Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

• Название: Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
• Автор: Митио Каку
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-9614-4066-9

Описывая жизнь Альберта Эйнштейна, Митио Каку погружает нас в бурлящую атмосферу первой половины XX в. – две мировые войны, революция в Германии, создание атомной бомбы. Он показывает читателю невидимый обычно за триумфальной стороной открытий и озарений мир ученого – этапы становления, баталии в научном мире, зачастую непростые отношения с близкими. В книге представлен свежий взгляд на новаторскую деятельность Эйнштейна, перевернувшего представления человечества о пространстве и времени. Автор книги, Митио Каку, – всемирно известный физик и популяризатор науки. Его умение доносить научные знания до самого широкого читателя сродни великому Эйнштейну, любившему повторять, что новая теория никуда не годится, если не базируется на зримом образе, достаточно простом, чтобы понять его мог даже ребенок. В своей книге Митио Каку не только удается увлекательно рассказать о жизни великого гения, но и дать четкое представление об открытиях Альберта Эйнштейна даже тем, кто далек от науки.

---

Одну серию экспериментов, указавших на фатальную слабость ньютоновой картины мира, провели в 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли, решившие измерить с максимально возможной точностью свойства пресловутого невидимого эфира. Они рассуждали так: Земля движется в море эфира, обдуваемая «эфирным ветром», поэтому скорость света, по идее, должна меняться в зависимости от направления движения Земли.

Представьте себе, к примеру, ситуацию, когда ветер попутный. Если вы движетесь в том же направлении, в каком дует ветер, то вы чувствуете, как ветер подталкивает вас сзади. С попутным ветром вы движетесь быстрее – ваша скорость возрастает на скорость ветра. Если вы движетесь навстречу ветру, ваше движение замедляется, скорость снижается на скорость ветра. Аналогично если вы движетесь поперек ветра, под прямым углом к нему, то вас сносит в сторону со скоростью ветра. Главное, что ваша скорость изменяется в зависимости от того, в каком направлении вы движетесь по отношению к ветру.

Майкельсон и Морли разработали хитроумный эксперимент: луч света расщеплялся на два отдельных луча, которые затем направлялись в разные стороны под прямым углом друг к другу. Зеркала отражали оба эти луча и направляли их обратно к источнику, где они вновь смешивались и интерферировали между собой. Весь аппарат был помещен на подушку из жидкой ртути и мог свободно вращаться; он был настолько чувствителен, что легко регистрировал движение проезжающих мимо конных экипажей.

Согласно теории эфира, два луча в описанной ситуации должны были бы двигаться с разными скоростями. Если один из них, к примеру, двигался в направлении, попутном движению Земли в эфирном океане, то другой – под прямым углом к эфирному ветру. Тогда после возвращения к источнику лучи должны были различаться по фазе[3].

Однако Майкельсон и Морли, к собственному изумлению, обнаружили, что скорость света оставалась идентичной во всех случаях, вне зависимости от того, в каком направлении они направляли интерферометр. Такой результат сильно их встревожил, поскольку означал, что никакого эфирного ветра не существует, а скорость света никогда не меняется.

Это поставило физиков перед выбором из двух равно неприятных вариантов. Один состоял в том, что Земля совершенно неподвижна относительно эфира. Этот вариант, казалось, нарушал все, что было известно из астрономии начиная с Коперника, который обнаружил, что Земля не занимает во Вселенной никакого особого положения. Второй вариант состоял в том, чтобы отказаться от теории эфира и ньютоновой механики вместе с ней.

Для спасения теории эфира были предприняты героические усилия. Ближе всего к решению этой головоломки подошли голландский физик Хендрик Лоренц и ирландский физик Джордж Фицджеральд. Они рассуждали так: Земля в своем движении в эфире физически сжимается эфирным ветром, так что все линейки и измерители в эксперименте Майкельсона – Морли также были сжаты. Эфир, уже и без того обладавший чуть ли не волшебными свойствами – невидимостью, несжимаемостью, необычайной плотностью и т. д., обрел еще одно: проходя сквозь атомы, он мог механически сжимать их. Это удобно объяснило бы отрицательный результат эксперимента. В такой картине скорость света менялась на самом деле, но измерить это было невозможно, потому что всякий раз, когда вы пытались воспользоваться для этого линейкой, под воздействием эфира менялась не только скорость света, но и длина линейки, причем в том же направлении и в точно такой же степени.

Лоренц и Фицджеральд независимо друг от друга вычислили степень сжатия, получив то, что сегодня называется «сокращением Лоренца – Фицджеральда». Ни тому, ни другому результат этот не особенно понравился; это была просто «заплатка», способ заделать дыру в ньютоновой механике, но сверх этого они ничего не могли сделать. Большинству физиков, надо отметить, сжатие Лоренца – Фицджеральда тоже не понравилось, поскольку имело отчетливый привкус ad hoc, то есть решением, специально подобранным для конкретного случая и призванным укрепить шатающийся бастион эфирной теории. Эйнштейну же идея эфира с его почти волшебными свойствами казалась искусственной и надуманной.

