Текст книги "Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн"

Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн, Минковский и специальная теория относительности

В последнее время появляется большое количество публикаций{54}54
  См. ссылки в комментариях к первой главе.


[Закрыть] с целью восстановления «заниженной роли» французского математика Анри Пуанкаре в развитии (специальной) теории относительности. Автор этой книги является безусловным поклонником математического гения Пуанкаре, а также ценителем его научно-популярных книг (в особенности «Ценности науки») и горячо рекомендует их для чтения, поскольку даже через 100 лет после написания они остаются образчиком идейного богатства, которому мало равных. Тем не менее, читая литературу, превозносящую вклад Пуанкаре (и зачастую абсурдно занижающую вклад Эйнштейна), а также подробно перечитывая тексты Пуанкаре, автор пришел к выводу, что стандартные представления научной историографии в конечном итоге справедливы: Пуанкаре пошел значительно дальше, чем Лоренц (и в физическом, и в математическом плане). Он открыл (в 1905 г.) значительную часть математической структуры, лежащей в основе теории относительности, однако ему не удалось преодолеть самую главную «ступень», касающуюся концепции природы времени – концепции, которую Эйнштейн заложил в основу этой теории в июне 1905 г. Кроме того, следует также признать, что Минковский, а не Пуанкаре, преодолел другую концептуальную ступень, имеющую большое значение, – осознание необходимости избавления от отдельных категорий пространства и времени и замены их новой категорией, определяющей иную физическую реальность, – категорией пространства-времени.

Подробное обсуждение всех этих вопросов заняло бы слишком много места, и мы ограничимся здесь лишь кратким рассмотрением некоторых основных моментов{55}55
  Для более подробной информации о различиях подходов Пуанкаре и Эйнштейна, см. книги Авраама Паиса и Мишеля Пати (Abraham Pais, Michel Paty) в Избранной библиографии, а также статью Оливье Дарриголя «Должны ли мы пересмотреть историю теории относительности?» (d’Olivier Darrigol, «Faut-il réviser l’histoire de la relativité?», Lettre de l’Académie des sciences N 14, hiver 2004), доступна на сайте www.academiesciences.fr. См. также статью Тибо Дамура «Пуанкаре, теория относительности, бильярд и симметрия» (Thibault Damour, Poincaré, Relativity, Billiards and Symmetry), доступную в электронном научном архиве hep-th/0501168.


[Закрыть]. Но прежде чем вдаваться в детали, заметим, что критические замечания, сформулированные ниже, нисколько не принижают важности вклада Пуанкаре. Цель их заключается в том, чтобы попытаться охарактеризовать основные различия между идеями Пуанкаре и Эйнштейна. Если бы до 1912 г., т. е. даты преждевременной смерти Пуанкаре, встал вопрос о присуждении Нобелевской премии по физике за открытие теории относительности, то идея разделить эту премию между Лоренцом, Пуанкаре и Эйнштейном выглядела бы вполне уместной. Каждый из них сделал свой вклад в конечную формулировку теории.

Тремя основными аргументами тех, кто превозносит вклад Пуанкаре, являются: (i) метод синхронизации движущихся часов путем обмена электромагнитными сигналами (обсуждавшийся Пуанкаре в 1900 и 1904 гг.); (ii) тот факт, что (уже в сентябре 1904 г.) Пуанкаре говорил о некоем «принципе относительности» и ставил его в один ряд с другими основными принципами физики; и (iii) тот факт, что он ввел математическую структуру пространства-времени (в июле 1905 г.). Мы уже касались первого момента в предыдущей главе и пришли к выводу, что внимательное чтение текстов Пуанкаре показывает, что он никогда не обдумывал и даже не выводил формально эффект «замедления времени», представляющий основную концептуальную новизну эйнштейновской теории относительности. Что касается второго момента, то два следующих факта свидетельствуют о серьезном отличии подходов Пуанкаре и Эйнштейна к статусу допустимого «принципа относительности». Во-первых, в статье, опубликованной в 1908 г., при обсуждении последних экспериментов Кауфмана по динамике электронов на больших скоростях, опровергающих прогнозы релятивистской динамики Лоренца (и Эйнштейна), Пуанкаре неожиданно отказывается от своей уверенности в справедливости принципа относительности:

