Текст книги "Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии"

Если вам удастся отыскать галактику Млечный Путь, задержитесь на мгновение, чтобы полюбоваться зрелищем. Несколько сот миллиардов «солнц» сгруппированы в красивые спиральные рукава среди звездных скоплений, ярких туманностей и темных облаков пыли. Одна из этого множества – весьма неприметная, заурядная звезда – наше Солнце. Она проводит жизнь на тихой окраине Млечного Пути, у внутреннего края спирального рукава, где почти никогда ничего не происходит.

Вокруг крохотного огонька движутся восемь крошечных планет. Одна из четырех самых маленьких – Земля. На этой «крупице пыли» в последние столетия люди стали подбираться к открытию тайн Вселенной.

Во всяком случае, мы к этому стремимся.

Как унизительно! Homo sapiens практически невозможно обнаружить в безбрежности космического пространства. В освоении космоса мы тоже делаем первые шаги.

Есть наглядное сравнение. Представим, что вся история Вселенной издана в виде энциклопедии в 14 томов. 14 толстых фолиантов, каждый в 1000 страниц мелким шрифтом. Большой взрыв – первая строка на первой странице 1-го тома. Первые звезды и галактики сформируются примерно к середине 1-го тома. Рождение Солнца и его планет будет описано лишь в 10-м. Вымирание динозавров на с. 935 14-го тома. Появление Homo sapiens – на с. 1000 в нижней пятой части. Вся наша письменная история уложится во вторую половину самой последней строчки.

_________

Методы астрономов – лишь один из путей постижения нашего мира. Многие физики воспользовались бы иным: вместо того чтобы описывать все, что видишь (галактики, звезды, планеты), они бы выяснили, из чего все это состоит и как функционирует.

Представим, что астроном и физик сообща изучают роман Дж. Р. Р. Толкиена «Властелин колец». Астроном, сообщая о результатах своих исследований, изложит фабулу, опишет действующих лиц, метафорический смысл произведения, авторский стиль и т. д. Физик поведет речь об алфавите, частоте употребления букв, правилах пунктуации и грамматики.

Но разве все эти правила не одинаковы во многих совершенно разных книгах? «Да!» – с энтузиазмом подтвердит физик. В этом и прелесть его подхода. Можно отвлечься от частностей и заняться поиском общих базовых закономерностей, чтобы прийти к доступному максимально глубокому пониманию. Конечно, у обоих подходов есть свои сильные и слабые стороны. По сути, они прекрасно дополняют друг друга.

Как любая книга пишется небольшим количеством различных букв и должна подчиняться правилам грамматики, так и все объекты во Вселенной состоят из малого числа элементарных частиц, взаимодействующих посредством фундаментальных сил природы.

Поразительно то, что окружающий мир – булавочные головки, люди, планеты и протоскопления галактик – состоит из элементарных частиц всего лишь трех типов: верхних кварков (u-кварков), нижних кварков (d-кварков) и электронов. Как буквы составляются в слова, предложения, абзацы и книги, так и эти три частицы составляют атомы, молекулы, сложные вещества – буквально каждый объект, который вы можете себе представить.

Что касается фундаментальных сил природы, физикам известны только четыре, две из которых действуют на очень близких дистанциях – в масштабе атомного ядра, поэтому называются сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Две другие силы – электромагнитное и гравитационное взаимодействия – проявляются в макромире, о чем известно каждому, кому случалось включить свет или уронить стакан.

Я сейчас упускаю великое множество деталей. Нейтрино, нестабильные элементарные частицы, знаменитый бозон Хиггса, темная материя, суперсимметричные частицы, тетракварки, возможно существующее пятое взаимодействие – список можно продолжать. Интересующихся я отсылаю к популярным книгам об элементарных частицах, поэтому не стану вдаваться в подробности, хотя еще вернусь к нейтрино и темной материи.

В нашем разговоре о пространственно-временном континууме и гравитационных волнах важна загадка силы гравитации. Всем известны ее наглядные проявления. Однако в некотором отношении гравитация резко отличается от других фундаментальных взаимодействий. Альберт Эйнштейн объяснял это тесной связью гравитации с пространством и временем.

