Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

Торн Кип

В политехническом колледже (обычно называемом «ЕТН», по первым буквам немецкого названия) Эйнштейн обучался у нескольких физиков и математиков, имевших мировую известность, но не слишком ладил с ними. На рубеже веков научный мир состоял в основном из Профессоров (с большой буквы), требовавших и предполагавших почтения к себе, чему Эйнштейн не особенно следовал. Он с детства восставал против авторитетов, постоянно задавая неудобные вопросы и ничего не принимая на веру без самостоятельной проверки. «Бездумное поклонение авторитетам есть злейший враг истины», — утверждал он. Наиболее известный из двух его профессоров в ЕТН Генрих Вебер жаловался с раздражением: «Ты умный мальчик, Эйнштейн, очень умный мальчик, но у тебя один большой недостаток: ты не даешь

возможности ничего тебе рассказать». Другой его преподаватель, профессор физики Жан Перне, даже спрашивал Альберта, не лучше ли ему вместо физики заняться изучением медицины, права или филологии. «Ты можешь поступать, как хочешь, — говорил Перне. — Я лишь предупреждаю тебя в твоих же собственных интересах».

Ситуацию усугубляло не слишком серьезное отношение Эйнштейна к лекциям. «Они просто должны запихать все это в наши головы перед экзаменами, хотим мы того или нет», — говорил он позднее. Его профессор математики, Герман Минковский, о котором мы много будем говорить в главе 2, был настолько недоволен отношением Эйнштейна к занятиям, что называл его лентяем.

Но лентяем Эйнштейн не был. Он просто подходил к лекциям избирательно: некоторые курсы посещал полностью, другие игнорировал, предпочитая заниматься самостоятельно, выбирая предметы по своему усмотрению и размышляя. Размышления увлекали его, приносили радость и удовлетворение; он сам учил себя «новой» физике, той физике, о которой Герман Вебер вообще не упоминал в своих лекциях.

Абсолютное пространство и время Ньютона и эфир

«Старая» физика — та, о которой Эйнштейн мог узнать от Вебера, представляла собой большую совокупность знаний, которую я буду называть ньютоновской физикой, не потому, что вся она принадлежала Исааку Ньютону (это, конечно, не так), а потому, что именно Ньютон заложил в XVII столетии ее фундамент.

В конце XIX века все разнообразие явлений физической Вселенной прекрасно объяснялось простым набором ньютоновских физических законов. Например, все явления, связанные с гравитацией, можно было объяснить с помощью ньютоновских законов движения и тяготения:

• Любое тело движется равномерно и прямолинейно, если на него не действуют силы.

• Если на тело действует сила, его скорость меняется с ускорением, пропорциональным этой силе и обратно пропорциональным массе тела.

• Между любыми двумя телами во Вселенной действует гравитационная сила, которая пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Применяя математические выкладки¹ к этим трем законам, физики XIX столетия могли объяснить орбиты планет вокруг Солнца, орбиты спутников вокруг планет, максимумы и минимумы океанских приливов, падение камней. Они даже могли определить массу Солнца и Земли. Аналогично, используя набор законов электромагнетизма, физики могли объяснить молнию, магниты, радиоволны, а также распространение, преломление и отражение света.

Удача и слава сопутствовали тем, кто сумел использовать законы ньютоновской физики в технике. Манипулируя законами термодинамики, Джеймс Ватт показал, как простейший паровой двигатель, изобретенный ранее, превратить в практичное устройство, получившее его имя. Внимательно изучая работы Джозефа Генри о законах электричества и магнетизма, Сэмюель Морзе создал коммерческую версию телеграфа.

Изобретатели и физики вместе гордились полнотой своего понимания. Казалось, все на Земле и в небесах подчиняется ньютоновским физическим законам, а власть этих законов давала людям власть над окружающим их миром и, возможно, однажды должна была дать им власть над всей Вселенной.

***

Все старые, хорошо изученные ньютоновские законы и их применение в технике Эйнштейн мог изучить на

лекциях Генриха Вебера , ²⁸ и изучить хорошо. Действительно, в течение нескольких первых лет в ЕТН Эйнштейн был в восторге от Вебера. Единственной женщине на его курсе в ЕТН, Милеве Марич (в которую он был влюблен), он писал в феврале 1898 г.: «Вебер читает мастерски. Я с нетерпением предвкушаю каждую новую лекцию».

Но на четвертом курсе Эйнштейн почувствовал растущее неудовлетворение. Вебер преподавал только старую физику. Он полностью игнорировал некоторые из наиболее важных достижений последних десятилетий, включая открытие Джеймсом Кларком Максвеллом нового изящного набора уравнений электромагнетизма, из которого можно было вывести все электромагнитные явления: поведение магнитов, электрических разрядов, электрических цепей, радиоволны и свет. Эйнштейн вынужден был сам изучать единую теорию электромагнетизма Максвелла, читая новейшие книги, написанные физиками в других университетах, и можно предположить, что он не замедлил сообщить об этом Веберу. Его отношения с Вебером испортились.

В ретроспективе ясно, что из того, что Вебер игнорировал в своих лекциях, наиболее важным были появившиеся свидетельства трещин в фундаменте ньютоновской физики, фундаменте, кирпичами и цементом которого были концепции абсолютного пространства и абсолютного времени.

Абсолютное пространство Ньютона было тем самым пространством, с которым мы имеем дело в повседневной жизни, пространством, имеющим три измерения: восток-запад, север-юг, верх-низ. Из повседневного опыта, очевидно, что существует одно и только одно такое пространство. Это пространство, в котором находятся все люди, Солнце, все планеты и звезды. Все мы движемся через это пространство по различным путям и с разными скоростями, но, независимо от нашего движения, пространство одинаково для всех нас. Это пространство дает нам ощущение длины, ширины и высоты, и, независимо от нашего движения, все мы должны получать одинаковые результаты при измерении длины, ширины и высоты одного и того же объекта, если только все мы измеряем их достаточно точно.

Абсолютное время Ньютона — это наше обычное время, время, которое неумолимо движется вперед, вызывая наше старение, время, которое можно измерять высококачественными часами или вращением Земли и движением планет. Это время, течение которого одинаково для всего человечества, для Солнца, для планет и звезд. Согласно Ньютону, период обращения планеты или продолжительность речи политика должны быть одинаковы для любого из нас, независимо от нашего движения, если только все мы пользуемся для измерения достаточно точными часами.

Если бы ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени вдруг оказалась разрушена, рухнула бы и вся система физических законов Ньютона. К счастью, год за годом, десятилетие за десятилетием, век за веком основные концепции Ньютона оставались незыблемыми, и на их основе один триумф следовал за другим во всех областях науки, от астрономии до электричества и термодинамики. До 1881 г., когда Альберт Майкельсон начал измерять скорость распространения света, не было даже намека на малейшую трещину в этом фундаменте.

Казалось очевидным, и законы Ньютона требовали этого, что если кто-то измеряет скорость света (или чего-то еще), то результат должен зависеть от того, как он сам движется. Если наблюдатель покоится в абсолютном пространстве, то он должен увидеть, что свет движется с одинаковой скоростью во всех направлениях. И наоборот, если наблюдатель сам движется сквозь абсолютное пространство, скажем, на запад, то должен увидеть, что свет, распространяющийся с востока на запад, замедляется, а свет, распространяющийся с запада на восток, ускоряется, так же как пассажир поезда, идущего на запад, видит, что птицы, летящие на запад, летят медленнее, а птицы, летящие на восток, — быстрее.