Текст книги "Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени"

Автор книги: Митио Каку

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 13 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]

Триумфальное восхождение из патентного бюро в Берне к вершинам немецкой физики недешево обошлось Эйнштейну в личном плане. По мере того как начала расти его слава в физическом сообществе, личная жизнь начала разваливаться. Для Эйнштейна эти годы были самыми продуктивными, они принесли плоды, которым со временем суждено было изменить историю человечества. Однако ученый совершенно не имел свободного времени, и он заметно отдалился от жены и детей.

Эйнштейн писал, что жизнь с Милевой была подобна жизни на кладбище, он избегал находиться с ней наедине. Его друзья разошлись во мнениях о том, кто из супругов был в первую очередь виноват в разрыве. Многие считали, что Милева все сильнее замыкалась в себе и злилась на своего знаменитого мужа. Даже друзья Милевы с грустью признавали, что за эти годы она сильно постарела и заметно сдала. Она становилась все более скандальной и холодной и ревновала мужа даже к коллегам. Обнаружив письмо с поздравлением, присланное Эйнштейну Анной Шмид (которая познакомилась с Эйнштейном во время его недолгой учебы в Арау и после благополучно вышла замуж), она сорвалась и устроила Альберту самый, может быть, громкий скандал за все время их и без того уже непрочного брака.

В то же время некоторые считали, что Эйнштейн определенно не был идеальным мужем; он постоянно куда-то спешил, оставляя Милеву практически в одиночку воспитывать двоих детей. Не секрет, что путешествия в начале XX в. были делом непростым и небыстрым, поэтому Эйнштейн часто отсутствовал дома по несколько дней и даже недель. Как корабли в ночном море, они встречались ненадолго, когда Эйнштейн оказывался дома, обедали вместе или посещали театр. Он был настолько погружен в абстрактный мир математики, что энергии (в первую очередь эмоциональной) на общение с женой и поиск подходов к ней у него почти не оставалось. Хуже того, чем больше она жаловалась ему на одиночество и на то, что его почти никогда не бывает рядом, тем больше он удалялся от нее в мир физики.

Вероятно, мы будем правы, если скажем, что в той и другой позиции была, безусловно, доля истины и что обвинять кого-то одного бессмысленно. Задним числом можно сказать, что такой брак был обречен на невыносимые перегрузки. Возможно, их друзья много лет спустя были правы, говоря, что эти двое были попросту несовместимы.

Однако окончательный разрыв стал неизбежен после того, как Эйнштейн принял предложение из Берлина. Милеве не хотелось ехать в Берлин. Возможно, она, как славянка, очень скованно чувствовала себя в центре тевтонской культуры; что еще важнее, в Берлине жили многие родственники Эйнштейна, и Милева боялась оказаться под их суровыми неодобрительными взглядами. Ни для кого не было секретом, что родственники мужа ее ненавидят. Поначалу Милева и дети все же поехали в Берлин с Эйнштейном, но затем она внезапно взяла детей и уехала в Цюрих. Больше они никогда не жили вместе. Эйнштейн, обожавший своих детей, был опустошен. После этого он вынужден был поддерживать отношения с сыновьями на расстоянии; чтобы увидеться, ему нужно было совершить изматывающее десятичасовое путешествие из Берлина в Цюрих. (Когда со временем права на воспитание детей были признаны за Милевой, Эйнштейн, по словам его секретаря Хелен Дукас, проплакал всю дорогу домой.)

Был, вероятно, еще один фактор, заметно ускоривший разрыв, – все более заметное присутствие в Берлине рядом с Эйнштейном некоей его кузины. Он признавался: «Я живу очень замкнутой жизнью, но вовсе не одинокой, благодаря заботе одной моей кузины, которая, собственно, и перетянула меня в Берлин».

Эльза Лёвенталь была Эйнштейну двойной кузиной: матери ее и Эйнштейна были сестрами, а деды – братьями. Она была разведена и жила с двумя дочерьми, Марго и Илзой, этажом выше своих родителей (приходившихся Эйнштейну дядей и тетей). Они с Альбертом встречались мельком в 1912 г., когда он ненадолго приезжал в Берлин. К тому моменту Эйнштейн уже решил, по всей видимости, что его брак с Милевой рухнул и разрыв неизбежен, но боялся, что развод может отрицательно сказаться на его маленьких детях.