Попытаемся объяснить это Исааку Ньютону. Ньютон, разумеется, не знал истинной природы гравитации. Он просто вывел универсальную формулу, эффективно описывающую силу притяжения двух масс, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Но, как большинство его современников, Ньютон считал пространство и время независимыми, абсолютными понятиями.

Фактически взгляды Ньютона на пространство и время во многом близки нашим интуитивным представлениям. Пространство попросту существует – трехмерное ничто, простирающееся бесконечно. Физический объект (будь то элементарная частица или планета) может находиться в некотором положении в пространстве или двигаться из одного положения в другое. Если выбрать определенную точку отсчета, все остальные местоположения можно будет задать всего лишь тремя координатами. Ведите отсчет от избранной точки, и три числа укажут, на какое расстояние нужно переместиться вперед или назад, вправо или влево, а также вверх или вниз, чтобы попасть в другую точку. Пространство – нечто вроде трехмерной миллиметровки. Это пустой неизменяющийся задник, на фоне которого происходят все события во Вселенной.

А время? Воображаемые часы природы отсчитывают и мгновения обычного дня, и каждую секунду после рождения Вселенной. Время – это абсолютный, непогрешимый метроном космоса, отмечающий все и каждое событие уникальной меткой. Кстати, оно одномерно: если выбрана точка отсчета, требуется только одно число, чтобы узнать, в какое время произошло любое другое событие.

Вы с легкостью представите пространство и время так, как их мыслил Ньютон. Это естественное восприятие. Наш мозг так устроен, что приходит именно к этой наглядной картине.

Увы, она ложна.

Эйнштейн показал, что пространство и время связаны. Трехмерное пространство и одномерное время в действительности сплетены в четырехмерный пространственно-временной континуум.

Эйнштейн также доказал, что пространство и время не абсолютны, а относительны. Именно поэтому его революционная теория называется теорией относительности. Каково расстояние между двумя точками в пространстве? Зависит от того, кого вы спрашиваете. Для путешественника, перемещающегося со скоростью, равной половине скорости света, расстояние между двумя точками пространства намного меньше, чем для находящегося в состоянии покоя (покоящегося относительно двух точек). Это справедливо и для отрезка времени между двумя событиями. Чем быстрее вы движетесь, тем медленнее идут ваши часы. Единственное, что является абсолютным – одинаковым для всех наблюдателей, независимо от их движения, – это четырехмерный промежуток между двумя событиями (в двух местоположениях) пространственно-временного континуума.

Наконец, Эйнштейн показал, что масса (а также энергия) оказывает влияние на четырехмерный пространственно-временной континуум. Плоскости слегка искривляются под воздействием массивных объектов, например звезд или ЧД. (Эффект более маленьких и легких объектов – астероидов или яблок – пренебрежимо мал.) Вследствие этого все, что движется по прямой, будь то свет или планета, в присутствии массивного тела начинает двигаться по криволинейной траектории. То, что мы воспринимаем как гравитацию, в действительности является следствием воздействия кривизны пространственно-временного континуума на движение других тел. Поскольку мы говорим об искривлении пространственно-временного континуума, время также испытывает влияние массивных тел – вблизи ЧД часы замедляются.

Если все это кажется вам бредом, познакомьтесь с астронавтом Джо Купером из фантастического фильма «Интерстеллар». Вместе с партнерами по команде Амелией Бранд и Дойлом он провел лишь несколько часов в мире, названном планетой Миллер, на орбите гигантской ЧД Гаргантюа. Из-за чрезвычайной близости орбиты планеты к ЧД искривление пространственно-временного континуума оказалось очень сильным, и время там буквально ползло. К возвращению Купера, Бранд и Дойла на «Эндьюранс» четвертый член команды Николай Ромилли постарел на 23 года.

