Эйнштейн и чудо распространения света

Альберт Эйнштейн не любил случайностей и верил в то, что природа. управляется по строго определенным законам (недаром один из самых известных его афоризмов гласит: «Господь Бог не играет в кости!»). Под случайностями он подразумевал, конечно, вовсе не природные или космические катаклизмы (типа взрывов Сверхновых звезд или столкновения Земли с астероидом, считающегося возможной причиной гибели динозавров 65 миллионов назад), а отсутствие смысла и гармонии в законах природы. Эйнштейн верил в логику и осмысленность бытия вообще и посвятил их выявлению всю свою жизнь.

Согласно шутливой легенде из истории музыки, новорожденный Моцарт сразу стал высвистывать симфонию в четыре такта. Похоже, что Альберт Эйнштейн тоже начал размышлять о природе света сразу после рождения. Когда утром 14 марта 1879 г. в немецком городе Ульм солнечный луч впервые коснулся его лица, младенец неосознанно сформулировал простой вопрос: «Что это такое?». В отличие от Моцарта, гений Эйнштейна развивался медленно и незаметно для окружающих, хотя сам ребенок ощущал его присутствие с самого начала. Он любил задавать наивные вопросы, даже будучи подростком, чем вызывал у взрослых естественное раздражение, получая от них бессмысленные ответы: «Почему небо голубое?… Так оно всегда голубое… Перестань задавать вопросы, Ал. Это свет… просто свет». Позднее сам Эйнштейн напишет в автобиографии: «Я был ребенком с поздним развитием и… взрослые размышления над наивными, детскими вопросами помогли мне стать глубже и серьезнее многих моих ровесников».

Ребенок был несколько замкнутым, но в целом добрым и общительным, и от сверстников его отличала только непрерывная работа мысли, постоянные размышления о природе и законах распространения света. Конечно, об этом до него думали многие великие ученые, и прежде всего гениальный Исаак Ньютон, который не только сумел разложить свет на спектральные составляющие, но и создал первую научную теорию света, описав его в виде потока крошечных частиц. Однако великие предшественники занимались и другими проблемами, в то время как для Эйнштейна проблема распространения света стала главным делом всей жизни.

Вот уже около ста лет многие ученые и социологи пытаются оценить роль выдающихся личностей в развитии науки, особенно в связи с революционными открытиями, Проблема является весьма сложной, и биография Эйнштейна представляет здесь особый интерес, поэтому имеет смысл на этом наглядном примере провести сравнение истории науки и искусства. С одной стороны, представляется очевидным, что если бы природа и история не создали личность, называемую Альбертом Эйнштейном, то все равно позднее кто-то из ученых (в одиночку или с группой коллег) смог бы открыть все предложенные Эйнштейном законы (связанные с релятивистской теорией, броуновским движением и т. п.). С другой стороны, представляется столь же очевидным, что даже без Моцарта классическая музыкальная традиция должна была бы как-то продолжиться, так что моцартовская роль «звена» между поздним Гайдном и ранним Бетховеном досталась бы какому-то другому великому музыканту (возможно, им стал бы тот же Сальери!). Существенное различие между наукой и искусством заключается в том, что такой эрзац-Моцарт, наверняка, не написал бы потрясающую музыку последней сцены «Женитьбы Фигаро», постоянно приводящую слушателей в восторг и умиление, или другие удивительные мелодии, простота и изящество которых заставляют предположить существование в музыке своеобразной «бритвы Оккама», отсекающей всё вульгарное и пошлое. Продолжая аналогию, можно сказать, что теория относительности, представляющая собой шедевр физической мысли, возможно, также показалась бы нам беднее, если бы ее открытие не было связано с юмором, настойчивостью, скромностью, личным обаянием и артистизмом самого Эйнштейна. Признание уникальной роли личности такого масштаба не означает недооценки или отрицания законов истории, поскольку появление ярко одаренных личностей лишь украшает нашу жизнь и ускоряет общий прогресс человечества.

Главными научными достижениями Эйнштейна является предложенная им в 1905 г. специальная теория относительности, а также развитая на ее основе общая теория относительности, опубликованная через десять лет после этого. Краткое содержание этих теорий предлагается ниже, после некоторых дополнительных сведений о жизни и личности самого Эйнштейна.

Альберт Энштейн

Теория относительности Эйнштейна предсказывала искривление лучей света в поле массивных гравитационных объектов, и в 1919 г. представилась очень удобная возможность проверки этой гипотезы во время полного солнечного затмения. Королевское Общество Англии послало несколько специальных экспедиций, осуществивших тщательные измерения. Было установлено, что звезды вблизи солнечного диска действительно «смещаются» в соответствии с предсказаниями теории. Это стало доказательством правильности построений Эйнштейна и сразу принесло ему всемирную славу, так что буквально за пару дней 1919 г. он стал одним из самых известных и популярных людей в мире.

