Шрифт:
Закладка:
Вы должны быть настоящим педантом, чтобы придраться к результату при таком маленьком несоответствии. Но даже минимальная разница со временем накапливается, и такого рода вещи настораживают физиков. Если результаты измерений для орбиты Меркурия не согласовывались с теорией, то либо измерения были неточными, либо теория ошибочна. Может быть, кто‐то упустил какую‐то крошечную деталь? Если да, то какую, где и почему?
Долгое время виновником этого несоответствия считалась загадочная неизвестная планета на близкой к Солнцу орбите. У астрономов даже было придумано для нее название: Вулкан, – и тогда, конечно же, его жители именовались бы вулканцами. Однако в конце концов вулканцы оказались вытесненными в научную фантастику[45], и все потому, что у некоего молодого патентного клерка второго класса[46] появилась на этот счет совершенно новая, революционная идея.
Космос – это просто простыня
В начале ХХ века Эйнштейн подвел под наше представление о пространстве и времени совершенно новую базу, включив классическую физику в свою новую теорию относительности[47]. Эйнштейн по натуре вовсе не был одиноким гением, полностью поглощенным работой над своим главным открытием. Напротив, он был жизнерадостным человеком слегка богемного типа – этаким интересовавшимся общественной жизнью интеллектуалом. В 1896 году он поступил в Швейцарскую высшую техническую школу (ныне – Федеральный Технологический институт) в Цюрихе, где встретился с учившейся там же Милевой Марич[48]. В интеллектуальном отношении Эйнштейн считал молодую женщину-физика равной себе, а когда дело касалось экспериментальной физики, то даже признавал первенство Марич. Они поженились, как только Альберт устроился на свою первую работу. Милева и Альберт часами сидели, разговаривая и читая вместе философские книги; свои первые статьи они, вероятно, писали тоже вместе, хотя в авторах значился только Альберт.
Неужели Милева решила отойти в тень, чтобы не мешать карьере мужа? Некоторые полагают, что по нынешним стандартам Милева должна была быть соавтором статей. “Мне нужна моя жена, она решает все мои математические задачи”, – так говорил Альберт в начале своей карьеры. Но не исключено, что Милева прежде всего думала об их общем будущем. Когда ее однажды спросили, почему ее имя не появилось рядом с именем Эйнштейна в патентной заявке, над которой они работали вместе, она ответила: “В конце концов, мы двое – просто ein Stein”[49]. В то время женщине, безусловно, было куда труднее (если вообще возможно) сделать карьеру в области физики, чем мужчине. Сегодня историки все еще спорят о том, насколько велик оказался научный вклад Милевы в теории Эйнштейна, но он определенно не был незначительным. Нам недостает источников, чтобы делать какой‐то однозначный вывод. Эйнштейн переписывался со многими физиками, и эти письма можно найти в его архиве, но вы не сможете отыскать там следы идей, что обсуждались дома за кухонным столом.
На первую после колледжа работу в ныне знаменитое патентное бюро Берна Эйнштейн устроился с помощью отца своего однокурсника Марселя Гроссмана. И вскоре, в 1905‐м – в свой “год чудес”! – уже опубликовал пять абсолютно революционных трудов. За один из них – о природе света – Эйнштейн в 1921 году был награжден Нобелевской премией с формулировкой “за открытие закона фотоэлектрического эффекта”. В другой его работе утверждалось, что масса и энергия эквивалентны, – уравнение E=mc2, возможно, до сих пор остается самой известной физической формулой в мире. Наконец, в том же 1905 году появилась статья по специальной теории относительности, в которой Эйнштейн показал, что время и пространство относительны и изменяются в соответствии с относительной скоростью наблюдателя. Но и на этом молодой ученый не остановился.
Еще до того, как настал великий для Эйнштейна день, открытое им релятивистское сокращение длины уже поставило под сомнение абсолютную природу пространства. Следующий шаг подсказали ньютоновские вращающееся ведро и карусель. Ньютон однажды задумался над любопытными свойствами вращающегося ведра с водой. Эйнштейн продвинулся в этом вопросе дальше и определил, что для вращающегося круга из‐за сокращения длины соотношение между длиной окружности и его диаметром обязательно зависит от положения наблюдателя.
Давайте представим карусель в форме круга на ярмарке с осью посередине и множеством детей, сидящих верхом на ракетах и деревянных лошадках, а также в ярких полицейских машинках, прикрепленных к вращающемуся полу. Если девочка, ожидающая у билетной кассы, измерит окружность и диаметр круглой карусели рулеткой, она обнаружит, что длина окружности пропорциональна ее диаметру и коэффициент пропорциональности равен известному числу π (пи).
А если бы какой‐нибудь мальчик, сидящий на ракете на самой карусели и вращающийся вместе с ней по кругу, измерил окружность рулеткой, а девочка, стоящая неподвижно у билетной кассы, сравнила бы его результаты со своими, она подумала бы, что длина окружности стала меньше. Из-за релятивистского сокращения длины измерительная лента покажется ей короче. Эта кажущаяся измеренная длина зависит от направления движения. Длина окружности карусели, измеренная рулеткой в направлении движения, кажется короче, а диаметр, измеренный в перпендикулярном к движению направлении, – нет. Таким образом, коэффициент пропорциональности между длиной окружности и диаметром больше не равен π. Это поразительно! С неподвижными кругами такого не происходит, и длина их окружности всегда равна π х d, то есть π, умноженному на диаметр.
Это, конечно, верно для окружностей в учебнике: там пространство, в котором находится наш круг, плоское. Однако все меняется, как только мы решаем рассмотреть искривленную поверхность. Например, детей можно попросить нарисовать большой круг в центре натянутой простыни. Если они возьмут простыню за четыре конца и вместе поднимут ее, двумерная плоскость начнет провисать. Контуры исказятся, геометрия круга изменится: длина окружности останется более или менее прежней, а диаметр, если измерять его вдоль поверхности простыни, увеличится. Отношение длины окружности к диаметру в искривленном пространстве больше не равно в точности π. Важно только, чтобы это была эластичная простыня, поскольку лишь такие простыни хорошо тянутся!
Представить искривление двумерной простыни достаточно легко, но пространство на самом деле трехмерно, и это все усложняет. Непонятно, может ли трехмерное пространство искривляться, – ведь искривленное трехмерное пространство трудно вообразить. Но если мы не в состоянии вообразить искривленное трехмерное пространство, то, возможно, мы сумеем описать его математически. В дальнейшем Эйнштейн пришел к пониманию того, что на самом деле нужно добавить еще и четвертое измерение – время, потому что в теории относительности оно также играет важнейшую роль.
Математический аппарат для описания пространств,