Сильное искривление пространственно-временного континуума проявляется в облике самой Гаргантюа. ЧД окружена в области экватора плоским диском перегретого газа, из которого материя падает в дыру. По идее, вы должны были бы увидеть только ближнюю сторону диска. В конце концов, его дальняя сторона находится за ЧД. Но в силу искривления пространственно-временного континуума свет дальней стороны изгибается и обходит всю Гаргантюа. ЧД предстает в окружении яркого кольца.

Думаю, временами одержимость Кипа Торна должна была раздражать художников по спецэффектам и компьютерной анимации лондонской фирмы Double Negative, которой пришлось превращать его уравнения, описывающие пространственно-временной континуум, в захватывающие кадры. Иногда последнее слово оставалось не за физиком Калифорнийского технологического института, и научная достоверность отчасти страдала. В своей книге «Интерстеллар: Наука за кадром» (The Science of Interstellar), изданной в 2014 г., Торн вспоминает, что режиссер фильма Кристофер Нолан не хотел слишком усложнять зрителям жизнь. В конечном счете Торн остался очень доволен. «Как я был рад, когда впервые увидел эти кадры! – пишет он. – Впервые за всю историю в голливудской картине ЧД и ее диск были изображены так, как мы, люди, увидим их в реальности, когда научимся совершать межзвездные перелеты».

_________

Итак, мы можем описать и визуализировать влияние искривления пространственно-временного континуума, меняющее траекторию света и ход времени. Но как представить этот четырехмерный конструкт, тем более его искривление?

В 1917 г. Альберт Эйнштейн написал о своей новой теории небольшую книгу, названную без затей «О специальной и общей теории относительности (общедоступное изложение)»[8]8
  См.: Эйнштейн А. Работы по теории относительности 1905–1920 гг. Собрание научных трудов в четырех томах. Т. 1. – М.: Наука, 1965–1967. Классическое, с юмором написанное введение на тему высших измерений: Эббот Э. Э. Флатландия. – М.: Мир, 1976.


[Закрыть]. Впоследствии об относительности писали и другие авторы. Одна из самых забавных работ – «Мистер Томпкинс в Стране Чудес», написанная в 1940 г. космологом Георгием Гамовым[9]9
  Гамов Г. Мистер Томпкинс в Стране Чудес, или Истории о «с», «G» и «h». – М.: Едиториал УРСС, 2003.


[Закрыть]. Она до сих пор издается, и это не случайно. В раннем подростковом возрасте я залпом прочел другую книгу – «Экскурсия по пространству и времени» (Guided Tour Through Space and Time)[10]10
  Eva Fenyo, A Guided Tour through Space and Time (Эва Феньо. Экскурсия по пространству и времени) [Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1959]


[Закрыть] венгерского физика Эвы Феньо, написанную в 1959 г. Если вы хотите серьезно углубиться в предмет, непременно прочитайте захватывающую книгу Кипа Торна «ЧД и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна»[11]11
  Торн К. Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна. – М.: Физматлит, 2007.


[Закрыть] (1994). В ней более 600 страниц, но она адресована массовому читателю.

Для визуализации четырех измерений используется нехитрый прием – забыть об одном из них. Разумеется, мы не станем игнорировать временнóе измерение, но отбросить одно из пространственных – допустимо. Таким образом, остаются два пространственных измерения и одно временнóе. Пространственно-временной континуум становится трехмерным, а с тремя измерениями мы знакомы.

В двухмерном пространстве предметы могут перемещаться только вперед или назад и влево или вправо. Верх и низ отсутствуют. Давайте сосредоточимся на движениях, совершаемых в двух измерениях, в горизонтальной плоскости.

Представьте два объекта, движущиеся в плоскости по прямой. Один из них – луч света звезды, имеющий скорость 300 000 км/с, другой – планета, перемещающаяся в том же направлении, но в 10 000 раз медленнее, со скоростью не более 30 км/с. Если ни на один из этих объектов не оказывается никакое внешнее воздействие, оба будут двигаться по неизменной прямой, хотя и с очень разными скоростями.

