Биография ученого - это образ его мышления, генезис идей, творческая продуктивность. Так считал Альберт Эйнштейн. Когда его попросили написать предисловие к книге о знаменитом ученом,

Вид материала

Подобный материал:

1 ... 12 13 14 15 16 17 18 19 20

всех механических и кинематических свойств, но в то же время определяющая механические (и электромагнитные) процессы.

Ни указанное определение, ни саму применимость ранее отброшенного понятия к полям нельзя признать удачными.

Эйнштейн не только развил теоретические предпосылки новой парадигмы строения Вселенной, но предложил три эксперимента для проверки правильности выкладок теории. Любопытно, что после окончательной формулировки ОТО в конце 10-x годов никому из физиков так и не удалось осуществить дополнительные эксперименты, подтверждающие выводы общей теории относительности. В этом смысле можно сказать, что ОТО держится на «трех китах» — экспериментах, придуманных самим Эйнштейном. Эти «три кита»:

— ранее упомянутое смещение луча звездного света вблизи поверхности Солнца на 1,74 дуговой секунды;

— смещение перигелия Меркурия на 43 дуговых секунды за столетие в результате «возмущения» структуры пространства массой Солнца*;

— релятивистское красное смещение спектральных линий света, приходящего от Солнца или от звезд большой плот- ности.

Хотя все три перечисленных эффекта оказались незначительными по абсолютной величине, по словам самого Эйнштейна, значение его теории состояло не в ее подтверждении мизерными эффектами, но в «громадном упрощении теоретической базы всей физики». Здесь Альберт Эйнштейн выразился не вполне удачно: трудно говорить об упрощении базы физики теорией, недоступной даже для многих физиков, — лучше сказать, что три принципиальных, но малых по величине эффекта, количественно подтверждающие общую теорию относительности, возвестили смену научной парадигмы, воззрения человека на мир.

Экспериментальная точность, с которой удалось проверить предсказания общей теории относительности, до последнего времени не превышала 1—2%. Увеличение точности экспериментов по крайней мере до десятых или сотых долей процента крайне необходимо в связи с наличием в настоящее время альтернативных теорий гравитации. По словам В. Л. Гинзбурга, если бы удалось экспериментально установить даже ничтожные (гораздо меньше 1%) отклонения от предсказаний общей теории относительности, это явилось бы открытием первостепенного значения и указало бы на предел применимости теории Эйнштейна. Особенно важна проверка общей теории относительности в сильных гравитационных полях.

Еще одно важное предсказание Эйнштейна связано с гравитационными волнами. Однако из-за слабости гравитационного взаимодействия в земных условиях все попытки их обнаружения до сих пор не увенчались успехом. Мощность гравитационных волн, излучаемых даже самыми тяжелыми источниками, совершенно недостаточна для их детектирования на Земле имеющимися средствами. Возможно, конструируемые в настоящее время сверхчувствительные приемники будут способны в будущем зарегистрировать гравитационные импульсы, образующиеся при вспышках сверхновых звезд и других космических катаклизмах. Астрономия гравитационных волн, если таковая станет когда-либо возможной, была бы огромным прорывом в науке.

В настоящее время важная область приложений общей теории относительности — изучение релятивистских эффектов в применении к таким объектам, как нейтронные звезды, черные дыры, белые карлики и т. п., где эффекты общей теории относительности становятся значительными по величине.