Эльзе Альберт нравился с детства. Она призналась, что влюбилась в него еще ребенком, когда услышала, как он играет Моцарта. Но больше всего, похоже, ее привлекал в нем статус восходящей звезды научного мира и уважение, которое испытывали к нему физики всего мира. Более того, она не скрывала, что ей очень нравится купаться в лучах его славы. Как и Милева, она была на четыре года старше Эйнштейна. На этом, однако, сходство между этими двумя женщинами заканчивалось, скорее они были полярно противоположны друг другу. Эйнштейн в своем бегстве от Милевы, судя по всему, бросился в другую крайность. Если Милева не слишком заботилась о своей внешности и постоянно выглядела загнанной, то Эльза отличалась мещанством и остро чувствовала социальные различия. Она постоянно заводила знакомства в интеллектуальных кругах Берлина и с гордостью демонстрировала Эйнштейна всем своим друзьям из высшего общества. В отличие от Милевы, которая была немногословна, замкнута и склонна к дурному настроению, Эльза была светской бабочкой, порхающей между приемами, раутами и театральными премьерами. И в отличие от Милевы, которая быстро отказалась от попыток переделать мужа, Эльза вела себя по отношению к нему скорее как мать, постоянно поправляла его манеры и всеми силами стремилась помочь ему сделать карьеру. Один русский журналист позже так охарактеризовал отношения между Эйнштейном и Эльзой: «Она полна любви к своему великому мужу, всегда готова заслонить его от грубого вмешательства жизни и обеспечить душевное спокойствие, необходимое для созревания великих идей. Она проникнута сознанием его великого предназначения как мыслителя и самыми нежными чувствами спутницы, жены и матери к этому замечательному, тонкому взрослому ребенку».

После того как Милева в гневе покинула Берлин в 1915 г., взяв с собой детей, Эйнштейн и Эльза сблизились еще сильнее. Однако внимание Эйнштейна в этот важный для него период было поглощено не любовью, а самой Вселенной.

Часть II
Картина вторая
Искривленное пространство-время

Глава 4
Общая теория относительности и «счастливейшая мысль моей жизни»

Эйнштейн не чувствовал себя удовлетворенным. Он уже был в рядах лучших физиков своего времени, но по-прежнему не находил себе покоя. Он понимал, что в теории относительности имеется по крайней мере две зияющие дыры. Во-первых, она основывалась исключительно на инерциальном движении. В природе, однако, не существует почти ничего инерциального. Все находится в состоянии постоянного ускорения: стучат по рельсам поезда, падают зигзагом осенние листья, обращается Земля вокруг Солнца, движутся небесные тела. А теория относительности не сумела объяснить природу даже самых обычных ускорений, которые можно наблюдать на Земле.

Во-вторых, теория ничего не говорила о гравитации. Она утверждала в самом общем плане, что это универсальная симметрия природы, действующая во всех уголках Вселенной, но само понятие гравитации, оставалось ей неподвластно, что было весьма неприятно, ведь гравитация присутствует везде. В общем, недостатки теории относительности были очевидны. Поскольку скорость света – абсолютный предел скорости во Вселенной, то, согласно теории относительности, любое возмущение на Солнце могло достичь Землю не раньше, чем через восемь минут. Однако это противоречило теории всемирного тяготения Ньютона, согласно которой гравитационные эффекты действуют мгновенно. (Скорость распространения гравитации, по Ньютону, бесконечна, а скорость света в ньютоновых уравнениях не фигурирует.) Таким образом, Эйнштейну нужно было полностью переписать уравнения Ньютона, чтобы включить в них скорость света.

