Митио Каку

Переводчик Наталья Лисова

Научный редактор Владимир Сурдин, к. ф.-м. н.

Редактор Антон Никольский

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректоры Е. Аксёнова, М. Миловидова

Компьютерная верстка А. Фоминов

Дизайн обложки Ю. Буга

© Michio Kaku, 2004

First published as a Norton paperback 2005

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2016

Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).

Эта книга посвящается Мишель и Элисон

Гений. Рассеянный профессор. Отец теории относительности. Легендарная фигура Альберта Эйнштейна – с пышными белыми волосами, развевающимися на ветру, в туфлях на босу ногу, в просторном джемпере, попыхивающий трубкой, не замечающий ничего вокруг – навсегда отпечаталась в нашем сознании. «Поп-идол уровня Элвиса Пресли и Мэрилин Монро – загадочно смотрит на нас с открыток, журнальных обложек, футболок и огромных плакатов. Одно из агентств в Беверли-Хиллз предлагает его образ для использования в телевизионной рекламе. Ему все это очень бы не понравилось», – пишет биограф Эйнштейна Денис Брайан.

Эйнштейн принадлежит к числу величайших ученых всех времен, это грандиозная вершина, которую по вкладу в науку можно поставить в один ряд с Исааком Ньютоном. Неудивительно, что журнал Time именно его назвал Человеком столетия. Многие историки видят его среди ста самых влиятельных людей последней тысячи лет.

Учитывая место Эйнштейна в истории, можно назвать несколько причин для того, чтобы попытаться заново вспомнить и переосмыслить его жизнь. Во-первых, его теории столь глубоки и всеобъемлющи, что сделанные несколько десятилетий назад предсказания до сих пор будоражат общественность и мелькают в газетных заголовках, поэтому очень важно попытаться понять корни этих теорий. По мере того как новые поколения исследовательских инструментов, которые в 1920-е гг. даже представить себе было невозможно (среди них можно назвать, к примеру, спутники, лазеры, суперкомпьютеры, детекторы гравитационных волн), зондируют дальний космос и внутренний мир атома, предсказания Эйнштейна приносят Нобелевские премии другим ученым. Даже крошки с эйнштейнова стола открывают в науке новые горизонты. Так, Нобелевская премия 1993 г. досталась двум физикам, которые сумели косвенным образом, проанализировав движение двойной нейтронной звезды, подтвердить существование гравитационных волн, предсказанных Эйнштейном в 1916 г. Нобелевская премия 2001 г. была присуждена трем физикам, подтвердившим существование бозе-эйнштейновского конденсата – нового состояния вещества при температуре, близкой к абсолютному нулю; Эйнштейн предсказал его в 1924 г.

Сегодня подтверждаются и другие предсказания. Черные дыры, когда-то считавшиеся причудой теории Эйнштейна, обнаружены телескопом «Хаббл» и многоэлементным радиотелескопом VLA . Кольца Эйнштейна и линзы Эйнштейна не только нашли практическое подтверждение, но и являются теперь основным инструментом астрономов при измерении невидимых объектов в дальнем космосе.

Даже «ошибки» Эйнштейна, по общему признанию, внесли большой вклад в наши знания о Вселенной. В 2001 г. астрономы получили убедительные доказательства того, что «космологическая константа», считавшаяся ранее величайшим просчетом Эйнштейна, в действительности олицетворяет максимальную концентрацию энергии во Вселенной и что именно она определит окончательную судьбу самой Вселенной. Таким образом, мы наблюдаем своеобразный ренессанс наследия Эйнштейна и накопление все большего числа доказательств, подтверждающих его предсказания.

Во-вторых, физики в настоящее время пересматривают наследие Эйнштейна и особенно стиль его мышления. Пока биографы в подробностях изучают его личную жизнь в поисках истоков блестящих теорий, физики все глубже осознают, что теории Эйнштейна основаны не столько на мудреной математике (и уж тем более не на его личной жизни!), сколько на простых и элегантных образах. Эйнштейн любил говорить, что новая теория, вероятно, никудышна, если не базируется на зримом образе, достаточно простом, чтобы понять его мог даже ребенок.

В этой книге такого рода картины – результат научного воображения Эйнштейна – становятся формальным организующим принципом, вокруг которого выстраиваются описания его мыслительного процесса и величайших достижений.

В первой части используется картина, которую Эйнштейн увидел в своем воображении, когда ему было 16 лет: как выглядел бы луч света, если бы можно было лететь рядом с ним. Эта картина, в свою очередь, возникла, вероятно, под влиянием детской книги, которую он прочел. Наглядно представив себе, что происходит, если лететь вместе с лучом света, Эйнштейн выделил ключевое противоречие между двумя основными физическими теориями того времени: законами Ньютона и электромагнитной теории Максвелла. В определенном смысле в этой картине заключена вся специальная теория относительности (которая со временем раскроет тайну звезд и ядерной энергии).

Во второй части мы увидим другую картину: Эйнштейн представил планеты в виде шариков, катающихся по искривленной поверхности с Солнцем в центре; это иллюстрация к мысли о том, что гравитация возникает в результате искривления пространства и времени. Заменив ровную поверхность и действующие в ней силы Ньютона искривленным пространством, Эйнштейн получил совершенно новую, революционную картину гравитации. В этих рамках ньютоновы «силы» были всего лишь иллюзией, вызванной искривлением самого пространства. Из этой простой картины со временем возникнут черные дыры, Большой взрыв и конечная судьба самой Вселенной.

В третьей части книги картинка отсутствует – эта часть в основном посвящена неудачной попытке предложить образ-основу для «единой теории поля» – той, что позволила бы Эйнштейну сформулировать итог двух тысяч лет исследования законов вещества и энергии. Здесь его интуиция начала спотыкаться, поскольку в то время о силах, управляющих ядром и элементарными частицами, почти ничего не было известно.

Незавершенную единую теорию поля и 30-летний поиск «теории всего» нельзя назвать неудачей, что признали лишь недавно. Современники же Эйнштейна видели в этих исследованиях «валяние дурака». Физик и биограф Эйнштейна Абрахам Пайс сетовал: «В последние 30 лет жизни он продолжал вести активную работу, но его слава не уменьшилась бы, а может, наоборот, выросла, если бы он вместо этого занялся рыбалкой». Иными словами, его наследие могло оказаться еще более величественным, если бы он оставил физику в 1925 г., а не в 1955-м.

Однако в последние годы с появлением новой теории, получившей название теории суперструн, или М-теории, ученые занялись переоценкой поздних трудов Эйнштейна и его наследия, поскольку на первое место в мире физики вышел поиск единой теории поля. «Теория всего» стала основной целью изысканий целого поколения молодых амбициозных ученых. Если раньше считалось, что обобщением могут заниматься только стареющие физики на излете карьеры, то сегодня это доминирующая тема теоретической физики.

Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - описание и краткое содержание, автор Каку Митио, читайте бесплатно онлайн на сайте электронной библиотеки ParaKnig.me

Описывая жизнь Альберта Эйнштейна, Митио Каку погружает нас в бурлящую атмосферу первой половины XX в. – две мировые войны, революция в Германии, создание атомной бомбы. Он показывает читателю невидимый обычно за триумфальной стороной открытий и озарений мир ученого – этапы становления, баталии в научном мире, зачастую непростые отношения с близкими. В книге представлен свежий взгляд на новаторскую деятельность Эйнштейна, перевернувшего представления человечества о пространстве и времени. Автор книги, Митио Каку, – всемирно известный физик и популяризатор науки. Его умение доносить научные знания до самого широкого читателя сродни великому Эйнштейну, любившему повторять, что новая теория никуда не годится, если не базируется на зримом образе, достаточно простом, чтобы понять его мог даже ребенок. В своей книге Митио Каку не только удается увлекательно рассказать о жизни великого гения, но и дать четкое представление об открытиях Альберта Эйнштейна даже тем, кто далек от науки.

Описывая жизнь Альберта Эйнштейна, Митио Каку погружает нас в бурлящую атмосферу первой половины XX в. – две мировые войны, революция в Германии, создание атомной бомбы. Он показывает читателю невидимый обычно за триумфальной стороной открытий и озарений мир ученого – этапы становления, баталии в научном мире, зачастую непростые отношения с близкими. В книге представлен свежий взгляд на новаторскую деятельность Эйнштейна, перевернувшего представления человечества о пространстве и времени. Автор книги, Митио Каку, – всемирно известный физик и популяризатор науки. Его умение доносить научные знания до самого широкого читателя сродни великому Эйнштейну, любившему повторять, что новая теория никуда не годится, если не базируется на зримом образе, достаточно простом, чтобы понять его мог даже ребенок. В своей книге Митио Каку не только удается увлекательно рассказать о жизни великого гения, но и дать четкое представление об открытиях Альберта Эйнштейна даже тем, кто далек от науки.

* * *

компанией ЛитРес .