«[Эти опыты] подтверждают теорию Абрагама. Принцип относительности, таким образом, мог бы и не иметь того строгого значения, которое ему пытаются придать; у нас могло бы не остаться никаких оснований полагать, что положительные электроны лишены реальной массы, так же как и отрицательные электроны»[3]3
  Однако в следующем непроцитированном предложении Пуанкаре пишет: «И все-таки, чтобы окончательно сделать такой вывод, требуется дополнительное размышление. Вопрос представляет такую важность, что было бы желательно, чтобы опыт Кауфмана был воспроизведен другими экспериментаторами». – Прим. пер.


[Закрыть].

Обратим внимание, что курсив принадлежит Пуанкаре и что теория Абрагама представляла на тот момент альтернативу теории Лоренца, при этом не удовлетворяя принципу относительности. Мы также приводим последнюю часть этой фразы Пуанкаре, поскольку, несмотря на ее туманный смысл в глазах современного читателя, она показывает, что Пуанкаре находился в рамках определенного образа мысли, совершенно отличного от эйнштейновского. В том или ином виде этот образ мысли Пуанкаре разделяли и другие «оппоненты» Эйнштейна, такие как Лоренц, Абрагам, Кон и Ланжевен. Суть его состоит в попытке положить в основу электродинамики движущихся тел определенный набор предположений о микроскопическом устройстве материи (и, возможно, эфира). С этой точки зрения, любой «принцип относительности» мог бы возникнуть, скорее, не как базовый постулат, а как некоторый результат, подлежащий обоснованию исходя из каких-либо гипотез о структуре материи и действующих на нее сил.

Между тем образ мысли Эйнштейна был совершенно иным. Можно даже сказать, что он был противоположным выбранному его оппонентами. Фактически Эйнштейн исходил из «принципа относительности» вместо того, чтобы пытаться вывести его из каких-либо гипотез о материи, как это делали другие; он полагал его в качестве постулата, т. е. в качестве отправной точки и средства, из которого выводятся результаты общего порядка о структуре материи. В целом, как Эйнштейн сам замечал, его вклад состоял в том, что он «повернул» проблему другой стороной. Такой подход, основанный на признании принципа симметрии в качестве исходного постулата и на дальнейшем выводе с его помощью всевозможных результатов о структуре материи и ее взаимодействий, весьма современен; он также оказался весьма продуктивным в различных областях физики XX в. Однако, когда Эйнштейн ввел его, это выглядело совершенно по-новому и шокировало определенную часть физиков (в том числе Лоренца), считавших, что Эйнштейн «запутывает», принимая в качестве постулата то, что должно вытекать как следствие{56}56
  Я благодарю Дэвида Гросса за интересную дискуссию по этому вопросу.


[Закрыть].

Приведем два конкретных примера, демонстрирующих разницу между воззрениями Эйнштейна и Пуанкаре. В 1907 г., обсуждая все те же эксперименты Кауфмана, которые Пуанкаре интерпретировал как опровергающие принцип относительности, Эйнштейн предлагает абсолютно иную интерпретацию:

«Принимая во внимание трудность исследования, такое согласие [между результатами Кауфмана и предсказаниями теории относительности] можно считать удовлетворительным. Однако наблюдаемые отклонения являются систематическими и значительно превосходят экспериментальные ошибки измерений Кауфмана. […] Вопрос о том, являются ли причинами систематических отклонений еще не учтенные источники ошибок или несоответствие основ теории относительности экспериментальным фактам, можно с уверенностью решить лишь тогда, когда будут получены более разнообразные экспериментальные данные.

Необходимо также отметить, что теории движения электронов Абрагама и Бухерера дают кривые, согласующиеся с экспериментальной кривой значительно лучше, чем кривая, соответствующая теории относительности. Однако, по нашему мнению, эти теории вряд ли достоверны, поскольку их основные предположения о массе движущегося электрона не вытекают из теоретической системы, охватывающей более широкий круг явлений».