Иначе говоря, Эйнштейн понимал масштаб проблемы обобщения теории относительности таким образом, чтобы она включала также ускорение и гравитацию. В 1905 г. он начал называть свою теорию «специальной теорией относительности», чтобы отличать ее от всеохватывающей «общей теории относительности», необходимой для описания гравитации. Когда он рассказал Максу Планку о своих амбициозных замыслах, Планк предостерег: «Как старший друг, я должен посоветовать вам не браться за это дело, потому что вы не добьетесь успеха, но даже если добьетесь, вам никто не поверит». Но Планк понимал и важность этой проблемы, когда добавил: «Если вы добьетесь успеха, вас назовут новым Коперником».

Озарение, связанное с новой теорией гравитации, снизошло на Эйнштейна еще в 1907 г., когда он, будучи мелким государственным служащим, корпел над патентными заявками. Позже он вспоминал: «Я сидел в кресле в патентном бюро в Берне, когда совершенно неожиданно у меня возникла мысль: человек в свободном падении не ощущает собственного веса. Я был поражен. Эта простая мысль произвела на меня глубокое впечатление. Она подтолкнула меня к теории гравитации».

В одно мгновение Эйнштейн осознал, что, случись ему упасть с кресла, он на мгновение потеряет вес. Например, если вы едете в лифте и трос внезапно обрывается, вы оказываетесь в свободном падении; вы падаете с той же скоростью, что и пол лифта. А поскольку и вы, и лифт падаете с одной и той же скоростью, то выглядеть все будет так, как будто вы лишились веса и свободно плаваете в воздухе. Аналогично Эйнштейн представил себе, что, упав с кресла, он на мгновение оказался бы в свободном падении и действие гравитации было бы полностью компенсировано ускорением, благодаря чему он стал бы невесомым.

Сама по себе эта концепция не нова. Она была знакома еще Галилею, который, согласно канонической истории, бросал с падающей Пизанской башни одновременно маленький камушек и тяжелое пушечное ядро. Он первым показал, что все объекты на Земле ускоряются под действием гравитации абсолютно одинаково (9,81 м/с2). Ньютону этот факт тоже был известен; кроме того, он понял, что планеты и Луна, двигаясь по орбите вокруг Солнца или Земли, на самом деле находятся в состоянии свободного падения. Любой космонавт также понимает, что гравитация может быть компенсирована ускорением. Все внутри космического корабля, включая пол, инструменты и вас самих, падает с одинаковой скоростью. Поэтому, оглянувшись вокруг, вы увидите, что все плавает в воздухе. Ваши ноги всплывают над полом, и возникает иллюзия того, что гравитация вообще исчезла, поскольку пол падает вместе с вашим телом. А если космонавт выходит из корабля в открытый космос, то он не падает внезапно на Землю, но плывет вместо этого спокойно рядом, так как и космический корабль и сам космонавт падают в унисон, огибая Землю. (Гравитация не исчезает в открытом космосе, как ошибочно утверждают многие научно-популярные книги. Тяготение Солнца обладает достаточной мощью, чтобы гонять Плутон по орбите за миллиарды километров от Земли. Гравитация никуда не делась; она просто компенсируется падением космического корабля под вашими ногами.)

Это называется «принципом эквивалентности», согласно которому все массы падают под действием гравитации с одинаковой скоростью (или, точнее, заявляется, что инерциальная масса эквивалентна гравитационной массе[10]10
  Напомним, что гравитационная масса – это величина, входящая в закон всемирного тяготения и позволяющая описать дистанционное воздействие одного тела на другое, а инерциальная масса связывает силу, приложенную к телу, и приобретаемое им ускорение в соответствии со 2-м законом Ньютона. – Прим. пер.


[Закрыть]). Идея и правда не нова, но если для Галилея и Ньютона это было просто любопытным фактом, то в руках такого маститого физика, как Эйнштейн, ей суждено было стать фундаментом новой релятивистской теории гравитации. Эйнштейн продвинулся на один гигантский шаг дальше, чем Галилей или Ньютон. Он сформулировал следующий постулат, который затем лег в основу общей теории относительности: законы природы в ускоряющейся системе отсчета и в системе отсчета с гравитацией неразличимы. Удивительно, но это простое утверждение стало в руках Эйнштейна основой теории, которая позже подарила нам искривленное пространство, черные дыры и картину рождения Вселенной.