К. П. Станюкович, В. Г. Лапчинский:

Развитие физических представлений о пространстве и времени шло от принципа относительности Галилея и абсолютных пространства и времени Ньютона к принципу относительности Эйнштейна и пространству-времени Минковского и далее к принципу общей ковариант- ности Эйнштейна и искривленному пространству-времени общей теории относительности. Однако опирающиеся на эти принципы теории пространства-времени не в состоянии были сделать сколько-нибудь глубоких предсказаний о свойствах материи на микроскопическом уровне. Правда, за одним исключением: ОТО объяснила чисто «физическое» гравитационное взаимодействие геометрически — как свойство искривленного пространства-времени. Именно этот результат вдохновил Эйнштейна на поиски путей геометрического описания не только всех остальных физических взаимодействий, но и их источников и носителей — элементарных частиц. Однако вскоре оказалось, что в ОТО не существует регулярных решений ни для нейтрального, ни для заряженного точечного источника. Перед Эйнштейном возникла задача так переформулировать ОТО, чтобы получить регулярные решения для точечных источников и написать корректные уравнения их движения. Более тридцати лет работы над этой программой самого Эйнштейна, а также его учеников и последователей не привели к успеху.

Подобно тому, как механика Ньютона имела своим результатом поток работ, зондирующих структуру Солнечной системы и движения небесных тел, общий принцип относительности и теория гравитации Эйнштейна открыли принципиально новые возможности зондирования структуры и происхождения Вселенной. Расширяющаяся Вселенная А. А. Фридмана, Большой Взрыв Г. А. Гамова и С. Вайнберга, анти-Вселенная Фейнмана, реликтовое излучение А. Пензиаса и Р. Вильсона — все эти идеи и факты своим происхождением обязаны «миру Эйнштейна».

Стилизуя послеэйнштейновскую физику и астрономию под К н и г у Б ы т и я, Дж. Гамов в М о е й м и р о в о й л и н и и писал:

Вначале Бог создал излучение и илем. И илем был без числа и формы, и нуклоны, как безумцы, сталкивались перед лицом бездны.

И Бог сказал: «Пусть будет масса два». И стала масса два. И Бог увидел дейтерий, и был он хорош.

И Бог сказал: «Пусть будет масса три». И Бог увидел тритий и тралфиум (легкий изотоп гелия), и они были хороши. И Бог продолжал называть число за числом, пока не пришел к трансурановым элементам. Но когда Он оглянулся на дело рук Своих, Он нашел, что это было нехорошо. В возбуждении счета Он упустил назвать массу пять, так что, естественно, нельзя было образовывать более тяжелые элементы.

Бог был очень расстроен и сначала хотел вновь сжать Вселенную и начать все сначала. Но это было бы слишком просто. Поэтому, будучи всемогущим, Бог решил исправить Свою ошибку более невозможным образом.

И Бог сказал: «Пусть будет Хойл». И был Хойл (Хойл — известный астроном). И Бог посмотрел на Хойла и велел ему создать тяжелые элементы любым способом, каким тот пожелает.

И Хойл решил создать тяжелые элементы в звездах и распространить их везде взрывами сверхновых. Но, делая так, он должен был получить ту же кривую распределения, которая могла бы стать результатом ядерного синтеза в илеме, если бы Бог не забыл назвать массу пять.

И таким образом, с помощью Бога Хойл создал тяжелые элементы, но способ был таким сложным, что ныне ни Хойл, ни Бог, ни кто-либо еще не могут вычислить точно, как все это было сделано.

Аминь.

С момента своего появления общая теория относительности стала основой, базой, полигоном для обкатки новых космологических представлений о строении Вселенной. Сам Эйнштейн разрабатывал модель статичной, стационарной Вселенной. В 1917 году еще не было известно расширение Вселенной — сведения о «красном смещении» в спектрах удаленных туманностей будут опубликованы Хабблом лишь в 1929 году *. Поэтому Эйнштейну необходимо было лишь «предотвратить» стягивание стационарной Вселенной гравитационными силами. Он предположил, что помимо гравитации, ведущей к коллапсу, существует еще одна сила, введенная в модель с помощью так называемой «космологической постоянной» (лямбда-члена в уравнении Эйнштейна) и способствующая удержанию звезд от стягивания. Как выяснилось позже, такая модель являлась неустойчивой: любая флуктуация должна была привести либо к ее сжатию, либо к растяжению.