Второй пример, где мы видим «в действии» различие точек зрения Эйнштейна и Пуанкаре, дает то единственное взаимодействие между ними, когда-либо имевшее место в связи с теорией относительности. Эйнштейн и Пуанкаре встречались только один раз, в Брюсселе в 1911 г., на первом международном Сольвеевском конгрессе. Этот конгресс был посвящен не столько относительности, сколько начинавшей зарождаться квантовой теории. Между тем Морис де Бройль свидетельствует, что в один прекрасный день, «после того как Эйнштейн изложил свои идеи [о теории относительности]{57}57
  Здесь мы разделяем взгляд Мишеля Пати в «Философии Эйнштейна» (Michel Paty, Einstein philosophe), интерпретирующего эту дискуссию, как относящуюся скорее к релятивистской механике. Эта интерпретация, однако, не является общепринятой среди историков науки. Питер Галисон считает, что она относится к квантовой механике: см.: разд. 1 «История» // «Квантовая структура пространства и времени», Труды 23-го Сольвеевского конгресса по физике под ред. Дэвида Гросса, Марка Анно и Александра Севрина (The Quantum Structure of Space and Time, Proceedings of the 23d Solvay Conference on Physics, édité par David Gross, Marc Henneaux et Alexander Sevrin, World Scientific, Singapore, 2007), в частности с. 8, 9 и 19. В то же время Оливье Дариголь (из личного общения) считает, что она, скорее, относится к статистической механике.


[Закрыть], Пуанкаре спросил его: “Какую механику вы предполагаете в своих рассуждениях?” Эйнштейн ответил: “Никакой механики”, – что, как показалось, сильно удивило его собеседника»[4]4
  По-видимому, имелось в виду два возможных типа механики: волновая и корпускулярная. С учетом тематики конгресса вопрос, возможно, заключался в том, какая природа света (волновая или корпускулярная) лучше соотносится с теорией относительности, в основе которой лежит принцип постоянства скорости света. – Прим. пер.


[Закрыть].

Наконец, отметим, что, хотя первоначально открытие математической структуры пространства-времени специальной теории относительности было сделано в знаменитой статье Пуанкаре в июле 1905 г., Пуанкаре (в отличие от Минковского) никогда не считал, что эта структура может быть действительно основополагающей для физики. Это становится ясно из последнего текста, написанного Пуанкаре по этому поводу за несколько месяцев до смерти. Текст содержит{58}58
  «Время и пространство» – лекция, прочитанная 4 мая 1912 г. в Лондонском университете и опубликованная (среди прочего) в книге Пуанкаре «Последние мысли» (H. Poincaré, Dernières pensées, Paris, Flammarion, 1913).


[Закрыть] утверждения, которые, взятые вне контекста, могли бы свидетельствовать о том, что Пуанкаре горячо разделял физический интерес в отношении концепции четырехмерного пространства-времени:

«Все происходит, как если бы время было четвертым измерением пространства […] необходимо отметить, что в новой концепции пространства и времени больше не существует двух совершенно отдельных составляющих, которые могли бы быть рассмотрены независимо, но две части, которые тесно переплетаются таким образом, что больше не могут быть разделены».

Однако, на самом деле, в этом тексте Пуанкаре представляет «новую концепцию», или, как он предпочитал говорить, «новое соглашение некоторых физиков» (никогда не упоминая явно ни Эйнштейна{59}59
  Кроме того, кажется, что Пуанкаре никогда не ссылался на работу Эйнштейна по теории относительности. И, возможно, даже не знал о ее существовании вплоть до 1908 г. Он узнал о ней лишь в 1909 г. (скорее всего, во время лекций, которые он читал в Геттингене, и в любом случае из письма Миттаг-Леффлера).