После блестящего озарения в патентном бюро в 1907 г. эйнштейновой теории гравитации потребовалось несколько лет, чтоб окончательно сформироваться. Новая картина тяготения постепенно вырастала из принципа эквивалентности, но только в 1911 г. Эйнштейн начал публиковать плоды своих размышлений. Первое следствие принципа эквивалентности – тот факт, что свет под действием силы тяготения должен искривляться. Мысль о том, что гравитация, возможно, действует на световые лучи, не нова и восходит по крайней мере ко временам Исаака Ньютона. Ньютон в своей книге «Оптика» задается вопросом: может ли гравитация оказывать влияние на свет звезд? «Действуют ли тела на свет на расстоянии и изгибают ли своим действием его лучи и не является ли это действие сильнейшим на самом малом расстоянии?» К несчастью, технологии XVII в. не позволяли получить ответ на этот вопрос.

Но теперь, через две с лишним сотни лет, Эйнштейн вернулся к этому вопросу. Представьте себе, что внутри космического корабля, поднимающегося с Земли с ускорением, зажигается фонарик. Свет его направляется горизонтально поверхности Земли. Поскольку ускорение ракеты направлено вверх, световой луч загибается книзу. А теперь применим принцип эквивалентности. Физика внутри корабля должна быть неотличима от физики на Земле; это означает, что сила тяготения, помимо всего прочего, должна отклонять свет и искривлять его лучи. В несколько коротких шагов Эйнштейн подошел к новому физическому явлению – изгибанию луча света под действием гравитации. Он сразу же понял, что такой эффект можно рассчитать.

Самое сильное гравитационное поле в Солнечной системе генерируется Солнцем, поэтому Эйнштейн задался вопросом: достаточно ли притяжения Солнца, чтобы отклонять лучи далеких звезд? В принципе, это можно было бы проверить, сняв одни и те же звезды в разные времена года. Первую фотографию нужно сделать ночью, когда свет звезд проходит без помех; вторую – через несколько месяцев, когда свет этих звезд будет проходить рядом с Солнцем. Сравнив две фотографии, можно, по идее, измерить, как изображения звезд слегка сдвинулись под действием тяготения Солнца. Конечно, Солнце своим светом подавляет свет звезд, поэтому любые эксперименты на тему искривления света необходимо проводить во время солнечного затмения, когда Луна заслоняет свет Солнца, а звезды становятся видимыми днем. Эйнштейн рассудил, что фотографии дневного неба, сделанные во время затмения, в сравнении с фотографиями того же участка неба, сделанными ночью, должны показать легкое искажение положения звезд вблизи Солнца. (Близость Луны тоже слегка искривляет свет звезд, но по сравнению с искажением, вызванным массой Солнца, это искажение очень и очень мало. Таким образом, присутствие Луны практически не влияет на искривление света звезд во время затмения.)

Принцип эквивалентности помог Эйнштейну вычислить приблизительный сдвиг лучей света под действием гравитации, но ничего не говорил о гравитации как таковой. Недоставало полевой теории гравитации. Вы помните, что уравнения Максвелла описывают теорию поля, в которой силовые линии напоминают паутину, способную колебаться и поддерживать волны, движущиеся вдоль этих линий. Эйнштейн же занимался поисками гравитационного поля, силовые линии которого способны поддерживать гравитационные колебания, движущиеся со скоростью света.

