Текст книги "Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности"

Педро Феррейра
Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

© ООО Издательство «Питер», 2014

© Houghton Mifflin Harcourt

© Перевод на русский язык ООО Издательство «Питер», 2015

© Издание на русском языке, оформление ООО Издательство «Питер», 2015

* * *

Благодарности

Эта книга появилась благодаря двум людям. Патрик Уолш (Patrick Walsh) не только убедил меня написать о предмете моей страсти, но и предоставил мне такую возможность. Кортни Янг (Courtney Young) взяла мою рукопись и с удивительным тактом, но одновременно с твердостью превратила ее в книгу, которую хочется прочитать.

Я полагался на замечания, советы и критику, которые мне на протяжении многих лет давали коллеги, друзья, члены семьи, читатели и писатели. Вот их список (возможно, неполный): Энди Албрехт (Andy Albrecht), Арлен Андерсон (Arlen Anderson), Тесса Бейкер (Tessa Baker), Макс Банадос (Max Banados), Джулиан Барбур (Julian Barbour), Джон Бэрроу (John Barrow), Адриан Бикрофт (Adrian Beecroft), Яаков Бекенштейн (Jacob Bekenstein), Джоселин Белл Бёрнелл (Jocelyn Bell Burnell), Орфей Бертолами (Orfeu Bertolami), Стив Биллер (Steve Biller), Майкл Брукс (Michael Brooks), Харви Браун (Harvey Brown), Фил Булл (Phil Bull), Алекс Баттерворс (Alex Butterworth), Филипп Канделас (Philip Candelas), Ребекка Картер (Rebecca Carter), Крис Кларксон (Chris Clarkson), Тим Клифтон (Tim Clifton), Фрэнк Клоуз (Frank Close), Питер Коулс (Peter Coles), Аманда Кук (Amanda Cook), Марк Дэвис (Marc Davis), Ксения де ла Осса (Xenia de la Ossa), Сесиль Девитт-Моретт (Cécile DeWitt-Morette), Майк Дафф (Mike Duff), Джо Данкли (Jo Dunkley), Рут Дюрер (Ruth Durrer), Джордж Эфстатиу (George Efstathiou), Джордж Эллис (George Ellis), Грэм Фармело (Graeme Farmelo), Хьюго и Карин Джил Феррейра (Hugo and Karin Gil Ferreira), Эндрю Ходжес (Andrew Hodges), Крис Ишам (Chris Isham), Эндрю Яффе (Andrew Jaffe), Дэвид Кайзер (David Kaiser), Янна Левин (Janna Levin), Рой Маартенс (Roy Maartens), Эд Макъюли (Ed Macaulay), Жуан Магейжу (Joao Magueijo), Дэвид Марш (David Marsh), Джон Миллер (John Miller), Ланс Миллер (Lance Miller), Жозе Мауро (José Mourao), Самая Ниссанке (Samaya Nissanke), Тим Палмер (Tim Palmer), Джон Пикок (John Peacock), Джим Пиблс (Jim Peebles), Роджер Пенроуз (Roger Penrose), Жоао Пиментел (Joao Pimentel), Эндрю Понтцен (Andrew Pontzen), Франс Преториус (Frans Pretorius), Димитриос Псалтис (Dimitrios Psaltis), Мартин Рис (Martin Rees), Бернар Шатц (Bernard Schutz), Джо Силк (Joe Silk), Константинас Скордис (Constantinos Skordis), Ли Смолин (Lee Smolin), Джордж Смут (George Smoot), Андрей Старинец (Andrei Starinets), Келли Стел (Kelly Stelle), Франческо Силос-Лабини (Francesco Sylos-Labini), Кип Торн (Kip Thorne), Нил Турок (Neil Turok), Тони Тайсон (Tony Tyson), Гиза Вешкальнис (Gisa Weszkalnys), Джон Уитер (John Wheater), Адам Уишарт (Adam Wishart), Лукас Виловски (Lukas Wilowski), Андреа Вульф (Andrea Wulf) и Том Злосник (Tom Zlosnik). Их вклад неоценим, а за любые ошибки и заблуждения, оказавшиеся в окончательной версии текста, ответственность лежит исключительно на мне.

Команда агентства Conville and Walsh была невероятно доброжелательно настроена к данной книге, а коллеги из Оксфордского университета полны энтузиазма и готовы помочь.

