Книга Пространство - это вопрос времени. Эйнштейн. Теория относительности - Давид Бланко Ласерна

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.

Эйнштейн не одобрял идеи о непрерывном электромагнитном поле Максвелла и об определенной форме материи, состоящей из атомов и молекул. Непрерывное против дискретного – эти явления никак не соответствовали друг другу.

Если можно было бы рассмотреть электромагнитные волны сквозь квантовую линзу, мы бы увидели бесконечное множество частиц, подобно тому, как фотография при приближении на экране компьютера распадается на тысячи пикселей.

В течение долгого времени научное сообщество тактично игнорировало эту гипотезу. Когда в 1913 году кандидатура Эйнштейна была выдвинута для включения в Прусскую академию наук, Нернст и Планк в своем рекомендательном письме расхваливали ученого, однако отмечали, что иногда он «слишком далеко заходит в своих предположениях, как, например, в гипотезе о кванте света». Основная проблема, как и в случае с относительностью, состояла в том, что многие из догадок Эйнштейна пока было невозможно доказать экспериментальным путем.

Несмотря на общий скепсис, Эйнштейн, как обычно, стоял на своем. В 1916 году он сформулировал идею, которую вынашивал почти десятилетие: обмен энергией происходит в форме образования частиц, обладающих моментом силы (векторной величиной, равной массе тела, умноженной на его скорость).

То есть кванты света, или фотоны, вели себя как снаряды энергии. Спустя семь лет эта гипотеза была подтверждена в лаборатории Артура Комптона (1892-1962).

Однако под влиянием работ Бора, Гейзенберга и Борна Эйнштейн практически без перехода поменял позицию со слишком смелой на слишком консервативную.

В случае черных дыр мы увидели, как с помощью спектрального анализа можно определить элементарный состав излучающего тела. Атомные спектры предлагали бесценный инструментарий анализа для физиков, позволяющий формулировать сложные вопросы. Например, чем заряжен каждый заряд? Какова его структура? Методом проб и ошибок швейцарец Иоганн Бальмер описал с помощью простой формулы известный к тому времени спектр атомов водорода, однако так и не смог объяснить ее теоретические основы.