Книга Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

Во второй половине XVIII века появились данные о странной неустойчивости орбиты Урана. По мере накопления эмпирических сведений астрономы могли все больше уточнять маршрут движения этой планеты. Предсказание орбиты Урана — задача нетривиальная. Нужно в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона рассчитать влияние на Уран других планет, корректируя орбиту то с одной, то с другой стороны и все более ее усложняя. Астрономы и математики публиковали данные о перемещениях Урана в форме таблиц, позволяющих предсказать положение планеты в любой день и год. Но предсказания необъяснимо отличались от результатов последующих наблюдений.

Французский астроном и математик Урбен Леверье имел большой опыт расчетов астрономических орбит. Именно он рассчитал траектории перемещения различных планет Солнечной системы. Сосредоточив свое внимание на Уране, он первым делом предположил, что теория Ньютона верна. Ведь с другими планетами она дала прекрасные результаты. В этом случае единственным объяснением происходящего могло быть наличие некоего неучтенного до сих пор фактора. И Леверье сделал смелый шаг, предсказав существование новой условной планеты и рассчитав ее астрономическую таблицу. К его восторгу, немецкий астроном из Берлина Готтфрид Галле направил свой телескоп в соответствии с указанными в таблице координатами и обнаружил неизвестную большую мерцавшую планету. Как выразился Галле в письме к Леверье: «Месье, планета, положение которой вы указали, действительно существует».

Леверье воспользовался теорией Ньютона глубже, чем кто-либо другой, и был вознагражден за свою дерзость. Десятилетиями Нептун называли «планетой Леверье». Марсель Пруст в цикле «В поисках утраченного времени» использовал открытие Леверье как аналогию процесса над парламентской коррупцией, а Чарльз Диккенс упомянул его при описании напряженной работы сыщиков в рассказе «Сыскная полиция». Ведь это был прекрасный пример применения фундаментальных правил научной дедукции. Греющийся в лучах славы Леверье обратил свои взоры к Меркурию. Орбита этой планеты тоже казалась странной и неожиданной.

В рамках ньютоновской механики изолированная планета должна вращаться вокруг Солнца по простой замкнутой орбите, имеющей форму сплющенного круга, то есть эллипса. Планета бесконечно следует по одной траектории, то подходя ближе к Солнцу, то удаляясь от него. Ближайшая к Солнцу точка планетарной орбиты, называемая перигелием, со временем не меняется. Орбиты некоторых планет, например Земли, представляют собой практически окружности, в то время как, к примеру, Меркурий движется по более эллиптическому контуру.

Учтя влияние всех прочих планет на орбиту Меркурия, Леверье обнаружил, что движение этой планеты не подчиняется закону всемирного тяготения; ее перигелий смещается примерно на 40 угловых секунд в столетие. (Угловой секундой называется внесистемная астрономическая единица измерения малых углов; небесный купол состоит из 1,3 миллиона угловых секунд, или 360 градусов.) Эту аномалию, известную как смещение перигелия Меркурия, Леверье не смог объяснить при помощи законов Ньютона. Присутствовало влияние дополнительного фактора.

И снова постулировав корректность законов Ньютона, Леверье в 1859 году предположил наличие недалеко от Солнца планеты Вулкан, размер которой примерно совпадал с размерами Меркурия. Это была крайне дерзкая и нелепая гипотеза. Как выразился сам Леверье: «Неужели очень яркую и расположенную недалеко от Солнца планету нельзя было заметить во время полного солнечного затмения?»

Гипотеза Леверье спровоцировала настоящую гонку за новой планетой. В течение десятилетий то и дело поступали сведения об обнаружении рядом с Солнцем некоего объекта, но при внимательном изучении информация не выдерживала критики. Поиск продолжался даже после смерти Леверье, но объяснить аномалию удалось и без помощи невидимой планеты.

Когда в 1907 году гравитационными взаимодействиями заинтересовался Эйнштейн, ему требовалось согласовать теорию Ньютона с собственным принципом относительности. В глубине души он понимал, что одновременно следует найти объяснение аномальной орбите Меркурия. Это была тяжелая задача.

Теория гравитационных взаимодействий Ньютона противоречила обоим постулатам красивого и лаконичного принципа относительности. Сила тяжести действует мгновенно. Как только два объекта оказываются рядом, между ними возникает гравитационное взаимодействие — время для его передачи от одного объекта к другому не требуется. Но как быть с тем, что в соответствии с принципом относительности ничто, никакой сигнал и никакой эффект не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость света? Фактически согласовавший механику и электромагнетизм, принцип относительности Эйнштейна не распространялся на гравитационные взаимодействия. Более того, ньютоновская гравитация по-разному выглядела в разных инерциальных системах отсчета.

Первый шаг на длинном пути к устранению данного противоречия и обобщению теории относительности был сделан в патентном бюро, где Эйнштейн сидел, погрузившись в собственные мысли. Годы спустя он вспоминал идею, позволившую ему распространить свою теорию на гравитационные взаимодействия: «В свободном падении человек не чувствует собственного веса».

Поставьте себя на место провалившейся в кроличью нору Алисы, падению которой ничто не в силах помешать. Так как вы падаете под действием силы тяжести, скорость движения будет равномерно увеличиваться. Ускорение точно совпадает с гравитационным притяжением, и в результате ваше падение будет ощущаться как не требующее усилий — вы не почувствуете, что вас что-то подталкивает или тянет, хотя такое падение, без сомнения, внушит вам ужас, ведь вы мчитесь сквозь пространство. А теперь представьте, что вместе с вами падает ряд предметов: книга, чашка чая, белый кролик, пребывающий в такой же панике, как и вы. Движение всех этих объектов также будет равноускоренным, компенсируя силу тяжести. В результате они начнут парить вокруг вас в процессе вашего совместного падения. Если поставить эксперимент и попытаться определить движение этих объектов относительно вас и измерить силу тяжести, это ничего не даст. Вы будете чувствовать себя невесомым, невесомыми будут выглядеть и падающие вместе с вами объекты. Все это указывает на наличие тесной взаимосвязи между ускоренным движением и силой тяжести — в данном случае одно полностью компенсирует другое.

Возможно, свободное падение — излишне радикальный эксперимент. Слишком много отвлекающих факторов: в ушах свистит воздух, а мысль о том, что рано или поздно вы достигнете дна, мешает ясности мышления. Проделаем более простые и куда более спокойные действия. Представьте, что вы вошли в лифт на первом этаже высотного дома. В первые несколько секунд подъема, пока лифт ускоряется, вы чувствуете, что стали немного тяжелее. И наоборот, представьте движение в лифте вниз с последнего этажа. В первый момент, пока он набирает скорость, вы ощутите легкость. Разумеется, после достижения максимальной скорости перемещения ваш вес меняться уже не будет. Но ускорение и замедление лифта сдвигают ваше восприятие собственного веса, а значит, и силы тяжести. Другими словами, ощущение силы тяжести зависит от того, разгоняетесь вы или тормозите.

В тот день 1907 года, когда Эйнштейн представил себе падающего человека, он понял, что между силой тяжести и ускорением существует тесная связь, которая и послужит ключом к двери, открывающей гравитационным взаимодействиям путь в его теорию относительности. Если отредактировать принцип относительности таким образом, чтобы сделать законы физики инвариантными по отношению не только к системам отсчета, движущимся с постоянной скоростью, но и к ускоряющимся или замедляющимся системам, он позволит добавить к комбинации механики и электродинамики еще и гравитационные взаимодействия. Полной уверенности в правильности выбранного пути не было, но именно это гениальное озарение стало первым шагом на пути к универсальной теории относительности.