Тибо Дамур - Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн

• Название: Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн
• Автор: Тибо Дамур
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-9614-2389-1

Как зарождалась теория относительности? Как повлияли революционные идеи Эйнштейна на представления о пространстве и времени, на науку и технику? Каково их место и значение в сегодняшней науке? Книга дает читателю возможность проникнуть в мир Эйнштейна, разделить те особые моменты, когда ему удавалось приподнимать краешек большой завесы, постигая скрытые механизмы Вселенной. Автор шаг за шагом скрупулезно, но занимательно и доступно рассказывает об истоках и формировании идей Эйнштейна, показывает их борьбу с устоявшимися представлениями, непростой путь внедрения этих идей в головы физиков и философов и значение для нашего времени.

---

Парадокс близнецов наглядно иллюстрирует тот факт, что теория относительности Эйнштейна переворачивает общее понятие независимого времени, в котором проистекает эволюция Вселенной. Этот концептуальный переворот поразил в апреле 1911 г. философов по всему миру, когда Ланжевен выступил с докладом об «Эволюции пространства и времени» на Международном конгрессе философии в Болонье, где он представил свой пример путешественника, отправленного в снаряде с большой скоростью. В 1920 г. широкую общественность в мире глубоко заинтриговало появление в газетах информации об Эйнштейне и его революционных теориях пространства и времени. Удивительно, что сегодня, через столетие после выхода в свет основополагающей работы Эйнштейна, этот концептуальный переворот практически не замечается. В современных научно-популярных статьях, касающихся определенных следствий теорий Эйнштейна, таких как Большой взрыв или черные дыры, на самом деле предлагается зачастую классическое понятие универсального времени. Таким образом, революционные концепции Эйнштейна, не найдя общего понимания, просто игнорируются. Одной из мотиваций автора при создании этой книги стало стремление в какой-то степени вернуть этим идеям исходную яркость.

Мы продолжим обсуждение глубокого значения относительного времени Эйнштейна в следующей главе. Здесь же лишь отметим, что наблюдаемые явления, ассоциированные с «расхождением времени», предсказанным Эйнштейном, и связанные с наличием фактора k, зависящем от скорости, были проверены лишь много лет спустя. В своей знаменитой статье в июне 1905 г. Эйнштейн отмечает, что, в принципе, эффект изменения темпа времени при изменении скорости должен быть наблюдаемым на Земле, если сравнить часы (в состоянии покоя), расположенные на экваторе, и часы такой же конструкции, расположенные на полюсе. В самом деле, если мы пренебрежем притяжением{34}, то вращение Земли – подобно карусели и часы на краю этой карусели должны «идти медленнее», чем часы на ее оси. В 1907 г. Эйнштейн показал, что еще проще зафиксировать другое следствие разбалансированности времени, описанное в июне 1905 г.: частота, излучаемая атомом, движущемся перпендикулярно к линии зрения наблюдателя, ниже, чем частота аналогичного атома в состоянии покоя. В конце 1930-х гг. это следствие было установлено с высокой точностью Г. Ивесом и Г. Стилвеллом. То, что скорость выступает в роли «холодильника» для времени, было проверено в 1940-х и 1950-х гг. при изучении кажущегося увеличения срока жизни определенных элементарных частиц. В 1970-х гг. стабильность атомных часов достигла такого качества, что позволила непосредственно зафиксировать кажущееся замедление часов, путешествующих в самолетах. В настоящее время эффект расхождения показаний движущихся часов непрерывно проверяется и используется в американской системе глобального позиционирования (GPS) на основе группы спутников Земли, снабженных атомными часами и охватывающих весь земной шар. В последних двух случаях расхождение показаний, возникающее вследствие разной скорости, комбинируется с эффектом, возникающим вследствие гравитации, который мы обсудим чуть ниже. В действительности в настоящее время стабильность атомных часов, предназначенных для коммерческой продажи, настолько велика, что, без сомнения, можно было бы продемонстрировать широкой общественности парадокс близнецов, сравнив показания часов на лабораторной карусели с показаниями аналогичных часов на земле. На основании парадокса близнецов может показаться, что в результате «замедления течения времени» с увеличением скорости регулярное занятие бегом позволяет человеку оставаться моложе или, вернее, медленнее стареть по сравнению с его малоподвижными друзьями. Это верно, но, к сожалению, поскольку скорость света очень велика по сравнению со скоростью нашего бега, «выигрыш» будет весьма незначительным. Например, круглосуточный бег в течение 75 лет со скоростью марафонца позволяет «выиграть» лишь треть микросекунды!

Наконец, прокомментируем использование слова «парадокс» для определения эффекта относительного расхождения двух часов, движущихся по отношению друг к другу. На греческом paradoxos означает «вопреки общему мнению». И в самом деле, в течение многих лет «парадокс близнецов» шокировал кажущимся противоречием законам здравого смысла{35}. Многие сомневались в его реальности. Сегодня мы знаем, что этот эффект реален, и было бы правильнее изменить общепринятые представления и привести их в соответствие с новой концепцией времени. Когда это будет сделано, мы, может быть, будем в состоянии заменить термин «парадокс близнецов» на «метафору о близнецах» или «парадигму близнецов».

