Дэвид Боданис - E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира
Через шесть, считая от нынешнего дня, миллиардов лет, когда Земля полетит прочь от исчерпавшего свое топливо Солнца, уцелевшие на ней наблюдатели или регистрирующие приборы увидят небо, куда более темное, чем наше ночное. Ибо топлива лишатся уже многие звезды, и они начнут угасать — сначала самые яркие, а затем и все остальные.
Полет Земли по этому потемневшему пространству не будет стабильным. Наш Млечный путь уже находится на пути к столкновению с другой галактикой, туманностью Андромеды, и через несколько миллиардов лет после того, как Земля оторвется от Солнца, — если не будет им сожжена, — это великое столкновение, наконец, произойдет. Расстояния между заездами так велики, что большинство тускнеющих светил просто медленно минуют друг друга, не приходя в непосредственное соприкосновение, однако турбулентность, которая при этом возникнет, окажется достаточной для того, чтобы еще раз изменить траекторию Земли.
Если Землю отбросит к центру галактики, то спустя десятки миллионов лет ее притянет к себе находящаяся в нем гигантская черная дыра. Если ее отбросит в противоположную сторону, это будет всего лишь отсрочкой конца. Через 1018 лет, считая от нашего времени (это 1 с восемнадцатью нулями, или 1 000 000 000 000 000 000), от таких столкновений опустеют все галактики. Находившиеся в их центрах черные дыры будут медленно плыть по пространству и при каждой встрече с небесными телами высасывать из вселенной массу и энергию. Если же таким телом окажется другая черная дыра, они просто сольются, обратившись в еще более крупного пожирателя материи. И через несколько часов после того, как Земля попадет в поле притяжения одной из них, и она, и наши далекие потомки исчезнут.
Через 1032 лет может начаться распад и самих протонов, и постепенно от обычной материи останется мало что. вселенная будет состоять из сильно сократившихся в числе разнородных объектов. Будут существовать электроны привычной для нас разновидности, с отрицательными зарядами, а также их любопытные варианты — положительно заряженные электроны антиматерии, — а наряду с ними нейтрино и гравитоны; будут существовать разросшиеся черные дыры и даже остывшие остатки фотонов, уцелевших от первых секунд творения и все еще летящие, спустя столько лет, с их вечной скоростью в 300 миллионов м/с.
Но и на этом все не закончится, потому что со временем исчезнут и черные дыры. Все, что они поглотили, возвратится назад — не в сколько-нибудь узнаваемой форме, но как эквивалентное количество излучения.
Конечное состояние вселенной будет странно походить на начальное. Ибо в первые мгновения творения, задолго до формирования звезд, вселенная обладала немыслимой плотностью, немыслимой «концентрированностью». Эта гигантская плотность означала, что огромное количество излучения «проталкивалось» в E=mc2 со стороны «Е» на сторону «m». Обычное, знакомое нам вещество образовывалось из чистой энергии, создавая со временем звезды, планеты и те формы жизни, которые нам известны. Но теперь, ближе к скончанию времен, спустя 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 лет, все будет выглядеть иначе. Все стало куда более рассеянным, диффузным.
То, что еще уцелеет, будет простираться на расстояния, которые мы и вообразить не способны. Лихорадочная активность ранних эпох закончится. Она была лишь интерлюдией в конечной истории вселенной. Теперь масса и энергия будут преобразовываться одна в другую очень редко. Наступит великий покой.
Уравнение Эйнштейна завершит свою работу.
Эпилог: Чем еще славен Эйнштейн
На самом деле, Эйнштейна прославило не уравнение E=mc2 и не статьи 1905 года. Если бы Эйнштейн ничего больше не создал, он получил бы признание в узком сообществе физиков-теоретиков, однако широкая публика вряд ли услышала бы его имя. И в 1930-х он оказался бы еще одним более или менее известным беженцем, ведущим спокойную жизнь, но не обладающим положением, которое позволяло ему подписать направленное в 1939 году ФДР письмо с предупреждением об атомной угрозе.
Но, разумеется, все сложилось иначе. Эйнштейн создал кое-что еще, вытекающее из E=mc2, но пошедшее гораздо дальше и сделавшее его самым знаменитым ученым мира.
