Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы - Стивен Вайнберг

Подведем предварительные итоги. Мы видели, что первые экспериментальные свидетельства в пользу общей теории относительности[75] сводились к единственному успешному вычислению задним числом аномалии в движении Меркурия, которое не было воспринято достаточно серьезно, и предсказанию нового эффекта отклонения луча света Солнцем, кажущееся успешное подтверждение которого вызвало много шума, однако на самом деле было отнюдь не таким убедительным, как в то время считалось. По крайней мере несколько ученых встретили его со скептицизмом. Только после Второй мировой войны, благодаря развитию новой радарной техники и радиоастрономии, удалось существенно продвинуться в увеличении точности этих экспериментальных тестов общей теории относительности[76].

Сегодня можно утверждать, что предсказания общей теории относительности для отклонения (и одновременно задержки) луча света, проходящего рядом с Солнцем, для аномалий орбитального движения как Меркурия, так и астероида Икар и других естественных и искусственных тел, подтверждены с экспериментальной неопределенностью менее 1 %. Но в 1920-е гг. до этого было еще далеко.

Тем не менее, несмотря на слабость экспериментальной поддержки, теория Эйнштейна еще в 1920-е гг. вошла в стандартные учебники и с тех пор не сдавала свои позиции, невзирая на то, что разные экспедиции по наблюдению за солнечными затмениями в 1920–1930 гг. сообщали, по меньшей мере, о сомнительном согласии с теорией. Помню, что, когда в 1950-х гг., еще до появления новых впечатляющих подтверждений теории, полученных с помощью современных радаров и радиоастрономии, я изучал общую теорию относительности, я принимал как данное, что эта теория более или менее верна. Возможно, мы все были тогда доверчивы и легкомысленны, но думаю, что объяснение не в этом. Я уверен, что широкое признание ОТО было связано главным образом с привлекательностью самой теории, проще говоря с ее красотой.

Развивая общую теорию относительности, Эйнштейн следовал линии рассуждений, которую могли проследить и физики последующих поколений, желавшие разобраться в этой теории. Более того, в этих рассуждениях они увидели бы те же притягательные черты, которые в свое время привлекли внимание Эйнштейна. Историю можно проследить назад до 1905 г., annus mirabilis Эйнштейна. В этом году, одновременно с развитием квантовой теории света и теории движения малых частиц в жидкостях[77], Эйнштейн развил новый взгляд на пространство и время, известный нам сейчас под названием специальной теории относительности. Эта теория находилась в согласии с общепринятой теорией электричества и магнетизма – электродинамикой Максвелла. Наблюдатель, движущийся с постоянной скоростью, наблюдал бы, что пространственно-временные интервалы и электромагнитные поля изменяются за счет скорости движения наблюдателя таким образом, что уравнения Максвелла остаются справедливыми (что и не удивительно, так как специальная теория относительности строилась именно так, чтобы удовлетворить этому требованию). Однако специальная теория относительности была совершенно несовместима с ньютоновской теорией тяготения. С одной стороны, в теории Ньютона сила тяготения между Солнцем и планетой зависит от расстояния между положениями этих тел, измеренными в один и тот же момент времени, а с другой стороны, в специальной теории относительности нет понятия абсолютной одновременности – разные наблюдатели, в зависимости от того, как они движутся, будут наблюдать одно и то же событие происходящим раньше, одновременно или позже другого.