Около 1912 г., после нескольких лет усиленных размышлений, Эйнштейн постепенно начал понимать, что наши представления о пространстве и времени придется перетряхивать; для этого требовалась новая геометрия, помимо той, что современная наука унаследовала от древних греков. Основным фактором, подтолкнувшим его к мысли об искривлении пространства-времени, стал парадокс, иногда называемый «парадоксом Эренфеста», с которым Эйнштейна познакомил его друг Пауль Эренфест. Представьте себе простую карусель на вращающемся диске. Известно, что длина окружности этого диска в покое равняется его диаметру, взятому π раз. Однако, когда карусель кружится, ее внешний край движется быстрее, чем внутренние части, следовательно, согласно теории относительности, и сжимается он сильнее, чем внутренность диска, искажая форму карусели. Это означает, что окружность диска съежилась и теперь меньше, чем π диаметров; то есть поверхность перестала быть плоской. Пространство искривлено. Поверхность карусели можно сравнить с областью внутри Северного полярного круга. Мы можем измерить диаметр полярного круга, пройдя от одной точки на окружности прямо через Северный полюс до противоположной ее точки. Затем мы можем измерить длину Полярного круга, пройдя вдоль линии. Сравнив то и другое, мы обнаружим, что длина окружности меньше, чем π диаметров, поскольку поверхность Земли искривлена. Но последние две тысячи лет физики и математики полагались исключительно на евклидову геометрию, основанную на плоских поверхностях. Что произойдет, если представить себе геометрию, основанную на искривленных поверхностях?

Стоит только понять, что пространство может быть искривлено, как на свет появляется поразительная картина. Представьте себе тяжелый камень, лежащий на упругой кровати. Естественно, этот камень продавит кровать под собой. А теперь киньте на кровать маленький шарик. Он будет катиться не по прямой, а по кривой линии вокруг большого камня. Существует два способа проанализировать этот эффект. Глядя со стороны, сторонник теории Ньютона мог бы сказать, что существует загадочная «сила», которая исходит от камня и действует на шарик, заставляя его менять направление движения. Однако релятивист увидел бы совершенно иную картину. Посмотрев на кровать внимательно, релятивист заметил бы, что никакой силы, которая действовала бы на шарик, нет. А есть только вмятина в кровати, которая и задает движение шарика. Сама поверхность кровати «подталкивает» шарик и заставляет его катиться вокруг камня.

Теперь заменим камень на Солнце, шарик на Землю, а кровать – на пространство и время. Ньютон сказал бы, что Землю к Солнцу притягивает невидимая сила, именуемая тяготением. Эйнштейн ответил бы, что гравитационного притяжения не существует. Земля обращается вокруг Солнца, потому что ее толкает кривизна самого пространства. В определенном смысле можно сказать, что не гравитация притягивает, а пространство подталкивает.

В этой картине Эйнштейн вполне мог объяснить, почему любое возмущение на Солнце доходит до Земли за восемь минут. Если внезапно убрать с кровати камень, то ее поверхность начнет возвращаться к нормальной плоской форме, породив при этом круговые волны, которые разойдутся по поверхности кровати с определенной скоростью. Точно так же, если бы Солнце вдруг исчезло, возникла бы ударная волна искривленного пространства, которая двигалась бы со скоростью света. Эта картина была настолько проста и элегантна, что суть ее Эйнштейн смог объяснить даже своему второму сыну Эдуарду, спросившему отца, почему тот так знаменит. Эйнштейн ответил: «Когда слепой жук ползет по изогнутой ветке, он не замечает, что путь, по которому он движется, в самом деле искривлен. Мне повезло заметить то, чего не замечал этот жук».

Ньютон в своей эпохальной книге «Математические начала натуральной философии»[11]11
  Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: ЛКИ, 2014.


[Закрыть] признавался, что не в состоянии объяснить происхождение этого загадочного притяжения, которое действует мгновенно во всей Вселенной. Он пустил в обращение знаменитую фразу «hypotheses non fingo» («гипотез не измышляю») именно потому, что был не в состоянии объяснить, откуда берется гравитация. У Эйнштейна, как мы видим, гравитацию вызывает искривление пространства и времени. Выясняется, что «сила» – всего лишь иллюзия, побочный продукт геометрии. Согласно этой картине, причина того, что мы стоим на поверхности Земли, заключается не в том, что тяготение Земли притягивает нас. По Эйнштейну, гравитационного притяжения не существует. Земля искривляет пространственно-временной континуум вокруг наших тел, так что само пространство толкает нас вниз, к полу. Таким образом, все дело в присутствии вещества, которое искривляет пространство вокруг него и дает нам иллюзию существования некоей гравитационной силы, притягивающей близлежащие объекты друг к другу.