Сразу же после появления эйнштейновской теории стационарной Вселенной нашлось два человека, оказавшихся более проницательными — де Ситтер в Голландии и А. Фридман в России. Де Ситтер, едва прочитав работу Эйнштейна, нашел еще одно решение его космологических уравнений, свидетельствующее о неединственности модели Вселенной. Обескураживало не только это, но и ряд «странностей» Вселенной де Ситтера. Во-первых, его мир мог быть пуст, что вступало в противоречие с эйнштейновским представлением о неотрывности пространства-времени от материи. Во-вторых, если в «пустую» Вселенную де Ситтера вводилась материя, то решения уравнений предсказывали необходимость ее «разбегания» со все возрастающими скоростями. Иными словами, это была расширяющаяся Вселенная. Кроме того, в ней время искривлялось так же, как и пространство: часы шли тем медленнее, чем дальше отстояли от точки отсчета.

В 1922—1924 годах А. Фридман нашел новые решения космологических уравнений Эйнштейна, причем, в отличие от де Ситтера, вселенные Фридмана не были пусты; в зависимости от плотности материи и кривизны пространства, они могли расширяться или сжиматься. А. С. Эддингтон*, познакомившись с работами Фридмана, отказавшегося от «космологического члена» в уравнении Эйнштейна, введенного для обеспечения стационарности Вселенной, признал его решение наиболее удачным. Ныне большинство астрономов пользуется модифицированной теорией Фридмана в виде, представленном независимо друг от друга Г. П. Робертсоном и А. Уокером.

Работы Фридмана получили признание лишь после того, как в 1927 году бельгийский аббат Жорж Леметр, не знавший о существовании этих работ, связал расширение и сжатие Вселенной с замкнутостью и кривизной пространства. Леметр, анализируя разные типы Вселенных, отдал предпочтение той, которая образовалась в результате Большого Взрыва огромного количества материи, сконцентрированной в необычно малом объеме. В модели Леметра мировой процесс начинается Большим Взрывом и расширением, затем замедляется и на какое-то время Вселенная становится устойчивой. В это время и образуются галактики. Затем такая Вселенная вновь теряет устойчивость и начинает расширяться по де Ситтеру.

Эйнштейну, естественно, не могло понравиться обилие Вселенных, получаемых из решения его уравнения. В 1931 году он вернулся к этой проблеме. Отказавшись от злополучного «космологического члена» и восстановив красоту уравнений гравитации, он сократил число возможных фридмановских моделей до трех и затем остановился на одной из них как замкнутой и тем самым конечной.

Эту единственную Вселенную Эйнштейн считал в 1931 году созревшим (по сравнению с вариантом 1917 года) плодом его ума. Эту модель — так называемую «осциллирующую Вселенную» — можно представить себе следующим образом: она расширяется в результате взрыва компактного расплавленного сгустка материи, ее осколки разлетаются чрезвычайно далеко и замедляют свой полет, сдерживаемые силой гравитации, а затем собираются вновь, чтобы образовать компактный сгусток материи.

Увы, при всем обилии возможных миров или типов Вселенных (здесь перечислены далеко не все) до сих пор нет ответов на ряд принципиально важных вопросов: замкнута или открыта Вселенная? Положительна или отрицательна кривизна пространства? Был ли действительно Большой Взрыв и, если да, — что было до него? И что будет после «Большого Пшика» — коллапса замкнутой Вселенной?

Стивен Хокинг проанализировал, что может произойти после «Большого Пшика» Вселенной (если она замкнута). Он обнаружил, что после отскока и рождения новой Вселенной фундаментальные константы (например, масса и заряд электрона) изменятся. Сотрудник Кембриджского университета Брендон Картер развил идеи Хокинга и получил поразительные результаты. Картер показал, что при иных значениях фундаментальных констант жизнь во Вселенной не могла бы существовать. При незначительном их изменении в одну сторону не было бы гигантских звезд, а без них откуда взялись бы все элементы? Изменись эти величины в другую сторону, и право на существование получили бы только маленькие красные звезды, то есть не было бы таких звезд, как наше Солнце — основных кандидатов на роль хранителей жизни. Создается впечатление, что жизнь как бы настроена на современные значения фундаментальных констант. Стоит их немного изменить и жизни не станет*.