Картина первая

Верхом на луче

Физика до Эйнштейна

Однажды какой-то журналист попросил Альберта Эйнштейна – величайшего научного гения со времен Исаака Ньютона – раскрыть свою формулу успеха. Великий мыслитель секунду подумал и ответил: «Если A – это успех, то я бы сказал, что формула его вычисления A = X + Y + Z, где X – это работа, а Y – игра». «А что такое Z ? – поинтересовался журналист. «Держать язык за зубами», – ответил Эйнштейн.

Физикам, королям и королевам, да и просто широкой публике очень нравились его человечность, великодушие и юмор, проявлявшиеся во всем, чем бы он ни занимался, – защищал ли дело мира или разгадывал тайны Вселенной.

Даже дети сбегались посмотреть, как великий физик разгуливает по улицам Принстона, а он в ответ шевелил ушами. Эйнштейн любил поболтать с одним пятилетним мальчиком, который часто сопровождал великого мыслителя до Института перспективных исследований. Однажды они неторопливо шли вдвоем, и вдруг Эйнштейн рассмеялся. Когда мать мальчика поинтересовалась, о чем они говорили, сын ответил: «Я спросил у Эйнштейна, ходил ли он сегодня в туалет». Мать была в ужасе, зато Эйнштейн ответил: «Приятно, когда хоть кто-то задает мне вопрос, на который я в состоянии ответить».

Физик Джереми Бернстайн как-то раз сказал: «Всякий, кто действительно общался с Эйнштейном, ощущал ошеломляющее благородство этого человека. Снова и снова звучит в описаниях слово “человечность”… простота и привлекательность его характера».

Эйнштейн, который всегда был одинаково вежлив с бродягами, детьми и членами царствующих фамилий, проявлял великодушие и к своим предшественникам по блистательному пантеону науки. Хотя ученые, как все творческие личности, могут быть ревнивы к соперникам и замечательно умеют разводить мелкие дрязги, Эйнштейн, напротив, всегда старался проследить возникновение идей, которые развивал, до самых истоков, до таких гигантов физики, как Исаак Ньютон и Джеймс Клерк Максвелл, портреты которых украшали его стол и стены. Более того, труды Ньютона по механике и гравитации и труды Максвелла по теории электромагнетизма в начале XX в. представляли собой два главных столпа физики. Замечательно, что достижения этих двух физиков на тот момент заключали в себе чуть ли не весь объем физического знания.

Трудно представить, что до Ньютона движение объектов на Земле и в небесах почти никак не объяснялось и многие верили, что судьба человека определяется злобными происками духов и демонов. Колдовство, чары и суеверия горячо обсуждались даже в самых ученых центрах Европы. Науки такой, какой мы ее знаем, еще не существовало.

Греческие философы и христианские теологи писали, что объекты движутся под влиянием желаний и эмоций, подобных человеческим. Для последователей Аристотеля объекты, находящиеся в движении, с течением времени замедлялись, потому что «уставали». Предметы падают на пол потому, что «жаждут» соединиться с землей, писали тогдашние ученые.

Человек, которому суждено было ввести порядок в этот хаотический мир духов, в определенном смысле был противоположностью Эйнштейна по темпераменту и характеру. Если Эйнштейн не жалел времени и всегда готов был дать краткий комментарий, чтобы порадовать прессу, то Ньютон был известен своей замкнутостью и склонностью к паранойе. Он был глубоко подозрителен к окружающим и постоянно конфликтовал с другими учеными по поводу научного приоритета. Его немногословность вошла в легенду: будучи в 1689–1690 гг. членом парламента Британии, он, судя по протоколам, произнес всего одну фразу: пожаловался на сквозняк и попросил пристава закрыть окно. По словам биографа Ричарда Уэстфолла, Ньютон был «раздражительным человеком, крайне невротической личностью и всегда, по крайней мере все свои зрелые годы, балансировал на грани нервного срыва».

Но в вопросах науки и Ньютон, и Эйнштейн были подлинными мастерами; их многое объединяло. Оба были готовы работать одержимо недели и месяцы напролет, ни на что не отвлекаясь, вплоть до физического истощения и обмороков. И оба умели выразить в простом рисунке тайны Вселенной.

В 1666 г., когда Ньютону было 23 года, он «изгнал демонов», населявших аристотелев мир, и ввел новую механику, основанную на силах . Ньютон сформулировал три закона движения, согласно которым тела (объекты) двигались потому, что их толкали или тянули силы, которые можно точно измерить и выразить простыми уравнениями. Вместо рассуждений о желаниях, которые заставляют тела двигаться, Ньютон готов был рассчитать траекторию любых тел – начиная от падающих листьев и заканчивая взлетающими ракетами, пушечными ядрами и облаками – путем сложения действующих на них сил. Вопрос, надо сказать, не был чисто академическим; подобные расчеты помогали закладывать фундамент промышленной революции, в ходе которой сила пара, двигавшая громадные локомотивы и суда, создала новые империи. Мосты, дамбы и высоченные небоскребы теперь можно было строить с полной уверенностью в их безопасности – ведь появился способ рассчитать напряжение в каждом кирпиче и каждой балке. Ньютонова теория сил оказалась настолько могучей и победоносной, что автора при жизни вознесли на пьедестал, и Александер Поп провозгласил:

Закон природы скрыт во тьме

Был много тысяч лет.

«Да будет Ньютон!» – Бог сказал.

И появился свет.

Ньютон приложил свою теорию сил к самой Вселенной – и предложил новую теорию гравитации. Он любил рассказывать о том, как вернулся в свое родовое имение Вулсторп в Линкольншире после эпидемии чумы, из-за которой был закрыт Кембриджский университет. Однажды, увидев у себя в имении, как с яблони падает яблоко, он задался судьбоносным вопросом: если яблоко падает, то что в таком случае делает Луна? Тоже падает? Может ли сила притяжения, действующая на яблоко на Земле, оказаться той же самой силой, которая управляет движением небесных тел? Вообще говоря, это была настоящая ересь, ведь традиционно считалось, что планеты закреплены на неподвижных сферах, а сферы эти подчиняются идеальным небесным законам, а не тем законам греха и воздаяния, по которым живет испорченное человечество.

В миг озарения Ньютон понял, что можно объединить земную и небесную физику в единую картину. Сила, притянувшая яблоко к земле, – это, должно быть, та самая сила, что притягивает Луну и управляет ее движением. Так Ньютон наткнулся на новое представление о гравитации. Он вообразил себя сидящим на вершине горы и бросающим камень. Ученый понял, что если бросать камень все сильнее и сильнее, то улетать он будет все дальше и дальше. Но затем его озарило: что произойдет, если бросить камень с такой силой, что он никогда не вернется? Ньютон понял, что камень, падая непрерывно под действием силы тяжести, не упадет на землю, но, обогнув ее по окружности, со временем вернется к хозяину и ударит его сзади по голове. В этой новой картине он заменил камень Луной – и получилось, что она постоянно падает, но никогда не достигает Земли, потому что, как брошенный камень, полностью огибает Землю по круговой орбите. Луна не возлежит недвижно на небесной сфере, как считала церковь, но, подобно камню или яблоку, находится вечно в свободном падении, ведомая силой тяготения. Так впервые было объяснено движение тел Солнечной системы.

Двумя десятилетиями позже, в 1682 г., весь Лондон в изумлении и ужасе наблюдал за яркой кометой, освещавшей ночное небо. Ньютон тщательно отследил ее движение при помощи телескопа-рефлектора (изобретенного им же) и обнаружил, что она движется в точном соответствии с его уравнениями, если считать, что комета находится в свободном падении под действием силы тяжести. Вместе с астрономом-любителем Эдмундом Галлеем он смог точно предсказать, когда эта комета (позже она была названа кометой Галлея) вновь вернется к Земле. Это было первое предсказание движения комет. Законы тяготения, опираясь на которые Ньютон рассчитал движение кометы Галлея и Луны, – это те же законы, при помощи которых NASA сегодня с невероятной точностью ведет свои межпланетные станции рядом с Ураном и Нептуном.

Согласно Ньютону, эти силы действуют мгновенно. Допустим, если бы Солнце внезапно исчезло, то, по мнению Ньютона, Земля в тот же миг сорвалась бы со своей орбиты, чтобы замерзнуть в дальнем космосе. Во всей Вселенной узнали бы об исчезновении Солнца в тот же самый миг. Следовательно, можно синхронизовать все часы во Вселенной, где бы они ни находились. Секунда на Земле по длительности в точности равна секунде на Марсе и Юпитере. Пространство так же абсолютно, как и время. Метровая линейка на Земле имеет ту же длину, что и метровая линейка на Марсе и Юпитере. Метровые линейки не меняют своей длины нигде во Вселенной. Таким образом, секунды и метры останутся теми же, где бы во Вселенной мы ни путешествовали.

