Текст книги "Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания"

Автор книги: Пол Хэлперн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 26 страниц)

Шрёдингер был одним из немногих, кто симпатизировал сомнениям Эйнштейна. Они продолжали беседовать о способах расширения квантовой механики. Эйнштейн пожаловался ему на догматизм большинства ученых квантового сообщества. Например, так писал он Шрёдингеру в мае 1928 года: «Успокаивающая философия Гейзенберга – Борна – или религия? – настолько нарочито надуманна, что, до поры до времени, она создает истинно верующему мягкую подушку, от которой ему не очень-то легко отказаться. Так пусть и лежат там. Но эта религия имеет… чертовски слабое влияние на меня»^{69}.

В своем уединении Эйнштейн пытался создать общую теорию поля, которая бы заменила квантовую механику. Учитывая успех квантово-механических уравнений, эти попытки Эйнштейна мало интересовали ведущих физиков. Статьи Эйнштейна вскоре стали более популярны в прессе, чем в физическом сообществе.

Оглядываясь назад, можно сказать, что работы Эйнштейна, написанные после Сольвеевского конгресса, оказали мало влияния на науку. Они представляли собой в основном математические упражнения в изучении различных возможностей объединения взаимодействий. Отмечая, что после 1925 года Эйнштейн не создал ни одной серьезной теории, Пайс язвительно писал: «В оставшиеся 30 лет жизни… его слава не уменьшилась бы или даже стала больше, если бы вместо этого он занялся рыбалкой»^{70}.

Хотя все физическое сообщество переселилось в королевство вероятностной квантовой реальности, оставив Эйнштейна одиноким обитателем изолированного замка детерминизма, пресса по-прежнему купала его в лучах славы. Он был лохматым гением, знаменитым ученым, выдающимся специалистом, который предсказал искривление света звезд. Он был кем-то вроде церемониального монарха, который уже давно никак не влиял на ход событий. Газетчики гораздо больше интересовались Эйнштейном, чем менее известными учеными, которые на самом деле меняли науку. Каждое из его заявлений по-прежнему широко освещалось в прессе, хотя в значительной степени игнорировалось коллегами.

Ожидание того, что у Эйнштейна все еще остались джокеры в рукаве, сохранялось до конца его жизни. Его теории объединения, созданные в Берлине в конце 1920-х годов, помогли удержать на нем внимание общественности. Отвергнутый большинством ученых физического сообщества, которые все чаще рассматривали его как реликвию, он оставался любимцем журналистов.

Глава 4.
В ПОИСКАХ УНИФИКАЦИИ

Этот Эйнштейн утешал нас тем, что всегда знал, что мы много не знаем. Он доказал нам, что парни, которые считали себя умниками, на самом деле так же глупы, как и все мы… Я думаю, что этот голландец [sic] тихонько посмеивается над всем миром.

Уилл Роджерс. «Взгляд Уилла Роджерса на теорию Эйнштейна» 

В Берлине Эйнштейн пребывал в атмосфере постоянной активной деятельности. Мало того что Берлин был крупным научно-техническим центром, город также стал прибежищем для многих деятелей искусства. Унтер-ден-Линден – главный проспект в центре Берлина – в конце 1920-х годов представлял собой один из наиболее концентрированных культурных центров мира. На улице, растянувшейся от знаменитых Бранденбургских ворот до Берлинского кафедрального собора, Городского дворца и Музейного острова, расположились государственная библиотека, государственная опера и главное здание Берлинского университета.

Хотя инфляция серьезно сказалась на экономике Германии, Берлин блистал великолепием. Город гордился тем, что является самым большим по площади в мире. Строились новые районы с универмагами, ресторанами, джаз-клубами и другими общественными заведениями. Большой популярностью пользовались оперетты. Бертольд Брехт и Курт Вайль искусно смешали оперу с языком улиц и джазовыми мотивами в своем шедевре под названием «Трехгрошовая опера», премьера которой состоялась в Театре на Шиффбауэрдамм в августе 1928 года.

В конце 1927 года Планк покинул Берлинский университет и вышел на пенсию. При содействии Эйнштейна Шрёдингер был приглашен на престижную профессорскую должность. Хотя пребывание в Цюрихе давало много преимуществ, в особенности Шрёдингера прельщала близость к Альпам, он был счастлив получить предложение из Берлина. Эрвин и Энни с радостью переехали в шумную столицу, возвратившись на немецкую землю.