Теперь поместим Солнце в эту плоскость примерно в 150 млн км от прямой. Мы знаем, что масса Солнца создает искривление пространственно-временного континуума. Вследствие этого траектория движения как света, так и планеты искривляется. Но вот что странно: траектория света меняется крайне мало (мы вернемся к воздействию Солнца на траекторию света в главе 3), а планеты – назовем ее Землей – гораздо сильнее, превращаясь в круговую орбиту. Что произошло? Если на оба объекта воздействует одна и та же сила, разве они не должны следовать траекториями одинаковой кривизны?

Нет, не должны. И вот почему: мы рассматриваем искривление не пространства, а пространственно-временного континуума. Чтобы действительно понять происходящее, нужно добавить в наше двухмерное пространство временнóе измерение и рассмотреть движение в трехмерном пространственно-временном континууме. Итак, время замещает собой третье пространственное измерение (верх/низ). Фактически мы создали новую трехмерную систему координат. По осям х и у – в горизонтальной плоскости – деления отмечают каждые 300 000 км (расстояние, которое свет проходит за секунду). По вертикальной оси z имеются аналогичные деления, соответствующие секундам.

Давайте снова рассмотрим траекторию света. В нулевой момент времени он находится в центральной точке пространства. Через одну секунду он уже переместился в пространстве на 300 000 км – одно деление в горизонтальной плоскости. Но в трехмерном пространственно-временном континууме он также сдвинулся на одно деление вверх. Ведь прошла одна секунда. Итак, в пространственно-временном континууме свет движется под углом 45°.

Теперь взглянем на Землю. За секунду она проходит только 30 км. Нашей планете нужно 10 000 секунд (2 часа и почти 47 минут), чтобы проделать в пространстве путь в 300 000 км. Поэтому траектория движения Земли в трехмерном пространственно-временном континууме (ее мировая линия) имеет гораздо меньший наклон, чем траектория света – всего около 20 угловых секунд (угловая секунда равна 1/3600 градуса). У стороннего наблюдателя создается впечатление, что свет движется по диагонали, а планета практически точно вверх – почти вертикально.

Пока все ясно. Но что произойдет, если добавить в схему Солнце? В нашей упрощенной схеме Солнце не движется в пространстве – его скорость равна 0 км/с. Соответственно, в трехмерном пространственно-временном континууме оно перемещается строго вертикально. Однако масса Солнца вызывает крохотное искривление пространственно-временного континуума. В результате и мировая линия луча света, и мировая линия планеты чрезвычайно слабо отклоняются. Вот как это происходит.

Диагональная мировая линия света слегка искривляется, но в течение очень недолгого времени, поскольку у него очень высокая скорость. Не пройдет и мгновения, как свет оставит далеко позади область, где пространственно-временной континуум искривлен массой Солнца. Как и раньше, он движется строго прямолинейно, в то же время смещаясь вверх под углом 45°, только теперь этот наклон имеет чуть-чуть иное направление. В проекции на двухмерную плоскость мы видим, что траектория света слегка изменилась.

Напротив, Земля остается в области искривления. Она продолжает двигаться в пространственно-временном континууме почти вертикально под одним и тем же углом 20″. Но направление этого крохотного наклона медленно, но постоянно меняется из-за искривления, создаваемого массой Солнца. По прошествии почти 8 млн секунд (около трех месяцев) направление изменится на полных 90°. В проекции на двухмерное пространство мы увидим, что планета прошла четверть своей орбиты вокруг Солнца.

Это слабое искривление! За 8 млн секунд планета переместилась на 8 млн делений «вверх» в пространственно-временном континууме. В то же время она проделала в пространстве каких-то 236 млн км. Это менее 800 делений в горизонтальной плоскости. Было бы чрезвычайно сложно заметить отклонение траектории планеты в пространственно-временном континууме невооруженным глазом – траектория представляет почти идеальную прямую.

Через год Земля совершит полный оборот вокруг Солнца, равный около 940 млн км в пространстве. На это ей потребуется 31,5 млн секунд. Спиральная мировая линия Земли в пространственно-временном континууме практически неотличима от прямой. Причина этого в том, что Солнце не является чрезвычайно массивным объектом и вызывает слабое искривление пространственно-временного континуума. Тем не менее если забыть о временнóм измерении и смотреть только на плоское двухмерное пространство, то окажется, что траектория Земли сильно отклонена – настолько, что превратилась в знакомую всем круговую орбиту. Между тем свет уже промчался почти четверть расстояния до ближайшей звезды.