Пролог

Доклад Артура Эддингтона на совместном заседании Королевского и Астрономического обществ 6 ноября 1919 года в корне изменил парадигму гравитационной физики. С торжественной монотонностью кембриджский астроном описал свое путешествие на маленький, поросший буйной зеленью остров Принсипи у западного побережья Африки, где с помощью телескопа он сфотографировал полное солнечное затмение, постаравшись запечатлеть находящееся за Солнцем неяркое звездное скопление. Измерив положение звезд, Эддингтон обнаружил отклонения от закона всемирного тяготения, открытого покровителем британской науки Исааком Ньютоном и безоговорочно принимавшегося в течение более чем двух столетий. Астроном утверждал, что место этого закона теперь занимает новая и более правильная теория, предложенная Альбертом Эйнштейном под названием «общая теория относительности».

В то время теория относительности Эйнштейна была известна не только своим потенциалом в плане объяснения происходящих во Вселенной явлений, но и своей невообразимой сложностью. После церемонии, когда слушатели и докладчики уже готовились выйти в лондонские сумерки, к Эддингтону подошел польский физик Людвиг Зильберштейн. Зильберштейн был автором книги о более ограниченной «специальной теории относительности» Эйнштейна и с интересом следил за выступлением Эддингтона. Он сказал: «Профессор Эддингтон, вы, должно быть, один из трех человек в мире, понимающий общую теорию относительности». Заметив замешательство Эддингтона, Зильберштейн добавил: «Не скромничайте». Эддингтон решительно взглянул на него и произнес: «Напротив, я пытаюсь понять, кто же является третьим».

К моменту моего первого знакомства с общей теорией относительности названную Зильберштейном цифру уже можно было скорректировать в сторону увеличения. В начале 1980-х я услышал, как Карл Саган рассказывает о сжатии и растяжении времени и пространства в телесериале «Космос». Я немедленно попросил отца объяснить мне эту теорию. Он ограничился словами о том, что она крайне сложна. «Вряд ли кто-то понимает общую теорию относительности», – вот как он сказал. Но остановить меня было непросто. В этой странной теории с ее искривленными сетками пространства-времени, обернутыми вокруг пустынных впадин небытия, имелось что-то до крайности притягательное. Действие принципа общей относительности можно было наблюдать в старых эпизодах «Звездного пути», когда «черная звезда» отправляла в прошлое космический корабль «Энтерпрайз» или когда Джеймс Т. Кирк путался в измерениях пространства-времени. Неужели понять все это настолько сложно?

Несколькими годами позднее я изучал инженерное дело в Лиссабонском университете, в тяжеловесном здании из камня, железа и стекла, представлявшем собой превосходный образчик архитектуры времен Салазара. Обстановка удивительно подходила для бесконечных лекций, обучающих нас полезным вещам: искусству создания компьютеров, мостов и машин. Некоторые студенты спасались от этого занудства, читая в свободное время материалы по современной физике. И каждый мечтал стать Альбертом Эйнштейном. Время от времени на наших лекциях излагались некоторые из его идей. Мы узнали о связи массы с энергией и о том, что свет на самом деле состоит из частиц. Когда дело дошло до изучения электромагнитных волн, нас познакомили со специальной теорией относительности. Эйнштейн сформулировал ее в 1905 году, когда ему было двадцать шесть, то есть всего на несколько лет больше, чем нам. Один из наиболее просвещенных преподавателей посоветовал нам почитать оригинальные труды Эйнштейна. В сравнении с нудными упражнениями, которые мы были вынуждены делать, это были шедевры выразительности и ясности. Однако общая теория относительности – созданная Эйнштейном грандиозная теория пространства-времени – в нашу программу не входила.

В какой-то момент я решил самостоятельно заняться ее изучением. В библиотеке нашего университета обнаружилась завораживающая коллекция монографий и учебников величайших физиков и математиков двадцатого столетия. Там были Артур Эддингтон, президент Королевского астрономического общества из Кембриджа; Герман Вейль, математик из Геттингена; отцы квантовой физики Эрвин Шрёдингер и Вольфганг Паули, – и у каждого из них было свое мнение о том, как следует преподавать теорию Эйнштейна. Один том выглядел как большая черная телефонная книга и насчитывал более тысячи страниц, уснащенных орнаментами и комментариями тройки американских релятивистов. Другой, написанный физиком-теоретиком Полем Дираком, содержал всего семь десятков глянцевых страниц. Я полностью погрузился в совершенно новую Вселенную идей, населенную самыми увлекательными персонажами.