[Закрыть], ни Минковского), лишь только для того, чтобы как можно дальше от нее дистанцироваться. В самом деле, последний абзац этого текста гласит:

«Какова будет наша позиция в отношении этих новых концепций? Будем ли мы вынуждены изменить свои выводы [относительно имеющейся у нас свободы для принятия тех или иных соглашений, которые нам кажутся приемлемыми]? Конечно, нет: мы приняли соглашение только потому, что оно казалось нам удобным, и мы сказали, что ничто не может заставить нас отказаться от него. Сегодня некоторые физики хотят принять новое соглашение. И не потому, что они вынуждены. Просто они считают это новое соглашение более удобным, вот и все; и те, кто не разделяет этого мнения, вправе сохранять старый порядок и не нарушать старые привычки. И, между нами, я думаю, это то, что они будут делать долго».

Мы видим здесь (в отличие от эффективного подхода Эйнштейна) бесплодность научной философии Пуанкаре{60}60
  Прекрасный анализ научной философии Пуанкаре (по поводу полемики относительно движения Земли) см. в статье Жана Maувина «Крутится ли Земля?» (Jean Mawhin, «La terre tourne-t-elle?», Ciel et Terre, vol. 111, p. 3–10, 1995). Пока мы находимся в ожидании долгожданной биографической книги Жана Maувина о Пуанкаре.


[Закрыть], сводящейся к абсолютной «условности». Возможно, этот слишком критический подход Пуанкаре в сочетании с его скептическим идеализмом, консерватизмом и математическим видением физической реальности помешал ему сначала серьезно отнестись, а затем физически развить понятие структуры пространства-времени, которое ему удалось первым обнаружить.

Эфемерная материя

Плодотворность «новой концепции» Эйнштейна, состоящей в применении принципа относительности в качестве симметрии, устанавливающей реальность, и выводе из него общих свойств материи и ее взаимодействий, стала очевидна очень скоро. Через несколько месяцев после выхода статьи в июне 1905 г. Эйнштейн понял, что из симметрии теории относительности следует замечательный вывод: «масса есть мера энергии, содержащейся в теле», в частности «свет несет массу». Речь идет о самом известном уравнении физики XX в.: E = mc². Здесь m – масса тела, и данное уравнение связывает эту массу с энергией E, которая представляет энергию, «содержащуюся» в теле{61}61
  Уточним, что энергию E, «содержащуюся в массе» m, следует рассматривать в системе отсчета, в которой тело покоится.


[Закрыть]. Это уравнение потрясает своей простотой и глубиной. Безусловно, оно изменило все представления о материи, которые существовали ранее.

Согласно Ньютону, масса тела считалась его «количеством материи». В то же время на протяжении веков материя представлялась некоторой сохраняющейся при любых трансформациях субстанцией, несмотря на то что ее внешний вид мог изменяться либо она могла трансформироваться в новые формы. Это тот самый знаменитый принцип Лавуазье «ничего не теряется, ничего не создается, все трансформируется», согласно которому масса остается неизменной при всех преобразованиях материи. Лавуазье экспериментально проверил этот закон сохранения массы с помощью различных химических реакций, рекомбинирующих материю в новые формы.

Согласно уравнению Эйнштейна, E = mc², или, скорее, в обратном виде m = E/c², масса и, следовательно, материя утрачивают свое постоянство. Если тело получает энергию, например при нагревании, его масса увеличивается. Тогда как, если тело теряет энергию, например в виде электромагнитного или другого излучения, его масса уменьшается. В своей статье в сентябре 1905 г., в которой он ввел уравнение E = mc², Эйнштейн упоминает возможность проверить эквивалентность между массой и энергией в случае радия, открытого семью годами ранее Пьером и Марией Кюри. Радий представлял определенную проблему для классической физики, поскольку, по всей видимости, нарушал принцип сохранения энергии. Он непрерывно испускал энергию, и Кюри показали при помощи калориметра, что количество тепла (и, таким образом, энергии), постоянно излучаемое радием, было весьма заметно. В то же время эта постоянная энергетическая активность абсолютно не влияла на радий, который, казалось, продолжал существовать без изменений в течение многих лет и, таким образом, представлялся неисчерпаемым источником энергии. Эйнштейн предсказывал, что данное излучение энергии, наоборот, должно происходить за счет массы излучающего тела и, следовательно, должно было заметно влиять на радий. Между тем в обычных единицах скорость света – весьма большая величина, поэтому ее квадрат имеет просто огромное значение, и уравнение Эйнштейна m = E/c² предсказывает, что потеря массы, соответствующая потере энергии радия, очень мала.