Эйнштейн был и остается не просто знаменитостью, а неким символом интеллектуальной мощи и мудрости, образцом ученого вообще (иногда даже преувеличенным и несколько шуточным). В описаниях газетчиков он быстро приобрел стандартные черты, характеризующие чудаковатого профессора, хотя стоит упомянуть также, что Эйнштейн (со свойственной ему артистичностью) и сам иногда подыгрывал репортерам, делая создаваемый ими образ более колоритным и забавным. Например, он избегал парикмахеров и ходил с лохматой, непричесанной шевелюрой, даже будучи профессором Принстона в 50-х годах. Иногда с серьезным видом он говорил аудитории странные фразы (например, что «расчет подоходного налога представляет для него слишком сложную задачу» и т. п.). Газеты уверяли публику, что из-за немыслимой сложности теории Эйнштейна на всей планете ее понимают лишь семь человек, а введенному им четвертому измерению почти с самого начала все стали придавать какой-то мистический, потусторонний смысл. Разумеется, подавляющая часть публики (как, впрочем, и многие ученые) с удовольствием читала байки о профессоре Эйнштейне и его открытиях, не пытаясь даже понять, о чем идет речь.

На самом деле Эйнштейн был простым и приятным в обращении человеком, умеющим прекрасно объяснять самые сложные физические идеи ясным и наглядным языком. Доказательством этого может служить рассказ гарвардского историка науки И. Б. Коэна о том, как один американский издатель решил выпустить популярную книгу по теории относительности, сочетающую высокий научный уровень с занимательностью и хорошим литературным стилем. На объявленный конкурс было прислано несколько сотен рукописей под псевдонимами, и, как часто бывает в таких случаях, большая часть работ никуда не годилась, так как была написана совершенно некомпетентными в физике людьми или даже просто сумасшедшими. К огорчению издателя, в рукописях серьезных авторов (явно принадлежащих перу профессиональных физиков) теория относительности излагалась скучно и непонятно для широкого круга читателей. Лишь одна, небольшая по объему работа сразу привлекала внимание ясностью мысли, глубиной содержания и остроумным изложением материала (автор даже снабдил текст собственными оригинальными рисунками). К удивлению конкурсной комиссии, автором лучшего научно-популярного рассказа оказался…сам Альберт Эйнштейн.

Эйнштейн любил говорить, что любое описание «должно быть простым, но не переупрощенным». Читателю, желающему всерьез познакомиться с теорией относительности, можно полушутя-полусерьезно посоветовать разделить свое мышление и воспрятие на две части, чтобы одно полушарие восхищалось красотой и глубиной концептуальных идей теории, а второе – могло внимательно следить за ходом решения сложнейших математических уравнений. Сочетание в теории относительности глубокой философской неоднозначности с формулировкой новых физи-ческих проблем и понятий открыло перед наукой и человечеством удивительные перспективы.

***

В основе специальной теории относительности лежит представление о времени как о четвертом измерении, аналогичном трем пространственным координатам (длине, ширине и высоте), однако в этой концепции не содержится ничего сверхъестественного, и она используется только для описания реальных событий в реальном мире. Три перечисленные выше координаты являются общеизвестными, и мы еще со школы знаем (или просто считаем, что знаем), как они определяют положение тела в пространстве. В соответствии с теорией относительности время также является показателем (координатой) положения тела, однако это проявляется только в очень больших, космических масштабах, а связь (точнее, некое «переплетение») времени и привычного нам трехмерного пространства определяется именно свойствами и законами распространения света.

Рассмотрим, например, следующую фантастическую, но довольно простую для воображения ситуацию. Свет проходит расстояние от Солнца до Земли примерно за 8 минут, так что если в 10.00 по местному времени Солнце (по каким-то космическим причинам) неожиданно «погаснет», то мы узнаем об этом только в 10.08. Соответственно, если бы на Солнце находился при этом какой-то космический наблюдатель-инопланетянин, то он смог бы заметить возникшую на Земле всеобщую панику только в 10.16, по тому же местному времени.

А теперь давайте спросим себя, когда точно погасло Солнце в этой ситуации? Очевидно, что ответ зависит от положения наблюдателя. Для нас событие произошло в 10.08, но с точки зрения гипотетического внешнего наблюдателя мы заметили это только в 10.16 (еще через 8 минут, когда он заметил нашу реакцию). Время события оказывается связанным с моментом регистрации его воздействия или какого-либо проявления, что, в свою очередь, напрямую определяется нашим положением в пространстве.