То, что Эйнштейн опубликовал в 1905 году, охватывало лишь равномерное движение физических тел, в котором гравитация, способная ускорять их, особой роли не играла. Уравнение E=mc2 остается «справедливым» и в этих случаях, но вот сохранит ли оно свою истинность, если отказаться от этих условий? Это ограничение, а наряду с ним и другие, всегда тревожили Эйнштейна, и в 1907 году он впервые увидел возможность решения более широкого: «Я сидел за моим столом в бернском патентном бюро и мне вдруг пришла в голову одна мысль… Она меня ошеломила».
Впоследствии он назвал ее «счастливейшей мыслью всей моей жизни», поскольку через несколько лет, в 1910-м, она привела его к размышлениям о самой ткани пространства и о том, как воздействуют на нее масса и энергия находящихся в пространстве физических тел. Работа заняла несколько лет — отчасти потому, что Эйнштейн, уверенно чувствовавший себя в физике, математикой владел всего лишь сносно. Он знал ее далеко не так плохо, как это следует из письма, посланного им уже в Америке одной университетской студентке: «Не тревожьтесь по поводу ваших затруднений с математикой. Уверяю вас, я испытываю еще большие.» Однако затруднения эти вполне оправдывали упреки Германа Минковского, который, увидев ранние наброски Эйнштейна, сказал: «Математическое представление изящной теории Эйнштейна неуклюже, — я имею право говорить это, поскольку в Цюрихе сам преподавал ему математику».
Впрочем, у Эйнштейна имелся человек, способный помочь ему с математикой, — его старый университетский друг Марсель Гроссман, тот самый друг, который на последнем курсе университета одолжил ему свои конспекты. (И тот, отец которого написал письмо, позволившее Эйнштейну получить место в патентном бюро.) Гроссман просиживал с Эйнштейном долгие часы, объясняя ему, какие из новейших математических средств он может использовать.
«Счастливейшая мысль» 1907 года привела Эйнштейна к идее о том, что, чем большая масса или энергия сосредоточена в каком-либо месте, тем сильнее искривляются в окрестности этого места пространство и время. Эта теория была куда более мощной, чем та, которую он разработал первой, поскольку она и охватывала гораздо больший круг явлений. Работа 1905 года получила название «специальной» теории относительности. Теперь настал черед ее общей теории.
Маленькое твердое тело вроде нашей планеты обладает лишь небольшой массой и энергией, и потому лишь незначительно искривляет вокруг себя ткань пространства и времени. Куда более мощное Солнце натягивает облекающую его ткань значительно туже.
Уравнение, в котором суммируется эта идея, обладает великой простотой, удивительно схожей с простотой E=mc2. В E=mc2 царство энергии располагается с одной стороны уравнения, царство массы с другой, а мостиком, который их связывает, является знак «=». В новой, более широкой теории Эйнштейна речь идет о том, как вся «энергия-масса», находящаяся в определенной области, связана с окружающим ее «пространством-временем», или, символически, о том, что энергия-масса = пространство-время. «Е» и «m» уравнения E=mc2 оказываются теперь просто членами, стоящими на одной стороне этого более общего уравнения.
Земля со всей ее массой автоматически движется по кратчайшему пути из числа пространственно-временных «кривых», которые нас окружают. Гравитация этой уже не сила, действующая в инертном пространстве — скорее, гравитация это попросту то, что мы наблюдаем, перемещаясь в конкретной конфигурации пространства и времени.
Проблема, однако, в том, что это выглядит противоречащим здравому смыслу! Как могут искривляться пустые, по всей видимости, пространство и время? А именно это должно происходить, если расширенная теория, которая теперь включает в себя и E=mc2, но в более обширном контексте, верна. Эйнштейн понимал, что его теории необходима экспериментальная проверка, некая демонстрация ее справедливости, причем настолько очевидная и мощная, что усомниться в ней никто уже не сможет.
Да, но какая? Идея такой проверки следует из основного положения теории, согласно которому окружающее нас пространство искривлено. Если пустое пространство действительно может натягиваться и искривляться, тогда путь, по которому доходит до нас свет далекой звезды, должен «загадочным» образом изгибаться вблизи нашего Солнца. То есть должно происходить нечто схожее с крученым ударом в бильярде, при котором шар огибает лузу и уходит в другом направлении. Только теперь это должно происходить в небе, о наличии «угловых луз» в котором никто никогда и не подозревал.