Ньютон основывал свои идеи на здравом смысле и проистекающем из него представлении об абсолютном пространстве и абсолютном времени . Для Ньютона из пространства и времени складывалась абсолютная система отсчета, по которой мы можем судить о движении любых объектов. К примеру, если мы путешествуем на поезде, то верим, что поезд движется, а земля под ним неподвижна. Однако если посмотреть на деревья, проносящиеся за окнами вагона, то можно рассудить, что поезд, возможно, стоит на месте, а какая-то сила проносит деревья мимо наших окон. Поскольку все в поезде кажется неподвижным, мы можем задаться вопросом о том, что на самом деле движется – поезд или деревья? По мнению Ньютона, ответ можно было определить, основываясь на той самой абсолютной системе отсчета.

На протяжении почти 200 лет законы Ньютона служили фундаментом физики. Затем, ближе к концу XIX в., когда новые изобретения, такие как телеграф и электрическая лампочка, начали интенсивно менять жизнь в больших городах Европы, в физике благодаря исследованию электричества возникла совершенно новая теория. Пытаясь объяснить загадочные силы – электричество и магнетизм, – физик шотландец Джеймс Клерк Максвелл из Кембриджского университета разработал в 1860-е гг. теорию света, основанную не на ньютоновых силах, а на новой концепции так называемых полей . Эйнштейн писал, что идея поля – «самая глубокая и плодотворная концепция в физике со времен Ньютона».

Максвелловы поля можно визуализировать при помощи рассыпанных на листе бумаги железных опилок. Поднесите снизу к бумаге магнит, и опилки волшебным образом перестроятся, образовав узор, напоминающий паутину, где линии будут расходиться от северного полюса магнита и сходиться к южному. Мы увидим, что каждый магнит окружает магнитное поле – совокупность невидимых силовых линий, пронизывающих пространство и целиком его заполняющих.

Электричество тоже создает поле. На научных выставках дети хохочут, когда прикасаются рукой к источнику статического электричества, и волосы на их головах встают дыбом. При этом волосы выстраиваются по невидимым линиям электрического поля, исходящим из источника.

Эти поля, однако, сильно отличаются от сил или взаимодействий, открытых Ньютоном. Силы, утверждал Ньютон, действуют мгновенно по всему пространству, так что возмущение в одной части Вселенной мгновенно отразилось бы во всех ее уголках. Но одним из блестящих наблюдений Максвелла было то, что магнитное и электрическое действие переносится не мгновенно, как ньютоновы силы, а во времени и движется с определенной скоростью. Биограф Максвелла Мартин Гольдман пишет: «Мысль о времени магнитного действия… судя по всему, поразила Максвелла, как гром среди ясного неба». Максвелл показал, к примеру, что если кто-то встряхнет магнит, то близлежащим железным опилкам потребуется время, чтобы выстроиться по-новому.

Представьте себе паутину, колыхающуюся на ветру. Возмущение, как дуновение ветра на одну из частей паутины, вызывает рябь, которая затем распространяется по всей паутине. Поля и паутины, в отличие от сил, допускают колебания, путешествующие с определенной скоростью. Сделав это открытие, Максвелл решил вычислить скорость магнитного и электрического действия. Он использовал эту идею для разрешения загадки света, что стало одним из величайших научных прорывов XIX в.

Из предшествующих работ Майкла Фарадея и других ученых Максвелл знал, что движущееся магнитное поле может порождать электрическое поле и наоборот. Генераторы и двигатели, электрифицирующие наш мир, являются прямым следствием данной диалектики. (Этот принцип используется при освещении наших домов. Вода, падая с плотины, вращает колесо, которое, в свою очередь, вращает магнит. Движущееся магнитное поле приводит в движение электроны, которые затем по проводам попадают в розетки наших гостиных. Аналогично в электровентиляторе электричество, текущее из розетки, создает магнитное поле, которое заставляет вращаться лопасти электродвигателя.)

Гений Максвелла состоит в том, что он догадался соединить воедино оба эффекта. Если изменяющееся магнитное поле способно создавать электрическое поле и наоборот, то, может быть, оба эти поля способны образовать циклический процесс, в котором электрические и магнитные поля постоянно подпитывают друг друга и превращаются друг в друга. Максвелл быстро понял, что такой циклический рисунок породил бы движущуюся цепочку электрических и магнитных полей, колеблющихся в унисон и превращающихся одно в другое и обратно в бесконечной волне. Затем он вычислил скорость этой волны.

К собственному изумлению, он обнаружил, что эта скорость равна скорости света. Более того, Максвелл сделал самое революционное, возможно, заявление XIX в.: он объявил, что эта волна и есть свет. Максвелл пророчески заявил коллегам: «Мы едва ли можем избежать вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая суть причина электрических и магнитных явлений». Ученые, не одну тысячу лет пытавшиеся разгадать природу света, наконец проникли в глубочайшие его тайны. В отличие от ньютоновых сил, которые действуют мгновенно, эти поля распространяются с вполне определенной скоростью: скоростью света.

Изыскания Максвелла были сведены в восемь сложных дифференциальных уравнений в частных производных, известных как «уравнения Максвелла». Следующие полторы сотни лет каждому инженеру-электрику и каждому физику приходилось учить их наизусть. (Сегодня можно купить футболку, на которой эти восемь уравнений представлены во всей красе. Надпись на футболке начинается с утверждения «И сказал Бог…», а заканчивается фразой «…и стал свет».)

К концу XIX в. экспериментальные успехи последователей Ньютона и Максвелла были настолько велики и убедительны, что некоторые физики уверенно говорили, что эти два величественных столпа науки уже ответили на все основные вопросы Вселенной. Когда Макс Планк (основоположник квантовой теории) спросил у своего наставника, что тот думает по поводу профессии физика, ему посоветовали выбрать другое поле деятельности, потому что физика, по существу, уже закончена. Больше открывать уже нечего, сказали ему. Этим же мыслям вторил великий физик XIX в. лорд Кельвин, который объявил, что физика в основе своей уже завершена, осталось лишь несколько небольших «облачков» на горизонте, которые пока не удалось объяснить.

На самом же деле «изъяны» ньютонова мира с каждым годом становились все очевиднее. Получение радия Марией Кюри и открытие радиоактивности потрясали научный мир и распаляли воображение публики. Всего несколько десятков грамм этой редкой светящейся субстанции могли слегка осветить темную комнату. Кюри показала, что из неизвестного источника в глубинах атома может исходить неограниченное, судя по всему, количество энергии – в нарушение закона сохранения энергии, согласно которому энергия не может ни возникать, ни исчезать. Этим небольшим «облачкам» в самом скором времени суждено было породить великую двойную революцию XX в. – теорию относительности и квантовую теорию.

Больше всего, похоже, физиков раздражало то, что все попытки объединить ньютонову механику с теорией Максвелла терпели неудачу. Теория Максвелла подтвердила тот факт, что свет представляет собой волну, однако открытым оставался вопрос: что, собственно, колеблется? Ученые знали, что свет может путешествовать в вакууме (более того, проходит миллионы световых лет от далеких звезд сквозь вакуум открытого космоса), но поскольку вакуум – это, по определению, пустота, «ничто», то получалось, как ни парадоксально, что колеблется именно это самое ничто!

Для ответа на этот вопрос последователи Ньютона пытались постулировать, что свет состоит из волн, колеблющих невидимый эфир – неподвижный газ, целиком заполняющий Вселенную. Предполагалось, что эфир служит абсолютной системой отсчета, по которой можно измерять любые скорости. Скептик мог бы сказать, что поскольку Земля обращается вокруг Солнца, а Солнце – вокруг центра Галактики, то невозможно сказать, что из них движется на самом деле. Последователи Ньютона в ответ утверждали, что Солнечная система перемещается по отношению к неподвижному эфиру, так что можно точно определить, что здесь на самом деле движется.

Однако чем дальше, тем больше эфир обретал волшебные и странные свойства. Физикам известно, что волны в плотной среде перемещаются быстрее. Так, звук в воде распространяется быстрее, чем в воздухе. Однако из того, что свет движется с фантастической скоростью (300 000 км/с), следует, что эфир должен быть невероятно плотным, чтобы передавать свет. Но как такое может быть – ведь считается, что эфир легче воздуха? Со временем эфир превратился чуть ли не в волшебную субстанцию: он был абсолютно неподвижен, невесом, невидим, обладал нулевой вязкостью, но при этом был прочнее стали; кроме того, его невозможно было обнаружить ни одним инструментом.

К 1900 г. объяснять недостатки ньютоновой механики становилось все труднее и труднее. Мир науки был готов к революции, но кто должен был ее возглавить? Физики, хотя и видели прорехи в теории эфира, тем не менее смиренно пытались залатать их в рамках теории Ньютона. Эйнштейн, которому нечего было терять, сумел нанести удар в самое сердце проблемы: а что если силы Ньютона и поля Максвелла несовместимы? Один из столпов физики должен был пасть . Когда этот столп наконец рухнул, ему суждено было обрушить все здание физической науки, построенное за два столетия, и кардинально изменить наш взгляд на Вселенную и реальность. Эйнштейн низверг ньютонову физику при помощи картинки, понятной даже ребенку.