До Эйнштейна считалось ясным, что время «устроено» линейно, и мы можем всегда отсчитывать его, пользуясь строго калиброванной шкалой событий. Например, раньше можно было считать, что в 1572 г. произошел взрыв так называемой Сверхновой звезды, поскольку это событие было строго научно зарегистрировано великим датским астрономом Тихо Браге. Однако сейчас мы знаем, что это событие произошло миллионы или миллиарды лет назад, а запись Тихо Браге относится лишь к тому моменту времени, когда свет этой чудовищной вспышки достиг поверхности Земли и попал в телескоп. Получается, что для точного определения времени события (по нашим часам) мы должны точно знать расстояние до «места происшествия», так что время обязательно должно включаться в описание физического события, наряду с его пространственными координатами. Именно в этом и состоит эйнштейновская концепция учета времени в качестве четвертой координаты, и она действительно не имеет никакого мистического или фантастического смысла.

В качестве еще одного наглядного примера отсутствия «абсолютного времени» рассмотрим следующую гипотетическую научно-техническую проблему, которая, как будет показано чуть ниже, уже переходит в разряд реальных. Предположим, что в какой-то из близких к нам галактик (например, находящейся всего лишь на расстоянии 100 000 световых лет от Солнца) существует развитая цивилизация, способная создать сверхмощный телескоп, позволяющий наблюдать происходящие на Земле события. Очевидно, что, включив такое устройство, любознательные инопланетяне увидят наше далекое прошлое, т. е. маленькие группы гоминидов вида Homo sapiens, скитающихся по саваннам Восточной Африки. Если инопланетяне сделают видеозапись и вышлют «кассету» потомкам этих первых людей (например, для использования в учебных целях), то даже при очень высокой скорости пересылки (в любом случае она не может превышать скорость света) мы получим кассету чуть позднее 100 000 года. Другими словами, необходимо учитывать, что каждый небесный объект, звезда или целая солнечная система имеет, строго говоря, свое собственно время, а «наше время» правильно и имеет смысл только в «нашем переулке».

Кстати, описанная выше межзвездная пересылка сигналов уже началась, так как в 1974 г. с радиотелескопа на острове Пуэрто-Рико было послано первое простое изображение в направлении огромного звездного скопления, обозначаемого астрономами М13. Оно насчитывает сотни тысяч звездных систем, и если через 21 000 лет на какой-либо из тех планет будет существовать достаточно развитая цивилизация, то она получит наше послание и поймет, что на Земле есть разумные существа. Однако даже если обитатели М13 немедленно отправят ответное «письмо», то мы получим его только еще через 21 тысячу лет. Ситуация для организации переговоров представляется довольно безнадежной, поскольку обмен даже простыми репликами (вопрос – «Эй, есть тут кто-нибудь еще?», ответ – «Да-да, мы здесь!») будет длиться более сорока тысячелетий.

***

В массовом сознании работа ученого всегда связана с огромными лабораториями, сложными приборами и таинственными экспериментами, поэтому следует особо подчеркнуть, что Эйнштейн практически всю жизнь оставался «чистым» теоретиком. К удивлению (а иногда и к раздражению) многих коллег, он интуитивно находил блестящие решения сложных проблем и уже позднее начинал придумывать различные мысленные эксперименты для их доказательства. При этом психологически интересно, что Эйнштейн не любил (а возможно, не мог) объяснять ход своих рассуждений и развития интуитивных догадок. Многие мысленные эксперименты Эйнштейна, позднее ставшие классическими и общеизвестными, были связаны со сложными физическими и философскими проблемами. С ранней молодости Эйнштейну нравилось придумывать ситуации, возникающие при движении объектов со скоростью света, например воображать путешествия на гребне световой волны или представлять такое путешествие с зеркалом в руках. При этом Эйнштейн был твердо убежден, что эти сложные эксперименты должны быть обязательно представлены и объяснены в рамках здравого смысла (это еще раз свидетельствует, что его поразительные открытия не имеют ничего общего с метафизикой или мистикой).

Еще в юности Эйнштейн пытался представить себя пассажиром поезда, который мчится со скоростью света, и пытался понять, что должен видеть такой пассажир в зеркале, считая скорость света постоянной для пассажира (дальнейшие рассуждения, как ни странно, почти не зависят от того, соглашается ли кто-либо еще с этим условием). Может ли, рассуждал Эйнштейн, пассажир увидеть какие-то изображения в зеркале (свое собственное лицо или последний вагон поезда) и что он видит в действительности? Для получения изображения необходимо, чтобы луч света отразился от объекта (лица пассажира, последнего вагона и т. п.) и вернулся назад, а это представляется невозможным, поскольку сам поезд движется со скоростью света, а эта скорость (по определению) является предельной для всех объектов. Конечно, можно предположить, что в таком зеркале вообще ничего не отражается, но такой ответ противоречит здравому смыслу, который Эйнштейн всегда считал критерием истины, и поэтому такое решение он отвергал сразу.

Для понимания проблемы мы должны задуматься над тем, что видит наблюдатель, находящийся на платформе, мимо которой несется наш фантастический поезд. Наблюдатель может определить, что поезд движется со скоростью света (не забывайте, что эксперимент мысленный!), но пассажир не может видеть наблюдателя в зеркале. Для этого вновь необходимо, чтобы отраженный луч света догнал поезд и зеркало, т. е. двигался с немыслимой удвоенной скоростью света).