Мистика физики ограничивает возможности жизни не только с позиции макромира (Вселенной), но и с позиции микромира (внутреннего устройства атомов): эволюция химических элементов, необходимых для существования жизни, возможна лишь для реально существующих энергетических структур изотопов водорода, гелия и т. д. Самое незначительное отклонение атомных констант от реально существующих накладывает запреты на синтез гелия из водорода, образование лития, бериллия и т. д.

Хотя Эйнштейн в модели Вселенной 1931 года исходил из представления о замкнутом на себя пространстве, у астрономов нет уверенности в том, что это действительно так. Возможно, плотность материи в пространстве недостаточна, чтобы привести к положительной его кривизне. Многие исследователи считают более реальным незамкнутый бесконечный мир с общей отрицательной кривизной, напоминающий поверхность седла.

Возможно, с появлением более мощных телескопов удастся установить, положительна, отрицательна или равна нулю кривизна Вселенной. Телескоп позволяет видеть галактики лишь в определенном сферическом объеме. Если галактики распределены случайным образом и если пространство евклидово (нулевой кривизны), то число галактик внутри подобной сферы должно быть всегда пропорционально кубу радиуса этой сферы, другими словами, если построить телескоп, которым можно заглянуть в два раза дальше, чем любым телескопом до этого, то число видимых галактик должно увеличиться с n до 8n. Если этот скачок окажется меньше, то это будет означать, что кривизна Вселенной положительна, если больше — отрицательна.

Естественно, многое из сказанного справедливо при условии сохранения главных теоретических постулатов ОТО и отсутствия астрономической революции. Появление принципиально новых астрономических данных и «теорий всего на свете» может привести (и, скорее всего, приведет) к совершенно неожиданным моделям мира, непредсказуемым ныне. Так, в частности, недавнее обнаружение факта ускоренного разбегания Вселенной привело к лавиноообразному росту работ по динамике расширения и исчезновения Вселенной и к новым понятиям «темной энергии» и «темной материи». Эти результаты я рассмотрю в новом издании книги «Что такое наука?»

В самое последнее время выяснилось, что вакуум может играть определяющую роль в расширении Вселенной, обеспечивая 70%-ный вклад в поле тяготения. Если в классической космологии расширение Вселенной рассматривается как однородное (закон Хаббла), то, по новейшим данным, учет вакуума и других составляющих приводит к новой космологической модели ускоряющегося (а не замедляющегося со временем, как у Фридмана) расширения Вселенной *.

Значительного прогресса здесь можно ожидать от постижения природы гравитационных волн. Гравитационные волны, предсказанные теорией относительности, могут быть представлены как слабые пульсации кривизны пространства, распрост- раняющиеся со скоростью света. На языке четырехмерного мира они являются как бы застывшими складками пространства-времени, приобретающими для наблюдателя характер движения в связи с самим движением во времени.

Общая теория относительности нашла широкое применение не только для описания Вселенной в целом, но и многих ее «странных» объектов, таких как нейтронные и двойные звезды, черные дыры, «кротовые норы», а также — эволюции самого Большого Взрыва.

Карл Шварцшильд, исследования которого получили высокую оценку со стороны самого Эйнштейна, решая его уравнения, обнаружил возможность бесконечного искривления пространства при конечном радиусе тела: пространство как бы свертывалось, отрезая некий участок от остальной Вселенной. Сам Эйнштейн в соавторстве с Н. Розеном обнаружил решения своих уравнений в виде пространственных «горлышек», или мостиков Эйнштейна—Розена, которые можно рассматривать как пространственно-временные туннели, ведущие в иные миры или отдаленные районы нашей Вселенной. Правда, они оказались неприемлемыми для «путешествий» в «иные миры» — для этого требовалась бы сверхсветовая скорость.