Через несколько лет Поль Ланжевен (который независимо от Эйнштейна предсказывал существование уравнения E = mc²) предположил, что, возможно, будет легче экспериментально проверить эквивалентность массы и энергии в случае ядерных реакций, в которых происходит рекомбинация или же трансмутация определенных атомных ядер. Первая экспериментальная проверка уравнения E = mc² была получена Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г. при бомбардировке протонами лития-7 и изучении событий, когда столкновения вызывали деление ядра мишени на два ядра гелия-4. Поскольку мы обсуждаем здесь ядерные реакции, уместно отметить, что, несмотря на устойчивый миф, уравнение E = mc² никое образом не влекло осознание возможности создания «атомной» (или, точнее, «ядерной») бомбы, ни тем более ее устройства или способа реализации. На самом деле, наиболее простое «объяснение» происхождения огромной энергии, высвобождаемой в результате деления ядер при взрыве бомбы либо в ядерном реакторе, состоит в том, что эта энергия, по сути, есть не что иное, как электроэнергия отталкивания положительно заряженных протонов делящегося ядра. Простой расчет, основанный на законе Кулона для силы взаимодействия между электрическими зарядами, известный с 1790-х гг., и на знании радиуса атомного ядра, дает хорошую оценку энергии, высвобождающейся при делении ядра, без какой-либо нужды апеллировать к эквивалентности между массой и энергией.

Помимо многочисленных научных результатов, вытекающих из утверждения об эквивалентности массы и энергии, E = mc², весьма любопытным его следствием стал процесс плавного переосмысления неизменности материи и осознания ее эфемерности. Со времен греков с их представлениями о неделимости атомов материя рассматривалась как парадигма некоторой постоянной субстанции, лежащей в основе всего реального. Благодаря Эйнштейну материя потеряла свою субстанциальную устойчивость или по крайней мере перестала быть привязанной к определенной форме вещества. Теперь материя может преобразовываться из одного вещества в другое и даже полностью распадаться в «световую энергию» или любое другое излучение, считавшееся ранее «нематериальным»{62}62
  Поскольку некоторые поклонники Пуанкаре доходят до абсурда, утверждая, что Пуанкаре мог бы получить в общем виде равенство E = mc² раньше Эйнштейна, процитируем в качестве примера внутреннего неприятия утверждения об эквивалентности массы и энергии фразу, написанную Пуанкаре в 1908 г. (через три года после выхода работы Эйнштейна, вероятно, еще не известной Пуанкаре) в статье под названием «Динамика электрона». Пуанкаре говорит об отдаче, которую испытывает материальное тело, испускающее электромагнитное излучение в некотором предпочтительном направлении, противопоставляя ее отдаче орудия при выстреле: «Орудие имеет отдачу, потому что снаряд, на который оно действует, производит на него обратное действие. Но в случае излучения это не так. То, что ушло [т. е. электромагнитное излучение] не является материальным снарядом: это суть энергия, а энергия не обладает массой…»