Понимание этих идей давалось непросто. Пришлось учиться думать по-новому, опираясь на выкладки, которые изначально воспринимались как трудная для понимания геометрия и абстрактная математика. Для расшифровки теории Эйнштейна требуется овладеть математическим языком. Тогда я не знал, что в попытках разобраться в собственной теории Эйнштейну пришлось пройти тот же самый путь. Изучив лексику и грамматику, я пришел в восторг от открывшихся возможностей. И тогда начался мой роман с общей теорией относительности длиною в жизнь.

Это будет сильным преувеличением, но выразиться по-другому я не могу: наградой за покорение общей теории относительности Эйнштейна становится ключ к пониманию истории Вселенной, возникновению времени, эволюции звезд и галактик. Эта теория может рассказать, что находится в самых дальних уголках Вселенной, и объяснить, как это влияет на нашу жизнь. Она проливает свет на возникновение частиц высоких энергий из ничего и объясняет, как появляется ткань реальности, пространства и времени, превращаясь в основу Вселенной.

За месяцы интенсивного обучения я понял, что общая теория относительности оживляет пространство и время. Пространство – это не просто место существования вещей, а время – не только часы, отсчитывающие мгновения. Согласно Эйнштейну, пространство и время переплетены в космическом танце, отвечая за каждый кусочек материи, от частиц до галактик, и соединяясь в сложные структуры, которые порождают самые невероятные эффекты. Предложенная им теория с момента своего появления применялась для исследования окружающего мира, открыв, что Вселенная является динамическим объектом, расширяющимся с головокружительной скоростью и наполненным черными дырами, ужасными пробоями пространства и времени, громадными волнами энергии, каждая из которых сравнима по мощности с энергией целой галактики. Общая теория относительности позволяет заглянуть в такие дали, о которых мы никогда не мечтали.

При первом знакомстве с общей теорией относительности меня поразил еще один факт. Эйнштейн занимался ее созданием почти десятилетие, но с той поры она не изменилась. Почти целый век она рассматривалась многими как совершенная, служа источником глубокого восхищения для всех, кто имел честь с ней познакомиться. Благодаря своей незыблемости она стала культовой, как центральный элемент современной мысли и как общечеловеческое достижение, наравне с Сикстинской капеллой, сюитами Баха для виолончели и фильмами Антониони. Общая теория относительности лаконично воплощается в наборе уравнений и правил, которые можно легко сформулировать и записать. Они не просто красивы, они кое-что говорят об окружающем мире. С их помощью был сделан ряд прогнозов касательно нашей Вселенной, подтвердившихся впоследствии через наблюдения. Существует твердое убеждение, что эта теория скрывает еще более глубокие секреты, которые только предстоит открыть. Чего еще мне было желать?

Почти двадцать пять лет общая теория относительности является частью моей повседневной жизни. Она попала в центр моих исследований и послужила фундаментом многих вещей, которые мы с коллегами пытались понять. Мой первый опыт столкновения с этой теорией был далеко не уникальным; я встречаю людей со всего мира, которых она зацепила настолько, что они посвятили свою жизнь раскрытию ее тайн. Говоря про весь мир, я не преувеличиваю. Из самых разных городов, от Киншасы до Кракова, от Кентербери до Сантьяго, мне регулярно присылают научные работы, авторы которых пытаются искать новые решения или даже вносить изменения в общую теорию относительности. При всей сложности для восприятия теория Эйнштейна очень доступна; ее сложность и неподатливость означают лишь то, что до момента, когда из нее будут получены все возможные выводы, еще работать и работать. И проявить себя на этом поприще может любой, обладающий ручкой, бумагой и упорством.