Ранние годы

Человек, которому суждено было навсегда изменить наши представления о Вселенной, родился 14 марта 1879 г. в небольшом городке Ульм в Германии. Эйнштейны – Герман и Паулина (урожденная Кох) – очень расстроились, увидев деформированную головку новорожденного сына, и молились, чтобы он не оказался умственно неполноценным.

Родители Эйнштейна были в меру религиозными евреями среднего класса, изо всех сил старавшиеся обеспечить свое растущее семейство. Паулина была дочерью относительно богатого человека: ее отец Юлиус Дерцбахер (изменивший свою фамилию на Кох) заработал состояние, оставив ремесло пекаря и занявшись торговлей зерном. В семье Эйнштейнов именно Паулина заботилась о культурном воспитании детей. Она настаивала, чтобы дети занимались музыкой, и с ее подачи юный Альберт на всю жизнь влюбился в скрипку. Деловая карьера Германа Эйнштейна, в противоположность карьере его тестя, оказалась далеко не блестящей. Первоначально он занимался перинами, но затем брат Якоб убедил обратить внимание на нарождающуюся электрохимическую промышленность. Изобретения Фарадея, Максвелла и Томаса Эдисона, которым удалось обуздать мощь электричества, уже освещали города по всему миру, и Герман решил, что производство динамо-машин и устройство электрического освещения – очень перспективный бизнес. Однако бизнес оказался не только перспективным, но и рискованным, поскольку сопровождался периодическими финансовыми кризисами и банкротствами; только за годы детства Эйнштейна семье пришлось несколько раз переезжать, в том числе в Мюнхен через год после рождения Альберта.

Юный Эйнштейн поздно научился говорить – так поздно, что родители уже опасались, что мальчик растет умственно отсталым. Тем не менее он заговорил, причем сразу полными предложениями, хотя и в 9 лет все еще говорил не слишком хорошо. Кроме Альберта в семье был еще один ребенок – его сестра Майя, на два года младше. (Поначалу маленький Альберт очень удивился появлению в доме нового живого существа. Одной из первых сказанных им фраз было: «А где же колесики?») Быть младшей сестрой Альберта было непросто, поскольку у мальчика появилась вредная привычка швырять в голову сестренки чем попало. Позже она жаловалась: «Чтобы быть сестрой мыслителя, нужно иметь крепкий череп».

Вопреки распространенному мифу, в школе Эйнштейн учился хорошо, но только по тем предметам, которые его интересовали, – математике и физике. Немецкая школьная система в те времена поощряла учеников, дававших короткие ответы на основе вызубренного материала – в противном случае грозило наказание в виде болезненных ударов по пальцам. Альберт же говорил медленно, неуверенно, тщательно подбирая слова. Будучи далеко не идеальным учеником, он страдал под тяжким гнетом авторитарной системы, которая подавляла воображение и творческие порывы, заменяя все отупляющей зубрежкой. Когда Эйнштейн-старший спросил у директора школы, какую профессию он посоветовал бы выбрать Альберту, тот ответил: «Не важно; он ни в чем не достигнет успеха».

Характер Эйнштейна определился рано. Он был мечтательным юношей, часто погружался в свои мысли или в чтение. Школьники часто дразнили его, называя «бидермейером», что примерно означает «не от мира сего». Один из друзей Альберта позже вспоминал: «Одноклассники считали Альберта чудаком, потому что он не проявлял никакого интереса к спорту. Учителя считали его туповатым из-за неумения заучивать наизусть и из-за странного поведения». В 10 лет Альберт поступил в гимназию Луитпольда в Мюнхене, где самым страшным испытанием для него стало изучение древнегреческого языка. На уроках греческого он обычно сидел на своем стуле и безмятежно улыбался, чтобы скрыть скуку. В какой-то момент учитель греческого Йозеф Дегенхарт откровенно сказал семикласснику Эйнштейну, что лучше бы его просто не было на уроке. Когда же Альберт возразил, что он не делает ничего дурного, учитель резко ответил: «Да, это правда. Но вы сидите там на последнем ряду и улыбаетесь, и это разрушает то чувство почтения, которое нужно учителю от класса».

Даже несколько десятилетий спустя Эйнштейн не мог без горечи вспоминать те времена; не давали покоя рубцы на душе, оставленные авторитарной системой: «Почти чудо, что современные методы обучения окончательно не удушили святую любознательность поиска; ибо это нежное растеньице требует наряду с поощрением прежде всего свободы».

Интерес к физике проснулся у Эйнштейна рано и начался со встречи с магнетизмом, который он называл своим «первым чудом». Отец подарил ему компас, и мальчик был бесконечно очарован тем, что какие-то невидимые силы могут заставить стрелку поворачиваться. Он вспоминал с большой теплотой: «Чудо подобной природы я пережил ребенком лет четырех или пяти, когда папа показал мне стрелку компаса… я до сих пор помню… насколько глубокое впечатление произвел на меня этот опыт. За этими вещами должно было стоять что-то глубоко скрытое».

Когда Альберту было лет примерно одиннадцать, он проявил себя с неожиданной стороны – стал истово религиозен. Какой-то дальний родственник приходил в дом Эйнштейнов, чтобы наставить Альберта в иудейской вере, и тот неожиданно включился в процесс с большим энтузиазмом, чуть ли не с фанатизмом. Он отказывался есть свинину и даже сложил несколько гимнов в честь Господа, которые распевал по дороге в школу. Однако период религиозного рвения долго не продлился. Чем глубже мальчик проникал в суть иудейского учения, тем лучше понимал, что миры науки и религии конфликтуют между собой, а многие чудеса, описанные в религиозных текстах, нарушают законы природы. «Читая популярные книги, я скоро пришел к убеждению, что многие истории Священного Писания не могут быть правдивыми», – делает он вывод.

Альберт отказался от религии так же резко и неожиданно, как пришел в нее. Тем не менее религиозная фаза развития глубоко повлияла на его позднейшие взгляды. Уходя из религии, Эйнштейн впервые отверг бездумную веру и бездумное приятие авторитета; впервые проявилась черта, которая на всю жизнь стала одной из определяющих. Никогда больше Эйнштейн не принимал беспрекословно мнение авторитетного человека как истину в последней инстанции. Придя к выводу о невозможности примирения с наукой религиозного учения, изложенного в Священном Писании, он также решил, что во Вселенной есть целые области, не постижимые современным знанием, и что человеку следует глубоко понимать ограниченность науки и человеческой мысли.

Однако детский интерес Эйнштейна к компасам, науке и религии вполне мог угаснуть, не найди юный Альберт заботливого наставника, готового оттачивать его идеи. В 1889 г. бедный польский студент-медик по имени Макс Талмуд, учившийся в Мюнхене, еженедельно обедал в доме Эйнштейнов. Именно Макс познакомил Альберта с чудесами науки, не связанными с сухой и скучной зубрежкой, принятой в школе. Много лет спустя Талмуд тепло писал: «За все эти годы я ни разу не видел его читающим что-нибудь легкое. Не видел я его также в компании одноклассников или просто ровесников. Единственным его развлечением была музыка, он тогда уже играл сонаты Моцарта и Бетховена под аккомпанемент матери». Макс подарил Эйнштейну книгу по геометрии, которую тот проглотил в один присест. Эту книгу Альберт называл своим «вторым чудом». Он писал: «В возрасте 12 лет я пережил второе чудо совершенно иной природы: оно заключалось в тоненькой книжице по евклидовой геометрии на плоскости». Он называл эту книгу «священным геометрическим писанием» и относился к ней как к новой Библии.

Здесь наконец Эйнштейн познакомился с царством чистой мысли. Без дорогостоящих лабораторий и оборудования он мог исследовать универсальную истину, ограниченную лишь мощью человеческого разума. Математика, как заметила сестра Альберта Майя, стала для него бесконечным источником радости, особенно если речь шла об интригующих головоломках и задачках. Он хвастался сестре, что нашел независимое доказательство теоремы Пифагора о прямоугольном треугольнике.

Знакомство Эйнштейна с математикой этим не ограничилось; со временем он самостоятельно освоил дифференциальное исчисление, чем очень удивил наставника. Талмуд признавал: «Очень скоро полет его математического гения стал столь высок, что я уже не мог за ним угнаться… Темой наших разговоров в основном стала философия. Я рекомендовал ему почитать Канта». Знакомство по совету Талмуда с миром Иммануила Канта и его «Критикой чистого разума» вскормило интерес молодого Эйнштейна к философии, не оставлявший его до конца жизни. Он начал размышлять над вечными вопросами, с которыми сталкиваются все философы, такими как происхождение этики, существование Бога и природа войн. Кант, в частности, придерживался неортодоксальных взглядов по этим вопросам и даже высказывал сомнения в существовании Бога. Он посмеивался над напыщенным миром классической философии, где «обычно много пустословия». (Или, как сказал однажды римский оратор Цицерон, «Не знаю ничего настолько абсурдного, что не было бы сказано кем-нибудь из философов»). Кант писал, что для прекращения войн необходимо мировое правительство – позиция, которой Эйнштейн придерживался до конца жизни. В какой-то момент Эйнштейн был так тронут рассуждениями Канта, что даже задумался о том, чтобы стать философом. Его отец, мечтавший о более практичной профессии для сына, назвал эту идею «философской чепухой».