_________

Понять эти вещи довольно сложно, если слышишь о них впервые, – и я даже не предлагаю вам представить четырехмерный пространственно-временной континуум. (Если вы запутались, попробуйте перечитать предыдущие страницы завтра утром или на следующей неделе.) Как бы то ни было, теперь вы понимаете, почему применительно к пространственно-временному континууму и общему принципу относительности обыденное восприятие нас подводит.

Это поучительный пример. Рассматривая сталкивающиеся ЧД, чрезвычайно сильное искривление пространственно-временного континуума и гравитационные волны, нельзя доверять интуиции. Опираться нужно на расчеты суперкомпьютера, выполненные на основе ОТО Альберта Эйнштейна. Если мы доверяем Эйнштейну, то должны соглашаться с результатами таких расчетов.

Это одна из причин восхищения Кипа Торна тем, каким получился фильм «Интерстеллар». В распоряжении компании – разработчика визуальных спецэффектов, такой как Double Negative, имеются намного более мощные компьютеры, чем у физика-теоретика из Калифорнийского технологического института. Созданные ими сцены дают таким ученым, как Торн, новые ценные идеи. В «Интерстеллар: Наука за кадром» он пишет: «Для меня эти отрывки из фильма подобны экспериментальным данным: они показывают то, что я ни за что не увидел бы самостоятельно, без моделирования»[12]12
  Торн К. Интерстеллар: Наука за кадром. – М.: Манн, Иванов и Фербер, 2015.


[Закрыть].

Как поступают ученые, если у них появляются идеи? Разумеется, публикуют статью. Торн издал даже две статьи – о «кротовой норе» и о гигантской ЧД Гаргантюа из «Интерстеллар». Поищите их текст в интернете. Первая статья, озаглавленная «Визуализация кротовой норы в “Интерстеллар”» (Visualizing Interstellar’s Wormhole), была опубликована в престижном American Journal of Physics. Вторая, «Гравитационное линзирование, создаваемое вращающимися ЧД, в астрофизике и в фильме “Интерстеллар”» (Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the Movie Interstellar) – в другом профессиональном журнале, Classical and Quantum Gravitation[13]13
  Oliver James, Eugenie von Tunzelmann, Paul Franklin, and Kip S. Thorne, “Visualizing Interstellar’s Wormhole” (Оливер Джеймс и др. Визуализация кротовой норы из «Интерстеллар»), American Journal of Physics 83, no. 486 (2016) и: те же авт., “Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the Movie Interstellar” (Гравитационное линзирование вращающимися черными дырами в астрофизике и в фильме «Интерстеллар»), Classical and Quantum Gravity 32, no. 6 (2015).


[Закрыть]. Соавторами обеих статей выступили Оливер Джеймс, Юджин фон Тунцельман и Пол Франклин. Джеймс является главным научным консультантом Double Negative, фон Тунцельман – ответственный руководитель компании по компьютерной графике, а Франклин – сооснователь Double Negative и ответственный руководитель по визуальным эффектам. Физику-теоретику приятно, что его упомянули в интернет-базе кинофильмов (IMDb) в качестве исполнительного продюсера, но специалистам по спецэффектам не менее лестно их включение в arXiv.org – крупнейшее в мире электронное хранилище научных статей по физике.

_________

Торну пришлось смириться с одним небольшим разочарованием. Он надеялся, что в «Интерстелларе» будут показаны гравитационные волны – в конце концов, он стоял у истоков проекта LIGO и имел основания рассчитывать на первую прямую регистрацию этих неуловимых пульсаций пространственно-временного континуума в один год с выходом фильма на экраны. К сожалению, Кристоферу Нолану сюжетная линия и без того казалась переусложненной. Как бы то ни было, гравитационные волны – GW150914 – были впервые обнаружены только через 323 дня после официального релиза картины.