Искривление пространства, разумеется, невидимо, и с некоторого расстояния ньютонова картина представляется вполне корректной. Представьте себе муравьев, прогуливающихся по смятому листу бумаги. Пытаясь идти по прямой, они замечают, что их то и дело тянет то влево, то вправо, когда они преодолевают складки бумаги. Муравьям кажется, что существует какая-то загадочная сила, тянущая их в обоих направлениях. Однако человеку, наблюдающему за муравьями со стороны, очевидно, что никакой силы нет, что все дело в складках бумаги, которые, собственно, и порождают иллюзию силы. Вспомните, кстати, что Ньютон считал пространство и время абсолютной системой отсчета для любого движения. Однако, по Эйнштейну, пространство и время могут играть и динамическую роль. Если пространство искривлено, любому, кто движется по этой сцене, покажется, что на его тело действует загадочная сила, толкающая его то туда, то сюда.

Сравнив пространство-время с натянутой тканью, способной растягиваться и изгибаться, Эйнштейн вынужден был заняться изучением математики искривленных поверхностей. Он очень быстро утонул в математической трясине и понял, что не в состоянии отыскать инструменты, подходящие для анализа его новой гравитационной картины. В определенном смысле Эйнштейн, когда-то называвший математику «лишней эрудицией», теперь расплачивался за те годы, когда он беззаботно прогуливал математические курсы в Политехникуме.

В отчаянии он обратился к своему другу Марселю Гроссману. «Гроссман, ты должен помочь мне, или я сойду с ума! – признавался Эйнштейн. – Никогда в жизни я так не мучился, как сейчас, и подумать только, я проникся великим уважением к математике, коей даже простейшие части считал когда-то чистым излишеством! В сравнении с этой проблемой первоначальная теория относительности всего лишь детская игрушка».

Гроссман просмотрел литературу и выяснил, что, как ни смешно, базовую математику, нужную Эйнштейну, в самом деле преподавали в Политехникуме. В геометрии Бернхарда Римана, разработанной в 1854 г., Эйнштейн обнаружил наконец достаточно мощную основу для описания искривления пространства-времени. (Много лет спустя, вспоминая, как трудно было овладевать новой математикой, Эйнштейн заметил в разговоре со школьниками: «Не обращайте внимания на свои трудности с математикой; могу вас заверить, что мои еще больше».)

До Римана вся математика основывалась на евклидовой геометрии – геометрии плоских поверхностей. Тысячи лет школьников мучили проверенными временем теоремами греческой геометрии, где сумма внутренних углов треугольника всегда равняется 180°, а параллельные прямые не пересекаются. Два математика – русский Николай Лобачевский и венгр Янош Бойяи – подошли очень близко к созданию неевклидовой геометрии, то есть такой геометрии, где сумма углов в треугольнике может быть больше или меньше 180°. Но по-настоящему теорию неевклидовой геометрии разработали «король математики» Карл Фридрих Гаусс и особенно его ученик Риман. (Гаусс подозревал, что теория Евклида может оказаться неверной по физическим причинам. По его указаниям помощники светили прожекторами с вершин гор Гарца, а сам он пытался экспериментально выяснить сумму углов треугольника, образованного тремя вершинами. К несчастью, результат эксперимента оказался отрицательным. Кроме того, Гаусс был настолько политически осторожным человеком, что так и не опубликовал своей работы по этому тонкому вопросу, опасаясь реакции консерваторов от науки, готовых клясться теоремами евклидовой геометрии.)

Риман же открыл совершенно новые математические миры – геометрию искривленных поверхностей любой размерности, не только двумерных или трехмерных. Эйнштейн был убежден, что при помощи этих геометрий высоких порядков можно получить более точное описание Вселенной. Впервые математический язык «дифференциальной геометрии» прокладывал себе путь в мир физики. Дифференциальная геометрия, или тензорное исчисление, – математика искривленных поверхностей любой размерности, когда-то считалась самой бесполезной областью математики, лишенной всякого физического содержания. Внезапно, однако, она превратилась в язык самой Вселенной.