Размышляя над такими задачами более десяти лет, Эйнштейн пришел к некоторым выводам, которые противоречили интуитивному восприятию, но стали основой специальной теории относительности. Вообще говоря, еще до Эйнштейна многие выдающиеся ученые уже понимали, что существующая в классической науке парадигма абсолютного времени должна быть существенно пересмотрена. Среди них в первую очередь следует отметить великого французского математика и теоретика Жюля-Анри Пуанкаре, в трудах которого еще за три года до публикации первой работы по теории относительности Эйнштейн наткнулся на знаменитую фразу: «…абсолютное пространство не существует… как не существует и абсолютное время». Многие ученые ощущали наличие этой весьма серьезной проблемы физики, но для ее решения потребовались гений и упорство Эйнштейна.

Основные идеи теории относительности могут быть сформулированы легко и точно, но проблема заключается в том, что их трудно «перевести» на язык повседневного опыта по двум важным причинам. Во-первых, описываемые теорией эффекты просто не могут происходить в привычном нам мире, где скорости движения объектов (тех же поездов) всегда существенно меньше скорости света. Во-вторых (что, кстати, значительно важнее), соображения здравого смысла привели Эйнштейна к выводу, что окружающая нас реальность (увы?!) несколько «сюрреалистична». Начнем с простого определения, которое прекрасно известно даже офицерам дорожной полиции: скорость равна пройденному расстоянию, деленному на время. Определяя радаром скорость вашей машины в 100 км/час, полицейский вполне здраво исходит из того, что ваша машина проходит в час расстояние в 100 километров. Мы все соглашаемся с этим простым, кажущимся самоочевидным определением скорости, поскольку в нашем мире расстояние и время являются абсолютными величинами, т. е. ни один час не длится больше другого, а все километровые участки на шоссе равны друг другу и даже уже размечены соответствующими указателями или столбиками.

Давайте попробуем, подобно Эйнштейну, задуматься над смыслом определения скорости (скорость равна отношению расстояния к времени) в мире, где расстояние и время больше не являются абсолютными величинами, т. е. не фиксированы точно. Не смущайтесь, если вам ничего не приходит в голову, так как сам Эйнштейн позднее писал: «…сформулировав себе этот ошеломляющий вопрос, я на несколько дней впал в состояние полной растерянности».

Представление об относительности движения вот уже несколько веков является одним из основополагающих принципов физики и, в сущности, является достаточно простым и очевидным. Например, если вы находитесь в поезде, который плавно отходит от перрона с постоянной скоростью, то у вас есть только одна возможность определить эту скорость (или даже просто убедиться, что поезд движется вообще), а именно – выглянуть в окно. Вспомните, о чем постоянно твердят телевизионные клипы с рекламой дорогих автомобилей: «…Наша машина движется так мягко, плавно и спокойно, что Вы совершенно не чувствуете ее скорости!». Авторы рекламы совершенно правы, ведь каждый из нас испытывал странное ощущение в момент отправления поезда, когда вдруг начинает казаться, что поезд стоит, а платформа медленно отплывает назад (похожее чувство возникает и в автомобиле при медленном и плавном наборе скорости).

А теперь вернемся к пассажиру, который едет в железнодорожном вагоне со скоростью света и смотрит в зеркало. В соответствии с описанным выше принципом относительности, он должен видеть свое изображение, поскольку весь этот маленький, замкнутый мир (поезд, пассажир, зеркало) движется равномерно. Если воображаемый поезд движется плавно и бесшумно, а окна в купе зашторены, то пассажир может и не догадываться о движении, пока не отодвинет штору и не выглянет наружу. Такое объяснение удовлетворяло всех (включая и Эйнштейна), поскольку оно согласуется с основополагающим постулатом относительности всякого движения, который стоит сформулировать еще раз: скорость движения системы можно определить только относительно какого-либо внешнего объекта.

***

Однако стоит вспомнить, что в мысленном эксперименте Эйнштейна участвует также и наблюдатель на платформе, мимо которого мчится поезд. Он тоже замечает зеркало в руке пассажира, но с его точки зрения скорость света внутри поезда вдвое превышает обычную (она складывается из скорости света при движении от зеркала к пассажиру + равная световой скорость самого поезда относительно платформы). Неужели он прав? Эйнштейн ответил на вопрос отрицательно, тем самым сразу преступив границы здравого смысла приводимых выше доводов. Он продолжал рассуждать именно логически, исходя по-прежнему из того, что скорость определяется отношением пройденного расстояния к времени. Для сохранения справедливости этой формулы (и для пассажира, и для наблюдателя, несмотря на очевидную разницу в системах отсчета) Эйнштейн предложил рассмотреть еще одну возможность, которую до него в физике никто не принимал всерьез, а именно – ввести одновременное изменение времени и расстояния! Эти два параметра, являющиеся абсолютными в привычном нам мире малых скоростей, в системах с околосветовыми скоростями начинают существенно изменяться, что и позволило Эйнштейну не только сохранить фундаментальный принцип относительности движения (скорость по-прежнему осталась равной отношению расстояния ко времени), но и одновременно получить из него новые, поразительные закономерности и следствия. Главное соотношение осталось неизменным, но для его «спасения» пришлось пожертвовать фундаментальными представлениями о пространстве и времени при описании движения с очень высокими скоростями.

