Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения
Эйнштейн мечтал об одной теории, которая охватывала бы все явления, он мечтал о единой теории поля. Сначала его намерения были весьма скромны – он собирался лишь объединить гравитационное и электромагнитное поля, т.е. построить одну теорию, которая описывала бы оба эти поля. Он рассчитывал с помощью такой теории объяснить и природу элементарных частиц. К сожалению, ему это не удалось. Грандиозной цели – создания теории, объединяющей все физические явления и преодолевающей разрыв между общей теорией относительности и квантовой теорией, дающей простое и единое толкование всех полей и их взаимодействий с элементарными частицами – Эйнштейн так и не достиг. Последние 30 лет своей жизни он отдал поискам такой теории; другие крупные учёные – Гейзенберг, Эддингтон и Паули – также посвятили остаток дней достижению этой, по-видимому, недосягаемой цели.
А вдруг мы просто гонимся за жар-птицей? Да и существует ли она вообще? И что будет, когда мы её поймаем? Ведь тогда во всей Вселенной не останется ничего неизведанного, что вряд ли придётся по нраву большинству физиков. Как тут не вспомнить роман Хеллера «Уловка-22» – с одной стороны, мы бьёмся над созданием единой теории, потому что такова природа человека, а с другой стороны, если нам это удастся, пострадает физика, ведь не к чему будет стремиться.
Попробуем разобраться в ситуации. Должна ли такая теория объяснять всё на свете? Как далеко вообще простирается знание? Многие физики считают такие «глобальные вопросы» наивными. На первый взгляд вопрос «Что такое свет?» не относится к их числу, однако ответить на него пока не удаётся. Мы знаем, как ведёт себя свет, и можем описать его поведение со значительной степенью точности, но что такое свет нам точно не известно. Неяснодаже, что такое электрон, как, впрочем, и любая другая частица. Можно только описать их поведение с помощью вероятностных функций.
У читателя может сложиться впечатление, что существует бесконечная вереница теорий, каждая последующая в которой совершеннее предыдущей. Но разве в действительности существует такой бесконечный ряд теорий? Видимо, нет, поскольку квантовой механикой постулируется противоречащий этому принцип неопределённости. По мере того, как мы пытаемся разглядеть всё более мелкие объекты, увеличивается «размытость».
Означает ли это, что теперешние теории – предел, который нам не перешагнуть? Конечно, нет, ведь мы видели раньше, что осталось множество вопросов, на которые пока нет ответа: взаимосвязь четырёх фундаментальных полей, связь между квантовой теорией и общей теорией относительности, взаимосвязь лептонов и кварков, дальнейшая судьба Вселенной… И это лишь некоторые из нерешённых проблем. Мы будем искать ответы на эти вопросы, и несмотря на трудности, которые кажутся почти непреодолимыми, стремиться к полному объединению. Известно, что современные теории прекрасно описывают природу, но они тоже несовершенны, как и их предшественницы – они тоже откажут, если попытаться распространить их на слишком широкий круг явлений. Впрочем, условия, при которых они могут отказать, достаточно далеки от сферы нашего опыта и от того, что мы привыкли считать микро- и макрокосмосом. Прежде чем говорить об этих условиях, следует рассказать немного об основных современных теориях. В следующей главе речь пойдёт об общей теории относительности.
Глава 2 ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ
Прежде чем погрузиться в глубины общей теории относительности, нужно поближе познакомиться с понятиями пространства и времени. Вы, наверное, думаете, что и так хорошо знакомы с этими, на первый взгляд простыми, вещами; пространство – это пустота, в которой существует всё остальное, а время – хронологическая последовательность событий в этой пустоте. На самом деле всё несколько сложнее. Одним из первых задумался о физическом смысле этих понятий Исаак Ньютон. Он родился в Англии в 1642 году. Воспитывала его бабушка. В раннем возрасте его гений никак не проявлялся. Правда, он был искусным механиком – любил мастерить ветряные мельницы, водяные часы и другие механические игрушки.
Исаак Ньютон (1642-1727)
Как большинство великих учёных, Ньютон обладал поразительной способностью концентрации внимания. Иногда её принимали за рассеянность; из-за неё он время от времени попадал в неловкое положение. Однажды во время прогулки верхом Ньютон спешился у подножья холма и решил взобраться на него, ведя лошадь на поводу. Поднимаясь, он «отключился» от окружающего и только на вершине, увидев в своей руке уздечку, сообразил, что лошади нет. Он так глубоко задумался, что не заметил, как она выбралась из упряжи и убежала.
