Эйнштейн просит слушателей задуматься: оправданна ли попытка обобщения теории относительности, выведения ее за рамки равномерных движений? Отвечая на этот вопрос, он напоминает о мысленном опыте в вагоне поезда, движущегося равномерно, и о принципе относительности равномерного движения, принципе Галилея. И продолжает:
«Однако обычно склонны добавлять: конечно, совсем другое дело, если железнодорожный вагон движется неравномерно; если вагон изменит свою скорость, то пассажир получит толчок, который заставит его почувствовать ускорение вагона. Абстрактно говоря, принцип относительности неравномерного движения не имеет места. Однако это заключение отнюдь не безупречно, ибо еще неясно, должны ли пассажиры вагона обязательно связывать с ускорением вагона толчок, который они почувствовали. Следующий пример показывает, что это заключение преждевременно.
Два физика, А и В, очнувшись от наркотического сна, обнаружили, что они вместе с приборами находятся в закрытом ящике с непрозрачными стенками. Они не имеют никакого представления о том, где расположен ящик или как он движется. Они лишь констатируют, что все тела, помещенные в середину ящика и освобожденные там, падают в одном и том же направлении — скажем, вниз — с одинаковым общим ускорением g. Что могут заключить отсюда физики? А скажут, что ящик спокойно лежит на небесном теле и что направление вниз является направлением к центру этого небесного тела, если последнее шарообразно. Однако В стоит на точке зрения, что ящик, под действием приложенной к нему извне силы, движется равномерно ускоренно вверх с ускорением g; при этом нет необходимости предполагать близости небесного тела. Существует ли для обоих физиков критерий, с помощью которого они могли бы решить, кто прав? Мы не знаем такого критерия, но нам также неизвестно, может ли такой критерий существовать. Однако точный опыт Этвеша относительно равенства инертной и тяжелой масс говорит все же о том, что такого критерия не существует».
Вывод таков: нужно создать теорию, математические уравнения которой не должны менять своего вида при переходе от равномерного движения к ускоренному. При этом получаются весьма сложные уравнения. Из них вытекает предсказание об искривлении лучей света, проходящих вблизи поверхности Солнца. Это можно проверить во время солнечного затмения. Эйнштейн напоминает слушателям о том, что ближайшее полное затмение Солнца должно произойти в августе 1914 года. Было бы хорошо использовать эту возможность проверки теории…
Известно, что для проведения наблюдений была организована экспедиция немецких астрономов. Экспедиция прибыла в удобное для наблюдения место на территории России и приступила к подготовке фотографирования солнечного затмения. Но началась первая мировая война. Участники экспедиции были интернированы, и ее работа прекращена.
Не до сострадательных улыбок
Еще до начала войны произошло несколько важных событий в научной и личной жизни Эйнштейна. Он заканчивает и публикует совместно с Гроссманом вторую работу, посвященную математическим свойствам уравнений обобщенной теории относительности, охватывающей теорию тяготения. В заголовке этой статьи впервые применен термин «общая теория относительности». Уравнения этой теории разбиты на две группы существенно различных типов. Первая группа описывает явления в материальных телах — механические, электрические и тепловые явления. Эти уравнения можно рассматривать как обобщение первоначальной теории относительности. Вторая группа описывает гравитационное поле, являющееся продуктом влияния материальных тел. Эти уравнения не имеют аналога в первоначальной теории. Первая группа уравнений не меняет своей формы при любых движениях, вторая остается неизменной только при неускоренных движениях. Причину различия установить не удалось. Но в этой работе авторы смогли доказать, что и вторая группа уравнений может оставаться неизменной при любых ускорениях, если тензор — величина, характеризующая поле тяготения, — будет полностью определяться самими уравнениями. Это было большим достижением, но оно оплачивалось дополнительным усложнением теории, уменьшением ее наглядности.
В личной жизни Эйнштейна с началом 1914 года тоже связан существенный перелом. По инициативе Планка и Нернста его пригласили в Берлин, избрали членом Берлинской академии наук и назначили директором вновь организованного физического института, предоставив ему все возможности для научной работы без обязательства читать лекции и с минимумом административной нагрузки. Эти благоприятные условия побудили его принять приглашение и сменить свободную демократическую Швейцарскую республику на милитаристскую кайзеровскую Германию.
Поначалу условия работы действительно были благоприятными. Эйнштейн испытывал удовлетворение от возможности постоянного общения с Планком, Нернстом и рядом других выдающихся физиков, работавших в Берлине. Уже после начала войны, когда условия работы резко ухудшились, вышла статья Эйнштейна «Формальные основы общей теории относительности». В этой статье, между прочим, впервые появляется название «специальная теория относительности», обозначающее первоначальную теорию, справедливую для специального случая систем, движущихся равномерно и прямолинейно. Систем, в которых действует принцип инерции Галилея. Общая теория относительности не накладывает никаких ограничений на движения физических систем. В основе Общей теории лежит представление о том, что в бесконечно малых областях пространства и времени справедлива Специальная теория. В областях больших размеров — это не так.
Общая теория относительности, изложенная в этой статье, еще далеко не завершена. Неизвестно, насколько эквивалентны в больших областях пространственные направления и изменение времени. В общей теории относительности можно, во всяком случае исходя из формальных соображений, представить себе такое развитие процесса, которое после различных изменений приводит обратно к исходной точке не только в пространстве, но и во времени. Эйнштейн пишет: «Это противоречит коренным образом моей физической интуиции. Однако я не в состоянии привести доказательство того, что возможность появления таких кривых исключена в развитии теории. Так как после такого признания я не уверен в том, что не вызову на лицах читателей сострадательной улыбки, то не могу удержаться от следующего замечания относительно существующего понимания основ физики».
Так Эйнштейн вводит читателя в свою творческую лабораторию, лабораторию теоретика, где нет ничего, кроме бумаги, покрываемой все усложняющейся вязью математических формул. И он не прячет от читателя ни трудностей, ни сомнений, ни ошибок. Он еще раз поясняет читателю основы физики. До Максвелла в физике царствовала механика Ньютона, основанная на евклидовой геометрии и допускавшая дальнодействие. Считалось, что силы тяжести мгновенно действуют на любом расстоянии, хотя Ньютон пошел на это с неохотой. Вопрос о том, каким образом они действуют, оставался без ответа. Считалось достаточным описать их действие математическими формулами. Аналогично объясняли взаимодействие электрических зарядов или магнитов. Максвелл устранил дальнодействие в сфере электричества и магнетизма. Специальная теория относительности объединила механику Ньютона и электродинамику Максвелла. Однако Евклидова геометрия осталась. Вероятно, это именно та непоследовательность, от которой нужно освободиться. Необходимо уточнить геометрические свойства природы, возможно, таким путем удастся избавиться от дальнодействия в явлении тяготения. Требуется создать теорию гравитационного поля.
Таков краткий обзор физических основ и собственных работ Эйнштейна, выполненных с 1907 по 1914 год в области теории относительности. Он хотел уяснить себе и сообщить другим, что, по существу, было им достигнуто.
Следующая статья была направлена в печать лишь в ноябре 1915 года, она начинается с суровой критики предыдущих работ.
«В последние годы я старался построить общую теорию относительности, исходя из относительности также и неравномерных движений. Я думал, что на самом деле нашел единственный закон гравитации, который соответствует понятному по смыслу общему постулату относительности, и пытался доказать необходимость именно этого решения в работе, появившейся в прошлом году в этом журнале. Однако заново проведенный анализ показал, что, следуя по предложенному пути, совершенно невозможно ничего доказать; то, что это казалось все же сделанным, было основано на заблуждении».