К счастью, благодаря электрохимическому бизнесу отца вокруг фабрики громоздилось достаточно электрических генераторов, двигателей и всевозможных приспособлений, чтобы возбудить любопытство юноши и стимулировать его интерес к физике. (Герман Эйнштейн вместе с братом Яковом пытались в то время заключить контракт на реализацию амбициозного проекта – электрификацию центра Мюнхена. Герман мечтал работать на переднем рубеже этого исторического предприятия. Получение такого подряда означало бы финансовую стабильность и серьезное расширение электрической фабрики.)

Близость огромных хитроумных электромагнитных устройств, несомненно, способствовала интуитивному пониманию природы электричества и магнетизма. Она же, вероятно, обострила замечательную способность Альберта придумывать визуальные физические образы, описывающие законы природы с необычайной точностью. Если другие ученые нередко прятались за абстрактной невразумительной математикой, то Эйнштейн видел законы физики так же ясно, как простые графические картинки. Возможно, эта его способность восходит к тому счастливому времени, когда он мог просто смотреть на устройства, окружавшие отцовскую фабрику, и размышлять над законами электричества и магнетизма. Этой черте – умению видеть все в форме физических картинок – суждено было стать одной из главных особенностей Эйнштейна как физика.

Когда Альберту было 15 лет, его образование пришлось прервать из-за очередного финансового кризиса в семье. Герман всегда был излишне великодушен и помогал тем, кто испытывал финансовые затруднения; он не был расчетливым, как большинство успешных бизнесменов (Альберт позже унаследовал от него это великодушие). Компания, не получив вожделенного контракта на освещение Мюнхена, обанкротилась. Богатая семья Паулины, жившая на тот момент в Италии, в Генуе, предложила свою помощь и финансовую поддержку при организации новой фирмы, но при одном условии. Они настаивали, чтобы Герман перевез свою семью в Италию (отчасти для того, чтобы сдерживать его излишне великодушные порывы). В итоге семья Эйнштейнов переехала в Милан, поближе к новой фабрике в Павии. Не желая вносить в образование сына еще большую неразбериху, Герман оставил Альберта в Мюнхене у каких-то дальних родственников.

Оставшись один, Альберт почувствовал себя несчастным. Школа-пансион, которую он ненавидел, показалась ему ловушкой, а впереди маячила пугающая служба в прусской армии. Учителя его не любили, и чувство это встречало с его стороны полную взаимность. Судя по всему, он был близок к исключению из школы. Поддавшись импульсу, Эйнштейн решил уехать к родным. Он уговорил семейного врача написать ему медицинское заключение, чтобы его отпустили из школы. Доктор написал, что, если юноша не воссоединится с родными, у него может случиться нервный срыв. После этого Альберт самостоятельно отправился в Италию и через некоторое время появился, совершенно неожиданно, у дверей родительского дома.

Герман и Паулина не знали, что делать с сыном, – ведь он не окончил школу, уклонялся от призыва на военную службу и ничего не умел, не имел ни профессии, ни будущего. Юноша вел долгие споры с отцом, который хотел, чтобы он приобрел какую-нибудь практическую профессию; сам же Альберт говорил, что предпочитает стать философом. Со временем отец и сын пришли к компромиссу, и Альберт объявил, что будет учиться в Швейцарии, в знаменитой Высшей технической школе Цюриха, несмотря на то, что был на тот момент на два года младше большинства из тех, кто сдавал вступительные экзамены. Серьезным преимуществом такого варианта было то, что в Политехникуме не нужен был документ об окончании средней школы, достаточно было получить проходной балл на сложном вступительном испытании.

Конец ознакомительного фрагмента.

* * *

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени (Митио Каку, 2004) предоставлен нашим книжным партнёром -

Альберт Эйнштейн, как звали служащего патентного бюро, бросил вызов самому сэру Исааку Ньютону, заявив, что существуют гравитационные волны.
Почтовая открытка

«Дорогая мама! Сегодня у меня счастливые новости. Лоренц <Хендрик Лоренц, голландский физик (1853–1928), нобелевский лауреат 1902 года> телеграфировал мне, что британская экспедиция подтвердила дефлексию-отклонение света солнцем». Столь восторженно в 40 лет, пусть и в письме родной матери, которая вряд ли что понимала в этих самых «дефлексиях», можно писать только в случае подтверждения дела всей твоей жизни, что и случилось в 1919 году на одном из островов далекого Гвинейского залива. Туда «в погоне» за максимально выраженным солнечным затмением отправилась экспедиция Артура Эддингтона (1882–1945), внесшего достойный вклад в «практическую» астрономию, определив массу и температуру, координаты и расстояние многих звезд.

Но британец, удостоенный за свои научные результаты высокого звания сэра, был не чужд и теоретической физики. Подобно хорошему английскому сеттеру, он за три года до своей африканской экспедиции сделал стойку на мало кому понятную статью неизвестного тогда представителя швейцарского патентного планктона по имени «Каменев» – Еin Stein. Эддингтон сразу понял, что предлагавшаяся вниманию ученого сообщества общая теория относительности (ОТО) станет краеугольным камнем новой релятивистской физики.

Альберт Эйнштейн, как звали служащего патентного бюро, бросил вызов самому сэру Исааку Ньютону, заявив, что существуют гравитационные волны. Силой своей энергии они взаимодействуют со временем и пространством таким образом, что последние два объединяются в нечто неразрывно целое, названное автором латинским слово «континуум» (соntinuum). Но это было бы ничего, если бы теоретик не постулировал искривление своего континуального пространства-времени, которое тем больше и сильнее, чем больше масса объекта.

Гравитационное искривление настолько сильно, что способно воздействовать на проходящий луч света, отклоняя его прямолинейное распространение в космосе. Реальное существование постулированного Эйнштейном отклонения-дефлексии и решил доказать представитель британской астрономии. О результатах, полученных в Гвинее, он сообщил Лоренцу, одному из авторитетнейших тогдашних физиков Европы. Голландец не преминул уведомить об этом успехе Эйнштейна, почему тот в момент написания письма матери и находился в возбужденном состоянии. Через какие-то два года автора письма «вызвали» в Стокгольм за Нобелевской премией по физике┘

В Берлине в феврале этого года в рамках уникальной выставки были представлены 46 страниц рукописи, начатой Эйнштейном в ноябре 1915 года в бедно обставленной квартирке. Статья, опубликованная на основе этой рукописи, увидела свет в мае следующего года и была озаглавлена «Основы Общей теории относительности». Исходя из положений своей теории, Эйнштейн сначала утверждал, что Вселенная расширяется, но затем «поправился», заявив о ее стационарности.

Далекий от европейских споров смелый американский астроном Эдвин Хаббл открыл знаменитое красное смещение далеких галактик, свидетельствующее об их разбегании и соответственно расширении Универсума. Так возникла головная боль всех практиков и теоретиков, которым было необходимо объяснить, откуда берется непонятная сила, лежащая в основе расширения, которое к тому же еще и ускоряется (одно из крупнейших астрономических открытий 1990-х). Пришлось «выдумывать» темные материю и энергию, объясняющие, почему Вселенная не сжимается под действием эйнштейновской гравитации.

Теоретики легко бы обошлись и без «темноты», если бы теория относительности была неверна и сила тяготения ослабевала бы с расстоянием. Но тот же телескоп Хаббла показал, что это не так и ослабевания гравитации не происходит. По крайней мере на расстояниях, сравнимых с масштабами нашей Галактики (Млечного Пути).

А что же дальше, нет ли там несоблюдения законов общей теории относительности? На этот вопрос попыталась ответить Рейна Рейес, сотрудница Принстонского университета, где долгие годы работал Эйнштейн. Используя результаты, полученные с помощью оцифрованной карты неба, Рейес проанализировала координаты, скорость и видимую – арраrent – форму 70 тыс. удаленных галактик, что физически невозможно при использовании оптических телескопов. Форма имеет большое значение, поскольку она может меняться под действием «гравитационных линз», то есть искривления хода светового луча под действием промежуточных галактик, расположенных на его пути.

Ученый исходила из того, что предположение о существовании темной материи исходит из слишком уж больших размеров Вселенной, где видимой материи вроде бы «не хватает». Чтобы минимизировать «воздействие» темной материи, Рейес свела гравитацию, рост и «собирание»-кластеринг последней к единой величине Еg, получив ее значение равным 0,39, что очень близко к 0,4, рассчитанному в рамках эйнштейновской теории.

«Посрамленные» противники Эйнштейна вынуждены признать результаты, полученные Рейес. «Либо нам придется доказать, что общая теория относительности неверна, – говорит один из них, – либо придумать новую физику, объясняющую существование темной энергии». Подобный настрой находится в противоречии с жизнеутверждающим названием опубликованной журналом Nature статьи Рейес и ее сотрудников: «Подтверждение общей теории относительности на больших расстояниях».