В своей первой работе 1905 г. по специальной теории относительности Эйнштейн выдвинул два основных принципа: 1) скорость света не зависит от того, является ее источник неподвижным или движущимся, и 2) скорость света не зависит от системы отсчета и является одинаковой как для неподвижного наблюдателя (наблюдателя на платформе), так и для движущегося с любой скоростью (пассажира проезжающего мимо платформы поезда). Иными словами, эта скорость не связана с тем, лежите вы в шезлонге на пляже или находитесь на борту космического корабля, выходящего на околоземную орбиту. Она представляет собой некий общий и непреодолимый предел скорости движения всех объектов. Речь идет, строго говоря, не о скорости волн видимого света (покрывающих всего около 2% всего диапазона электромагнитного излучения), а о скорости всех волн этого излучения (от «бешеных», высокоэнергетических гамма-квантов до «ленивых» и слабых радиоволн).

Постоянство скорости света проявляется, прежде всего, в том, что ни одно из космических событий не доходит до Земли мгновенно, немедленно и сразу. Когда рентгеновский телескоп регистрирует чудовищный по масштабам взрыв и образование черной дыры, «атакующей» огромный сектор звездного пространства, мы понимаем, что электромагнитным волнам пришлось пробежать огромное расстояние, так что воспринимаемый нами сигнал отстает от события на миллиарды лет. Именно поэтому понятие «одновременности событий» должно как-то включать в себя время в качестве отдельной переменной. Сочетание таких подходов позволяет перейти к более сложным мысленным экспериментам.

***

Давайте вообразим себе нечто более сложное, чем простые (хотя и сверхбыстрые) вагоны, и рассмотрим ситуацию, вполне пригодную для сценария «Звездных войн»: мы вторгаемся в чужую галактику на космическом корабле с защитным покрытием, которое поглощает все типы излучения, подобно так называемому черному телу, и делает наш корабль невидимым для радаров противника. Однако командир вражеского звездолета (представьте себе огромный диск с мощными лазерными излучателями по всей кромке) каким-то образом догадывается о нашем присутствии и приказывает дать залп по всем направлениям, в полной уверенности, что хотя бы один из выстрелов попадет в цель. Такая стратегия, с точки зрения противника, представляется точной и беспроигрышной при условии, что все лазерные излучатели выстрелят одновременно, и наш единственный шанс на спасение может быть связан именно с отсутствием понятия «одновременности» в релятивистской механике. Поскольку скорость света является постоянной, то (при достаточно больших размерах корабля противника) мы можем уловить отсутствие синхронизма, т. е. заметить, что более близко расположенные (с нашей точки зрения) лазеры должны начать стрельбу чуть раньше, а более удаленные – чуть позже. Понятие «одновременности» в таких ситуациях перестает быть абсолютным и начинает зависеть от системы отсчета.

Разумеется, читатель вправе спросить: какая из систем отсчета является более точной или «правильной»? Теория Эйнштейна не дает преимущества ни одной из них, полагая все системы относительными. Если расстояние между предметами (например, между компьютером и креслом командира) на вражеском корабле составляет три метра, то из этого вовсе не следует, что оно будет равно тем же трем метрам при измерении в иной системе. Теория относительности категорически запрещает саму возможность измерения точных размеров и соотношений для описываемых систем. Например, наблюдатели на двух космических кораблях, двигающихся параллельным курсом с околосветовыми скоростями, никогда не смогут точно сравнить их размеры. Никакие аккуратные «отметки» и измерения не помогут, поскольку для таких кораблей невозможно найти единые «меры длины». Более того, если бы наблюдатели могли во время такой воображаемой встречи слышать тиканье часов на борту проходящего мимо корабля, то они бы с удивлением обнаружили, что часы в разных системах отсчета тоже идут по-разному (часы на движущемся корабле идут медленнее, что было названо эффектом растяжения или замедления времени).

***

Мысленные эксперименты удобны тем, что в них можно легко пренебречь массой несущественных особенностей реальности и сконцентрировать внимание на принципиальных характеристиках рассматриваемых систем. Конечно, описанные выше мысленные эксперименты и наблюдаемые в них так называемые релятивистские эффекты невозможно проверить в привычных условиях, но выведенные Эйнштейном уравнения позволяют точно описать многие странные явления, возникающие при движении систем с релятивистскими скоростями.

