Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Однако в этом чистом голубом небе висело маленькое облачко – орбита Меркурия. Меркурий имеет очень вытянутую орбиту, ближайшая к Солнцу точка которой – перигелий – смещается для земного наблюдателя на 5600 угловых секунд (около полутора диаметров Луны) за столетие. Самые точные расчеты Леверье показали, что известные планеты и закон Ньютона объясняют только прецессию в 5557 угловых секунд. Уверенность в теории Ньютона была так велика, что для объяснения этого крохотного расхождения было постулировано наличие внутри орбиты Меркурия не открытой пока планеты, названной Вулканом [257]. Леверье до самой смерти верил, что Вулкан будет найден, но этого не произошло. В действительности же теория Ньютона оказалась не столь совершенной.

В 1907 г. миновало всего два года после «чудесного года», когда Эйнштейн переосмыслил физику, но он и не думал о попытках «улучшить» закон тяготения Ньютона. Эйнштейн работал в патентном бюро в Берне и имел много свободного времени. Тогда его и озарила «счастливейшая мысль»: в состоянии свободного падения человек не будет ощущать своего веса. Это навело его на совершенно новые представления о гравитации.

Прошло восемь лет, и Эйнштейн пребывал в смятении. Он в одиночку проделал большую часть работы. Научные круги запоздало приняли его, и он стал профессором физики в Праге, но ситуация была непростой: в Европе усиливался антисемитизм, и Эйнштейн ощущал это на себе. Возможно, трудно поверить, но у него возникли сложности с математической составляющей общей теории относительности. Лучше всего Эйнштейну работалось, когда он следовал своему выдающемуся чутью физика. Годами он продумывал разные варианты своей теории, но то и дело возникали ошибки и недочеты. Летом 1915 г. Эйнштейн выступил с циклом лекций о принципе относительности в Гёттингенском университете, а в ноябре того же года совершил переворот в науке, о котором рассказал на своей четвертой лекции – под названием «Уравнения гравитационного поля» – в Прусской академии наук. Объяснение аномального смещения орбиты Меркурия стало решающей проверкой этих уравнений. Теория предсказывала эффект в 43 угловые секунды за столетие – именно настолько расходились практические наблюдения с предсказанием теории Ньютона. «На протяжении многих дней я был сам не свой от радости и воодушевления, – рассказывал Эйнштейн коллеге. – Я весьма удовлетворен результатами по движению перигелия Меркурия. Какой полезной для нас оказалась педантичная точность астрономии, над которой я привык втайне посмеиваться!» [258]

В теории Ньютона источником гравитации является масса. В теории Эйнштейна масса – часть более общего параметра, так называемого тензора энергии-импульса. Тензор можно понимать как своеобразную форму вектора, включающего информацию о физической величине в любой точке пространства. Масса в общей теории относительности определяется в искривленном пространственно-временном континууме и имеет энергию и импульс в каждом из трех измерений, поэтому для описания отношения массы и пространственно-временного континуума теории Эйнштейна требуется десять уравнений. Вот и все, что мы можем сказать, если не собираемся вместе с Безумным Шляпником прыгнуть в кроличью нору системы дифференциальных уравнений в частных производных второго порядка.

Общая теория относительности была лишь одной из фундаментальных физических теорий начала XX в. Другой была квантовая механика, объясняющая поведение атомов и субатомных частиц. Эти две теории большого и малого несовместимы. Теория относительности является «однородной», поскольку события и пространство непрерывны и детерминированы. Все происходящее имеет выявляемую локальную причину. Квантовая механика «зерниста»: события происходят дискретно, квантовыми скачками, а результаты носят вероятностный, а не однозначный характер. Самым поразительным примером несогласованности теорий является квантовая запутанность, в которой свойства частиц могут влиять друг на друга мгновенно на огромных расстояниях [259]. Эйнштейн называл это «пугающим дальнодействием» и был убежден, что имеется более основательная теория природы, которая снимет парадоксальность квантовой механики.

Его работа в этом направлении завершилась неудачей. Несмотря на множество попыток, Эйнштейн не смог найти ни фатальные ошибки, ни хотя бы существенные упущения квантовой теории. Он пытался обобщить свою геометрическую теорию гравитации и включить в нее электромагнетизм, но исследования, которыми ученый был вынужден заниматься в одиночестве, привели лишь к дальнейшим разочарованиям. Эйнштейн умер в Принстоне в 1955 г., на его доске остался список нерешенных вопросов.

Следующие поколения физиков удостоились чести, а может быть – взяли на себя бремя поисков согласования двух великих теорий. Конечной целью является «теория всего», объясняющая все физические явления. В природе имеется четыре фундаментальные силы. Две действуют на субатомном уровне: сильное и слабое ядерные взаимодействия. Другие две – на очень больших расстояниях: электромагнетизм и гравитация. Физики частично сумели объединить эти силы во второй половине XX в. Эксперименты на ускорителях в 1970-е гг. показали, что электромагнетизм и слабое взаимодействие, обусловливающее радиоактивность, являются проявлениями одной электрослабой силы. Благодаря дополнительным экспериментам почти удалось увязать с остальным и сильное ядерное взаимодействие. Эта конструкция называется Стандартной моделью физики частиц [260]. Однако гравитация упрямо сопротивляется включению в эту модель. Никто никогда не видел гравитон – гипотетической частицы-носителя силы гравитации. Унификация, включающая гравитацию, возможна лишь при фантастической температуре 10 32кельвинов (илл. 44). Единственная известная нам ситуация с такой температурой – 10 –43секунд после Большого взрыва, когда Вселенная была размером с элементарную частицу и общий принцип относительности разбивался о начальную сингулярность и сгорал в ней.

Существуют разные подходы к решению вопроса квантовой гравитации [261]. Идея петлевой квантовой гравитации основывается на рассуждениях Пифагора, который представлял, что берет от камня половину, от полученного куска – еще половину – и так до тех пор, пока не достигнет предела. В данном случае дюйм делится пополам – и так далее, вплоть до «атомов», или неделимых единиц пространства. Петлевая квантовая гравитация – это попытка напрямую перенести логику квантовой механики на силу гравитации. К более радикальным подходам относятся теория струн и дополнительные пространственные измерения, помимо известных трех. Переход от Ньютона к Эйнштейну и далее – от жесткого и линейного к гибкому и искривленному, а затем к туманному и дискретному – это самый важный незавершенный проект в физике. Прогресс идет медленно, а работа невероятно трудна.