Я часто слышал, как руководители докторантов отговаривали своих подопечных от погружения в общую теорию относительности, пугая их невозможностью впоследствии найти работу. Для многих она является слишком заумной. Посвящение своей жизни общей теории относительности – это, конечно же, бескорыстный труд и почти безответное призвание. Но те, кто однажды подцепил этот вирус, идут на все, чтобы продолжать свои изыскания в этой области. Недавно я встречался с ведущим светилом в моделировании климатических изменений. Он настоящий пионер, член Королевского общества, эксперт в такой чертовски трудной для исследований сфере, как предсказания погоды и климата. Но он не всегда зарабатывал этим себе на жизнь. В 1970-е годы, еще юношей, он изучал общую теорию относительности. С того времени прошло почти сорок лет, но при нашей первой встрече он, криво улыбнувшись, сказал мне: «На самом деле я релятивист».

Мой друг оставил научную деятельность после почти двадцати лет работы над теорией Эйнштейна. Теперь он трудится в компании, производящей программное обеспечение, и занимается задачами хранения больших объемов данных. Всю неделю он летает по миру, настраивая сложные и дорогие системы в банках, корпорациях и правительственных учреждениях. Но при наших встречах он расспрашивает меня или сам делится последними размышлениями по поводу общей теории относительности. Он не может с ней расстаться.

Общая теория относительности всегда озадачивала меня одним обстоятельством. Каким образом, появившись почти век назад, она продолжает приносить новые плоды? Ей посвящали свое время столь мощные умы, что, казалось, еще десятилетия назад из нее можно было выжать все до последней капли. При всей ее сложности должен же быть предел того, что она в состоянии нам дать? Не достаточно ли нам черных дыр и расширяющейся Вселенной? Однако продолжая исследовать вытекающие из этой теории идеи и встречаться с работающими над ней блестящими умами, я пришел к выводу, что история общей теории относительности представляет собой увлекательное и чудесное повествование, возможно, столь же сложное, как она сама. Чтобы понять, почему эта теория еще не списана со счетов, имеет смысл проследить за почти вековыми перипетиями ее существования.

Эта книга представляет собой биографию общей теории относительности. Идея Эйнштейна об объединении времени и пространства начала жить сама по себе, оставаясь на всем протяжении XX века источником восторгов и разочарований самых гениальных умов. Это теория, постоянно преподносящая сюрпризы, гениальные озарения о природе нашего мира, принять которые было сложно даже самому Эйнштейну. По мере захвата ею все новых умов возникали неожиданные открытия, причем в самых странных ситуациях. Концепция черных дыр была впервые предложена на полях сражений Первой мировой войны и достигла своей зрелости в руках первопроходцев, занимающихся созданием советской и американской атомных бомб. Идею расширяющейся Вселенной первыми предложили священник из Бельгии и метролог из России. Новые и загадочные астрофизические объекты, сыгравшие важную роль в стабилизации общей теории относительности, обнаруживали иногда совершенно случайно. Нейтронные звезды Джоселин Белл открыла среди Кембриджских болот при помощи металлической сетки, натянутой на хрупкую конструкцию из дерева и гвоздей.

Более того, общая теория относительности стала центром ряда основных интеллектуальных сражений XX века. Ее преследовали в гитлеровской Германии, травили в сталинской России и отвергали в Америке 1950-х. Она развела величайших физиков и астрономов по разные стороны баррикад в битве за окончательную модель Вселенной. Они выясняли, началась ли Вселенная с Большого взрыва или же существовала всегда, они пытались понять фундаментальную структуру пространства и времени. Одновременно она объединяла разрозненные сообщества; в разгар холодной войны советские, британские и американские ученые начали вместе работать над проблемой происхождения черных дыр.

История общей теории относительности связана не только с прошлым. За последние десять лет стало понятно, что если общая теория относительности верна, то большая часть нашей Вселенной является темной. Ее заполняет материя, которая не только не излучает свет, но даже не отражает и не поглощает его. Существует огромное количество эмпирических данных. По всей видимости, почти треть Вселенной состоит из темной материи: тяжелого, невидимого вещества, роящегося по галактикам, как множество рассерженных пчел. Остальные две трети имеют вид эфирной субстанции, темной энергии, которая раздвигает пространство в стороны. И только четыре процента Вселенной состоит из привычных для нас атомов. Нас практически не видно. Но это в случае, если теория Эйнштейна верна. Однако существует вероятность, что мы просто достигли пределов ее применимости, где теория начинает давать сбои.