На эффектах и парадоксах теории относительности построено множество сюжетов научно-фантастических романов и фильмов. Особенно понравилась романистам идея о замедлении времени, и читатель наверняка может вспомнить какой-нибудь вариант истории о космическом корабле, вернувшемся на Землю (которую условно можно считать неподвижной) с космонавтом, постаревшим всего на несколько лет, в то время как все его сверстники стали глубокими старцами или уже умерли. Кстати, величину этого эффекта можно рассчитать по довольно простым формулам (например, при скорости, равной 99% от скорости света, время в корабле будет течь в семь раз медленнее, чем на Земле, так что после 10-летнего полета космонавты действительно увидят родную планету постаревшей на 70 лет). В общем случае, при приближении к скорости света в движущейся системе замедляется время, увеличивается вес объектов и их длина.

Эйнштейн пытался представить и описать движение с релятивистскими скоростями в случае электронов (самых маленьких субатомных частиц, вращающихся вокруг атомного ядра), что представляет особый интерес, поскольку электроны можно легко ускорять различными методами. Из его уравнений следовало, что время в собственной системе отсчета электрона при возрастании скорости начинает замедляться, в результате чего ускорение (при той же действующей силе) уменьшается, и это эквивалентно «утяжелению» электрона, т. е. увеличению его массы. Рассуждения подобного типа привели Эйнштейна еще в 1905 г. к фундаментальному открытию, что масса тела является мерой содержащейся в нем энергии, что и выражает ставшая знаменитой и общеизвестной формула Е = тс2, где с означает скорость света, а Е – полную энергию тела с массой т.

Это простое уравнение в действительности имеет весьма глубокий смысл, поскольку наглядно демонстрирует, что энергия и масса (которые всегда считались совершенно разнородными понятиями) являются разными представлениями одной и той же сущности. Выделяя или поглощая энергию, материальные объекты просто переводят эту сущность из одной категории в другую во всех процессах, независимо от того, идет речь о горении куска угля, любовных играх или взрывах Сверхновых.

Приведенная выше формула и ее применение кажутся достаточно простыми и понятными, но гораздо более сложными и парадоксальными были рассуждения Эйнштейна о различных эффектах, возникающих при приближении к световому порогу скорости, поскольку для их объяснения ученый пользовался необычной смесью из здравого смысла, собственных интуитивных озарений и весьма сложных математических уравнений. Однако еще более сложной для восприятия широкой общественности оказалась обобщающая концепция пространства-времени, которая вытекала из предлагаемой Эйнштейном теории.

***

Учет времени в качестве четвертой координаты означает фактически, что мы не можем указать положение какого-либо тела в пространстве без указания точного времени измерения, и обратно. Ни одну пару событий в мире нельзя считать одновременной, поскольку все они разделены существованием порогового значения скорости, неким общим ограничением на передачу информации, которое относится ко всем видам электромагнитного излучения. Никакие командиры кораблей с релятивистскими скоростями никогда не узнают, насколько синхронны залпы их лазерных излучателей, поскольку каждый будет пользоваться собственной системой отсчета, собственными критериями времени и расстояния.

Математически положение тел в четырехмерном пространстве-времени можно описывать столь же легко и удобно, как координаты точки на листе обычной миллиметровки, однако это обстоятельство не облегчает понимания теории, поскольку почти все мы привыкли к обычному, трехмерному восприятию пространства (в котором, как нам кажется, и проходит наша жизнь). Поэтому читателю лучше не напрягать свое воображение, а просто попытаться понять «принципы действия» предлагаемой теории.

О наглядности физических моделей или теорий следует сказать хотя бы несколько слов, поскольку именно наглядность была характерной особенностью классических представлений. Все мы, например, привыкли воспринимать гравитацию в качестве силы, которая заставляет яблоко падать на голову юного Исаака Ньютона в соответствии с общеизвестной гравюрой в школьных учебниках. Позднее историки выяснили, что история с яблоком является легендой, возникшей через много лет после смерти Ньютона, но она до сих пор наглядно демонстрирует детям действие закона всемирного тяготения и прекрасно запоминается. Строго говоря, никто не понимает механизма гравитации, которая столетиями остается загадкой, несмотря на приятную и столь понятную всем картинку с яблоком (Эйнштейн безуспешно размышлял о гравитации несколько десятков лет, но и ему не удалось создать точную теорию этого явления).

Через 10 лет после публикации первой работы по специальной теории относительности Эйнштейн занялся проблемами гравитации и создал так называемую общую теорию относительности, ставшую его вторым главным научным открытием. Именно она позволила Эйнштейну предсказать величину отклонения света удаленных звезд в гравитационном поле Солнца, поразившую британских астрономов, наблюдавших затмение 1919 года. Это предсказание и сделало его мировой знаменитостью, хотя в действительности всё гораздо более сложно (Эйнштейн предсказывал, что гравитационное поле Солнца будет искривлять пространство-время, а свет от звезд должен был лишь двигаться по искривленным траекториям.)