Энни вспоминала то волнующее время: «Берлин был самым замечательным и абсолютно уникальным местом для всех ученых. Они все это знали и очень ценили… Театр и музыка были на высоте, не отставала и наука со всеми научными институтами, а также промышленность. И самый знаменитый коллоквиум… Моему мужу на самом деле все это очень нравилось»^{71}.

Живя в столице Германии, Шрёдингер не только стал центральной фигурой в научном сообществе и получил легкий доступ к лекциям и научным дискуссиям, но он также начал приобретать международную известность. Это была всего лишь толика того колоссального внимания, которое уже получил Эйнштейн, но она все же дала ему почувствовать вкус славы.

Например, в июле 1928 года журнал Scientific American опубликовал статью, в которой взгляды Шрёдингера были представлены как каноническая замена боровской модели^{72}. New York Times также не обошла вниманием эту новость и проинформировала своих читателей о новой теории Шрёдингера. Сообщалось, что работы Бора устарели так же, как и юбки длиной по щиколотку, и подкованные читатели должны ознакомиться с новой волновой теорией атома, предложенной Шрёдингером.^{73}

Пока Шрёдингер купался в лучах славы, Эйнштейн чувствовал, что тяготится ею, за исключением тех случаев, когда она оказывалась полезной для его благотворительных целей или приносила ему дополнительный доход от популярных книг и статей, которые он часто публиковал. Хотя Эйнштейн и считал, что общественность необходимо информировать о научных успехах, все же он сомневался, что большинство людей сможет понять его теории. Наиболее резко он выразил эту мысль сразу после своего визита 1921 года в США, когда обвинил американцев в неотесанности. Его странные выводы о том, почему они так заинтересованы в его работах, породили следующий заголовок в New York Times: «Эйнштейн заявляет, что здесь правят женщины. Ученый считает американских мужчин игрушечными собачками в руках противоположного пола. Люди здесь колоссально скучны».

Газета цитировала Эйнштейна, который выразился в том смысле, что американские женщины «делают все, что модно и популярно, и сейчас совершенно случайно они обратили внимание на персону Эйнштейна… [Эта] тайна непонятного – вот что создает волшебные чары, под которые они попадают». Американские мужчины, с другой стороны, «абсолютно ничем не интересуются»^{74}.

Эльзе, напротив, нравилась публичность. И она видела одной из своих ролей создание и продвижение имиджа Эйнштейна. Тем не менее, как она поняла на одной неприятной встрече 31 января 1925 года, общественные деятели часто привлекают к себе внимание сумасшедших. В тот день русская вдова Мари Диксон пробралась в их дом. Размахивая оружием (по одним сведениям, заряженным револьвером, по другим – шляпной булавкой), она пригрозила Эльзе и потребовала встречи с профессором. По сообщениям прессы, Диксон полагала, что Эйнштейн был царским агентом. Ранее она уже угрожала советскому послу во Франции, за что отсидела три недели в тюрьме, а затем была депортирована. После чего она направилась прямиком в Берлин, к Эйнштейну^{75}.

Зная, что муж работает в своем кабинете, Эльза пошла на хитрость. Она сказала, что мужа нет дома, и предложила позвонить, когда он появится. Диксон успокоилась и сказала, что зайдет позже. Как только она вышла, Эльза позвонила в полицию. Когда Диксон вернулась, ее уже ждали пять полицейских. После ожесточенной борьбы они арестовали ее и отправили в психиатрическую лечебницу. Все это время Эйнштейн, погруженный в свои теории, спокойно работал у себя в кабинете, даже не подозревая, что Эльза спасла ему жизнь^{76}.

Хотя Эйнштейн, возможно, и был в долгу перед своей женой, они часто ссорились. Эльзу выводило из себя отсутствие какого-либо интереса у Альберта к собственному внешнему виду. Он просто ненавидел стричься, и Эльзе приходилось постоянно уговаривать его посидеть спокойно, пока работал парикмахер. Кроме того, Эйнштейн постоянно отказывался носить носки. Учитывая их высокий статус, Эльза хотела, чтобы он хорошо выглядел на фотографиях журналистов, но он вообще не заботился об этом. Поддержание определенного публичного имиджа просто было для него дополнительным грузом, и он предпочитал проводить время наедине со своими проектами. В свою очередь, Эйнштейн часто выражал свое недовольство «глупостью» дорогих нарядов Эльзы^{77}.