Теория Эйнштейна имеет важное значение для новой фундаментальной теории природы, из-за которой физики-теоретики рвут друг другу глотки. Теория струн, пытающаяся зайти дальше, чем Ньютон с Эйнштейном, и объединить все природные явления, опирается на сложные варианты пространства-времени, приобретающие при увеличении размерности странные свойства. Эту теорию, куда более запутанную, чем любые построения Эйнштейна, одни прославляют как окончательную победу, другие же считают скорее романтической фантазией, чем наукой. Хотя теория струн не появилась бы без общей теории относительности, многие практикующие релятивисты смотрят на нее весьма скептически.

Темная материя, темная энергия, черные дыры, теория струн – все эти порождения теории Эйнштейна доминируют в физике и астрономии. Читая лекции в университетах, посещая семинары и участвуя в заседаниях Европейского космического агентства, отвечающего за важнейшие научно-исследовательские спутники, я понял, что мы находимся на пороге важных преобразований в современной физике. У нас есть талантливые молодые ученые, рассматривающие общую теорию относительности с позиций опыта, накопленного за век работы гениальных людей. Они анализируют теорию Эйнштейна, вооружившись беспрецедентными вычислительными мощностями, рассматривая альтернативные варианты теорий, способные опровергнуть концепции Эйнштейна, и пытаясь найти в космосе неизвестные объекты, позволяющие подтвердить или оспорить основные положения общей теории относительности. Еще более широкое научное сообщество разом получило стимул к созданию грандиозных машин, позволяющих заглянуть глубже в космос и получить более четкую картину, спутников, настроенных на поиск доказательств того, что предсказала нам теория Эйнштейна.

История общей теории относительности необыкновенна и всеобъемлюща, поэтому ее следует рассказать миру. Ведь даже войдя в XXI век, мы продолжаем сталкиваться с множеством порожденных ею великих открытий и оставшихся без ответа вопросов. В ближайшие годы должно произойти что-то действительно важное, и нужно понимать, откуда оно придет. Я подозреваю, что если XX век стал веком квантовой физики, то в XXI в полной мере проявит себя общая теория относительности.

Глава 1. Человек в свободном падении

Осенью 1907 года Альберт Эйнштейн работал в стрессовых условиях. Ежегодник Electronics and Radioactivity попросил его прислать полный обзор теории относительности. Обобщить столь солидный труд за короткий срок было непросто, особенно если учесть, что работать приходилось исключительно в свободное время. С 8 утра до 6 вечера с понедельника по субботу Эйнштейн находился в Федеральном бюро патентования изобретений в только что построенном здании почты и телеграфа, где он тщательно изучал схемы вновь придуманных электрических устройств и пытался определить, есть ли в них какая-либо ценность. Начальник советовал ему: «Взяв в руки заявку, представь, что все написанное изобретателем – вранье», и Эйнштейн старательно следовал этому совету. Большую часть дня заметки и расчеты, связанные с его собственными теориями, лежали во втором ящике стола, который Эйнштейн называл своей «кафедрой теоретической физики».

Обзор Эйнштейна был призван закрепить торжественное объединение механики Галилео Галилея и Исаака Ньютона с теориями электричества и магнетизма Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла. Он объяснял бы открытое несколькими годами раньше замедление хода часов при движении и уменьшение размеров движущихся тел. Он проливал бы свет на странную формулу, демонстрирующую взаимозаменяемость массы и энергии и утверждающую, что превысить скорость света невозможно. Обзор принципа относительности показал бы, что почти вся физика должна определяться новым общим набором правил.

За несколько месяцев 1905 года Эйнштейн написал ряд работ, которые преобразовали физику. Во вдохновенном порыве он продемонстрировал, что свет ведет себя как пучки энергии, напоминающие частицы материи. Также им было показано, что хаотичные перемещения пылинок на поверхности налитой в блюдце воды вызваны молекулами воды, вибрирующими и отскакивающими друг от друга. Кроме того, он решил проблему, досаждавшую физикам почти полвека: почему кажется, что действие физических законов зависит от того, каким образом мы на них смотрим. Все это Эйнштейн систематизировал в своем принципе относительности.