Новая теория и ее наглядное астрономическое подтверждение знаменовали собой революционные изменения в научном описании и понимании мира вообще (начиная с нашей маленькой, уютной Солнечной системы и кончая далекими галактиками). Древние греки когда-то полагали, что Солнце, планеты и звезды закреплены на огромных прозрачных сферах, вращающихся вокруг Земли. Позднее, благодаря Галилею и Копернику, мы поняли, что Земля и остальные планеты вращаются вокруг Солнца, а в начале XX века Хаббл доказал, что даже гигантские звездные системы вращаются и убегают друг от друга в просторы космоса с огромной скоростью. Все эти системы объединяло одно – в них предполагалось, что эти немыслимо сложные движения обусловлены какими-то силами (которые мы пока просто не понимаем), связанными с взаимодействием между объектами.

Между тем, уравнения и мысленные эксперименты Эйнштейна принципиально изменяли сам подход к проблеме. Гравитация переставала быть просто силой, удерживающей Землю на орбите (подобно тому, как мы держим на поводке собаку), а превращалась в нечто совершенно иное. Масса Солнца создавала не просто гравитационные силы, а непосредственно линии и поверхности того, что можно назвать геометрией или «тканью» пространства-времени, а небольшие объекты (вроде Земли) двигались по этим искривленным линиям и поверхностям, подобно мальчишкам, катающимся на роликовых досках-скейтбордах.

Читатель наверняка уже заметил, что любая попытка разъяснить или проиллюстрировать идеи Эйнштейна скорее порождает новые вопросы и сомнения, чем разрешает старые, однако именно это, совершенно неожиданное и необычное представление об искривлении линий в едином пространстве-времени, создаваемом гравитационными массами, позволило ученым более точно описать окружающий нас мир. Сам Эйнштейн объяснял необходимость развития общей теории относительности желанием преодолеть очевидную ограниченность описанной выше специальной теории относительности. Вспомним, что еще с первой работы 1905 г. в исходной теории рассматривалось движение различных объектов (совершенно неважно, идет речь о движении поездов, космических кораблей, пароходов или лифтов) лишь с постоянной скоростью относительно других, считающихся неподвижными, систем отсчета. Естественно, что Эйнштейн пытался (хотя бы только мысленно) рассмотреть гораздо более сложную ситуацию, в которой сами системы отсчета движутся с ускорением.

Давайте еще раз, вслед за Эйнштейном, пофантазируем на тему галактических сражений и представим себе, что наш космический корабль резко ускоряется, пытаясь просто побыстрее ускользнуть от противника в глубинах Млечного Пути. Мы не можем определить скорость движения, но в какой-то момент видим, как лазерный луч противника пробивает обшивку корабля и создает выходное отверстие на противоположной стенке (эксперимент мысленный, так что не стоит беспокоиться о последствиях и ранениях). Эйнштейн логически пришел к выводу, что в ускоряющемся корабле мы с удивлением должны заметить «кривизну» траектории лазерного выстрела, хотя свет всегда должен двигаться по прямой линии. Изгиб траектории соответствует изменению пространства под воздействием того, что мы на своем обычном языке (исходя из законов Ньютона) называем гравитацией. Иными словами, Эйнштейн вдруг пришел к выводу, что искривление пространства, обусловленное ускорением, эквивалентно искривлению, связанному с гравитацией, т. е. гравитация и ускорение системы отсчета представляют собой одно и то же физическое явление. Именно это он назвал позднее «счастливейшей мыслью всей моей жизни».Эйнштейн пришел к этому выводу после многих лет напряженной работы и кропотливых расчетов, но очень многие физики не смогли понять и признать это великое открытие из-за сложности используемого математического аппарата, а также из-за того, что предлагаемая теория вела, по их мнению, к слишком революционной ломке основных понятий классической физики. Картина непрерывно меняющегося, искривляющегося или деформируемого пространства-времени противоречила «здравому смыслу» не только обывателей, но и самих физиков-теоретиков.

Входящие в теорию Эйнштейна уравнения, действительно, настолько сложны, что неспециалисту легче отработать неделю землекопом, чем проследить за логикой их вывода в самых простейших случаях, поэтому нам остается лишь принимать к сведению ошеломляющие выводы предлагаемой теории. Подчеркнем еще раз две основные особенности творчества Эйнштейна: во-первых, он всегда следовал логике математических выкладок (даже в тех случаях, когда выводы теории противоречили фундаментальным представлениям, выработанным человечеством в течение тысячелетий); во-вторых, если какие-то интуитивные прозрения казались ему разумными, то он продолжал упорно отстаивать их, несмотря на отсутствие прямых доказательств. Читатель, всерьез заинтересовавшийся теорией относительности, имеющий некоторые познания в высшей математике и сохранивший страсть к игре воображения и интеллекта, может задуматься над некоторыми из выведенных Эйнштейном уравнений хотя бы для того, чтобы получить представление о том, как логически безупречные математические построения могут приводить к внешне абсурдным результатам теории относительности.

