Уравнение Бога. В поисках теории всего: читать начало книги онлайн

Рис. 6. Тяжелое ядро, положенное на батут, оттягивает его вниз. Небольшой шарик катится, огибая образовавшуюся вмятину. Издали кажется, что какая-то сила, источником которой является ядро, удерживает шарик и заставляет его двигаться вокруг ядра. На самом деле шарик движется по орбите вокруг ядра, потому что поверхность батута искривлена. Точно так же гравитация Солнца искривляет свет далеких звезд, и это можно заметить при помощи телескопов во время солнечного затмения

Кроме того, возьмите муравьев, которые ползут по смятому листу бумаги. Они не могут двигаться по нему по прямой. Возможно, они чувствуют, что их непрерывно тянет какая-то сила. Но нам, когда мы глядим на них сверху, видно, что никакой такой силы нет. Это и есть озарение, которое легло в основу того, что Эйнштейн назвал общей теорией относительности: большие массы искажают пространство-время, порождая иллюзию действия гравитационной силы.

Это означает, что общая теория относительности – гораздо более мощный и симметричный инструмент, чем специальная теория относительности, поскольку она описывает гравитацию, действующую на все без исключения объекты в пространстве-времени. Специальная теория относительности описывает только объекты, которые равномерно движутся в пространстве и времени по прямой. Но в нашей Вселенной практически все испытывает ускорение. Мы видим, что все вокруг – от гоночных автомобилей до вертолетов и ракет – движется неравномерно. Общая теория относительности работает с ускорениями, которые непрерывно меняются в каждой точке пространства-времени.

Любая теория, какой бы красивой она ни была, должна выдержать экспериментальную проверку. Поэтому Эйнштейн определил для себя ряд возможных экспериментов. Первым из них стала странная орбита Меркурия. Рассчитывая движение этой планеты, астрономы обнаружили небольшую аномалию. Вместо движения по идеальному эллипсу, как предсказывали уравнения Ньютона, он слегка смещался, выписывая своеобразные лепестки.

Чтобы защитить законы Ньютона, астрономы решили, что внутри орбиты Меркурия существует новая планета, которую назвали Вулкан. Они утверждали, что гравитация Вулкана действует на Меркурий, вызывая его аберрации. Ранее мы видели, что именно такая стратегия позволила астрономам открыть планету Нептун. Но обнаружить какие бы то ни было эмпирические свидетельства существования Вулкана никак не удавалось.

Эйнштейн, заново рассчитав при помощи собственной теории гравитации перигелий Меркурия (точку максимального приближения планеты к Солнцу), обнаружил небольшое отклонение от законов Ньютона. Он был вне себя от счастья, когда выяснилось, что данные наблюдений совпадают с его расчетами. Он вычислил, что необъяснимое с точки зрения Ньютоновой теории гравитации смещение орбиты Меркурия должно составлять 42,9 угловой секунды за столетие, что хорошо укладывалось в рамки экспериментальных результатов. Позже он с теплотой вспоминал: «Несколько дней я был вне себя от радости. Сбылись мои самые смелые мечты»[18].

Кроме того, Эйнштейн понял, что, согласно его теории, Солнце должно отклонять свет.

Он понимал, что Солнце обладает достаточно мощной гравитацией, чтобы искривлять ход света звезд, расположенных рядом на небе. Поскольку эти звезды можно увидеть только во время солнечного затмения, Эйнштейн предложил направить экспедицию для наблюдения затмения 1919 года с целью проверки его теории. (Астрономам надлежало сделать две фотографии ночного неба – одну при отсутствии Солнца, а другую во время солнечного затмения. Сравнение этих двух снимков должно было показать, что положение звезд во время затмения смещено из-за гравитации Солнца.) Эйнштейн был убежден, что наблюдения подтвердят его теорию. Когда его спросили, что он подумал бы, если бы эксперимент опроверг его теорию, он ответил: подумал бы, что Бог, должно быть, ошибся. Эйнштейн был уверен в своей правоте, поскольку, как он писал коллегам, его теория отличалась великолепной математической красотой и симметрией.

В конечном итоге астроном Артур Эддингтон осуществил этот феноменальный эксперимент, и его результаты замечательно совпали с предсказанием Эйнштейна. (Сегодня искривление света под действием гравитации регулярно используется астрономами в практической работе. Проходя вблизи далекой галактики, звездный свет искривляется, как будто в линзе. Это явление называют гравитационной линзой, или линзой Эйнштейна.)