К тому времени как Шрёдингеры переехали в Берлин, стресс вкупе с отсутствием физических нагрузок и чрезмерным увлечением трубкой начали негативно сказываться на состоянии здоровья Эйнштейна. В марте 1928 года во время посещения Швейцарии он даже потерял сознание. Ему был поставлен диагноз – увеличение сердца. После возвращения в Берлин Эйнштейну предписали постельный режим и строгую бессолевую диету. Он потерял трудоспособность на многие месяцы и использовал их как отличную возможность поработать над новой единой теорией поля. В мае того года Эйнштейн эмоционально написал своему другу: «В тиши болезни у меня родилась идея, связанная с общей теорией относительности. И только богу известно, будет ли она жизнеспособной и долгоживущей.Я до сих пор благословляю свою болезнь, которая одарила меня таким прекрасным подарком»^{78}.

Секреты «Старика»

Юбилей Эйнштейна в 1929 году отмечался как публично, так и приватно. Публичные чествования примерно совпали по времени с объявлением о его первой широко известной попытке создания единой теории поля, которую он разработал во время болезни. Ранее он уже публиковал варианты теорий объединения, но без шумихи. Пятидесятилетний юбилей, новаторский подход и сама персона Эйнштейна – все это обеспечило его новой работе достаточно широкое освещение в прессе.

Различные варианты теории объединения, созданные в 1920-х годах другими учеными, только раздразнили аппетит Эйнштейна. Он стремился к разгадке секретной формулы «Старика», которая бы описала взаимосвязь всех сил природы. Казалось, что гравитация и электромагнетизм имеют слишком много сходств, чтобы быть независимыми. Сила обоих взаимодействий уменьшалась обратно пропорционально квадрату расстояния между телами. Однако ограниченность общей теории относительности состояла в том, что она описывала лишь одну из сил – гравитацию. Необходимо было добавить новые члены в геометрическую часть уравнений, чтобы стало возможным описать вторую силу – электромагнетизм. Однако введение дополнительных членов в уравнения и без того успешной теории не тот шаг, к которому можно отнестись несерьезно. Для этого требуется четкое обоснование, если не апеллирующее к физическим законам, то данное посредством математических рассуждений.

Эйнштейн пробовал работать с вариациями идей Калуцы, Вейля и Эддингтона, но результаты его не удовлетворили. Как он ни старался, ему не удалось найти физически реалистичных решений, соответствующих элементарным частицам. Он даже опубликовал статью, в которой описывал модель, очень похожую на пятимерную теорию Клейна, только для того, чтобы в итоге понять, что Клейн уже обошел его. Паули рассказал Эйнштейну об этом сходстве, и Эйнштейну пришлось добавить в конец статьи неловкое замечание о том, что результаты его работы идентичны модели Клейна.

Затем, начиная с середины 1928 года и далее в течение нескольких лет, он посвящает себя идее, называемой телепараллелизмом. Его новый подход позволял соединять риманову геометрию с евклидовой, что делало возможным определение параллельности линий, проходящих через две различные точки в пространстве. Взяв за основу искривленное, неевклидово пространственно-временное многообразие общей теории относительности, он сопоставил с каждой его точкой внешнее евклидово пространство, так называемую тетраду[11]11
  Тетраду можно рассматривать как особую четверку векторов, таких, что матрица 4x4, составленная из попарных произведений их компонент, совпадает с римановой метрикой в данной точке. – Примеч. пер.


[Закрыть]. Поскольку на тетраде можно задать декартову систему координат, Эйнштейн заметил, что с помощью этих структур очень просто определить, будут линии параллельны или нет. Такое сравнение отдаленных параллельных линий несет дополнительную информацию, которой нет в стандартной формулировке общей теории относительности, позволяя дать геометрическое описание электромагнетизма наряду с гравитацией.

В стандартной формулировке общей теории относительности из-за кривизны пространства-времени ориентация системы координат в различных точках различается – координатные оси в разных точках наклонены по-разному. Это похоже на то, как выглядит Земля из космоса. Вы же не ждете, что космическая ракета, взлетающая вертикально вверх в Австралии, будет двигаться в том же направлении, что и ракета, запущенная в Швеции. Аналогично, координатные оси в одной области пространства-времени будут иметь направление, отличное от направления координатных осей в другой области. Таким образом, в стандартной общей теории относительности невозможно определить, являются ли две линии параллельными или нет. Вы можете определить только расстояния между линиями, но не их взаимное расположение.

Телепараллелизм, с его дополнительной «коробчатой» структурой, позволяет указать относительное направление двух любых прямых линий и расстояние между ними. Он добавляет во Вселенную навигационную систему, дополняющую базовый комплект дорожных карт, поставляемый вместе со стандартной общей теорией относительности. По этой причине Эйнштейн счел свою новую теорию более всеобъемлющей.