[Закрыть]. Весьма ярким примером эфемерности материи является возможность, открытая благодаря эквивалентности массы и энергии, полного распада атома позитрония, состоящего из электрона и позитрона, и перехода в электромагнитное излучение. В начальном состоянии системы имеются две по отдельности абсолютно стабильные частицы материи: обычный отрицательно заряженный электрон (называемый также негатрон) и электрон с положительным зарядом (или позитрон). Начальное «материальное» состояние спонтанно распадается, когда негатрон слишком близко приближается (в классическом смысле) к позитрону, и превращается в конечное «нематериальное» состояние, в котором имеется исключительно электромагнитное излучение (а точнее, два кванта света, см. главу 5). Это явление было обнаружено и подробно изучено в конце 1940-х гг., и с его помощью можно было с большой точностью проверить выполнение уравнения E = mc². Еще более поразительным является обратный феномен, также имеющий многочисленные подтверждения: в качестве начального можно взять «нематериальное» состояние, в котором нет ничего, кроме электромагнитного излучения (например, два сталкивающихся кванта света, обладающих достаточным количеством энергии), и это начальное состояние приводит к появлению двух (или более) «материальных» частиц. Читатель, возможно, подумает, что речь здесь идет о каких-то исключительных ситуациях, практически не имеющих конкретных проявлений для обычной материи вокруг нас. Это далеко не так! Напротив, согласно современной космологии, вся окружающая нас «материя», а также материя, из которой состоим мы сами, не существовала на ранних стадиях расширения Вселенной и возникла из энергии, заключенной в непрерывном поле (подобном электромагнитному полю) и заполняющей все пространство.

Глубокое упрощение фундаментальных категорий реальности

Подводя итог концептуальных революций, сделанных Эйнштейном в двух работах 1905 г., можно сказать, что до 1905 г. физическая реальность описывалась с помощью четырех абсолютно независимых категорий: пространства, времени, силы и материи. Работа, опубликованная в июне 1905 г., привела к ликвидации двух отдельных категорий пространства и времени и их замене новой фундаментальной категорией реальности – пространством-временем. Тогда как работа, вышедшая в сентябре 1905 г., повлекла исчезновение традиционного различия между силой и материей. Действительно, с одной стороны, материя традиционно ассоциировалась с массой, поскольку последняя считалась определяющей «количество вещества». С другой стороны, любая сила обязательно соответствовала определенной энергии взаимодействия между материальными объектами. Например, электрическая сила связана с энергией притяжения или отталкивания между электрическими зарядами. Однако уравнение E = mc² ассоциирует любую энергию (и, в частности, энергию взаимодействия) с определенным вкладом в массу. Таким образом, на языке указанных категорий это уравнение приписывает любой силе (взаимодействия) определенное количество материи. В новой формулировке предлагалось отказаться от используемых ранее отдельных категорий силы и материи и заменить их новой фундаментальной категорией массы-энергии.

Заметим, наконец, что эта новая категория удовлетворяет фундаментальному требованию постоянства, которое Лавуазье предполагал выполняющимся только для массы. В «релятивистской» системе сумма масс материальных частиц не сохраняется отдельно, так же как не сохраняется отдельно энергия взаимодействия или, в более общем контексте, энергия, содержащаяся в различных полях (таких как электромагнитное поле). Но полная масса-энергия (т. е. сумма энергии, запасенной в виде масс материальных частиц, их кинетической энергии и энергии непрерывных полей) сохраняется в процессе любых изменений, в том числе и тех, в которых вся «материя» исчезает, превращаясь в энергию излучения различных полей.

Глава 3
Упругое пространство-время

Вероятно, это величайшее научное открытие, из когда-либо сделанных.

– П. Дирак, об общей теории относительности

Ньютон свергнут с престола

Лондон, Англия, четверг, 6 ноября 1919 г.

В четверг, 6 ноября 1919 г., атмосфера в здании Королевского общества, самого известного британского научного общества, была наэлектризованной. Многие именитые ученые собрались в этот день в Берлингтон-Хауз, поскольку здесь должно было состояться совместное заседание Лондонского королевского общества и Королевского астрономического общества. Со вступительным словом выступил президент Лондонского королевского общества сэр Джозеф Джон Томсон, получивший известность за открытие первой элементарной частицы (электрона). Он напомнил, что на повестке общего собрания стоит обсуждение результатов, полученных во время двух британских астрономических экспедиций, организованных для изучения полного солнечного затмения 29 мая 1919 г. Задача экспедиций состояла в получении снимков звездного неба вблизи Cолнца днем в момент, когда затмение полное и позволяет видеть звезды, и в сравнении их с фотоснимками той же области звездного неба, сделанными ночью, когда Солнце далеко от нее. Цель этих наблюдений заключалась в том, чтобы подтвердить либо опровергнуть предсказание, сделанное Эйнштейном в ноябре 1915 г. на основе его новой теории гравитации, которая обобщала теорию относительности 1905 г.