В 1921 г. Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Вскоре он стал одним из самых знаменитых людей на планете, обогнав по известности большинство кинозвезд и политиков. (В 1933 г. он появился вместе с Чарли Чаплином на одной кинопремьере. Обеих знаменитостей окружили охотники за автографами, и Эйнштейн спросил у Чаплина: «Что все это значит?» Чаплин ответил: «Ничего, абсолютно ничего». А затем добавил: «Меня приветствуют, потому что каждый меня понимает. Вас приветствуют, потому что вас не понимает никто».)

Конечно, теория, которая ниспровергала Ньютонову физику, господствовавшую 250 лет, неизбежно должна была вызвать яростную критику. Одним из скептиков, возглавивших нападки, стал профессор Колумбийского университета Чарльз Лейн Пур. Прочитав о теории относительности, он фыркнул: «Я чувствую себя так, будто бродил с Алисой по Стране чудес и пил чай с Безумным Шляпником»[19].

Но Планк всегда готов был ободрить Эйнштейна. Он писал: «Новая научная истина берет верх не за счет того, что убеждает оппонентов в своей правоте и заставляет их увидеть свет, но, скорее, за счет того, что оппоненты эти со временем вымирают и вырастает новое поколение, изначально знакомое с ней»[20].

На протяжении десятилетий нападки на теорию относительности случались неоднократно, но всякий раз теория Эйнштейна успешно проходила проверку. Мало того, как мы увидим в следующих главах, теория относительности Эйнштейна преобразила всю физику, произвела настоящую революцию в наших представлениях о Вселенной, ее происхождении и эволюции и кардинально изменила наш образ жизни.

Одним из подтверждений теории Эйнштейна является функция глобального позиционирования в вашем сотовом телефоне. В систему геолокации GPS входит 31 спутник на околоземных орбитах. В любой момент ваш сотовый телефон может получать сигналы от трех таких спутников. Все три спутника движутся по разным траекториям и находятся по отношению к вам под разными углами. Затем процессор телефона анализирует полученные с трех спутников данные и методом триангуляции определяет ваши точные координаты.

Система GPS настолько точна, что при вычислениях приходится принимать во внимание крохотные поправки, обусловленные как специальной, так и общей теорией относительности.

Поскольку спутники движутся со скоростью около 27 500 км/ч, часы на них идут чуть медленнее, чем на Земле, согласно специальной теории относительности, которая гласит, что при высоких скоростях время замедляется – это явление демонстрируется в мысленном эксперименте Эйнштейна с попыткой обогнать луч света. Но, поскольку гравитация тем слабее, чем больше вы удаляетесь в открытое пространство, время на самом деле чуть ускоряется согласно общей теории относительности, которая гласит, что гравитация искривляет пространство-время – чем слабее гравитационное притяжение, тем быстрее идет время. Это означает, что специальная и общая теории относительности работают в противоположных направлениях: согласно специальной теории относительности, сигналы замедляются, а согласно общей теории относительности – ускоряются. Ваш сотовый телефон учитывает оба эффекта и сообщает, где в точности вы находитесь. Так что без согласованной работы специальной и общей теорий относительности вы заблудились бы.

Эйнштейна объявили новым Ньютоном, но на самом деле как личности Эйнштейн и Ньютон были полными противоположностями. Ньютон был склонным к одиночеству и необщительным до асоциальности. У него не было близких друзей, и он совсем не умел вести простые бытовые разговоры.

Физик Джереми Бернштейн однажды сказал: «Каждый, кому доводилось достаточно долго общаться с Эйнштейном, уходил от него с ошеломляющим ощущением благородства этого человека. Когда о нем думаешь, в голову вновь и вновь приходит эпитет "человечность" как символ простоты и привлекательности его характера»[21].

Но при этом Ньютон и Эйнштейн обладали рядом общих качеств. Первым из них была способность сосредоточиться и собрать в кулак громадную энергию мысли. Ньютон, размышляя над какой-то задачей, мог забывать про еду и сон. Он мог запнуться посреди разговора и начать что-то писать на том, что подвернется под руку, бывало даже на салфетке или на стене. Так же и Эйнштейн мог сосредоточенно работать над задачей на протяжении нескольких лет или даже десятилетий. Во время работы над общей теорией относительности он был близок к нервному срыву.