В большинстве биографий Эйнштейна общая теория относительности возникает как полностью готовая в 1915 г., как будто он безошибочно, волшебным образом нашел эту теорию уже полностью сформированной. Только в последние десятилетия были проанализированы некоторые из «потерянных записных книжек» Эйнштейна, которые позволили заполнить многие пробелы в промежутке между 1912 и 1915 г. Теперь можно восстановить, иногда помесячно, основные вехи эволюции одной из величайших теорий в истории. В частности, Эйнштейн хотел обобщить понятие ковариантности. Специальная теория относительности, как мы видели, была основана на идее Лоренц-ковариантности; это означало, что уравнения физики сохраняют свою форму при преобразованиях Лоренца. Теперь Эйнштейн хотел обобщить это на все возможные ускорения и трансформации, а не только на инерциальные. Иными словами, он хотел найти уравнения, которые сохраняли бы свою форму в любой системе отсчета, какой бы она ни была, ускорялась она или двигалась с постоянной скоростью. Каждой системе отсчета, в свою очередь, необходима координатная сетка, которая позволила бы измерить длину по трем пространственным измерениям и времени. Эйнштейну нужна была теория, которая сохраняла бы форму, какая бы координатная сетка ни использовалась в данной системе отсчета. Этот поиск привел его к знаменитому принципу общей ковариантности: уравнения физики должны быть общековариантны (то есть они должны сохранять форму при любом преобразовании координат).

Представьте себе рыболовную сеть, наброшенную на стол. Рыболовная сеть представляет произвольную систему координат, а поверхность столешницы – объект, который сохраняет форму при любом искажении формы сети. Как бы мы ни перетягивали или крутили сеть, поверхность столешницы под ней останется прежней.

В 1912 г. Эйнштейн был уже уверен, что риманова математика – подходящий язык для гравитации. Опираясь на закон общей ковариантности, он начал искать внутри римановой геометрии подходящие, то есть общековариантные, объекты. Как ни удивительно, таких объектов оказалось всего два: объем искривленного пространства и кривизна (или, как ее называют, «кривизна Риччи») такого пространства. Это была чрезвычайно важная находка: серьезно ограничив состав возможных строительных блоков для сооружения теории гравитации, принцип общей ковариантности помог Эйнштейну сформулировать корректную в основном теорию в 1912 г., всего через несколько месяцев изучения работы Римана по кривизне Риччи. Однако по какой-то причине он отбросил верную теорию и двинулся по ложному пути. Почему он отказался от корректной теории, оставалось для ученых загадкой до самого последнего времени, когда были обнаружены потерянные записные книжки. В тот год, когда он в основном выстроил верную теорию гравитации на основе кривизны Риччи, он совершил очень серьезную ошибку – решил, что эта верная теория нарушает принцип, известный как «принцип Маха»[12]12
  Точнее, принцип Маха утверждает, что инерция объекта и, следовательно, его масса, обусловлены присутствием во Вселенной всех остальных масс, в том числе отдаленных звезд. Мах заново озвучил наблюдение, известное со времен Ньютона, что поверхность воды во вращающемся ведре становится вогнутой (благодаря центростремительным силам). Чем быстрее вращение, тем сильнее вогнутость поверхности. Если всякое движение относительно, включая и вращение, то всегда можно считать, что ведро покоится, все отдаленные звезды вращаются вокруг него. Таким образом, рассуждал Мах, именно вращение далеких звезд вызывает вогнутость поверхности воды в неподвижном ведре. Таким образом, присутствие далеких звезд определяет инерциальные свойства ведра с водой, включая и массу. Эйнштейн модифицировал этот закон таким образом: гравитационное поле однозначно определяется распределением масс во Вселенной. – Прим. авт.