Кип Торн, возможно, работает над сиквелом.

2
Все относительно

Лейден – город поэзии.

На стене дома № 36 по улице Новый Рейн надпись семиметровой высоты представляет собой стихотворение Э. Э. Каммингса, начинающееся строками:

 
Часы растут, убирая звезды, и вот
рассвет
на улицу небесного света входит,
расточая стихотворения.
 

Не вполне понимаю, что это значит, но звучит красиво[14]14
  О стихотворениях на стенах домов Лейдена см. http://www.muurgedichten.nl/wallpoems.html. Сайт голландского Национального музея истории науки и медицины в Лейдене, Нидерланды: http://www.museumboerhaave.nl/english.


[Закрыть].

Стихотворение Каммингса – 23-е по счету. На стенах домов в историческом центре Лейдена – города, расположенного в сорока с небольшим километрах от столицы Нидерландов Амстердама, – около сотни стихотворений.

Среди них выделяется одно, начертанное на восточной стене Музея Бургаве – голландского Национального музея истории науки и медицины. Его трудно продекламировать, поскольку язык, на котором оно написано, знают немногие. Всего одна строчка:

Возможно, вам она не кажется стихотворной. Это уравнение поля из ОТО Альберта Эйнштейна. Как видите, уравнение состоит из двух частей, разделенных знаком равенства, означающим, что левая часть равна правой. В левой части описывается искривление пространственно-временного континуума. В правой – распределение массы (и энергии). Изменив распределение массы, вы измените искривление пространственно-временного континуума. Измените искривление – и материя начнет двигаться по окружности (см. главу 1).

Эйнштейновское уравнение поля написано на языке математики. Лучший его «перевод» на английский язык сделал Джон Арчибальд Уилер, блестящий американский физик, научный руководитель Кипа Торна: «Материя указывает пространственно-временному континууму, как искривляться; пространственно-временной континуум указывает материи, как двигаться». Разве это не поэзия?

Уравнение было написано на стене Музея Бургаве в честь столетия теории Эйнштейна и представлено публике на торжественной церемонии в ноябре 2015 г. голландским физиком Роббертом Дейкграафом, директором Института перспективных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси), где Эйнштейн работал последний 21 год своей жизни. Самая подходящая кандидатура!

От Музея Бургаве всего 15 минут идти пешком до музейного хранилища на Раамстеег, 2. Паулю Стеенхорсту, руководителю реставрационного отдела, есть что показать[15]15
  Я был в запасниках лейденского Музея Бургаве 7 апреля 2016 г.


[Закрыть]. Он ведет меня на один лестничный пролет вверх, к комнате № 1.01 с контролируемым микроклиматом, где в сосновых шкафах хранится коллекция, связанная с физикой. Пауль открывает ящик J410 и достает экспонат V34180 – маленькую картонную коробку темно-синего цвета. На крышке надпись: «Идеальное самопишущее перо Ватермана».

Я держу перьевую ручку Альберта Эйнштейна, которой он написал всё, созданное им в период 1912–1921 гг., в том числе рукописи статьи 1915 г. об общем принципе относительности. Искривление пространственно-временного континуума, уравнения поля, гравитационные волны – все «стекало» с кончика этого тонкого Füllfeder (вечного пера), как называл его Эйнштейн.

Вам знакома «теория шести рукопожатий»? Согласно ей, вас отделяет от любого человека на Земле самое большее шесть промежуточных звеньев – других людей. Самопишущая ручка не человек, но в каком-то смысле я всего в двух «рукопожатиях» от величайшего физика в истории.

Кстати, эту характеристику дал не я. Эйнштейн действительно считается самым великим физиком человечества, по крайней мере по результатам опроса 1999 г. с участием 100 выдающихся ученых, проведенного журналом Physics World. В том же году Time объявил Эйнштейна «Человеком столетия» – не конкретно физиком, заметьте, а самой выдающейся личностью вообще.

