Пять нерешенных проблем науки - Артур Уиггинс

1905 год один из историков назвал эйнштейновским годом чудес. В тот год авторитетный журнал Annalen der Physik und Chemie опубликовал пять его статей, затрагивающих такие вопросы, как фотоэлектрический эффект, новый способ определения размера молекул, броуновское движение, специальная относительность и эквивалентность массы и энергии (более подробно см.: Список идей, 15. Труды Эйнштейна: помимо теории относительности). В статье об относительности Эйнштейн объединил ньютонову механику с максвелловым электромагнетизмом и рассмотрел последствия замены представления об абсолютном характере времени и пространстве законом постоянства скорости света.

Два года спустя Эйнштейн рассмотрел, как надо изменить ньютоново тяготение для согласования со своими представлениями об относительности. То, что он назовет «счастливейшей мыслью в моей жизни»,[23] состояло в полном отождествлении (эквивалентности) поля тяготения с соответствующим ускорением системы отсчета. Одним словом, согласно этому принципу находящийся в космическом корабле наблюдатель не в состоянии различить ускорение корабля и воздействие тяготения на основании измерений внутри корабля. Такой сплав, названный принципом эквивалентности, стал отправной точкой для общей относительности.

Дальнейшие годы знаменовались некоторыми изменениями в жизни Эйнштейна. В 1912 году его зачислили в преподавательский состав Политехникума. В научном плане в своей теории относительности он столкнулся с огромной трудностью. Ведь если все ускоренные системы отсчета тождественны, тогда для них перестает быть верной евклидова геометрия. Эйнштейн помнил, как изучал дифференциальную геометрию (геометрические соотношения между бесконечно малыми величинами) во время учебы, но детали забылись.

К счастью, одним из сотрудников Эйнштейна в Политехникуме был не кто иной, как Марсель Гроссман, ставший известным профессором математики. Гроссман помог Эйнштейну с дифференциальной геометрией и тензорным исчислением, математической дисциплиной с использованием многомерных переменных. Эйнштейн писал [29 октября 1912 года физику Арнольду Зоммерфельду]: «За всю свою жизнь я не работал так усердно, проникшись глубоким уважением к математике, самую изысканную часть которой по своему недомыслию считал излишеством». Эйнштейн и Гроссман совместно написали в 1913 году статью, где дали почти полное описание общей теории относительности. Статья «Проект обобщенной теории относительности и теории тяготения» содержала ряд уравнений поля тяготения, но они еще не приобрели своего окончательного вида.

В последующие два года Эйнштейн печатает статьи, советуется с коллегами, пишет очередные статьи, вновь советуется, печатается, и 25 ноября 1915 года выходит статья «Уравнения гравитационного поля» о его общей теории относительности уже в окончательном виде. В декабре 1915 года [письмо физику Паулю Эренфесту] он говорит о себе: «Этот негодник Эйнштейн постоянно старается себе угодить. Каждый год он отказывается от того, о чем писал годом ранее». Уравнения Эйнштейна предсказывали небольшое смещение точки максимального сближения с орбиты планеты Меркурий с Солнцем (перигелий), которое не в состоянии была объяснить ньютонова теория тяготения. А раз орбита Меркурия вела себя подобным образом, значит, теория Эйнштейна блестяще согласовывалась с действительностью, в итоге привлекла к себе внимание его собратьев — ученых.

Когда принципы общей теории относительности были перенесены на всю Вселенную, некоторые коллеги Эйнштейна (особенно датский астроном Биллем де Ситтер) отметили, что согласно его теории Вселенная как таковая неустойчива в статичном положении. По уравнению Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Сообразуясь с астрономическими данными того времени (1917), Эйнштейн предположил, что у нее нет каких — либо особых мест, направлений или границ и что она в целом неподвижна. К своему огорчению, он выяснил, что для сохранения стационарности Вселенной нужно внести в уравнения дополнительный член [в виде отрицательного давления], который бы уравновешивал силу притяжения. Этот член уравнения получил название космологической постоянной. Как ни старались некоторые астрономы отговорить его от этой затеи, Эйнштейн настоял на своем.

Чем крупнее телескопы, тем больше расстояния до звезд

В 1920 году перед астрономией все еще стояли две огромные задачи: определение размера Млечного Пути и природы туманностей. Главный вклад в их решение внесли Джордж Хейл (рис. 6.4) и Генриетта Суон Ливитт (рис. 6.5), появившиеся на свет в 1868 году с разницей в неделю.