Читатели, помнящие известные фотографии играющего на скрипке Эйнштейна (кто-то из аккомпаниаторов отметил, что он играл «абсолютно правильно, но совершенно неинтересно»), надеюсь, простят мне несколько натянутое сравнение его творческого метода с музыкальной темой в конце 16-го струнного квартета Бетховена, которую многие музыкальные критики обычно трактуют в форме вопроса и ответа. «Должно ли это случиться? Да! Это должно случиться!».

Лишь однажды Эйнштейн изменил своей твердой позиции и отказался от собственных интуитивных предвидений, о чем впоследствии вспоминал как о «главной ошибке жизни». Напомним, что великие теории Эйнштейна были предложены задолго до открытия Хабблом процесса расширения Вселенной, узнав о которых, Эйнштейн впервые в жизни не смог преодолеть внутреннее «чувство очевидности» и попытался спасти статичную картину мироздания. В его уравнениях была использована так называемая «космологическая постоянная», связанная с еще неизвестным взаимодействием (некий вариант антигравитации) и позволяющая Вселенной сохранять неизменным свой размер. Открытия Хаббла сделали эту «уловку» излишней, и Эйнштейн убрал поправку из уравнений, о чем впоследствии неоднократно сожалел.

Позднее оказалось, что его теория гравитации вполне подходит именно к такой динамичной (расширяющейся или сжимающейся) модели строения мира. Дело в том, что скорость разбегания галактик, вычисляемая по уравнениям теории относительности, никак не удавалось связать ни с общим количеством известного нам вещества Вселенной, ни со временем образования новых галактик, вследствие чего ученым позднее пришлось вытащить из архивов запыленные старые публикации, посвященные космологической постоянной, и внимательно перечитать их заново. К удивлению многих, эта величина (введенная Эйнштейном для удобства решения конкретной задачи) через десятилетия вновь оказалась в центре внимания теоретиков, а ее использование перестало считаться ошибкой гения (по крайней мере, ошибкой в обычном значении этого слова). Биография Эйнштейна еще раз продемонстрировала, как трудно в жизни великого человека отделить его достижения от его личности (поэт Йитс когда-то писал, что «танцор и танец неразделимы!»).

Хаббл обнаружил разбегание галактик в пространстве, а Эйнштейн доказал, что в кажущемся стабильным мире не сохраняются даже самые фундаментальные представления о пространстве и времени, так что мы можем определить лишь наше собственное, «домашнее» время и описывать лишь близкие нам события. Наблюдая за космическими объектами, мы буквально вглядываемся в «прошлое», в то время как во Вселенной какие-то неведомые нам, мощные и невидимые силы непрерывно преобразуют пространство-время, создавая на нем новые складки и необычные формы.

Отсутствие понятия одновременности в окружающем нас мире, возможно, станет ближе и понятнее читателю, если вспомнить, что даже обычное человеческое общение осуществляется только через физическую среду или посредством технических устройств (например, с использованием электромагнитных волн), т. е. всегда происходит с какой-то, может, очень незначительной, но неизбежной задержкой. Философски настроенный читатель может уловить в этом даже некий символ вечного одиночества любого индивидуального человеческого существования.

Несмотря на все сказанное, большинство физиков поколения Эйнштейна довольно быстро свыклись с необычными приемами и выводами теории относительности, поскольку полученные Эйнштейном уравнения широко использовались, приобретали новый смысл и приводили к новым, хотя и внешне парадоксальным результатам. В каком-то смысле теория относительности оказалась более приемлемой и «понятной», чем описываемая в следующей главе квантовая теория Бора, постулирующая принципиальную нестабильность мира и непредсказуемость поведения атомов, составляющих основу воспринимаемого нами мира. Эйнштейн твердо верил в существование строгих законов природы, определяющих «правила существования» вещества, и ему была глубоко чужда сама мысль о том, что при изучении атома можно столкнуться с изменением свойств вещества, с неким переходом от материи к набору вероятностей.

Как будет показано ниже, в квантовой физике поведение субатомных частиц (даже тех, которые составляют наше собственное тело) совершенно не согласуется с представлениями о «здравом смысле» и может быть описано лишь исключительно сложным математическим аппаратом. Размышляя о законах природы и личной роли ученых в формулировке «правил поведения» вещества, лауреат Нобелевской премии Роберт Лофлин пишет: «Развитие физики доказывает нам, что правила и законы, выводимые без какого-то интуитивного угадывания, почти всегда оказываются ошибочными, из чего можно сделать вывод, что законы природы должны быть скорее угаданы, чем изобретены или придуманы». По-видимому, это справедливо и по отношению к законам квантовой физики, хотя в ней граница между открытием и угадыванием законов до сих пор остается зыбкой и неопределенной.