Когда-то Коперник разрушил геоцентрическую Солнечную систему Птолемея, которая требовала, чтобы движение планет представляло собой чрезвычайно сложную комбинацию круговых движений одновременно по малой – «эпициклу» и большой – «деференту» окружностям. Воспользовавшись бритвой Оккама, Коперник срезал верхушки эпициклов, нужных для латания дыр в системе Птолемея, и поместил Солнце в центр Солнечной системы.

Подобно Копернику, Эйнштейн применил бритву Оккама, чтобы срезать и удалить многочисленные претензии эфирной теории. Он воспользовался детским рисунком.

Глава 3 Специальная теория относительности и «год чудес»

Заинтригованный критикой Маха теории Ньютона, Эйнштейн вернулся к образу, который преследовал его с 16 лет, – к полету рядом со световым лучом. Он вспомнил забавный, но важный факт, который открыл для себя во время учебы в Политехникуме: в теории Максвелла скорость света оставалась неизменной и не зависела от того, как ее измеряли. Много лет он ломал голову над тем, как такое вообще может быть, поскольку в ньютоновом «мире здравого смысла» любой движущийся объект можно догнать.

Опять представьте себе полицейского в погоне за автомобилем-нарушителем. Полицейский знает, что если поедет достаточно быстро, то сможет его догнать. Всякий, кого хоть раз штрафовали за превышение скорости, это знает. Но, если мы заменим несущийся автомобиль световым лучом и поместим рядом наблюдателя, который будет видеть всю картину со стороны, тот увидит, что полицейский едет чуть позади светового луча и движется почти так же быстро, как свет. Мы уверены: полицейский знает, что едет практически вровень со световым лучом. Однако позже, встретившись с ним, мы слышим странный рассказ. Он утверждает, что не двигался почти рядом с лучом, как мы только что видели; световой луч, по его словам, унесся прочь и оставил его глотать пыль. Полицейский рассказывает, что, как бы он ни газовал и какую бы мощность ни выжимал из своего движка, луч удалялся от него и уносился прочь со все той же, совершенно одинаковой скоростью. Мало того, он клянется, что не мог даже чуть-чуть приблизиться к световому лучу. Как бы быстро он ни двигался, световой луч все равно уходил от него со скоростью света, как будто сам он стоял на месте, а не несся в полицейском автомобиле на громадной скорости.

Вы начинаете убеждать его в том, что видели, как он летел почти вровень со световым лучом и лишь чуть-чуть его не догнал; он говорит, что вы сошли с ума: ему не удалось даже приблизиться. Для Эйнштейна именно этот момент представлял главную, мучительную загадку: как так может быть, чтобы два человека видели одно и то же событие настолько по-разному? Если скорость света и правда представляет собой природную константу, то как может наблюдатель утверждать, что полицейский шел почти вровень с лучом света, а сам полицейский – клясться, что не сумел даже приблизиться к нему?

Эйнштейн давно понял, что картина по Ньютону (где скорости можно складывать и вычитать) и картина по Максвеллу (где скорость света постоянна) полностью противоречат одна другой. Теория Ньютона – самодостаточная система, основанная на нескольких допущениях. Если хотя бы одно из этих допущений нарушается, вся теория расползается, как может распуститься свитер от одной упущенной нити. Фантазии Эйнштейна о полете вместе с лучом света суждено было стать для ньютоновой теории именно такой упущенной нитью.

Однажды в мае 1905 г. Эйнштейн отправился к своему доброму другу Микеле Бессо, который тоже работал в патентном бюро, и изложил ему в общих чертах вопрос, мучивший его чуть ли не десять лет. Используя Бессо как любимого собеседника для проверки своих идей, Эйнштейн изложил суть дела: механика Ньютона и уравнения Максвелла – два столпа физики – несовместимы между собой. Неверно либо одно, либо другое. Какая бы теория ни оказалась верной, для окончательного разрешения вопроса потребуется полная реорганизация всей физики. Эйнштейн вновь и вновь разбирал парадокс погони за световым лучом. Позже он вспоминал: «В этом парадоксе уже присутствовал зародыш специальной теории относительности». Друзья проговорили несколько часов, подробно обсуждая каждый аспект проблемы, включая и ньютонову концепцию абсолютного пространства и времени, которая на первый взгляд противоречила неизменности скорости света по Максвеллу. В конце концов Эйнштейн, совершенно измотанный, объявил, что признает свое поражение и сдается и что больше не будет размышлять над этим вопросом. Все бесполезно; у него ничего не получилось.