Имелось несколько способов так изменить теорию Ньютона, чтобы привести ее в согласие с специальной теорией относительности. Сам Эйнштейн испробовал по крайней мере один из них, прежде чем создал общую теорию относительности[78]. Ключевой идеей, с которой начался в 1907 г. путь к ОТО, стало знакомое и проверенное свойство тяготения: сила тяготения пропорциональна массе того тела, на которое она действует. Эйнштейн понял, что это напоминает свойства так называемых сил инерции, которые действуют на нас тогда, когда мы движемся с переменной скоростью или меняем направление движения. Именно сила инерции прижимает пассажиров к спинкам кресел во время разбега самолета. Другим примером силы инерции является центробежная сила, не дающая Земле упасть на Солнце. Все силы инерции, как и силы тяготения, пропорциональны массам тех тел, на которые они действуют. Мы на Земле не ощущаем ни гравитационного поля Солнца, ни центробежной силы, вызванной движением Земли вокруг Солнца, так как эти две силы уравновешивают друг друга. Однако баланс нарушился бы, если бы одна сила была пропорциональна массе объекта, на который она действует, а другая – нет. В этом случае некоторые тела могли бы падать с Земли на Солнце, а другие, наоборот, отбрасываться от Солнца в межзвездное пространство. В общем случае тот факт, что и силы тяготения, и силы инерции пропорциональны массе того тела, на которое они действуют, и не зависят более ни от каких свойств тел, позволяет ввести в каждой точке произвольного гравитационного поля «свободно падающую систему отсчета», в которой не ощущаются ни силы тяготения, ни силы инерции, так как они точно уравновешивают друг друга для любых тел. Когда мы ощущаем силы тяготения или силы инерции, это означает, что мы не находимся в свободно падающей системе отсчета. Например, на поверхности Земли свободно падающие тела ускоряются в направлении к центру Земли с ускорением примерно 10 м/с2. Мы ощущаем тяготение Земли до тех пор, пока сами не начнем двигаться вниз с тем же самым ускорением, т.е. начнем свободное падение. Эйнштейн совершил логический скачок и предположил, что если посмотреть в корень, то силы тяготения и силы инерции это одно и то же. Это утверждение Эйнштейн назвал принципом эквивалентности инерции и тяготения, или коротко принципом эквивалентности. Согласно этому принципу, всякое гравитационное поле полностью задается описанием того, какая система отсчета является свободно падающей в каждой точке пространства-времени.

Почти десять лет после 1907 г. Эйнштейн провел в поисках соответствующего этим идеям математического аппарата. Наконец ему удалось найти то, что требовалось, в глубокой аналогии между ролями гравитации в физике и кривизны в геометрии. То, что с помощью выбора подходящей свободно падающей системы отсчета можно добиться, что сила тяготения на короткое время исчезает в малой окрестности любой точки в гравитационном поле, очень похоже на свойство кривых поверхностей, заключающееся в том, что всегда можно сделать карту этой поверхности, на которой вблизи любой точки будут правильно изображены все расстояния и направления. Если поверхность кривая, то ни одна карта не способна правильно отобразить расстояния и направления везде; всякая карта большой области является компромиссом, в большей или меньшей степени искажающим расстояния и направления. Знакомая всем проекция Меркатора, используемая при создании географических карт Земли, дает достаточно точное представление об истинных расстояниях и направлениях вблизи экватора, но чудовищно искажает картину вблизи полюсов, так что в результате Гренландия распухает во много раз больше своего истинного размера. Точно так же одним из признаков того, что вы находитесь в гравитационном поле, является невозможность найти единственную свободно падающую систему отсчета, в которой везде полностью скомпенсированы гравитационное поле и эффекты инерции[79].

Начав с этой аналогии между тяготением и кривизной, Эйнштейн пришел к выводу, что тяготение есть не что иное, как проявление кривизны пространства и времени. Для развития этой идеи ему потребовалась математическая теория искривленных пространств, обобщающая знакомую геометрию сферической двумерной поверхности Земли. Эйнштейн был величайшим физиком мира со времен Ньютона, естественно, он знал математику так же, как и большинство физиков его времени, но все же математиком он не был. В конце концов точно то, что ему требовалось, нашлось в полностью разработанной Риманом и другими математиками предыдущего столетия теории искривленных пространств. В окончательной форме общая теория относительности стала просто новой интерпретацией существовавшей математической теории искривленных пространств в терминах тяготения, дополненной полевым уравнением, определявшим кривизну, создаваемую любым данным количеством вещества и энергии. Существенно, что для Солнечной системы с ее малой плотностью и малыми скоростями движения планет общая теория относительности приводила в точности к тем же результатам, что и теория Ньютона, так что две теории отличались только крохотными эффектами вроде прецессии орбит или отклонения луча света.

У меня есть еще, что сказать дальше по поводу красоты общей теории относительности. Пока что я надеюсь, что сказал достаточно, чтобы дать читателю возможность почувствовать привлекательность этих идей. Думаю, что именно эта внутренняя привлекательность и поддерживала веру физиков в ОТО в течении десятилетий, когда данные, полученные после очередных солнечных затмений, выглядели все более разочаровывающими.