__________

Все знают, кто такой Альберт Эйнштейн. Пышные усы, растрепанная шевелюра, растянутый свитер, сандалии – хрестоматийный образ ученого. Не много найдется физиков, лица которых обессмертило тиражирование на открытках, кофейных чашках и футболках. Разумеется, свою роль сыграла фотография с высунутым языком, сделанная фотографом UPI Артуром Сассом на 72-летие Эйнштейна. Однако на научный небосклон он взлетел благодаря гениальности.

Как ни удивительно, вы намного больше знаете о Вселенной, чем Эйнштейн в то время, когда разрабатывал ОТО. Тогда никто еще не видел обратной стороны Луны. Не был открыт Плутон. Астрономы не знали, что служит источником энергии Солнца. Истинная природа спиральных туманностей – галактик, таких как наш Млечный Путь, – оставалась неясной. По мнению большинства ученых, Вселенная существовала всегда. До открытия пульсаров, квазаров и экзопланет оставались долгие десятилетия. Антиматерия, нейтрино, кварки – в 1915 г. эти слова были бы для Эйнштейна пустым звуком, – как и скопления галактик, гамма-всплески и темная материя.

Что ученые знали в 1915 г., так это то, что во Вселенной правит гравитация, хотя является крайне слабым взаимодействием. Электромагнитное, например, намного сильнее, но электромагнитные силы могут быть либо положительными, либо отрицательными – притягивающими или отталкивающими. Во Вселенной эти противоположные силы взаимно нейтрализуются. Гравитация, напротив, всегда сила притяжения (антигравитация остается темой научной фантастики). Вследствие этого движение звезд и планет – как и, разумеется, спотыкающихся людей и падающих яблок – подчиняется только этой маломощной силе.

Если вы сомневаетесь, что гравитация очень слаба, простой эксперимент вас в этом убедит. Порвите на полосы лист бумаги и уроните на стол. Они опускаются под действием гравитации Земли – той же силы, которая не дает нам взлететь под потолок. Теперь возьмите маленькую пластмассовую расческу и потрите о собственные волосы или о шерстяной свитер. Поднесите расческу к обрывкам на расстоянии несколько сантиметров. Видите? Они тут же притягиваются статическим зарядом расчески. Что и требовалось доказать: электромагнитное притяжение статически заряженной расчески намного сильнее гравитационного, создаваемого целой планетой! Следовательно, гравитация – действительно слабая фундаментальная сила природы.

Греки почти ничего не знали об электромагнитных силах (и совершенно ничего – о сильных и слабых ядерных взаимодействиях). Знаниями о гравитации они также не обладали. Аристотель считал, что все объекты имеют природную склонность двигаться к центру Вселенной, причем в центре Вселенной находится Земля. Поэтому вещи и падают на землю – все просто. Более того, Аристотель был убежден, что тяжелые предметы падают быстрее легких. Возможно, экспериментировал с клочками пергамента и амфорами?

Жаль, что Аристотель не видел киносъемки командира «Аполлона-15» Дэвида Скотта, бросающего перышко и молоток на поверхность Луны[16]16
  Съемка астронавта «Аполлона-15» Дэвида Скотта, роняющего на поверхность Луны перо и молоток: http://www.youtube.com/watch?v=KDp1tiUsZw8.


[Закрыть]. У Луны нет атмосферы, поэтому отсутствует и сопротивление воздуха, без которого перо падает ровно столько же времени, сколько и молоток, – это выглядит дико. (Причем оба предмета падают в 6 раз медленнее, чем падал бы молоток на Земле, поскольку гравитация Луны составляет лишь 1/6 часть земной, к которой мы привыкли.)

По легенде, Галилео Галилей впервые поставил аналогичный эксперимент в 1589 г., поднявшись на Пизанскую башню. Эксперимент очень прост. Возьмите две сферы разного веса – скажем, свинцовую и деревянную. Они должны быть большими и достаточно тяжелыми, чтобы сопротивление воздуха не оказывало на них существенного воздействия. Поднимитесь на башню. Уроните обе сферы строго одновременно. Какая из них приземлится первой? Если они ударятся о землю в один и тот же момент, вы докажете, что Аристотель заблуждался.