Напомним, что до сих пор противники Эйнштейна «спекулировали» на том, что релятивизм не соблюдается при достаточном удалении от Земли. Рейес же придерживается той точки зрения, что он лежит в основе космологии, хотя до настоящего времени подтверждения этому в космических масштабах и не было. Они же получили свою подтверждающую величину Еg на расстояниях в десятки мегапарсек – миллионов и миллионов световых лет (парсек – это более трех световых лет).

И все же ученый честно признает, что для окончательного утверждения правоты эйнштейновских основ космологии требуется увеличение точности расчетов в 100 тыс. раз! Для такого рывка простого оцифровывания небесного свода явно недостаточно. Поэтому правы оказываются и противники Рейес, утверждающие, что для этого потребуется создание новой физики. Но наука это уже, в общем-то, проходила, когда в творческих муках рождались и квантовая физика, и метод экспериментальной проверки теории относительности.

Одним из них является отслеживание жизненного цикла звезды, в ходе которого происходит вовлечение звездного газа в ее центральную «топку». Мы еще с трудом понимаем физику процессов, протекающих на нашем Солнце, тем большие проблемы связаны с гораздо более массивными звездами. В ходе смены жизненных фаз таких массивных звезд происходит изменение гравитационного спектра, наблюдение за которым открывает новые возможности в понимании природы тяготения.

Бельгийские ученые из Лувенского университета сосредоточили свое внимание на юной звезде с массой семь солнечных, что позволило им определить отклонения (флюктуации) ее гравитационного поля. Вполне возможно, что на основе подобных наблюдений и измерений удастся получить удобный космический зонд-«щуп», с помощью которого космологи близкого будущего сумеют «прощупать» применимость эйнштейновской теории гравитации – общей теории относительности – в бескрайних пределах Вселенной. Ведь ученые так хотят понять, что же такое сила тяготения. Поняв природу гравитационных волн, постулированных Эйнштейном, мы сможем – так хочется надеяться – создать наконец-то гравитолет, на котором так лихо рассекал герой Брюса Уиллиса в фильме «Пятый элемент».

Космос Эйнштейна [Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени] Каку Мичио

Глава 6 Большой взрыв и черные дыры

Большой взрыв и черные дыры

Было ли у Вселенной начало? Будет ли у нее конец? Есть ли у Вселенной пределы? Задумавшись о том, что может его теория рассказать о космосе, Эйнштейн, как до него Ньютон, столкнулся с теми же вопросами, которые не одну сотню лет волновали физиков.

В 1692 г., через 5 лет после завершения работы над «Математическими началами натуральной философии», Ньютон получил письмо от пастора Ричарда Бентли, очень его встревожившее. Бентли указывал, что если гравитация может только притягивать, но не отталкивать, то любая группа звезд схлопнется в конечном итоге. Это простое, но убедительное наблюдение озадачивало, поскольку Вселенная казалась достаточно стабильной, и тем не менее универсальная гравитация Ньютона должна была рано или поздно привести к коллапсу всю Вселенную! Бентли выделил ключевую проблему, стоящую перед любой космологической системой, в которой гравитация – это сила притяжения: конечная Вселенная должна обязательно быть нестабильной и динамичной.

Обдумав этот тревожный вопрос, Ньютон написал Бентли ответное письмо, в котором утверждал, что Вселенная, чтобы избежать коллапса, должна состоять из бесконечного однородного набора звезд. В таком случае каждая звезда испытывает равное притяжение во всех направлениях, поэтому Вселенная может быть стабильной, даже если гравитация является исключительно силой притяжения. Ньютон писал: «Если бы вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, то оно никогда не смогло бы собраться в единую массу… а именно так могли сформироваться Солнце и неподвижные звезды».

Но если принять такой постулат, возникала другая, еще более глубокая задача, известная как «парадокс Ольберса», или фотометрический парадокс. По существу, это очень простой вопрос: «Почему ночью небо темное?» Если Вселенная в самом деле бесконечна, статична и однородна, то, куда бы мы ни посмотрели, наш взгляд должен был бы видеть в этой точке звезду. Таким образом, в наши глаза со всех направлений должно было бы приходить бесконечное количество звездного света и ночное небо было бы ярким, а не темным. Получается, что, если Вселенная однородна и конечна, она должна схлопнуться, а если бесконечна, то небеса в любое время суток должны гореть огнем!

Через двести с лишним лет после Ньютона Эйнштейн столкнулся с теми же проблемами, но в завуалированной форме. В 1915 г. Вселенная представлялась довольно уютным местом и состояла, как считалось, из одной-единственной статичной галактики под названием Млечный Путь. Эта светлая полоса через все небо содержит миллиарды звезд. Однако Эйнштейн, начав решать свои уравнения, обнаружил кое-что неожиданное и тревожное, когда представил звезды и пылевые облака в виде однородного газа, заполняющего Вселенную. К ужасу своему, он увидел, что такая Вселенная динамична и предпочитает расширяться или сжиматься, но никогда не бывает стабильной. Более того, очень скоро он обнаружил, что тонет в трясине космологических вопросов, столетиями ставивших в тупик философов и физиков, подобных Ньютону. Конечная Вселенная не может оставаться стабильной под действием гравитации.

Столкнувшись, как до него Ньютон, с динамической – сжимающейся или расширяющейся – Вселенной, Эйнштейн пока не был готов отказаться от господствующей картины вечной статичной Вселенной. Эйнштейн-революционер был еще недостаточно революционен, чтобы принять тот факт, что Вселенная расширяется или же имеет начало. Он предложил достаточно слабое решение. В 1917 г. ввел в свои уравнения своеобразный «подгоночный член» – «космологическую константу». Этот коэффициент постулировал существование отталкивающей антигравитации, уравновешивающей силу гравитационного притяжения. Так одним росчерком пера Эйнштейн сделал Вселенную статичной.

Чтобы такой фокус стал возможным, он предположил, что общая ковариантность – ведущий математический принцип, лежащий в основе общей теории относительности, – допускает существование двух возможных общековариантных объектов: кривизны Риччи (которая образует фундамент общей теории относительности) и объема пространства-времени. Именно поэтому в его уравнения можно было добавить второй член, не нарушающий общей ковариантности и пропорциональный объему Вселенной. Иными словами, космологическая константа приписывала энергию пустому пространству. Эта антигравитационная составляющая, известная сегодня как темная энергия, представляет собой энергию чистого вакуума. Она способна расталкивать галактики или стягивать их воедино. Величину космологической константы Эйнштейн подобрал такую, чтобы она в точности компенсировала сжатие, вызванное гравитацией так, чтобы Вселенная в целом стала статичной. Ему это не нравилось, поскольку попахивало математическим надувательством, но выбора, если он хотел сохранить статическую Вселенную, у него не было. (Прошло еще 80 лет, прежде чем астрономы обнаружили наконец свидетельства существования космологической константы; в настоящее время она считается основным источником энергии во Вселенной.)

В последующие годы, когда ученые начали находить другие решения уравнений Эйнштейна, загадка лишь усложнилась. В 1917 г. голландский физик Виллем де Ситтер заметил, что уравнения Эйнштейна обладают одним странным свойством: Вселенная, вообще лишенная всякого вещества, расширяется! Все, что было для этого необходимо, – космологическая константа – энергия вакуума, которая, собственно, и должна была обеспечивать существование такой Вселенной. Это встревожило Эйнштейна – ведь он, как Мах до него, все еще верил, что природа пространства-времени должна определяться вещественным содержанием Вселенной. Но здесь фигурировала Вселенная, которая расширялась вообще без всякого вещества, и для этого ей достаточно было одной только темной энергии.

Последние радикальные шаги в этом направлении сделали советский математик Александр Фридман в 1922 г. и бельгийский священник Жорж Леметр в 1927 г.; они показали, что расширяющаяся Вселенная получается из уравнений Эйнштейна естественным образом. Фридман получил решение уравнений Эйнштейна, начинавшееся с гомогенной изотропной Вселенной, радиус которой то увеличивается, то уменьшается. (К несчастью, Фридман умер в 1925 г. в Ленинграде от тифа, не успев завершить работу.) В картине Фридмана – Леметра в зависимости от начальной плотности Вселенной существуют три возможных решения. Если плотность Вселенной больше определенной критической величины, то ее расширение со временем будет остановлено гравитацией, и Вселенная начнет сжиматься. (Критическая плотность примерно соответствует десяти атомам водорода на кубический метр.) В такой Вселенной общая кривизна положительна (напомним, что положительную кривизну имеет, к примеру, сфера). Если плотность меньше критической величины, то силы гравитации окажется недостаточно, чтобы остановить расширение Вселенной, и она будет расширяться до бесконечности. (В конце концов, Вселенная остынет почти до абсолютного нуля; это явление известно как «большое замерзание».) Кривизна такой Вселенной отрицательна (отрицательную кривизну имеют, к примеру, седловидная поверхность или рожок). Наконец, существует возможность того, что плотность Вселенной окажется в точности равна критической (при этом она тоже будет бесконечно расширяться). В этой Вселенной кривизна равна нулю, то есть она плоская. Получается, что судьбу Вселенной, в принципе, можно определить, просто измерив ее среднюю плотность.