И эти ошеломляющие открытия Эйнштейн сделал, работая скромным патентным экспертом в Берне и попутно анализируя научные и технические разработки того времени. В 1907 году он все еще находился там, так и не попав в, казалось бы, избегающие его высокие академические круги. На самом деле Эйнштейн мало напоминал человека, способного переписать часть основных физических законов. Во время обучения в высшей технической школе Цюриха он пропускал не интересующие его лекции и восстанавливал против себя людей, которые могли бы пестовать его гений. Один из профессоров сказал ему: «Вы очень умный мальчик… Но у вас есть один недостаток: вы никогда не позволяете, чтобы вам на что-либо указывали». Из-за того, что научный руководитель запретил Эйнштейну работать над самостоятельно выбранной темой, его финальная работа оказалась столь унылой, что заслужила крайне низкий балл, впоследствии помешавший ему получить должность ассистента во всех университетах, куда он посылал заявки.

С момента выпуска в 1900 году до поступления на работу в патентное бюро в 1902 карьера Эйнштейна представляла собой цепь неудач. Довершил его разочарование тот факт, что отправленная в 1901 году в Цюрихский университет докторская диссертация годом позже была отклонена. В представленной рукописи Эйнштейн опровергал ряд идей, выдвинутых одним из величайших физиков-теоретиков конца XIX века Людвигом Больцманом. Попытка иконоборчества потерпела фиаско. И докторскую степень он получил только в 1905 году за работу «Новое определение размера молекул». Для себя же Эйнштейн обнаружил, что степень «значительно облегчает взаимоотношения с людьми».

Пока он пробивал себе путь, его друг Марсель Гроссман шел к должности достопочтимого профессора кратчайшим путем. Именно благодаря дисциплинированному, старательному и любимому учителями Гроссману, который подробно и тщательно вел конспекты лекций, Эйнштейну удалось удержаться в университете. Во время обучения в Цюрихе Гроссман стал близким другом Эйнштейна и его будущей жены Милевы Марич. Все трое окончили университет одновременно. В отличие от карьеры Эйнштейна, карьера Гроссмана с самого начала шла гладко. В 1902 году он был назначен ассистентом в Цюрихе и в 1902 получил докторскую степень. После недолгой преподавательской деятельности Гроссман стал профессором начертательной геометрии в Швейцарской высшей технической школе в Цюрихе. Эйнштейну же не удавалось устроиться даже на место школьного учителя. И только благодаря рекомендации отца Гроссмана, знакомого с главой Федерального бюро патентования изобретений, Эйнштейн был взят на должность патентного эксперта.

Работа в бюро патентов стала для Эйнштейна благословлением. После долгой финансовой нестабильности и зависимости от отца он, наконец, смог жениться на Милеве и начать семейную жизнь в Берне. Относительная монотонность работы с четко определенными задачами и отсутствием отвлекающих факторов создала идеальную среду для размышлений. За несколько часов Эйнштейн справлялся с текущими делами и мог сконцентрироваться на собственных проблемах. За маленьким деревянным столом в компании немногочисленных книг и бумаг со своей «кафедры теоретической физики» он мог мысленно ставить эксперименты. И в процессе этих, как он называл их по-немецки, gedankenexperimenten, Эйнштейн воображал ситуации и конструкции, позволяющие исследовать физические законы. В отсутствие настоящей лаборатории он прокручивал в голове тщательно моделируемые игры, инсценируя события, которые затем детально изучал. Эйнштейн хорошо знал математику и мог изложить результаты таких экспериментов на бумаге, создавая изысканные шедевры, в конечном счете поменявшие путь развития физики.

Владельцы патентного бюро были довольны работой Эйнштейна и повысили его до эксперта II класса, и это никак не было связано с появившейся у него научной репутацией. Эйнштейн все еще корпел над ежедневными порциями патентов, когда в 1907 году немецкий физик Йоханесс Штарк поручил ему обзор «О принципе относительности и вытекающих из него следствиях». На эту работу было отведено два месяца, и за это время Эйнштейн осознал, что выведенный им принцип относительности не универсален и требует тщательного пересмотра.

Статья в ежегоднике предполагалась как краткое изложение исходного принципа относительности, который гласил, что законы физики должны быть одинаковы в любой инерциальной системе отсчета. Лежащая в основе принципа идея была не нова и эксплуатировалась столетиями.

Законы физики и механики описывают движение, ускорение и замедление объектов под действием сил. В XVII веке английский физик и математик Исаак Ньютон сформулировал законы, объясняющие реакцию объектов на механические силы. Они последовательно демонстрировали, что произойдет при столкновении двух бильярдных шаров, вылете пули из ружья или при подбрасывании мяча в воздух.