Многие, знавшие Ньютона, вспоминали, что в молодости он был молчаливым, спокойным, задумчивым человеком. Он предпочитал общество девушек, но несмотря на это, остался холостяком. Перенесённые в детстве оскорбления и издевательства сильно повлияли на него, и со временем он стал подозрительным, свои труды и идеи держал в секрете, опасаясь, как бы их не украли. Он даже не хотел публиковать свой великий труд «Математические начала натуральной философии».
Ньютон считал, что пространство абсолютно. «Абсолютное пространство, по своей природе, безотносительно к чему-либо внешнему, всегда остаётся неизменным и неподвижным», – писал он. Авторитет Ньютона был столь велик, что лишь немногие пытались оспаривать его взгляды. Одним из несогласных был ирландский философ Джордж Беркли. В своей книге «Принципы человеческого знания», рассматривая проблему вращательного движения в пустом пространстве, Беркли указал, что если бы пространство было совершенно пустым, нельзя было бы сказать, вращается ли какой-либо объект, например Земля. Отсюда он сделал вывод, что пространство не абсолютно.
Немецкий физик Эрнст Мах, прославившийся работой «Механика» и непримиримыми взглядами на атомную структуру (он не верил в существование атомов), подхватил и развил идеи Беркли, выдвинув так называемый принцип Маха. Чтобы понять суть этого принципа, представьте себе, что вы сидите на вращающейся карусели. При этом ощущается действие внешней силы, которая сбросит человека с карусели, если он перестанет держаться за поручень. Мах рассматривал связь между этой силой, называемой центробежной, и остальной Вселенной. Он задал вопрос: «Что случится с этой силой, если вся прочая материя внезапно исчезнет?» и пришёл к выводу, что тогда центробежная сила тоже исчезнет. Если во Вселенной больше ничего нет, мы и не узнаем, что находимся во вращении, более того, само это понятие потеряет смысл. Но когда нет вращения, нет и центробежной силы. Это означает, что местные силы должны зависеть не только от местных особенностей, но и от Вселенной в целом, даже от самых далёких звёзд. Мах обнародовал свои идеи, и учёные сочли их возмутительными, над ними смеялись. Какое отношение имеют далёкие звёзды к силе, возникающей при вращении на карусели?
Эйнштейн не смеялся. На него эта идея произвела сильное впечатление, и в течение нескольких лет он обдумывал её следствия, а позднее говорил, что идея Маха была для него путеводной звездой при создании общей теории относительности. Эйнштейн собирался непосредственно включить принцип Маха в свою теорию, но в конце концов оказалось, что это не нужно.
Теория Эйнштейна показала нам, что пространство – это не неизменная абсолютная пустота, которую представлял себе Ньютон. В определённом смысле это физический «объект», гораздо более сложный, чем можно себе представить. Оно может не только растягиваться, искривляться и изменяться от точки к точке, но, как мы увидим позже, из него внезапно могут рождаться частицы. Наверное, мы до сих пор не знаем о многих его свойствах и даже не в состоянии их вообразить.
Второе из фундаментальных понятий – время – ещё более загадочно, чем пространство. Мы ощущаем ход времени и легко отличаем текущий момент от прошлого и будущего, и потому считаем, что нам всё понятно. Но физическое время, которое мы ощущаем, совсем не то же самое, что время математическое. Эйнштейн как-то с юмором сказал об обманчивости восприятия времени: «Когда у вас на коленях сидит хорошенькая девушка, час пролетает как минута, но даже минута на раскалённой плите кажется часом».
Ньютон был убеждён в том, что время, как и пространство, абсолютно – течение его неизменно и всегда одинаково во всех уголках Вселенной. Как мы уже видели, специальная теория относительности утверждает, что это не так. Когда космонавт покидает Землю и улетает в пространство со скоростью, близкой к световой, его часы идут совсем не так, как земные. Кажется, что его часы сильно отстают, и тем больше, чем ближе его скорость к световой. Странно то, что если он взглянет на наши земные часы, ему не покажется, как можно ожидать, что наши часы спешат; он увидит, что они отстают от его часов, т.е. часы идут по-разному. По часам космонавта пройдёт меньше времени, чем по земным часам. Как же так, ведь казалось, что и те и другие часы идут медленнее? Ответ на вопрос даёт общая теория относительности. Это одна из причин, по которой Эйнштейн считал необходимым расширить сферу применения специальной теории относительности: ему было ясно, что она неполна.