Джордж Эллери Хейл родился в Чикаго в состоятельной семье. Его поприще наблюдателя начиналось в далекой юности с подержанного четырехдюймового линзового телескопа. Еще студентом физического факультета Массачусетского технологического института он изобрел прибор, названный спектрогелиографом, для изучения солнечных протуберанцев и в 1890 году защитил на его основе диплом. Перенесение Хейлом физики на астрономическую почву привело к рождению астрофизики.

Рис. 6.4. Джордж Эллери Хейл

Рис. 6.5. Генриетта Суон Ливитт

Однако главный вклад Хейла заключался в телескопах — больших телескопах. На первый взгляд основная задача телескопа состоит в увеличении, однако простое укрупнение нечеткого или расплывчатого изображения, по сути, ничего не дает. На самом деле главная задача телескопа — собирание как можно большего количества света и различение деталей. Чем больше телескоп, тем больше света он может собрать и тем лучше он различает два близко расположенных источника света.

Свои недюжинные организаторские и пробивные способности Хейл направил на строительство крупнейшего в мире телескопа. В этом деле ему сопутствовала удача. Построенные Хейлом телескопы три раза оказывались крупнейшими в мире. Второй телескоп Хейла был назван в честь лос-анджелесского предпринимателя Джона Д. Хукера, пожертвовавшего деньги на покупку зеркала. Этот телескоп с поперечником 2,5 м был установлен на горе Маунт-Вилсон, возвышающейся над Лос-Анджелесом, и вступил в действие в 1918 году.

Хейл не только добывал деньги и контролировал установку телескопа Хукера, он укомплектовал Маунт-Вилсоновскую обсерваторию блестящими исследователями, включая двух новоиспеченных докторов философии: Харлоу Шепли (окончившего Принстонский университет в 1914 году) и Эдвина Хаббла (окончившего Чикагский университет в 1917 году); о них речь впереди. В 1928 году Джордж Хейл увольняется из Маунт-Вилсоновской обсерватории, сославшись на переутомление и желание вернуться к собственным изысканиям. Передышка длилась недолго. Вскоре он приступает к разработке и выбиванию средств для другого большого телескопа, с поперечником в 5 м, на горе Паломар в Калифорнии. Хейл умер в 1938 году. Пятиметровый телескоп был завершен спустя десять лет и назван в его честь (на протяжении почти 40 лет телескоп Хейла заслуженно считался крупнейшим в мире).

Генриетта Ливитт тоже родилась в 1868 году, тоже еще в юности увлеклась наукой и тоже поступила в массачусетское учебное заведение. В 1892 году она заканчивает Радклифский колледж,[24] в ту пору еще Общество преподавания наук женщинам. На последнем курсе Ливитт увлеклась астрономией и после окончания учебы поступила на другое отделение. Тяжелая болезнь лишила ее слуха, но тяга к астрономии не пропала. В 1895 году она стала одной из «вычислительных машин» Эдуарда Пиккеринга в обсерватории Гарвардского колледжа. Эта женская группа проводила расчеты и изучала данные снимков в целях «сбора фактов», как выражался Пиккеринг. Поначалу Ливитт работала на добровольных началах, но после обретения навыков в определении светимости звезд по стеклянным негативам спустя семь лет ее взяли на полный рабочий день (со ставкой 30 центов в час, что по курсу 2003 года соответствует 6 долларам).

Представительницы «пикеринговского гарема», как ласково величали женщин, не были самостоятельными исследователями. Они делали то, что им скажут. Нудная, но важная работа Ливитт состояла в составлении списка весьма необычных звезд, обнаруженных в Малом Магеллановом облаке, размытого светового пятна, напоминающего кусок, отколотый от Млечного Пути. Малое и Большое Магеллановы облака хорошо знакомы наблюдателям Южного полушария. Они названы в честь Фернана Магеллана (1480–1521), в 1519 году во время своего кругосветного путешествия видевшего их [описал же их историограф и участник экспедиции Антонио Пигафетта (1480/1491—1534?). Полный список его дневниковых записей был обнаружен в Милане и впервые опубликован в 1800 году]. В Магеллановых облаках Ливитт обнаружила 1777 звезд, их светимость периодически менялась от яркого блеска до тусклого и обратно.