[Закрыть]. В одном из вариантов этого принципа постулируется, что присутствие вещества и энергии во Вселенной однозначно определяет окружающее ее гравитационное поле. Если зафиксировать определенную конфигурацию планет и звезд, то гравитация, окружающая эти планеты и звезды, тоже окажется фиксированной. Представьте, как кидают камешек в пруд. Чем крупнее камешек, тем заметнее будет рябь на воде. Таким образом, зная точный размер камешка, искажение поверхности пруда можно однозначно вычислить. Точно так же, зная массу Солнца, можно однозначно определить окружающее его гравитационное поле.

Именно здесь Эйнштейн совершил свою ошибку. Он решил, что теория, основанная на кривизне Риччи, нарушает принцип Маха, поскольку присутствие вещества и энергии не определяет однозначно окружающее их гравитационное поле. Вместе с Марселем Гроссманом он попытался разработать более скромную теорию, ковариантную только по отношению к вращению (но не к любому ускорению). Однако, отказавшись от принципа ковариантности, он потерял путеводную звезду и три грустных года скитался в дебрях теории Эйнштейна – Гроссмана, которая не была ни элегантной, ни полезной – к примеру, из нее не получались уравнения Ньютона для слабых гравитационных полей. Обладая лучшей, может быть, на всей Земле интуицией физика, Эйнштейн упрямо игнорировал ее.

Пытаясь нащупать окончательные уравнения, он сосредоточился на трех ключевых экспериментах, которые теоретически могли помочь доказать идеи, связанные с искривлением пространства и гравитацией: это отклонение света звезд, которые можно увидеть во время затмения, красное смещение и перигелий Меркурия. В 1911 г., еще до работы по искривленному пространству, Эйнштейн надеялся, что удастся отправить в Сибирь экспедицию для наблюдения солнечного затмения 21 августа 1914 г., целью которой было бы зафиксировать отклонение света звезд Солнцем.

Наблюдение должен был проводить астроном Эрвин Финлей-Фройндлих. Сам Эйнштейн был настолько уверен в корректности его работы, что поначалу предложил профинансировать этот амбициозный проект из собственного кармана. «Если ничего не получится, я заплачу из своих собственных небольших сбережений, по крайней мере первые 2000 марок», – написал он. Правда, позже нашелся богатый промышленник, готовый профинансировать это предприятие. Фройндлих отправился в Сибирь[13]13
  Полоса полного солнечного затмения 8/21 августа 1914 г. проходила через Ригу, Минск, Киев и восточные районы Крыма. 29-летний Эрвин Фройндлих прибыл 25 июля в Феодосию, где и намеревался наблюдать затмение с двумя помощниками. 4 августа они получили предписание о высылке как подданные воюющей с Россией страны, а 5 августа интернированы в Одессе, но 29 августа получили разрешение выехать в Германию в порядке обмена. – Прим. пер.


[Закрыть] за месяц до затмения, но 1 августа Германия объявила России войну, вследствие чего астроном и его помощник были арестованы, а их оборудование конфисковано. (Задним числом заметим, что Эйнштейну, можно сказать, повезло, что экспедиция 1914 г. сорвалась. Если бы эксперимент удалось провести, результат, конечно, не сошелся бы с величиной, предсказанной ошибочной теорией Эйнштейна, и это дискредитировало бы всю идею.)

Далее, Эйнштейн рассчитал, как гравитация должна влиять на частоту светового луча. Если с Земли запустить ракету и направить ее в космос, то тяготение Земли будет тормозить ее и тянуть назад. В сражении с гравитационной силой, таким образом, расходуется энергия ракеты. Точно так же, рассуждал Эйнштейн, когда луч света, излучаемый Солнцем, удаляется от него, тяготение должно тормозить его и заставлять терять энергию. Световой луч не сможет замедлиться, но потеря энергии, вызванная преодолением солнечной гравитации, вызовет уменьшение частоты. Так, частота желтого солнечного света снизится, луч, покидая область гравитационного притяжения Солнца, станет краснее. Однако гравитационное красное смещение – чрезвычайно слабый эффект, и Эйнштейн не питал иллюзий и не надеялся, что его удастся в каком-то обозримом будущем проверить в лаборатории. (В самом деле, пройдет еще четыре десятка лет, прежде чем гравитационное красное смещение удастся увидеть.)