Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной
Многие и сейчас считают, что общая теория относительности – это самая изобретательная физическая теория за всю историю человечества. Знаменитый физик Ричард Фейнман как-то признался: «Никак не могу понять, как он до этого додумался». В основе теории лежит две тончайшие догадки[388]: (1) эквивалентность гравитации и ускорения и (2) новая роль пространства-времени, которое перестало быть пассивным зрителем и превратилось в главного героя в драме вселенской динамики. Прежде всего Эйнштейн задумался о том, какие ощущения испытывает человек в свободном падении в гравитационном поле Земли, и понял, что ускорение и гравитация, в сущности, неотличимы друг от друга. Если человек живет в закрытом лифте на Земле и этот лифт движется вверх с постоянным ускорением, человек может подумать, будто он живет в месте, где гравитация сильнее: напольные весы наверняка покажут больше его нормального веса. Подобным же образом астронавты в космическом корабле переживают состояние невесомости просто потому, что и они, и корабль движутся относительно Земли с одинаковым ускорением. В своей лекции, прочитанной в Киото в 1922 году, Эйнштейн рассказал, как ему в голову пришла эта мысль: «Я сидел на стуле в патентном бюро в Берне, и вдруг меня осенило: “В свободном падении человек не чувствует собственного веса”[389]. Я даже вздрогнул. Эта простая идея произвела на меня сильное впечатление. И подтолкнула к созданию теории гравитации». Вторая идея Эйнштейна состояла в том, чтобы взять Ньютонову гравитацию и перевернуть ее с ног на голову. Эйнштейн утверждал, что гравитация – это не какая-то загадочная сила, которая действует по всему пространству. Напротив, масса и энергия свертывают пространство-время так же, как человек, стоящий на трамплине, заставляет его провисать. Гравитацию Эйнштейн определял как искривление пространства-времени. То есть планеты движутся по самым коротким путям в пространстве-времени, искривленном под воздействием Солнца, точно так же как мячик для гольфа следует неровностям лужайки, а джип лавирует в дюнах пустыни Сахары. Свет тоже распространяется не прямолинейно, а изгибается в искривленных окрестностях крупных масс.
На илл. 32 приведено письмо, которое Эйнштейн написал в 1913 году, когда разрабатывал свою теорию. В этом письме, адресованном американскому астроному Джорджу Эллери Хейлу, Эйнштейн объясняет искривление света в гравитационном поле и то, как Солнце искажает свет далекой звезды. Этот важный прогноз был впервые проверен в 1919 году во время солнечного затмения. Организовал наблюдения (в Бразилии и на острове Принсипи в Гвинейском заливе) Артур Эддингтон, а отклонения, которые зафиксировала[390] его группа и экспедиция во главе с Артуром Громмелином (примерно 1,98 и 1,61 угловой секунды) с учетом погрешности наблюдения соответствовали предсказанию Эйнштейна в 1,74 угловой секунды (Ньютонова теория гравитации предсказывала половину этого значения). Время, согласно общей теории относительности, также «искривлено»: часы вблизи массивных тел тикают медленнее, чем часы вдалеке от них. Это явление подтверждено экспериментально[391] и уже учитывается в повседневной работе спутников GPS.
Главным принципом, лежащим в основе общей теории относительности, стала идея подлинно революционная: то, что мы воспринимаем как силу тяжести, есть всего-навсего проявление того факта, что масса и энергия искривляют пространство-время. В этом смысле Эйнштейн, по крайней мере, по духу, был ближе к геометрическим (а не динамическим) представлениям древнегреческих астрономов, чем к Ньютону, который делал упор на силы. Пространство-время перестало быть фиксированным, неизменным фоном, оно способно изгибаться, искривляться, растягиваться в ответ на присутствие материи и энергии, и эти искривления, в свою очередь, заставляют вещество двигаться, что мы и наблюдаем. Как однажды выразился авторитетный физик Джон Арчибальд Уилер, «Вещество диктует пространству-времени, как искривляться, а пространство-время диктует веществу, как двигаться». Вещество и энергия становятся вечными партнерами пространства и времени.