Еще одним общим для них качеством была способность визуализировать задачу в рисунках. Ньютон мог написать «Начала» исключительно с использованием алгебраических символов, но он вместо этого наполнил свой шедевр геометрическими схемами. Применять интегральное и дифференциальное исчисление с использованием абстрактных символов относительно просто, а заменить его треугольниками и квадратами под силу только мастеру. Так же и в теории Эйнштейна много схем с поездами, мерными рейками и часами.

В конечном итоге Эйнштейн создал две важнейшие теории. Первая – это специальная теория относительности, которая описывает свойства световых лучей и пространства-времени и вводит понятие симметрии, основанной на вращении в четырех измерениях. Вторая – общая теория относительности, которая представляет природу гравитации как искривление пространства-времени.

Но после двух этих монументальных достижений Эйнштейн попытался добиться третьего, еще более монументального. Он жаждал создать теорию, которая объединила бы все взаимодействия Вселенной в одном уравнении. Он хотел воспользоваться языком теории поля для создания уравнения, в котором сочетались бы теория электричества и магнетизма Максвелла и его собственная теория гравитации. Несколько десятилетий он бился над объединением этих двух теорий и потерпел неудачу. (На самом деле первым объединить гравитацию с электромагнетизмом предложил Майкл Фарадей. Он, бывало, приходил на Лондонский мост и бросал с него магниты, надеясь обнаружить какое-то измеримое влияние гравитации на магнит, но ничего не нашел.)

Одной из причин, по которым Эйнштейну не удалось добиться цели, было то, что в 1920-е гг. в наших представлениях об окружающем мире зияла громадная дыра. Потребовалась совершенно новая теория – квантовая, чтобы физики осознали наконец, что в головоломке не хватает по крайней мере одной детали: ядерного взаимодействия.

Но Эйнштейн, будучи одним из основателей квантовой теории, стал, как ни парадоксально, величайшим ее противником. Он без устали обрушивал на квантовую теорию град критики. За прошедшие десятилетия эта теория выдержала все мыслимые экспериментальные испытания и привнесла в нашу жизнь множество чудесных электрических устройств, которые мы теперь встречаем повсюду и дома, и на рабочих местах. Однако, как мы увидим, глубокие и тонкие философские возражения Эйнштейна против квантовой теории находят отклик даже сейчас.

3

Квантовый восход

Пока Эйнштейн в одиночку работал над новой всеобъемлющей теорией, которая вобрала бы в себя как пространство и время, так и вещество и энергию, параллельно в физике шли исследования, призванные ответить на старый как мир вопрос: из чего состоит вещество? Результатом стало создание следующей великой физической теории – квантовой.

Ньютон, завершив работу над теорией всемирного тяготения, взялся за алхимические эксперименты в попытке понять природу вещества. Высказываются предположения, что приступы депрессии у Ньютона были обусловлены его экспериментами с ртутью – известно, что это вещество ядовито и вызывает неврологические расстройства. Однако о фундаментальных свойствах вещества тогда мало что было известно, и работы первых алхимиков практически ничего не внесли в заполнение этого пробела: слишком уж много времени и энергии они тратили на попытки превращения свинца в золото.

Потребовалось несколько столетий, чтобы постепенно раскрыть тайны строения вещества. К началу XIX века химики стали находить и выделять основные элементы природы – химические элементы, которые невозможно было разложить на что-то еще более простое. Если поразительных успехов в физике в этот период добивались в первую очередь математики, то прорывные открытия в химии по-прежнему были результатом долгих часов утомительной работы в лаборатории.

В 1869 г. Дмитрию Менделееву во сне пришла идея о том, как упорядочить все элементы природы. Проснувшись, он начал сводить известные элементы в регулярную таблицу, показывая при этом, что в их свойствах наблюдаются периодические закономерности. Из хаоса химических веществ и реакций вдруг явились порядок и предсказуемость. Все 60 или около того известных элементов легко встраивались в эту простую таблицу, но в ней оставались пробелы, и Менделеев смог предсказать свойства недостающих элементов. Когда эти элементы, в соответствии с предсказанием, были реально обнаружены в лаборатории, авторитет Менделеева невероятно вырос.

[18] Fölsing, Albert Einstein, 374.

[19] Denis Brian, Einstein (New York: Wiley, 1996), 102.

[20] Johann Ambrosius and Barth Verlag (Leipzig, 1948), p. 22, in Scientific Autobiography and other papers.

[21] Jeremy Bernstein, "Secrets of the Old One – II", New Yorker, March 17, 1973, 60.