное тело, то наблюдатель на Земле заметит увеличение яркости наблюдаемой звезды. Эйнштейн предполагал подобный эффект в 1912 году, но затем отбросил эту мысль, поняв, что такое явление будет довольно трудно пронаблюдать. Спустя 20 лет, подгоняемый энтузиазмом Мандла, он повторил свои вычисления и опубликовал небольшую заметку в журнале «Наука». Вывод в последнем параграфе гласил: для расчета этого феномена не существует возможностей. В 1930-е годы так оно и было, но в 1979 году Деннис Уолш, Роберт Карсвелл и Рей Вейман впервые наблюдали в обсерватории Кит-Пик, в Аризоне, проявления гравитационной линзы. В числе оптических искажений, вносимых гравитационной линзой, могут быть дуги, ореолы, кресты, множественные изображения. На рисунке изображена гравитационная линза в виде галактики: она создает два изображения квазара.

В 1917 году вид космоса ограничивался моментальным снимком Млечного Пути. Огромное скопление звезд в пустоте. Однако при использовании снимка в вычислениях на фотографии начиналось движение. Звезды под влиянием гравитационных сил смещались со своих позиций, приближаясь друг к другу. Эйнштейн ввел в уравнение новый параметр – космологическую постоянную, которая характеризует свойства вакуума и объясняет эволюцию некоторых космологических моделей.

Физический смысл этого математического параметра оставался неясным, так как единственная цель ее введения – гарантировать пространственно-однородное статическое решение уравнений. Эйнштейн взял модель плоской Вселенной Ньютона, изогнул ее и вывернул, превратив в гиперсферу (сферу с четырьмя измерениями). Поверхность гиперсферы представляет собой безграничное пространство: наблюдатель может перемещаться в нем в любом направлении, возвращаясь каждый раз в начальную точку и никогда не сталкиваясь с границей. В нашей Вселенной трехмерное пространство замыкается, образуя подобие надутого резинового шара. Космический корабль, придерживаясь одного и того же курса, мог бы облететь всю Вселенную и вернуться в начальную точку. В 1930 году Эддингтон показал, что расширение Вселенной можно объяснить с использованием космологической постоянной. С математической точки зрения Вселенная Эйнштейна находится в таком же шатком равновесии, как и трость на носу у канатного плясуна, и малейшие изменения ее характеристик могут привести к ее расширению или сжатию.

В течение последующих десятилетий, по мере развития наблюдательных приборов астрономы осознали, что Вселенная продолжается далеко за пределами нашей галактики. В 1929 году Хаббл заметил, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она отдаляется. Это явление следует понимать не как перемещение галактики в пространстве, но как расширение самого пространства. Вернемся к аналогии с шаром: если мы будем его надувать, точка на его поверхности будет удаляться от соседних точек, хотя сама она при этом не перемещается. И этот эффект весьма схож с тем, что мы наблюдаем на небосклоне: небесные тела движутся благодаря расширению пространства.

Картина разлетающихся галактик Хаббла противоречила эйнштейновскому изображению статичной Вселенной. К счастью для ученого, в 1922 году советский физик Александр Фридман (1888-1925) показал, что в гомогенной и изотропной Вселенной возможны явления и расширения, и сжатия, при этом гравитационное притяжение должно тормозить расширение. Георгий Гамов рассказывал в своей автобиографии: «Обсуждая проблемы космологии, Эйнштейн сказал, что введение космологической постоянной могло стать главной ошибкой в его жизни». Однако космологическая постоянная удивила астрономов: в конце 1990-х годов они констатировали, что расширение Вселенной не компенсируется гравитационным притяжением и происходит все быстрее, представляя собой загадку для физиков-теоретиков.

Темная сторона света

В счастливые 1920-е годы – время, когда развивалась новая теория гравитации, – Эйнштейн стал участником открытого диспута вокруг квантовой механики. В отличие от теории относительности, квантовая механика была плодом коллективных усилий десятка физиков, что определяло ее некоторую непоследовательность. Сама природа квантовой механики противоречила всем законам классической физики.

Теорию критиковали многие авторитеты. Нильс Бор говорил: «Те, кто не испытал волнения при первом знакомстве с квантовой механикой, не способны ее понять». Шрёдингер жалел о своем участии в ее создании: «Теория мне не нравится, и мне жаль, что я имел с ней что-то общее». А Эйнштейн высказался о квантовой механике в свойственной ему афористичной манере (правда, большинство этих афоризмов были не слишком лестными): «Чем больше успеха имеет квантовая теория, тем более нелепой она кажется».

Несмотря на всех недоброжелателей, в число которых входили даже создатели теории, следует отметить необычайную решительность ее последователей, которые продолжали делать все новые открытия и проводить необычайно точные эксперименты. Немногие теории могли похвастаться, как говорил Поль Дирак, использованием «большей части физики и всей химии».

Возвращаясь к Эйнштейну, вновь вспомним спор о свете. Именно луч света участвовал в его первой вспышке вдохновения. После того как было подтверждено отклонение света при столкновении с массой Солнца, ученый стал живой легендой. Однако тема была не исчерпана, и Эйнштейн обратился к темной, квантовой стороне света. И благодаря этому были возведены два грандиозных основания физики XX века: теория относительности и квантовая механика.

Должно быть, я кажусь кем-то вроде страуса, который всегда прячет голову в песок относительности, чтобы не встречаться с проклятыми квантами.

Из письма Эйнштейна к физику Луи де Брогли

Все началось, когда Макс Планк заявил, что материя испускает и поглощает электромагнитное излучение в виде порций (квантов) энергии, причем размеры этих порций не произвольны: сама природа задавала нижнюю границу энергетического обмена. Эйнштейн пошел еще дальше, предположив, что само излучение определяло «ограниченное количество квантов энергии», даже когда оно распространялось в пространстве свободно, вдалеке от тел.