Олег Фейгин
Удивительная относительность
© Фейгин О. О., 2016, текст
© ООО «Страта», 2017
* * *
Предисловие
Недавний столетний юбилей общей теории относительности, удивительным образом совпавший с открытием ее важнейшего следствия – волн гравитации, снова возродил интерес к этому гениальному наследию великого Эйнштейна. Научно-технические вызовы нашего века заставляют говорить о первых полетах к ближним звездам с релятивистскими скоростями (проект «лазерного зонда-парусника» Мильнера – Хокинга) и фантазировать о звездолетах, сжимающих перед собой само пространство-время (принцип «варп-двигателя»). Все это вместе с новыми сценариями эволюции ускоренно расширяющейся Вселенной и моделями бездонных (в самом прямом смысле слова!) космических провалов черных дыр заставляет в очередной раз задумываться о парадоксальной релятивистской физике мироздания.
Да и любой современный человек должен знать азы этого главнейшего свода знаний об окружающем нас пространстве и времени. Во всяком случае, хорошо иметь хотя бы поверхностное представление об ответах на основные вопросы естествознания.
В большинстве научно-популярных книг, так или иначе, рассказывается об одной из величайших физических теорий прошлого века, созданной гением Эйнштейна. Зачем же писать еще одну, наверное, даже не сотую популярную версию этого удивительного раздела современной науки? Прежде всего, последние достижения в открытии гравитационного прибоя Вселенной, колоссальных по масштабам черных дыр и осмысление будущего, стремительно разлетающегося под действием «темной энергии», позволяют по-новому взглянуть на столетнюю теорию.
Все это, на фоне растущего дефицита отечественной научно-популярной литературы, несомненно оправдывает очередную попытку общедоступно рассказать об одной из самых величественных теорий, созданных разумом.
Может быть, прочитав эту книгу, будущий гений третьего тысячелетия наконец исполнит мечту Эйнштейна и создаст «Единую теорию поля», над которой бился до последнего вздоха великий физик. И тогда возникнет еще один этаж величественного дворца науки, где теория относительности все равно займет один из главных залов. В общем, как писал в свое время мой университетский преподаватель Юрий Иосифович Соколовский:
Сейчас остро ощущается потребность в книге, которая не просто рассказывала бы про теорию относительности в описательном плане, а систематически излагала бы ее основные положения в элементарной форме. Читатели-неспециалисты желают не только удивляться парадоксальным выводам теории Эйнштейна, но и глубоко понимать их сущность.
Главная трудность создания такой книги обусловлена неизбежной ломкой глубоко укоренившихся представлений, простое сомнение в безусловной истинности которых встречает иногда резкие протесты. Именно поэтому приходится поневоле начинать с вопросов столь «ясных», что о них, казалось бы, нечего и говорить.
Мне кажется, что в этом мой замечательный учитель был полностью прав…
Хотелось бы отметить, что идея этой книги была подсказана в свое время академиком Э. П. Кругляковым во время работы над рукописью о популярном изложении квантовой гравитации. Эдуард Павлович утверждал, что эту тему хотел бы развить в общедоступном виде его коллега, академик, нобелевский лауреат В. Л. Гинзбург.
Считаю приятной обязанностью поблагодарить и специалистов замечательного издательства «Страта», несущего искры просвещения в наше время, столь непростое для популяризации научного знания.
Глава 1. Звездный год новой физики
Его работы имели очень специфический характер, индивидуальный почерк, который позволял их отличать от других работ, подобно тому как Пикассо – это всегда Пикассо, и он отличим от других художников. Эйнштейн давал волю своему воображению и распознавал важнейшие принципы с помощью мысленных экспериментов, а не методичного изучения экспериментальных результатов. Теории, которые в результате появлялись, временами были удивительными, таинственными и противоречащими интуиции.
У. Айзексон. Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная
В истории науки 1666 год известен как annus mirabilis, что на латыни означает «год чудес». Тогда Исаак Ньютон, спасаясь от чумы, свирепствовавшей в Кембридже и Лондоне, скрылся в своем родовом поместье, в Вулсторпе. Там, в материнском доме, великий физик и математик смог не только разработать основы дифференциального исчисления, но и разложить спектр белого света, а также открыть закон всемирного тяготения.
Никто даже не предполагал, что кто-либо когда-нибудь сможет повторить научный подвиг Ньютона. Тем более, что это окажется по плечу скромному служащему бернского Бюро патентов Альберту Эйнштейну, сумевшему сделать 1905 год новым annus mirabilis.
Сегодня историки науки с восхищением отмечают удивительную смелость недавнего выпускника цюрихского Политехникума, сумевшего отбросить все наслоения общепринятых теорий, скрывающие трещины в фундаменте физики. Кроме того, патентный эксперт третьего (низшего) класса еще и проявил живое воображение, позволившее совершить ему то, на что никак не могли отважиться даже ярчайшие мыслители того времени.
О результатах своей удивительной четырехмесячной работы с марта по июнь 1905 года Эйнштейн прежде всего рассказал своему другу Конраду Габихту в письме, ставшем достоянием истории научной мысли:
«Первая посвящена излучению и энергии света и очень революционна, как вы сами убедитесь, если сначала пришлете мне свою работу. Вторая работа содержит определение истинной величины атомов. Третья доказывает, что согласно молекулярной теории тепла тела́ величиной порядка 1/1000 мм, взвешенные в жидкости, испытывают видимое беспорядочное движение, обязанное тепловому движению молекул. Такое движение взвешенных тел уже наблюдали физиологи – они назвали его броуновским молекулярным движением. Четвертая работа пока еще находится в стадии черновика, она представляет собой электродинамику движущихся тел и меняет представление о пространстве и времени».
Альберт Эйнштейн (1879–1955)
Основные принципы теории: относительность времени, постоянство скорости света, привилегированное положение этой скорости как наибольшей из всех возможных – отклоняются от прежних представлений, однако не содержат в себе ничего произвольного. Идеи новой теории органически связаны с классической физикой и неизбежно должны были вырасти на ее почве.
Р. Неванлинна. Пространство, время и относительность
Так, в престижном немецком журнале Annalen der Physik («Анналы физики») появилось пять научных статей малоизвестного автора, три из которых принадлежат к числу величайших работ в истории этой науки.
В одной из них, поданной 17 марта 1905 года под довольно необычным названием «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света», давалось квантовое объяснение фотоэлектрического эффекта. За эту незамысловато написанную работу, о которой теперь рассказывается в школьном курсе физике, Эйнштейн через шестнадцать лет был удостоен высшей научной награды – Нобелевской премии.
Надо заметить, что начиная со своей первой «квантовой» публикации и до последней, вышедшей ровно через полстолетия, Эйнштейн всегда описывал концепцию квантов света – фотонов – лишь как эвристическую. При этом он всегда считал квантовую физику не совсем полной теорией, во многом противоречащей его собственным представлениям об основе мироздания.
В основу той пионерской статьи легли «вечные» вопросы, не решенные и поныне: что представляет собой окружающее пространство? Вселенную частиц, таких как электроны или протоны, – или неделимый континуум, насыщенный электромагнитным, гравитационным и прочими полями?