Инерциальной называется система отсчета, движущаяся с постоянной скоростью. Если вы читаете эту книгу, сидя на одном месте, например дома в кресле или за столиком в кафе, вы находитесь в инерциальной системе отсчета. Другим классическим примером является равномерно перемещающийся скорый поезд с закрытыми окнами. Находящийся внутри человек после достижения постоянной скорости движения не сможет определить, движется поезд или стоит. Обнаружить разницу между двумя инерциальными системами в принципе невозможно, даже если одна перемещается с большой скоростью, а вторая покоится. Результат измерения действующих на объект сил будет тождественным в любой из инерциальных систем. Законы физики работают во всех этих системах одинаково.

Девятнадцатый век породил совершенно новые законы, объединившие две основные силы: электричество и магнетизм. На первый взгляд эти явления не связаны друг с другом. Электричество – это лампочки у нас дома или молнии во время грозы, а с проявлениями магнетизма мы сталкиваемся, прикрепляя магнитики к холодильнику или определяя направление по компасу. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что эти две силы можно рассматривать как различные проявления общей базовой силы, электромагнетизма, восприятие которой зависит от того, как именно движется наблюдатель. Человек, сидящий рядом с магнитным бруском, столкнется с магнетизмом, но не с электричеством. А вот при быстром круговом движении можно ощутить не только магнетизм, но и толику электричества. Максвелл скомпоновал две силы в одну, не зависящую от положения и скорости наблюдателя.

При попытке объединить ньютоновские законы движения с описывающими электромагнитное взаимодействие законами Максвелла возникает проблема. Если бы окружающий мир и в самом деле подчинялся этим законам, из магнитов, проводов и блоков можно было бы создать инструмент, не ощущающий воздействия сил в одной инерциальной системе, но способный регистрировать силу в другой, нарушая постулат о неразличимости инерциальных систем. Соответственно, создавалось впечатление, что законы Ньютона противоречат законам Максвелла. Эйнштейн хотел устранить эту «асимметрию».

За предшествующий публикациям 1905 года срок, проведя серию направленных на решение данной проблемы мысленных экспериментов, Эйнштейн разработал компактный принцип относительности. Результатом его умственных упражнений стали два постулата. По-новому был сформулирован сам принцип: проявления законов физики должны выглядеть одинаково в любой инерциальной системе отсчета. Второй постулат был более радикальным: в любой инерциальной системе отсчета скорость света всегда одинакова и составляет 299 792 километра в секунду. Именно эти постулаты позволили скорректировать ньютоновскую механику и законы движения таким образом, что при их объединении с законами электромагнитного взаимодействия Максвелла инерциальные системы оставались бы неразличимыми. Кроме того, новый принцип относительности Эйнштейна привел к ошеломительным результатам.

Последний постулат требует корректировки законов Ньютона. В классической Вселенной Ньютона скорость аддитивна. Свет фар движущегося автомобиля перемещается быстрее, чем свет стационарного источника. А во Вселенной Эйнштейна это не так. Существует предельная космическая скорость, равная 299 792 километрам в секунду. Этот барьер не в состоянии преодолеть даже самая мощная ракета. Но возникает странный эффект. К примеру, человек, путешествующий в поезде, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, будет стареть медленнее, чем человек, стоящий на платформе и наблюдающий, как этот поезд проходит мимо. А размер такого поезда во время движения оказывается меньше, чем во время стоянки. Время растягивается, а пространство сжимается. Эти странные вещи показывают, что в мире относительности время и пространство переплетены друг с другом и взаимозаменяемы.

Казалось бы, принцип относительности Эйнштейна упростил физику, но последствия при этом получались странные. И осенью 1907 года в процессе подготовки обзора ему пришлось признать, что хорошо работающая на первый взгляд гипотеза пока далека от завершения. В картину не укладывалась теория тяготения Ньютона.

До появления Альберта Эйнштейна Ньютон считался богом в мире физики. Его работы демонстрировались как пример ошеломляющего успеха современной мысли. В конце XVII века Ньютон объединил действующую на очень маленькие и на очень большие объекты силу тяжести в одно простое уравнение. Оно объясняло как космические явления, так и нашу повседневную жизнь.