Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки - Ирина Львовна Радунская
Так Эйнштейн пришел к необходимости создания единой теории поля. Он думал и о том, как свойства частиц связаны со свойствами поля, но считал эту задачу еще более трудной и отложил ее рассмотрение до решения первоочередной задачи. Это стало мечтой и целью его жизни, мукой его последних четырех десятилетий.
Он работал почти в одиночестве. Иногда ему помогали немногочисленные сотрудники, хорошие, но не выдающиеся ученые. Остальные не придавали значения его работам. Они отдавали все силы развитию квантовой теории. Теория поля казалась им устаревшей. Но Эйнштейн упорно шел своим путем, шел против основного течения в развитии науки. Однако теория, которая много раз казалась ее автору близкой к завершению, многократно обманывала его надежды. Она не работала! В каком смысле о теории можно сказать, что она не работает? Ни в одном ее варианте не удалось сделать ни одного предсказания — а это является главной задачей любой теории. Не удалось и упростить объяснение уже известного или описать с единой точки зрения явления, до того казавшиеся независимыми, что тоже может считаться оправданием создания новой теории. Эйнштейн умер полный надежд и планов. Но его немногочисленные сотрудники не продвинулись по избранному им пути. Лишь в преддверии к двадцатой годовщине смерти Эйнштейна опять возникли надежды на успешное решение поставленной им задачи. Надежды, основанные на удивительных результатах, представляющих синтез идей Эйнштейна о фундаментальном значении принципа относительности, о решающей роли симметрии физических законов и новых идей, выдвинутых представителями следующих поколений. Итак, вспомним историю развития единой теории поля и познакомимся с перспективами, открывающимися, хотя и смутно, в самое последнее время.
Так это началось
В разгар первой мировой войны, 2 декабря 1915 года, великий труженик и пацифист закончил свой титанический девятилетний труд скромной фразой: «…Наконец, завершено построение общей теории относительности как логической схемы». Но уже через год в большой обобщающей работе, давшей миру первое систематическое изложение новой теории вместе со всем необходимым математическим аппаратом и с четким указанием на связи с прежними теориями и с опытом, он пишет: «…может остаться открытым вопрос о том, смогут ли теория электромагнитного поля и теория гравитационного поля совместно служить базой для теории материи. Общий постулат относительности в принципе ничего не может сказать об этом. В процессе развития теории выяснится, смогут ли электродинамика и учение о тяготении вместе дать то, что не удавалось одной лишь первой теории».
Так это началось. Он не мог остановиться, сколь ни грандиозным оказалось уже достигнутое.
Первая попытка. Эйнштейн стремится дать совершенно новое формальное истолкование уравнений Максвелла в надежде, что при этом ему откроются какие-то перспективы, хотя бы чисто математические аналогии, указывающие путь кг объединению электромагнетизма и гравитации. Первое разочарование. Новая формулировка стала более наглядной, но, по существу, все сохранилось по-старому. Электромагнитное поле оставалось балериной, бестелесно порхающей в поле тяготения.
Вторая попытка приводит к неожиданному открытию. Движение материальных тел должно возбуждать гравитационные волны, волны тяготения, так же как движение зарядов или магнитов возбуждает электромагнитные волны. Великий закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном, позволивший вычислять движения планет и их спутников, комет и астероидов, учитывать их взаимное влияние с огромной точностью, содержал в себе один порок, тревоживший его автора. Математическое выражение этого закона имеет такой вид, как если бы сила тяготения мгновенно распространяется на сколь угодно большие расстояния. Это противоречило всей доньютоновской механике, имевшей дело только с силами, передававшимися при соприкосновении тел. В законе тяготения на первый план выступила сила, действующая и через пустоту, без какого-либо видимого промежуточного агента. Ньютон, противник гипотез, стремился избежать гипотезы об эфире как передатчике сил тяготения. Он попросту отказался от обсуждения природы этих сил. Для него было достаточно установить математический закон их действия. Закон Кулона повторил все это для взаимодействия электрических зарядов. Отличие заключалось лишь в том, что, наряду с силами притяжения, появились силы отталкивания.
Фарадей покончил с дальнодействием электрических и магнитных сил. Максвелл придал идеям Фарадея математическую форму, создав теорию электромагнитного поля, передающего через пространство взаимодействие электрических зарядов и токов. Уравнения привели его к предсказанию существования электромагнитных волн, как самостоятельной реальности, не менее реальной, чем электрические заряды. Теория поля тяготения, общая теория относительности, как уже после ее создания установил Эйнштейн, содержала в своих уравнениях необходимость гравитационных волн, волн тяготения, устраняющих дальнодействие и из этой области науки.
Теперь, когда великий труд давно завершен, все выглядит поразительно просто и ясно. Пусть две звезды вращаются вокруг общего центра тяжести. Астрономы наблюдают множество таких «двойных» звезд. Любая третья звезда испытывает с их стороны притяжение, изменяющееся со временем в темпе вращения этой пары. Закон Ньютона позволяет вычислить эти изменения, но предсказывает, что они будут проявляться одновременно на любых расстояниях от двойной звезды. При этом даже не возникает вопроса о том, тратит ли эта звездная пара часть своей энергии на то, чтобы притягивать окружающие тела. Иное дело в теории относительности. Поле тяготения, окружающее звезду, представляет собой определенное свойство окружающего ее пространства. Вблизи звезды пространство не подчиняется геометрии Евклида. Кратчайшие линии в нем не являются прямыми. Это неевклидово пространство. В нем движению по инерции соответствует свободное падение в поле тяжести, движение по геодезической линии в этом искривленном пространстве.
Если поле тяготения образовано двумя близкими двойными звездами, то для каждой из них движению по инерции соответствует вращение вокруг общего центра тяжести. Это же, но в других терминах, говорит и теория Ньютона. Различие начинается при описании сил, действующих на третье тело. Теория относительности говорит, что пространство, окружающее двойную звезду, искривлено более сложно, чем его искривление в окрестности одиночной звезды, и, главное, это искривление не вращается вместе с ними как единое целое, не охватывает одновременно все беспредельное пространство. Искривление разбегается во все стороны постепенно, в виде волн. От вращающейся пары звезд разбегаются волны, искривляющие пространство, или волны искривления пространства. Это и есть гравитационные волны, волны тяготения. Их скорость очень велика, она равна скорости света. Но она конечна. Поэтому волны тяготения достигают удаленных частей пространства позже, чем их действие проявляется вблизи их источника.
Вспомним наш опыт с куском холста, натянутым на обруч. Если