В каждой очередной попытке создания единой теории поля Эйнштейн прежде всего стремился воспроизвести уравнения Максвелла геометрическим способом, объединив их под одной крышей с общей теории относительности. Он был рад, что смог достичь этого при помощи телепараллелизма, по крайней мере, для случая пустого пространства. Однако Эйнштейн не сделал никаких новых экспериментально проверяемых предсказаний, как это было ранее для общей теории относительности.

Он также не добился другой своей цели – воспроизвести квантовые правила. Начиная с конца 1920-х годов, при каждой попытке объединения Эйнштейн надеялся, что уравнения его новой теории будут переопределены, то есть количество уравнений будет больше, чем количество независимых переменных. Такая избыточность, как он надеялся, приведет к решениям, описывающим дискретное поведение, к чему-то наподобие квантовых уровней.

Примером переопределения может служить запись уравнения движения бейсбольного мяча с добавлением дополнительного условия, что высота его полета должна иметь определенное значение. Без этого условия мяч будет двигаться, описывая в воздухе кривую линию, а введение дополнительного условия ограничит его положение только двумя возможными дискретными значениями. Мяч достигнет этой высоты один раз на пути вверх и один раз – на пути вниз. Таким образом, непрерывные уравнения, в тандеме друг с другом, будут задавать дискретные значения. Аналогично, как надеялся Эйнштейн, переопределенные единые теории поля заставят электроны двигаться по особым орбитам, схожим с собственными состояниями модели Бора – Зоммерфельда и найденным с помощью уравнения Шрёдингера. Однако у него это не получилось.

В общем, как ни старался Эйнштейн, ему не удалось воспроизвести с помощью телепараллелизма ни классическое, ни квантовое поведение частиц. Поэтому его идея оказалась скорее математическим упражнением, чем строгой физической теорией.

Даже математический аппарат его теории не был оригинален. Как Эйнштейн с опозданием узнал, французский математик Эли Картан и австрийский математик Роланд Вайценбёк уже опубликовали работы по этой теме. Картан напомнил Эйнштейну, что они однажды уже обсуждали идею телепараллелизма на семинаре в 1922 году – на встрече, о которой Эйнштейн, видимо, забыл. В конечном итоге Эйнштейн отдал должное Картану за работу над математическим аппаратом, лежащим в основе его теории.

Как оказалось, относительно легко подправить общую теорию относительности и включить в нее версию уравнений Максвелла, модифицировав правила определения длин, направлений, размерностей и других параметров. Эйнштейн думал, что телепараллелизм является одной из рационально обоснованных модификаций такого типа. Его главными критериями были простота, логичность и математическая стройность. Однако, как указал Паули и другие ученые, отказ от таких успешных предсказаний общей теории относительности, как искривление света звезд вблизи Солнца, был слишком радикальным шагом, на который не следовало идти сгоряча. Коллеги сильно удивились растущему интересу Эйнштейна к абстрактным представлениям и его нежеланию согласовывать теорию с экспериментальными данными.

На седьмом небе от счастья

В январе 1929 года Эйнштейн подготовил к публикации короткую статью с описанием новой схемы унификации. Несмотря на отсутствие экспериментальных подтверждений, он сделал короткое заявление для прессы, отметив ее научную ценность и подчеркнув ее превосходство над стандартной формулировкой общей теории относительности^{79}. Как только международная пресса узнала о планирующейся публикации, более ста журналистов осадили Эйнштейна с требованием дать интервью, в котором тот рассказал бы о новой идее просто и внятно. Не понимая, насколько абстрактна и далека от физики статья, они ожидали прорыва такого же масштаба, какой совершила теория относительности. Сначала Эйнштейн отказался от дальнейших комментариев, скрывшись от репортеров^{80}. Но в конце концов дал достаточно популярное и подробное объяснение, которое появилось в лондонской Times, New York Times, Nature и других изданиях. Журнал Nature процитировал фрагмент его заявления: «Только сейчас мы узнали, что сила, которая заставляет электроны двигаться по их эллиптическим орбитам вокруг ядер атомов, – это та же сила, которая удерживает нашу Землю в ее длящемся год путешествии вокруг Солнца, и эта же сила является источником света и тепла, которые делают возможной жизнь на этой планете»^{81}.

Провозглашение новой теории вызвало лавину публикаций, сопоставимую, пожалуй, только с сообщением о солнечном затмении 1919 года. Учитывая малопонятный, гипотетический характер статьи и отсутствие экспериментальных подтверждений, внимание прессы, которое она привлекла, было ошеломляющим. В одной только New York Times была опубликована почти дюжина статей об этой теории.