Надежные свидетельства того, что Галилей поставил этот опыт, отсутствуют. Верно, он его описывает, но, возможно, как мысленный эксперимент. Если же Галилей действительно ронял сферы с башни, то, бесспорно, не первым. В 1585 г. фламандский ученый и математик Симон Стевин и его друг Ян Корнелиус де Гроот (впоследствии ставший мэром голландского города Делфта) провели эксперимент, воспользовавшись башней Новой церкви в Делфте. Он подробно описан в книге Стевина, изданной в 1586 г. Мне очень нравится рассказ Стевина – от Новой церкви рукой подать до места, где родился мой отец.

Как бы то ни было, к концу XVI в. ошибочность представлений Аристотеля была доказана раз и навсегда. (В главе 1 вы прочли, что предположение Аристотеля о центральном положении Земли было опровергнуто парой десятилетий ранее Коперником.) Однако и Стевин, и Галилей знали о природе гравитации не многим больше древних греков. Например, подобно Аристотелю, они и мысли не допускали, что движением звезд и планет во Вселенной может управлять та же сила, которая воздействует на движение свинцовых сфер и яблок здесь, на Земле. Прошло еще два десятка лет, прежде чем это понял Исаак Ньютон. (Кстати, история о яблоке, упавшем на голову Ньютону, тоже легенда.)

Ньютон опубликовал свои размышления о гравитации летом 1687 г. не в научной статье, а в виде объемистого трехтомника на латыни под названием «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)[17]17
  Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: Ленанд, 2017.


[Закрыть]. Первое издание на английском языке вышло лишь в 1728 г., более чем через год после смерти автора. Почти через два века после публикации «Начал», 14 марта 1879 г., в Ульме (на территории нынешней Германии) Паулина Эйнштейн-Кох родила первенца Альберта, которому в будущем удастся доказать неточность воззрений Ньютона.

Вы знаете легенду о Галилео Галилее. Я упомянул легенду о Ньютоне. Легенд об Альберте Эйнштейне хватило бы на книгу размером с эту. К счастью, подлинная история его жизни не менее увлекательна, чем выдуманная. И пожалуй, столь же легендарна.

Альберту был всего год, когда его родители-иудеи переехали из Ульма в Мюнхен. Его отец Герман вместе со своим братом управлял маленькой фабрикой по производству электрооборудования. Мать занималась домом и семьей и в ноябре 1881 г. произвела на свет младшую сестру Альберта Майю. Семью часто навещала тетушка Фанни (сестра матери) с дочерьми Эрминой, Эльзой и Паулой. Маленький Альберт рос в женском окружении; он был горячо привязан к сестрам и любил играть с кузиной Эльзой.

Был ли он особенным ребенком? Едва ли. Разве что тихоней и интровертом. В детстве он научился игре на скрипке. Играл очень хорошо. Кроме того, его зачаровывали вещи, на которые дети обычно не обращают внимания, например компас, подаренный отцом, когда Альберту было 5 лет. Как ни поворачивай его корпус, стрелка всегда показывает в одном и том же направлении. Очевидно, на нее действует нечто в пространстве – потрясающе! Но Герман и помыслить не мог, что сын станет величайшим физиком всех времен.

У отца хватало других забот. В 1894 г. его компания разорилась. Семейство перебралось в Милан в надежде на лучшую участь. Пятнадцатилетний Альберт остался в Мюнхене, чтобы завершить курс гимназии. К этому времени он серьезно интересовался физикой и мечтал продолжить обучение в обновленной швейцарской Высшей технической школе в Цюрихе.

Другим выраженным интересом Альберта были девушки. (Как я уже говорил, он не был каким-то чудиком – большинство мальчиков-подростков живо интересуются девочками.) Девушки также проявляли к Альберту большой интерес. Он был симпатичным: кудрявые черные волосы, красивые темные глаза. Среди очарованных была и Мари Винтелер, дочь орнитолога Йоста Винтелера, преподавателя кантональной школы в Арау (Швейцария). Альберт жил в доме Винтелеров два года, пока учился в Арау. Они с Мари скоро влюбились друг в друга.