Новые решения сбивали с толку, поскольку теперь в наличии имелось по крайней мере три космологические модели, описывающие развитие Вселенной (Эйнштейна, де Ситтера и Фридмана – Леметра). Вопрос пребывал в подвешенном состоянии до 1929 г., пока его не разрешил астроном Эдвин Хаббл, чем потряс основы астрономии. Он первым начал разрушать теорию Вселенной с одной-единственной Галактикой, продемонстрировав существование других галактик далеко за пределами Млечного Пути. Вселенная, вместо уютного сообщества из сотни миллиардов звезд, собранных в одну Галактику, теперь содержала миллиарды галактик с миллиардами звезд в каждой. Всего за один год «население» Вселенной испытало поистине взрывной рост. Хаббл обнаружил, что потенциально во Вселенной существуют миллиарды иных галактик, из которых ближайшей к нам является галактика в созвездии Андромеды на расстоянии около 2 млн световых лет от Земли. (Надо сказать, что слово «галактика» происходит от греческого слова «молоко»; греки считали, что Млечный Путь – это молоко, пролитое богами на ночное небо.)

Одного этого шокирующего заявления было бы достаточно, чтобы обеспечить Хабблу славу одного из гигантов астрономии. Но Хаббл пошел еще дальше. В 1928 г. он совершил судьбоносную поездку в Голландию и встретился там с де Ситтером, который утверждал, что общая теория относительности Эйнштейна предсказывает расширяющуюся Вселенную с очень простым соотношением между расстоянием и красным смещением. Чем дальше галактика находится от нас, тем быстрее она должна удаляться. (Это красное смещение не следует путать с гравитационным красным смещением, которое рассматривал Эйнштейн в 1915 г. Красное смещение в спектре галактик возникает из-за того, что галактики удаляются от Земли в расширяющейся Вселенной. Если желтая звезда, к примеру, движется от нас прочь, то скорость ее света остается постоянной, а вот длина волны этого света «растягивается», так что цвет звезды слегка краснеет. Аналогично, если желтая звезда приближается к Земле, длина волны ее света сжимается, как меха аккордеона, а ее цвет смещается в сторону синего.)

Вернувшись в обсерваторию Маунт-Вилсон, Хаббл начал систематическое определение красного смещения различных галактик, проверяя, существует ли такая корреляция. Ему было известно, что еще в 1912 г. Весто Мелвин Слайфер показал: некоторые отдаленные туманности удаляются от Земли, демонстрируя красное смещение. Хаббл теперь систематически рассчитывал красное смещение далеких галактик и в результате обнаружил, что эти галактики тоже удаляются от Земли – иными словами, что Вселенная расширяется с фантастической скоростью. Затем он обнаружил, что его данные укладываются в гипотезу де Ситтера. Сегодня это называется «законом Хаббла»: чем быстрее галактика удаляется от Земли, тем дальше она находится (и наоборот).

Построив график зависимости между расстояниями до галактик и их скоростями, Хаббл увидел почти прямую линию, предсказанную общей теорией относительности; наклон этой прямой сегодня называется постоянной Хаббла. Хабблу, в свою очередь, было любопытно, как его результаты согласуются с результатами Эйнштейна. (К несчастью, в модели Эйнштейна было вещество, но не было движения, а во вселенной де Ситтера было движение, но не было вещества. Тем не менее его результаты хорошо совпадали с результатами Фридмана и Леметра, у которых присутствовали и вещество, и движение.) В 1930 г. Эйнштейн совершил паломничество в обсерваторию Маунт-Вилсон, где впервые встретился с Хабблом. (Когда тамошние астрономы гордо продемонстрировали ему огромный 2,5-метровый телескоп, крупнейший на тот момент в мире, на Эльзу это не произвело особого впечатления. Она сказала: «Мой муж делает то же самое на обороте старого конверта».) Хаббл рассказал о результатах, полученных скрупулезнейшим анализом десятков галактик, каждая из которых удаляется от Млечного Пути; Эйнштейн в ответ признал, что космологическая константа – величайшая ошибка его жизни. Космологическая константа, введенная Эйнштейном, чтобы искусственно сделать Вселенную статичной, стала лишней. Оказалось, что Вселенная все же расширяется, что он и выяснил 10 лет назад.

Более того, уравнения Эйнштейна давали самый, может быть, простой вывод закона Хаббла. Представим, что Вселенная – это шарик, который надувается и, соответственно, расширяется, а галактики представлены крохотными точками на поверхности шарика. Муравью, сидящему на любой из таких точек, кажется, что все остальные точки движутся от него прочь. Точно так же чем дальше точка находится от муравья, тем быстрее она от него удаляется, как в законе Хаббла. Таким образом, уравнения Эйнштейна позволили по-новому посмотреть на такие древние вопросы, как есть ли у Вселенной граница? Если Вселенная заканчивается стеной, то можно задать вопрос: что находится за стеной? Колумб мог бы на него ответить, рассматривая форму Земли. В трех измерениях Земля конечна (будучи всего лишь шаром, плавающим в пространстве), но в двух измерениях она представляется бесконечной (если раз за разом обходить ее по окружности), так что человек, шагающий по поверхности Земли, никогда не найдет ее конца. Таким образом, Земля одновременно конечна и бесконечна, в зависимости от того, в каких измерениях вы ее рассматриваете. Точно так же можно сказать, что Вселенная бесконечна в трех измерениях. В пространстве не существует кирпичной стены, обозначающей конец Вселенной; ракета, отправленная в космос, никогда не столкнется с космической стеной. Однако Вселенная вполне могла бы оказаться конечной в четырех измерениях. (Если бы она представляла собой четырехмерный шар, или гиперсферу, то теоретически можно было бы полностью обогнуть Вселенную и вернуться туда, откуда пустился в путь. В такой Вселенной самая далекая точка, которую можно увидеть в телескоп, – это собственный затылок.)

Если Вселенная расширяется с определенной скоростью, то по скорости расширения можно приблизительно вычислить момент времени, когда это расширение началось. Иными словами, Вселенная не просто имеет начало, но можно вычислить даже ее возраст. (В 2003 г. спутниковые данные показывали возраст Вселенной 13,7 млрд лет.) В 1931 г. Леметр постулировал определенный сценарий происхождения Вселенной – сверхгорячее рождение. Дело в том, что если взять уравнения Эйнштейна и довести их до логического конца (или, если угодно, начала), то они укажут, что рождение Вселенной связано с катаклизмом.

В 1949 г. космолог Фред Хойл в ходе дискуссии на радио BBC окрестил теорию Леметра теорией Большого взрыва. Поскольку сам он продвигал другую теорию, возникла легенда, что название «Большой взрыв» (точнее, «Большой бабах» – Big Bang) подразумевалось как обидное, хотя сам Хойл позже отрицал эту версию. Однако следует отметить, что в любом случае этот термин совершенно не подходит к случаю. Событие было отнюдь не большим, да и бабаха никакого не было. Вселенная началась как бесконечно малая «сингулярность». А никакого бабаха или взрыва в традиционном смысле не было, поскольку звезды расталкивает расширение самого пространства.

Общая теория относительности Эйнштейна ввела в обиход не только совершенно неожиданные понятия, такие как расширяющаяся Вселенная и Большой взрыв, но и еще одно, которое с тех пор и до настоящего момента интригует астрономов, – «черные дыры». В 1916 г., всего через год после публикации общей теории относительности, Эйнштейн с изумлением получил известие о том, что физик Карл Шварцшильд нашел точное решение его уравнений для случая одиночной точечной звезды. Ранее Эйнштейн использовал уравнения общей теории относительности только в приближенном выражении, настолько они были сложны. Шварцшильд порадовал Эйнштейна, отыскав точное решение без каких бы то ни было приближений. Сам Шварцшильд, будучи директором Астрофизической обсерватории в Потсдаме, добровольно вызвался служить Германии на русском фронте. Замечательно, но даже под артиллерийским обстрелом он умудрялся заниматься физикой. Он не только рассчитал траекторию артиллерийских снарядов для немецкой армии, но и нашел элегантное точное решение уравнений Эйнштейна. Сегодня это решение называют «решением Шварцшильда». (К несчастью, он мало прожил и не успел насладиться славой, которую принесло ему это решение. Шварцшильд, одна из ярчайших звезд новой области физики, умер в возрасте 42 лет, всего через несколько месяцев после публикации статей, от редкой кожной болезни, которую он подхватил на русском фронте; его смерть стала серьезной потерей для науки. Эйнштейн написал прочувствованный некролог по Шварцшильду, смерть которого лишь укрепила его ненависть к бессмысленным потерям войны.)