Д. Р. Оппенгеймер и Д. Волков применили общую теорию относительности к анализу уникальных объектов — нейтронных звезд, обладающих столь большой плотностью, что для анализа их свойств теория Ньютона не годится. «Черные дыры» — сверхплотные небесные объекты, гравитация которых столь велика, что не выпускает наружу даже свет, — также предсказаны с помощью ОТО, хотя, как оказалось, для описания таких объектов этой теории уже недостаточно — здесь необходимы более фундаментальные теории, например, соединение ОТО с квантовой механикой. Хотя о существовании «черных дыр» имеются лишь косвенные свидетельства, почти никто из астрономов не сомневается в их реальности. Довольно детальное описание этих объектов с позиций ОТО и альтернативной теории Дикке и Бранса — яркое свидетельство изобретательной мощи современной теории. Особенно интересны два парадокса «черных дыр» — так называемый «горизонт событий», или момент (гравитационный радиус), за которым при сжатии объекта звезда теряет свою видимость (коллапс может продолжаться и за горизонтом событий), а также «конец», или «граница» пространства-времени, сингулярность, в которой кончается применимость общей теории относительности или возникает своего рода апокалипсис сверхплотного состояния.

В таком состоянии при высоких плотностях материи более 10⁹⁰ г/см³ понятие метрического пространства-времени и временного отношения «до-после» теряют смысл. Здесь физика подходит к более фундаментальным формам существования материи, чем время и пространство, применимость которых в этих условиях становится проблематичной.

Хотя развитие послеэйнштейновской физики во многом разошлось с его детерминизмом, простотой описания, вневременностью, обратимостью, смелость современных теорий является, бесспорно, наследием его гения. Я бы даже усилил эту мысль: возможно, для современной науки важны не столько конкретные результаты, достигнутые самим Эйнштейном, сколько смелость и открытость мышления, продемонстрированные им самим.

Сам Эйнштейн почти не занимался проблемой эволюции Вселенной или проблемой антисимметрии материи (преобладания материи над антиматерией), однако теория относительности дала толчок этим мировоззренческим разработкам. Мы не знаем, преобладает ли вещество над антивеществом во всей Вселенной или же имеется механизм, разделяющий частицы и античастицы в пространстве и прячущий «антимир» где-то в далеких от нас частях Вселенной. Большинство исследователей склоняется к концепции антисимметрии в распределении материи, связывая это с космической неравновесностью (в равновесных условиях из закона действия масс следовало бы количественное равенство материи и антиматерии). По мнению И. Пригожина, космологическое значение неравновесности и связанной с ней необратимости заключается в том, что равновесная Вселенная могла бы оказаться почти пустой:

Материя нигде не встречалась бы в заметных количествах. Повсюду наблюдались бы лишь флуктуации, приводящие к локальным избыткам то материи, то антиматерии... различие между частицами и античастицами могло возникнуть только в неравновесном мире. Это утверждение может быть распространено на многие другие ситуации. Вполне вероятно, что с необратимостью через отбор подходящей бифуркации связана и киральная симметрия. Многие из активно проводимых ныне исследований посвящены выяснению того, каким образом необратимость можно «вписать» в структуру материи.

Единая теория поля

До последнего вздоха Эйнштейн требовал от нас синтеза.