Своей общей теорией относительности Эйнштейн блистательно решил проблему распространения силы гравитации быстрее света – условие, которое не давало покоя теории Ньютона. В общей теории относительности скорость передачи сводится к тому, насколько быстро рябь ткани пространства-времени распространяется от одной точки до другой. Эйнштейн показал, что подобные складки и вздутия – геометрическое проявление гравитации – перемещаются в точности со скоростью света. Иначе говоря, изменения гравитационного поля не могут передаваться мгновенно.
Чем слово наше отзовется
Хотя поначалу космологическая постоянная и модель статической Вселенной Эйнштейна вполне устраивали, вскоре его радость развеялась без следа, поскольку новые научные открытия показали, что модель статической Вселенной несостоятельна. Поначалу Эйнштейна ждало несколько теоретических разочарований[392], первое из которых настигло его почти сразу же. Спустя всего месяц с публикации космологической статьи Эйнштейна его коллега и друг Виллем де Ситтер[393] нашел решение уравнений Эйнштейна, предполагавшее полное отсутствие вещества. Космос, лишенный вещества, явно противоречил надеждам Эйнштейна связать геометрию Вселенной с наполняющими ее массой и энергией. С другой стороны, сам де Ситтер был очень доволен, поскольку с первого дня возражал против введения космологической постоянной. В своем письме Эйнштейну, датированном 20 марта 1917 года, де Ситтер настаивал, что лямбда, быть может, и перспективна с философской точки зрения, но с физической определенно бессмысленна. Особенно его тревожило то обстоятельство, что, как он считал, значение космологической постоянной невозможно найти эмпирически. В тот момент Эйнштейн был еще готов рассмотреть любые варианты. В ответном письме де Ситтеру 14 апреля 1917 года есть прекрасный пророческий абзац, сильно напоминающий знаменитые слова Дарвина: «В будущем… много света будет пролито на происхождение человека и на его историю» (см. главу 2):
«В любом случае одно остается неизменным. Общая теория относительности допускает введение в уравнения поля Λgµν [космологического члена]. Настанет день, когда наши познания о композиции фиксированного звездного неба, о наблюдаемых движениях фиксированных звезд и о положении спектральных линий как функции расстояния продвинутся так далеко, что мы сможем эмпирически решить вопрос о том, исчезает Λ или нет. Убежденность – прекрасный мотив, но скверный судья!»
Как мы увидим в следующей главе, Эйнштейн здесь предсказывает именно то, до чего додумались астрономы 81 год спустя. Однако тогда был 1917 год, и опровержения так и сыпались. На самый первый взгляд модель де Ситтера казалась статической, однако выяснилось, что это заблуждение. Более поздние труды физиков Феликса Клейна и Германа Вейля показали, что если ввести в эту модель пробные тела, они не будут находиться в состоянии покоя, а скорее всего разлетятся друг от друга.
Второй теоретический удар нанес Александр Фридман. Как я уже отмечал, в 1922 году Фридман показал, что уравнения Эйнштейна – как с космологическим членом, так и без него – допускают нестационарные решения, при которых Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Это побудило расстроенного Эйнштейна в 1923 году написать своему другу Герману Вейлю: «Если нет никакого квазистатического мира, тогда ну его, космологический член»[394]. Однако самый серьезный удар нанесли данные наблюдений. Как мы уже видели в главе 9, Леметр (с осторожностью) и Хаббл (недвусмысленно) в конце двадцатых годов показали, что на самом деле Вселенная не статична, она расширяется. Эйнштейн мгновенно понял, что из этого следует. В расширяющейся Вселенной гравитационная сила притяжения всего лишь замедляет расширение. Поэтому в результате открытия Хаббла Эйнштейн был вынужден признать, что искать тонкое равновесие между притяжением и отталкиванием уже не нужно, а значит, можно изъять космологическую постоянную из уравнений. В статье, вышедшей в 1931 году[395], Эйнштейн официально отказался от космологического члена, поскольку «похоже, теория относительности более естественно соответствует последним результатам Хаббла… без члена L». Затем, в 1932 году, в статье, которую Эйнштейн написал совместно с де Ситтером[396], авторы приходили к выводу: «Исторически в уравнения поля был введен член, содержавший “космологическую постоянную” L; это было сделано с целью дать нам возможность теоретически обосновать существование конечной средней плотности в статической Вселенной. Теперь же представляется, что в динамическом случае этого можно достичь и без введения L».