Решение Шварцшильда, которое произвело в научных кругах настоящую сенсацию, имело к тому же довольно странные следствия. Шварцшильд обнаружил, что в ближайшей окрестности этой точечной звезды гравитация настолько интенсивна, что даже свет не может от нее убежать, то есть звезда становится невидимой! Вообще, это был трудный вопрос не только для эйнштейновой теории гравитации, но и для теории Ньютона. Еще в 1783 г. Джон Мичелл, священник из деревни Торнхилл в Англии, задумался о том, может ли звезда стать настолько массивной, чтобы даже свет не мог от нее убежать. Его расчеты, опиравшиеся исключительно на законы Ньютона, доверия не вызывали, поскольку никто не знал в точности, чему равняется скорость света, но его выводы трудно было оставить без внимания. В принципе было ясно, что звезда может стать настолько массивной, что ее свет отклонится от прямой и будет двигаться по орбите. Тринадцатью годами позже математик Пьер-Симон Лаплас в знаменитой книге «Изложение системы мира» тоже рассмотрел вопрос возможного существования подобных «темных звезд» (однако счел, вероятно, свои рассуждения дикими и исключил соответствующий раздел из третьего издания). Несколько столетий спустя вопрос темных звезд вновь вышел на авансцену, на этот раз благодаря Шварцшильду. Он обнаружил, что вокруг таких звезд существует «волшебная сфера», известная в настоящее время как «горизонт событий», на которой происходят умопомрачительные искажения пространства-времени. Шварцшильд продемонстрировал, что всякий, кому не повезет оказаться внутри этого горизонта событий, никогда уже не сможет вернуться обратно. (Чтобы выйти за пределы этой сферы, нужно двигаться быстрее скорости света, что невозможно.) Ничто не может выйти за пределы горизонта событий, в том числе и луч света. Свет, излучаемый этой точечной звездой, будет вечно летать вокруг нее. Снаружи такая звезда будет выглядеть окутанной тьмой.

Воспользовавшись решением Шварцшильда, можно рассчитать, насколько нужно сжать обычное вещество, чтобы достичь этой волшебной сферы, то есть так называемого радиуса Шварцшильда, на котором должен произойти полный коллапс звезды. Для Солнца, к примеру, радиус Шварцшильда составляет 3 км. Для Земли он меньше сантиметра. (Поскольку в 1910-е гг. такая степень сжатия не поддавалась физическому осмыслению, физики решили, что никто и никогда не встретит во Вселенной подобный фантастический объект.) Но чем больше Эйнштейн изучал свойства таких звезд, которые позже физик Джон Уилер окрестил черными дырами, тем более странными они представлялись. Так, если вы будете падать на черную дыру, прохождение горизонта событий займет всего лишь долю секунды. Пролетая сквозь него, вы увидите свет, захваченный и обращающийся вокруг черной дыры может быть целые эпохи – а возможно, уже миллиарды лет. Последняя миллисекунда падения будет для вас не особенно приятной. В этот момент на вас подействуют настолько мощные гравитационные силы, что атомы вашего тела будут попросту раздавлены. Смерть станет неизбежной и ужасной. Но наблюдатели, разглядывающие эту космическую смерть с безопасного расстояния, увидят совершенно иную картину. Свет, излученный или отраженный вашим телом, растянется под действием гравитации, и снаружи покажется, что вы как бы застыли во времени. Для всей остальной Вселенной вы будете недвижно висеть над черной дырой, вечно.

Эти звезды, надо сказать, выглядели настолько фантастично, что большинство физиков было уверено, что такие объекты невозможно обнаружить во Вселенной. Эддингтон, к примеру, сказал: «Должен существовать какой-то закон природы, который не давал бы звезде вести себя подобным абсурдным образом». В 1939 г. Эйнштейн попытался математически показать, что черная дыра невозможна. Он начал с изучения процесса формирования звезды, то есть с рассмотрения набора частиц, циркулирующих в пространстве и постепенно стягиваемых в одно место силой взаимного притяжения. Расчеты Эйнштейна показали, что обращающиеся вокруг общего центра частицы будут постепенно сближаться, но в конечном итоге остановятся на 1,5 радиусах Шварцшильда; следовательно, черная дыра не сможет сформироваться.

Расчет казался безупречным, но Эйнштейн, очевидно, упустил из виду возможность схлопывания вещества в самой звезде, вызванного сжимающим действием гравитационных сил, превосходящих все действующие в веществе ядерные силы. Такой более детализированный расчет опубликовали в 1939 г. Роберт Оппенгеймер и его ученик Хартланд Снайдер. Начали они не с набора частиц, обращающихся вокруг общего центра, а со статичной звезды, достаточно большой, чтобы ее мощная гравитация могла преодолеть действующие внутри звезды квантовые силы. Нейтронная звезда представляет собой большой шар размером с Манхэттен (примерно 30 км в поперечнике), состоящий из нейтронов, – этакое своеобразное гигантское ядро. От коллапса этот нейтронный шар удерживает сила Ферми, которая не позволяет более чем одной частице с определенными квантовыми числами (например, спином) находиться в одинаковом состоянии. Если гравитационная сила достаточно велика, она может преодолеть силу Ферми и таким образом сжать звезду до радиуса Шварцшильда и больше; науке неизвестны силы, которые могли бы при этом предотвратить полный коллапс. Однако должно было пройти еще около 30 лет, прежде чем нейтронные звезды и черные дыры были обнаружены, поэтому статьи о потрясающих свойствах черных дыр долгое время считались совершенно умозрительными.

Эйнштейн по-прежнему скептически относился к черным дырам, но был убежден, что рано или поздно сбудется другое его предсказание: будут открыты гравитационные волны. Как мы уже видели, одним из триумфальных достижений уравнений Максвелла было предсказание того факта, что электрическое и магнитное поля образуют движущуюся волну, доступную наблюдению. Аналогично, размышлял Эйнштейн, не допускают ли его уравнения существование гравитационных волн? В ньютоновом мире гравитационных волн быть не может, поскольку сила тяготения действует мгновенно по всей Вселенной, затрагивая все объекты одновременно. Но в общей теории относительности гравитационные волны в определенном смысле должны существовать, поскольку колебания гравитационного поля не могут распространяться быстрее, чем со скоростью света. Таким образом, к примеру, катаклизм, такой как столкновение двух черных дыр, породит ударную волну гравитации – гравитационную волну, распространяющуюся со скоростью света.

Еще в 1916 г. Эйнштейн сумел показать, что в некотором приближении его уравнения действительно показывают волнообразные движения гравитации. Эти волны, как и ожидалось, распространялись по ткани пространства-времени со скоростью света. В 1937 г. Эйнштейну и его студенту Натану Розену удалось найти точное решение уравнений, выдающее (уже без всякого приближения) гравитационные волны. Эти волны стали уверенным предсказанием общей теории относительности. Однако сам Эйнштейн не надеялся когда-либо увидеть это явление. Расчеты показывали, что оно лежало далеко за пределами экспериментальных возможностей ученых того времени. Должно было пройти почти 80 лет с того момента, когда Эйнштейн впервые обнаружил гравитационные волны в своих уравнениях, прежде чем Нобелевская премия досталась физикам, получившим первые косвенные свидетельства их существования. Не исключено, что гравитационные волны будут зарегистрированы лет через девяносто после его первого предсказания. В свою очередь, они вполне могут оказаться средством, при помощи которого можно будет разобраться в Большом взрыве и найти единую теорию поля.

В 1936 г. чешский инженер Руди Мандль предложил Эйнштейну еще одну идею, связанную со странными свойствами пространства и времени. Нельзя ли, спросил он, использовать гравитацию какой-нибудь близкой звезды в качестве линзы для усиления света далеких звезд, точно так же, как стеклянная линза используется для усиления света? В свое время, в 1912 г., Эйнштейн уже рассматривал такую возможность, но теперь, после вопроса Мандля, вернулся к этой теме и рассчитал, что линза, о которой идет речь, породила бы для земного наблюдателя кольцеобразную структуру. Представим, к примеру, свет далекой галактики, проходящий рядом с близкой галактикой. Гравитация близкой галактики может расщепить световой луч надвое, так что части луча пройдут от нее по разные стороны. Миновав близкую галактику, лучи вновь сольются. С Земли эти лучи видны будут как световое кольцо – оптическая иллюзия, порожденная тем, что свет далекой галактики отклоняется под действием гравитации и обходит близкую галактику. Однако Эйнштейн заключил, что у нас «мало надежды увидеть такой феномен непосредственно». Более того, он написал, что эта работа «не имеет особой ценности, но бедняга [Мандль] будет счастлив». И вновь Эйнштейн так далеко обогнал свое время, что прошло 60 лет, прежде чем линзы и кольца Эйнштейна были обнаружены и со временем стали незаменимыми инструментами, при помощи которых астрономы исследуют далекий космос.

Но какой бы успешной и масштабной ни была общая теория относительности, она не подготовила Эйнштейна в середине 1920-х гг. к главной схватке его жизни – работе над единой теорией поля, которая объединила бы законы физики, и одновременному сражению с «демоном» квантовой теории.