Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли весной 1887 г. – Альберт Эйнштейн только что отпраздновал 18-летие – поставили изящный эксперимент в Кливленде (штат Огайо). Его детали можно опустить, за исключением любопытного факта – ученые использовали интерферометр, тот же самый инструмент, с помощью которого в сентябре 2015 г. будут впервые в истории зарегистрированы гравитационные волны.

Прибор Майкельсона и Морли был достаточно чувствительным, чтобы измерять малые различия скорости движения света в разных направлениях. Но они не обнаружили никаких отклонений. В какую сторону ни смотри, световые волны всегда имели одну и ту же скорость – 300 000 км/с, как если бы Земля, двигаясь в космическом пространстве, волокла гипотетический эфир вместе с собой. Никто не смог предложить удовлетворительного объяснения этим наблюдениям.

Итак, Эйнштейн знал о двух фактах, не объяснимых в рамках ни одной существующей на тот момент теории, – чрезмерной прецессии перигелия орбиты Меркурия и постоянстве скорости света.

Единственным ответом стала его теория относительности.

Осенью 1896 г. 17-летний Альберт Эйнштейн был зачислен на 4-летний курс математики и физики в Политехническую школу Цюриха. Сначала он поддерживал контакт со своей подругой Мари, но все изменило знакомство с сербкой Милевой Марич, единственной девушкой на потоке. Как и Мари, она была старше Альберта. В отличие от Мари, она понимала многие тонкости физики. Любовь оказалась взаимной.

Через 4 года Альберт окончил курс и получил диплом, дававший возможность преподавать физику и математику в средней школе, но предпочел бы труду учителя работу над диссертацией на степень доктора философии, желательно в нидерландском Лейдене. Лейденский университет был альма-матер и местом работы Хендрика Лоренца, одного из величайших физиков своего времени, которого Эйнштейн глубоко почитал. На основе работы Лоренца он сформулирует идеи относительности.

В 1901 г., надеясь оказаться ближе к Лоренцу, Эйнштейн подал заявление о приеме на работу в лейденскую лабораторию физики низких температур Хейке Камерлинга-Оннеса, другого гиганта науки. Но Камерлинг-Оннес даже не потрудился написать ответ, что оказалось потерей не только для Эйнштейна, но и для голландской физики. В конце концов, Эйнштейну удалось устроиться клерком в Федеральное бюро патентования изобретений в швейцарском Берне, куда его, по доброте душевной, рекомендовал отец его друга и одноклассника Марселя Гроссмана. Работа была скучной, но в спокойные дни предоставляла достаточно свободного времени для размышлений над теориями в области физики.

Жизнь складывалась не слишком удачно. Весной 1901 г. у Милевы случилась незапланированная беременность, и в январе 1902 г. родилась их с Альбертом дочь Лизерль, дальнейшая судьба которой неизвестна. Биографы Эйнштейна даже не знали о Лизерль до 1986 г. Возможно, она была умственно отсталой и, вероятно, умерла от скарлатины осенью 1903 г., через год после кончины отца Альберта Германа (хотя существует версия, что Лизерль была удочерена подругой Милевы и дожила до 1990-х гг.). Как бы то ни было, создается впечатление, что Эйнштейн ни разу не видел дочери.

Альберт и Милева поженились в Берне в январе 1903 г.; их первый сын Ганс Альберт родился в мае 1904 г. Эйнштейн не уделял особого внимания ни воспитанию ребенка, ни домашнему хозяйству. В те времена считалось, что это обязанность женщины, и Милеве пришлось пожертвовать физикой. Альберт тем временем вступил на путь, ведущий к открытию тайн орбиты Меркурия и постоянства скорости света.

Это был двухэтапный процесс. В 1905 г. появилась специальная теория относительности (СТО). На основе работы своего бывшего преподавателя профессора Германа Минковского, разработавшего понятие четырехмерного пространственно-временного континуума, Эйнштейн показал, что и пространство, и время являются относительными понятиями. Каково расстояние между двумя точками? Это зависит от того, кому вы задаете этот вопрос. То же самое относится к времени, когда происходят события. Два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, дадут разные ответы. И оба будут правы. Прощай, Ньютон, абсолютного пространства и абсолютного времени не существует.

СТО не проста. Чтобы полностью понимать ее потенциальные следствия, нужно научиться решать сложные уравнения – так называемые уравнения преобразования. Но суть уловить нетрудно. Если вы станете двигаться со скоростью, составляющей существенную часть скорости света, сторонним наблюдателям покажется, что ваш космический корабль уменьшается – укорачивается в направлении перемещения. Этот эффект называется Лоренцевым сокращением. Более того, если двигаться достаточно быстро, оставшиеся дома люди заметят, что ваши часы стали идти медленнее. Это замедление времени. В повседневной жизни мы не замечаем такие эффекты по единственной причине – скорость света слишком велика. Даже гонщик «Формулы-1» движется недостаточно быстро, чтобы воздействие на него Лоренцева сокращения или замедления времени можно было обнаружить.

Одно из основных предположений СТО заключается в том, что сама скорость света одинакова для любого наблюдателя, независимо от его собственного движения или скорости. Это установили Майкельсон и Морли, и Эйнштейн счел их результат достоверным. Из уравнений Эйнштейна следует, что ничто не может двигаться сколько-нибудь быстрее света [21] Правильнее сказать – быстрее света в вакууме. – Прим. науч. ред. – это непреодолимый и фундаментальный предел скорости, поставленный природой.

Во второй статье, опубликованной в 1905 г., Эйнштейн вывел уравнение E = mc 2 – без сомнения, самое знаменитое уравнение в истории. Оно гласит, что энергия ( Е ) может быть преобразована в массу ( m ) и наоборот. Это неизбежное следствие относительности в рамках специальной теории, тесно связанное также со скоростью света ( с ). Кстати, мы живем благодаря истинности этого уравнения. В главе 5 будет показано, что Солнце светит, поскольку масса превращается в энергию – о чем Эйнштейн в то время не знал, – а никакая жизнь на Земле, включая нашу, не была бы возможна без энергии Солнца.

Две другие статьи 1905 г. посвящены иным темам: одна – движению молекул, вторая – существованию фотонов, или частиц света. Эта статья принесла Эйнштейну Нобелевскую премию по физике за 1921 г. В общем, 1905 г. стал для Эйнштейна «годом чудес» – он также получил степень доктора философии в Цюрихском университете. Ему было всего 26 лет.

Вторым этапом стала разработка ОТО. Под словом «общая» Эйнштейн понимал то, что она должна работать в любых условиях, а не только в особом случае равномерного прямолинейного движения. ОТО описывает движение с ускорением – в случае, если какая-либо сила (например, гравитация или реактивная сила струи из двигателя ракеты) вызывает изменение скорости или направления. Эйнштейн трудился над этой теорией 10 лет, в течение которых переехал из Берлина в Цюрих, из Цюриха в Прагу, из Праги вернулся в Цюрих, а оттуда снова в Берлин. В эти годы родился его второй сын (Эдуард, 1910 г.), а сам он написал душераздирающее любовное письмо первой возлюбленной Мари (пока Милева была беременна Эдуардом) и влюбился в кузину Эльзу. В 1914 г., когда разразилась Первая мировая война, Эйнштейн перебрался в Берлин, а Милева с сыновьями остались в Цюрихе. Альберт обосновался в Берлине с Эльзой и двумя ее дочерьми Илзе и Марго.