Сборник - Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной

• Название: Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной
• Автор: Сборник
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-17-110828-1

Откуда мы знаем, как зародилась и развивалась Вселенная? Как появилась теория, определившая современные представления о пространстве и времени? Как понять концепцию относительности? Можно ли найти в черных дырах другие вселенные? Почему темная энергия «толкается»? В этой книге собраны лучшие статьи ведущих авторов журнала New Scientist. Здесь вы найдете описание современной физической картины мира и интервью с самыми известными физиками, в которых они ответят на самые неожиданные вопросы.

---

Среди критиков теории Эйнштейна выделялся Эрнст Герке (1878–1960), физик, работавший в Имперском техническом институте в Берлине. Подобно многим экспериментаторам, он чувствовал себя некомфортно перед лицом теории, которая изменяла фундаментальные основы пространства и времени. В 1921 году он заявил, что отказ от идеи абсолютного времени угрожает базовому представлению о причинно-следственных связях. Вначале его возражения прозвучали со страниц научных журналов. Но после того, как ключевое предсказание общей теории относительности было подтверждено во время солнечного затмения 1919 года (см. главу 1) и об Эйнштейне заговорили во всех средствах массовой информации, дебаты приобрели характер широкого общественного обсуждения.

Полемика, развернувшаяся в Германии, приобрела особый размах в 1920 году, когда в зале Берлинской филармонии прошла серия публичных выступлений, посвященных развенчанию теории Эйнштейна. Среди прочих лекций следует отметить доклад Герке, который повторил свои аргументы, довольно безуспешно выдвигавшиеся уже несколько лет, а также эмоциональную речь немецкого ученого Пола Вейланда (1888–1972), активиста-антисемита, который и организовал слушания. Происходящие события заставили Эйнштейна задуматься об эмиграции из Германии.

Герке находился в контакте с широким кругом оппонентов Эйнштейна, от астрономов и философов до школьных учителей, включая лауреатов Нобелевской премии, физиков Йоханнеса Штарка и Филиппа Ленарда. Была создана организация под названием Академия наций, которая своим титулом и официальными документами пыталась создать о себе впечатление полноценной академии наук. А фактически она объединяла вокруг себя международную сеть противников Эйнштейна. Ее основателем был некто Арвид Рейтердаль (1876–1933), американский ученый шведского происхождения, декан факультета машиностроения и архитектуры в Университете святого Томаса в Сан-Пауло (штат Миннесота, США).

Обеспокоенная тем, что наука становится узкоспециализированной, Академия наций поставила своей целью воссоединить различные отрасли знания путем интеграции научных открытий и придать им оттенок религиозного толкования окружающего мира. Для Рейтердаля ничто лучше не символизировало современную специализацию и непостижимость науки, чем теория относительности. Почти половина всей деятельности Академии наций сводилась к полемике с теорией Эйнштейна. Клеветническая кампания, которой дирижировала эта якобы почтенная научная академия, показывает, что Эйнштейн имел дело с непримиримыми противниками.

«Безумная причуда»

Американская секция Академии включала некоторых действительно выдающихся ученых, таких как астроном Томас Си (1866–1962) из Военно-морской обсерватории США в Мар-Айленде (штат Калифорния). В начале 1920-х годов он опубликовал несколько статей, в которых обвинял Эйнштейна в плагиате и называл его теорию «безумной причудой».

Рейтердаль стремился наладить контакты с оппонентами Эйнштейна во всем мире, и в 1921 году он обратился к Герке с идеей организовать немецкое отделение Академии. Первыми «рекрутами» Герке были немецкие физики, утверждавшие, что нет никакой необходимости в теории относительности, поскольку классическая физика может объяснить результаты всех астрономических наблюдений. Философы, инженеры и врачи также объединились против Эйнштейна; к ним примкнул даже генерал-лейтенант в отставке.

Почему же возникло это противостояние между дилетантами и учеными? Определяющей причиной было то, что оппоненты Эйнштейна были действительно обеспокоены будущим науки. Все усложняющийся математический аппарат теоретической физики противоречил той точке зрения, что наука должна быть простой механикой, понятной образованному неспециалисту. Теория относительности была угрозой, это была теория, которую могут понять «только 12 мудрецов», как заявил Эйнштейн на страницах New York Times в 1919 году (рис. 2.6). Казалась, возрастающая роль новейшей математики разъединяет физику и реальность.

Кроме того, 1920-е годы были нестабильными для Германии, с гиперинфляцией, политическими потрясениями, радикальными изменениями в культуре, такими как дадаизм и экспрессионизм. В этом непостоянном мире люди хотя бы в науке пытались найти твердую почву, на которую можно опереться.