Все присутствовавшие понимали исключительную важность этих результатов. По сути, это было сражение на высшем уровне между Ньютоном и Эйнштейном. В 1686 г. Ньютон создал математически точную теорию гравитации, базирующуюся на введенных им же понятиях абсолютного пространства и времени, а также силы тяготения, уменьшающейся обратно пропорционально квадрату расстояния. Априори эта теория не могла ничего сказать о том, как гравитация могла бы влиять на свет. Однако в соответствии с общепринятыми представлениями XX в. о свете как об электромагнитной волне ньютоновская теория, казалось, предсказывала, что гравитация никоим образом не может влиять на свет. В частности, лучи света, проходящие рядом с Солнцем (например, от звезд, видимых в непосредственной близости от Солнца во время затмения), не должны затрагиваться его гравитационным полем. В то же время на основе старых представлений, которые разделял и сам Ньютон, о свете как о мельчайших частицах материи можно было заключить, что Солнце должно отклонять в свою сторону лучи света, проходящие вблизи от его края, на угол, равный 0,875 угловой секунды. Что касается новой теории Эйнштейна, то она позволяла сделать еще более точную оценку{63}63
  Мы говорим здесь о предсказании, сделанном в окончательной версии общей теории относительности Эйнштейна, которая появилась в ноябре 1915 г. Уже в 1907 г. Эйнштейн понял, что в любом обобщении теории относительности, допускающем гравитацию, должно быть гравитационное влияние на распространение света. В 1911 г. он получил предварительный результат, согласно которому Солнце должно отклонять любые лучи, проходящие вблизи его контура, на 0,875 угловой секунды. К счастью для него, Первая мировая война сделала невозможной проверку этого неполного прогноза во время затмения 21 августа 1914 г. (Jean Eisenstaedt, Einstein et la relativité générale, Paris, CNRS Éditions, 2002).


[Закрыть]: Солнце должно отклонять световые лучи, проходящие вблизи его контура, на угол, равный 1,75 угловой секунды, т. е. давала в точности удвоенное ньютоновское значение (в приведенной выше второй интерпретации).

Портрет Ньютона на стене зала заседаний Королевского общества придавал этому важному событию еще большую торжественность. Помимо того, что Ньютон был величайшим ученым всей истории британской науки, он также в течение многих лет возглавлял Королевское общество. В этот день в зависимости от результатов, которые предстояло объявить, должна была подтвердиться или не подтвердиться вековая концепция ньютоновского абсолютного пространства и абсолютного времени. Последнее означало свержение Ньютона с престола и замену его на Эйнштейна с теорией искривленного пространства-времени, теорией, которая казалась весьма туманной для большинства собравшихся в этот день в Берлингтон-Хауз ученых. Отметим к тому же, что Эйнштейн был немецким ученым{64}64
  На самом деле Эйнштейн отказался от немецкого гражданства, когда ему было 16 лет, и принял швейцарское гражданство. Тем не менее он был членом Прусской академии наук, и Германия считает, что это снова дало ему немецкое гражданство. Позже Эйнштейн принял также американское гражданство, но сохранил швейцарское гражданство на всю оставшуюся жизнь.


[Закрыть], разработавшим свою теорию в Берлине во время Первой мировой войны. Умение принимать справедливые решения, продемонстрированное британским научным сообществом (которое смогло отказаться от самой известной британской научной теории в пользу теории, созданной во враждебной стране), вызывает истинное уважение.

Чтобы почувствовать исключительную атмосферу этого заседания, взгляните на свидетельство очевидца, математика и логика Альфреда Норта Уайтхеда:

«Атмосфера напряженного внимания была подобна той, что присуща греческой драме. Мы были хором, пытающимся истолковывать указания судьбы по мере их появления в процессе развития этого исключительного события. Сама обстановка имела весьма драматический характер: традиционный церемониал с портретом Ньютона на заднем плане, как будто призванный напоминать, что величайшая научная теория, позволившая описать такое количество физических явлений, после двух с лишним столетий вот-вот подвергнется своему первому изменению. К тому же в этой драме присутствовал важный человеческий фактор: героическое приключение мысли главного героя подходило к своему заключению».