Бесконечное многообразие несинхронизированных времен

Подводя итог, можно сказать, что работа Эйнштейна, опубликованная в июне 1905 г., перевернула представления о времени, которые складывались веками. Как быстро понял Макс Планк, переворот всех представлений о физической реальности, произведенный теорией относительности, сопоставим «по своим масштабам и глубине» c коперниковской революцией. Планк пошел даже дальше, утверждая, что «шаг», сделанный Эйнштейном, превзошел по смелости все, что было сделано до сих пор в области умозрительного познания, и что идея возможного построения неевклидовой геометрии, например, была в сравнении просто «детской игрой».

Используя биологическую аналогию, можно сказать, что до Эйнштейна время представлялось единым космическим пульсом, сосуществующим с различными видами материи и задающим универсальный ритм развития, отмеряя секунды абсолютно одинаково и одновременно сразу во всем пространстве. После появления теории относительности в июне 1905 г. эта единая и регулярная пульсация сменилась на бесконечное множество отдельных импульсов, которые не только не синхронизированы между собой, но и для которых, как правило, все длительности секунд не совпадают друг с другом. Каким образом организована эта гигантская какофония диссонирующих пульсаций? Как осмыслить эту несогласованность всевозможных времен? Во что превращается привычное испокон веку понятие «ход времени», традиционно ассоциируемое с течением реки? Эти вопросы находят весьма простые ответы в концепции четырехмерного пространства-времени.

Глава 2 Мировая шахматная доска

Время – это ребенок, играющий в шахматы.

– Гераклит

«Время не существует!»

Париж, Франция, март – апрель 1922 г.

16:45, пятница, 31 марта, 1922 г. Латинский квартал. Плотная толпа теснится у ворот Коллеж де Франс. Вход ограничен: только обладатели пригласительных билетов или значков журналиста могут войти. Тем не менее большое количество любопытных граждан пришло, чтобы почувствовать атмосферу этого исключительного события с надеждой увидеть, хотя бы издалека, всемирно известную знаменитость, только что прибывшую в Париж. Уже несколько дней публикации нового жанра регулярно занимали первые полосы парижских газет{36}:

«Гениальный ученый-профессор Эйнштейн приедет в Париж», «Научное событие – Эйнштейн в Париже», «Приедет ли Эйнштейн в Париж?», «Эйнштейн отрицает пространство и время, но верит в демократию», «Эйнштейн и относительность – новая эра в науке», «“Время не существует”, – говорит Эйнштейн. “Но часы существуют”, – сказал месье Андре Оннора. И сегодня вечером мы их переведем», «Эйнштейн и теория относительности эпохи», «Как понять Эйнштейна: что есть время? Что есть пространство?», «Эйнштейн ожидается в Париже сегодня вечером», «Эйнштейн прибыл в полночь на Северный вокзал», «Вчера вечером немецкий физик Эйнштейн прибыл в Париж».

17 часов, 31 марта 1922 г. Зал номер 8 в Коллеж де Франс переполнен. Зал, рассчитанный на 350 мест, не может вместить всех желающих. Люди не могут пройти в зал и вынуждены стоять в дверях. Редкое явление – такое количество зрителей, теснящихся в стенах колледжа Франции. Как это было в случае знаменитых уроков философа Анри Бергсона, огромное количество людей пытались получить пригласительные билеты. Но Поль Ланжевен, профессор колледжа и организатор визита Эйнштейна, был бескомпромиссен в своем стремлении распределить большую часть пригласительных билетов среди ученых, студентов и молодых специалистов. Конечно, научная и культурная элита Франции вся здесь. Пришли физики П. Ланжевен, Ж. Беккерель, Л. Бриллюэн, Ж. Перрен; математики Э. Борель, Э. Картан, Ж. Адамар, П. Леви, П. Пенлеве; философы А. Бергсон, Л. Брюнсвик, Е. Леруа и Е. Мейерсон. Среди молодежи, приглашенной на это исключительное событие, обратим внимание на 20-летнего Альфреда Кастлера, студента Эколь Нормаль (он станет обладателем Нобелевской премии по физике в 1966 г. за открытие, связанное с понятиями, введенными Эйнштейном в 1916 г.). Тут мало женщин. Многим светским дамам, выразившим желание принять участие в этой беспрецедентной пленарной конференции, было отказано. Тем не менее, кроме Марии Кюри, выдающегося ученого и личного друга Эйнштейна (а также близкого друга Ланжевена), в зале можно заметить княгиню Эдмон де Полиньяк, урожденную Виннаретту Зингер, игравшую важную роль в культурной и научной жизни Франции как создательницу салона и благотворительницу, графиню Анри Греффюль, еще одну важную покровительницу науки и искусств, и графиню Анну де Ноай, выдающуюся поэтессу.