Некоторые оппоненты нападали на Эйнштейна как на личность – демократа, пацифиста, еврея. Другие обращались к антисемитским теориям заговора. Рейтердаль писал в 1923 году: «Наша беда заключается в том, что все научные журналы в Америке закрыты для антирелятивистов и подвержены еврейскому влиянию. Ежедневная пресса почти полностью находится под контролем евреев».

Рис. 2.6. Заголовки в New York Times, сообщающие о подтверждении общей теории относительности Эйнштейна в результате наблюдения полного солнечного затмения на острове Принсипи в 1919 году (см. главу 1)

К середине 20-х годов XX столетия противники теории относительности начали получать повсеместный отпор, и большинство из них уже не осмеливались публично нападать на теорию относительности. Многие попросту отказались от борьбы, и Академия наций перестала выполнять свою функцию центрального организатора кампании против Эйнштейна. Хотя и по сей день встречаются люди, которые высказываются против теории относительности. На сайте Консервапедия (Conservapedia) написано, что теорию относительности «активно поддерживают либералы». Там же можно найти 32 причины, по которым эта теория неверна. Но сейчас, по крайней мере, не так много людей науки поддерживают антирелятивизм, и это течение гораздо менее распространено, чем в 1920-е годы. Вряд ли сегодня вы встретите официанта, желающего подискутировать о справедливости теории относительности.

Куда могут завести рассуждения об искривлении пространства-времени?

Этот вопрос сродни тому, над которым космологи ломают голову вот уже сто лет. Только они формулируют его немного иначе: «Если пространство расширяется, то во что оно расширится?» Краткий ответ заключается в следующем: оно не должно расширяться ни во что.

Для того чтобы понять, как расширяется пространство, мы часто пользуемся двумерной аналогией. Например, если надувать воздушный шарик, отдельные точки на его поверхности будут удаляться друг от друга. Двумерная поверхность шарика служит аналогом наших трех измерений в пространстве. Конечно, мы видим, что шарик расширяется в другое измерение. Но если бы мы находились внутри, мы по-прежнему могли бы получать сведения о двумерной поверхности и о том, как она искривляется. Мы могли бы изучать свойства отдельных точек на поверхности и то, как ведут себя искривленные линии и углы по мере расширения шарика. По этим данным можно сделать вывод, насколько поверхность шарика отличается от плоского листа бумаги, не задумываясь о более высоких размерностях.

Здесь мы сталкиваемся с тем, что называется внутренней кривизной поверхности шарика. Подобным образом, изменения в пространстве-времени, вызванные массивными телами или гравитационными волнами, можно описать с помощью внутренней кривизны пространства-времени. Для этого нам нужны только три измерения в пространстве и одно во времени.

Однако, хотя более высокие измерения и не являются необходимыми, они вполне могут существовать. Некоторые умозрительные физические теории рассматривают Вселенную как искривленную мембрану (для краткости – «брану»), которая плавает в пространстве большего количества измерений.

Глава 3 Черные дыры

За последние сто лет черные дыры превратились из сомнительной выдумки в объекты, играющие центральную роль в нашем понимании мира. Что же они собой представляют и что происходит, когда они начинают поглощать вещество?

Искривленное пространство-время

Зимой 1915–1916 года физик Карл Шварцшильд (1873–1916) служил в рядах немецкой армии и оказался на русском фронте. Оттуда он направил несколько своих работ Альберту Эйнштейну. Шварцшильд предложил первое решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна и показал, что происходит с пространством-временем внутри и вне массивного объекта. В данном случае он рассмотрел полностью сферическую невращающуюся звезду. Это открытие потрясло Эйнштейна.

Он не был бы так восторжен, если бы знал, какое предсказание последует в конце концов из работы Шварцшильда. Сделайте звезду очень массивной или плотной, и она создаст такое сильное гравитационное поле и так искривит пространство-время, что даже свет не сможет вырваться из ее объятий.

Спустя всего несколько месяцев после переписки с Эйнштейном Шварцшильд скончался. И разбираться с деталями курьезных объектов, известных как сингулярности Шварцшильда, пришлось другим ученым. Главным из них был молодой индийский физик по имени Субраманьян Чандрасекар (1910–1995). В 1930 году он сел на корабль, направлявшийся в Соединенное Королевство, где получил стипендию для обучения в Кембриджском университете. Коротая время в 18-дневном путешествии, он изучал свойства звезд, называемых белыми карликами. Он обнаружил, что, если бы эти звезды имели массу, превосходящую солнечную более чем в 1,4 раза, они бы схлопнулись под действием собственной гравитации и образовали бы сингулярность Шварцшильда.