Сэр Дж. Томсон предоставил слово первому оратору: представителю Королевского астрономического общества сэру Фрэнку Дайсону – человеку, нашедшему в себе достаточно смелости, чтобы в самый разгар кровопролитной войны принять решение (после предложения, сделанного физиком Артуром Эддингтоном) об организации двух необычных научных экспедиций. Дайсон описал цель экспедиций, использованное оборудование и весьма сложные методы анализа полученных экспериментальных данных. Он закончил свое выступление следующими словами:

«После тщательного изучения фотопластин я могу утверждать, что нет никаких сомнений в том, что эти данные полностью подтверждают предсказание Эйнштейна. Результаты наблюдений вполне однозначны – свет отклоняется в соответствии с законом гравитации Эйнштейна».

Далее он передал слово двум ученым, возглавлявшим экспедиции: первым выступил А. Кроммелин от экспедиции, наблюдавшей затмение в Собрале (Бразилия), а затем – Артур Эддингтон от экспедиции на остров Принсипи, расположенный к западу от африканского побережья. Оба результата наблюдения отклонения света, проходящего вблизи края солнечного диска (около 2 угловых секунд в случае Собрала и около 1,6 угловой секунды в случае Принсипи), подтвердили предсказание Эйнштейна, исключив два других варианта, имеющих объяснение в рамках ньютоновской физики. Несмотря на весьма большой диапазон погрешностей измерения – 6 % для Собрала и почти 20 % для Принсипи – и возможность недооценки даже этих значений, в справедливости предсказаний Эйнштейна и в несоответствии «предсказаний» Ньютона удалось убедить (почти) всех присутствующих в ходе обсуждения после представления результатов.

Физик Людвиг Зильберштейн, единственный настроенный критически, призвал собравшихся к благоразумию. С выразительным жестом в сторону портрета Ньютона, как бы призывая его в качестве свидетеля, он воскликнул: «Ради памяти этого великого человека мы должны действовать чрезвычайно осторожно, прежде чем изменять или пересматривать его закон всемирного тяготения». Но для подавляющего большинства участников дискуссия была уже закончена, и сэр Дж. Томсон, президент Королевского общества и преемник Ньютона в этом титуле, вызвал всеобщее одобрение, подведя итог: «Это самый важный результат, полученный с момента, когда Ньютон огласил свои принципы, и в высшей степени уместно, что он впервые объявлен именно на заседании Общества, так глубоко с ним связанного. Это действительно одно из величайших достижений человеческой мысли». Вместе с тем сэр Дж. Томсон выразил сожаление, что это «величайшее достижение человеческой мысли» было также одним из наиболее непостижимых, поскольку «никто не мог понять закон гравитации Эйнштейна, не имея углубленного знания теории инвариантов и вариационного исчисления».

В конце заседания публика расходилась, оживленно комментируя результаты и обсуждая новый слух о том, что во всем мире в действительности лишь три человека по-настоящему разбираются в общей теории относительности Эйнштейна. Зильберштейн, тот самый, кто призывал к осторожности, и между тем считавшийся одним из немногих специалистов по теории относительности, подошел на выходе к Эддингтону, тому самому, кто инициировал исследования затмения 1919 г., и также обладавшему глубокими познаниями в теории Эйнштейна, чтобы поздравить его с успехом и с тем, что, несомненно, именно Эддингтон – один из тех трех, которые действительно понимают общую теорию относительности. Эддингтон ничего не ответил. «Не будьте таким скромным, Эддингтон!» – продолжал Зильберштейн, по-видимому ожидая, что Эддингтон ответит ему взаимным комплиментом. «Ну что вы, – отвечал Эддингтон. – Мне просто интересно, кто же третий».