Ученых из разных стран просили прокомментировать и интерпретировать результаты Эйнштейна. Несмотря на отсутствие экспериментальных доказательств, ажиотаж вокруг теории нарастал. Среди тех, кто отреагировал чересчур поспешно, был профессор Г. Шелдон, декан физического факультета Нью-Йоркского университета, который сделал фантастическое предположение, что «эта теория сделает возможным такие вещи, как полеты аэропланов без двигателей или какой-либо поддержки, или выход из окна по воздуху без страха падения, или путешествия на Лупу…»^{82}.

Казалась, что теория резонирует со всей культурой. Ряд священнослужителей даже нашли в ней богословский смысл. Один пастор пресвитерианской церкви в Нью-Йорке, преподобный Генри Говард, сравнил теорию с проповедью св. Павла о единстве природы^{83}. Одни сатирики и юмористы, например Уилл Роджерс, высмеивали ее непостижимость^{84}. Другие шутили, что теория может быть использована для проверки мячей для гольфа^{85}.

До Эйнштейна такое огромное внимание прессы к статье, посвященной теоретической физике, было просто немыслимым. Эйнштейн сделал даже самую абстрактную, оторванную от реальной жизни теорию модной, таинственной и значительной. Тот факт, что его гипотеза состояла из выхолощенного набора математических уравнений, не имеющих жизненно важных экспериментальных подтверждений, совсем не смущал журналистов. Математические выкладки, тщательно выведенные рукой Эйнштейна, предоставляли прессе все жизненно необходимые доказательства.

Эйнштейн чувствовал себя в статусе знаменитости очень неловко. Конечно, он хотел, чтобы внимание было направлено на теорию и ее следствия, а не на него лично. Излишне говорить, что пресса сосредоточилась на самом физике, который пытался от нее спрятаться, часто безуспешно.

Общественная шумиха нарастала, а реакция сообщества физиков-теоретиков была практически пулевая. К тому времени, во многом благодаря квантовой революции, идеи Эйнштейна стремительно теряли актуальность в физическом сообществе. Среди наиболее активных квантовых теоретиков младшего поколения только Паули сохранял интерес к его работам. Хотя самого Эйнштейна лично уважали, его скоропалительные заявления о создании непроверенных теорий объединения стали расценивать как шутку. Например, молодые физики в Копенгагене спародировали его идеи в юмористической постановке «Фауста», в которой король (Эйнштейн) носился со своей блохой (единой теорией поля).

Однако Паули был не из тех, кому легко угодить. Верный своей репутации человека, любящего прямоту, однажды он вылил на Эйнштейна ушат ледяной воды. Комментируя статью, опубликованную на тему телепараллелизма, он написал в письме к редактору: «Это действительно смелый поступок редакторов принять в журнал Results in the Exact Sciences статью Эйнштейна о его новой теории поля. Его нескончаемый изобретательский талант, его настойчивость в погоне за одной и той же целью в последнее время удивляет нас, в среднем, одной такой теорией в год. С точки зрения психологии интересно, что автор обычно считает каждую свою новую теорию “окончательным решением”. Так что… можно объявлять во всеуслышание: “Новая теория поля Эйнштейна мертва. Да здравствует новая теория поля Эйнштейна!”»^{86}

В частном порядке Паули сообщил Паскуалю Йордану, что только американские журналисты могли быть настолько доверчивы, чтобы принять теорию телепараллелизма Эйнштейна; даже американские физики, не говоря уже о европейских исследователях, не так наивны. И Паули заключил пари с Эйнштейном, что тот пойдет на попятную в течение года.

Журналисты ярко осветили новую теорию Эйнштейна, но обошли вниманием важнейшую работу Вейля, в которой показывалось, как применить его старую идею калибровки к волновым функциям электронов и естественным образом объяснить электромагнитное взаимодействие. Его идея состояла в том, что включение дополнительного калибровочного фактора наряду с математическим описанием электрона требует добавления нового калибровочного поля, которое можно отождествить с электромагнитным полем. Таким образом, мы получаем калибровочную теорию электромагнетизма. Представьте себе калибровочный фактор как своего рода ветряную мельницу, которая может вращаться в любом направлении. Чтобы она вращалась в определенном направлении, нужен «ветер», создаваемый электромагнитным полем. Несмотря на великолепие квантовой калибровочной теории электромагнетизма, предложенной Вейлем, пройдет еще два десятилетия, прежде чем физическое сообщество начнет ее использовать. Паули, будучи очень проницательным, оказался одним из первых, кто признал важность этого открытия.