В. Паули

Я стал одиноким старым бобылем, известным главным образом тем, что обхожусь без носков. Но работаю я еще фанатичнее, чем раньше, и лелею надежду разрешить уже старую для меня проблему единого физического поля. Это напоминает воздушный корабль, на котором витаешь в небесах, но неясно представляешь себе, как опустишься на землю... Быть может, удастся дожить до лучшего времени и на мгновенье увидеть нечто вроде обетованной земли…

А. Эйнштейн

В моем сознании этапы эволюции физики Эйнштейна почему-то всегда находились в одном ряду с эволюцией «поэтики» Джойса. Специальная теория относительности — это П о р т р е т х у д о ж н и к а в м о л о д о с т и, общая теория относительности — У л и с с, единая теория поля — П о м и н к и п о Ф и н н е г а н у… Не буду расшифровывать: посвященным должно быть понятно…

Последняя теория Эйнштейна не поддается элементарному изложению. Никто по сей день так и не знает: провал это или путь в грядущее. Или то и другое?

А. Эйнштейн — М. Соловину:

Я работаю со своими молодыми людьми над чрезвычайно интересной теорией, которая, надеюсь, поможет преодолеть современную мистику вероятности и отход от понятия реальности в физике…

Но не была ли сама эта теория, попытка ее создания, таким отходом?

А. Пайс:

Эйнштейн умер в ночь с воскресенья на понедельник. Накануне он попросил принести ему последние выкладки по единой теории поля. Ощущение незавершенности этой работы не покидало его не только в предсмертные часы, так было всю жизнь. Задолго до смерти, еще в 1917 году, он писал Феликсу Клейну: «Если мы выбираем некий комплекс природных явлений, исходя из критерия простоты, то его теоретическое описание не останется навечно адекватным (достаточным). Например, в теории Ньютона гравитационное поле вроде бы полностью описывается потенциалом U. Оказывается, однако, что такое описание неполно; потенциалы уступили место функциям g_μν. Но я не сомневаюсь, что настанет день, когда по неизвестным причинам это описание будет заменено другим. Я считаю такой процесс углубления теории безграничным».

Это было написано в 1917 году, незадолго до того, как Эйнштейн приступил к поискам пути объединения тяготения и электромагнетизма. В те времена безошибочное чутье подсказывало ему среди комплексов природных явлений те, которые помогали ему прокладывать свой путь в науке. Уже тогда он тонко чувствовал математическую красоту, но еще не считал, что в качестве показателей новых достижений в физике следует полагаться исключительно на формальные соображения. Когда в том же 1917 году Феликс Клейн написал Эйнштейну о конформной инвариантности уравнений Максвелла, тот ответил: «Мне кажется, что Вы сильно преувеличиваете значение формального подхода. Он может быть весьма ценным, когда необходимо сформулировать в окончательном виде уже обнаруженную истину, но редко срабатывает как средство эвристического поиска».

Пожалуй, самое поразительное изменение в характере Эйнштейна в последующие годы — радикальный пересмотр отношения к формальному подходу. То, что он слишком полагался на формальную простоту, не пошло ему на пользу, но я не могу согласиться с теми, кто считает это трагедией. В научной деятельности Эйнштейна не было ничего трагического, хотя некоторые его труды будут помнить вечно, а другие заслуженно забудут. Но как бы то ни было, приступая к построению единой теории поля, Эйнштейн руководствовался исключительно физическими мотивами. Чтобы лучше понять это, нужно сначала вкратце коснуться положения дел в физике частиц и полей в 20-е годы.

Когда Эйнштейн приступил к работе над созданием единой теории поля, физикам были известны только два вида взаимодействий: гравитационное и электромагнитное. Резерфорд, с работами которого связан огромный прорыв в физику микромира, долгое время предполагал, что ядра атомов состоят из протонов и электронов, удерживаемых силами электрического взаимодействия противоположных зарядов. Таким образом, начиная работу, Эйнштейн предполагал, что объединение в единой теории гравитационных и электромагнитных взаимодействий разрешит главные проблемы физики. Задача виделась ему как расширение общей теории относительности на эти два вида взаимодействий.

Однако уже в 1921 году Джеймсом Чедвиком было показано, что внутриядерные силы очень велики и не подчиняются закону

Blog