Чудовища доктора Эйнштейна

Импи Крис

Вклад великого французского математика

Спустя десятилетие после того, как Мичелл выдвинул свое предположение о темных звездах, французский ученый и математик Пьер-Симон Лаплас высказался на ту же тему в своей книге «Изложение системы мира» [7] . Лаплас был более известен, чем Мичелл, – он значился президентом Института Франции и советником Наполеона, удостоился титула графа, а затем маркиза. Как и Мичелл, Лаплас изучал теологию и происходил из религиозной семьи, но зов математики оказался сильнее зова Бога.

7

Лаплас П. С. Изложение системы мира. – Л.: Наука, 1982.

Лаплас, очевидно, не знал о работе Мичелла. В двухтомном труде по астрономии он кратко упоминает идею темной звезды, и, по его мнению, гравитация этой гипотетической звезды намного сильнее, чем у Солнца: «…Следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел являются по этой причине невидимыми». Коллега потребовал у Лапласа математическое доказательство этой гипотезы, и три года спустя, в 1799 г. [8] ,

оно было представлено. Расчеты Лапласа – как и расчеты Мичелла – оказались ошибочными, причем по одной и той же причине. Самой плотной субстанцией, известной в те времена, было золото – в пять раз плотнее Земли и в 14 раз плотнее Солнца. Вероятно, ученый того времени с трудом мог представить, каким будет состояние в миллионы раз более плотной материи, а это необходимо для современного понимания черной дыры (илл. 1). В 1799 г. Томас Юнг сумел доказать, что свет ведет себя как волна, но то, что гравитация может замедлить волну, представлялось невероятным. Возможно, именно поэтому Лаплас исключил всякое упоминание о темных звездах из последующих изданий своей книги.

8

C. Montgomery, W. Orchiston, and I. Whittington, “Michell, Laplace, and the Origin of the Black Hole Concept,” Journal of Astronomical History and Heritage 12 (2009): 90–96.

Концепция черных дыр не могла появиться без новой теории гравитации. Теория Ньютона проста: пространство равномерно и линейно и простирается бесконечно во всех направлениях. Время равномерно и линейно и течет в бесконечное будущее. Пространство и время самостоятельны и независимы. Звезды и планеты движутся в пустом пространстве, управляемые силой, которая зависит от их масс и расстояний между ними. Такова красивая модель Вселенной Ньютона [9] .

9

В студенческие годы, изучая физику в Лондоне, я ездил в Кембридж, пытаясь постичь личность Исаака Ньютона. Я хотел понять, что за человек стоит за уравнениями. Коллега провел меня в комнаты Ньютона в Тринити-колледже. В его кабинете с узкими арочными окнами и панелями из темного дерева было сумрачно даже в полдень. Я читал, что он решал проблемы, «непрестанно размышляя о них», и мой сопровождающий рассказал об одном из редких случаев, когда Ньютон принимал гостей. Он пошел в кладовую за бутылкой портвейна, заметил на столе неоконченные расчеты и занялся ими. Забытые гости тихонько удалились.

Во дворе я прошел по засыпанным гравием дорожкам, где 300 лет назад Ньютон чертил схемы тростью. Члены колледжа привыкли перешагивать через них, если заставали гения за работой. Во второй половине дня я поехал в дом в Вулсторп Мэнор, где прошло детство Ньютона. Его часто отправляли в соседнюю деревню с поручениями или просили отвести подковать коня. Через несколько часов мать находила его на мосту, где он стоял, уставившись на воду, уйдя в свои мысли: поручения забыты, конь куда-то убрел. Я был рад увидеть за домом яблоневый сад.

Ричард Уэстфолл, биограф Ньютона, и сам был блестящим ученым. Он сказал: «Окончательный результат моего изучения Ньютона привел меня к убеждению, что к нему неприменима никакая мерка. Он стал для меня совершенно особым человеком, одним из малого числа величайших гениев, определивших категории человеческого интеллекта, человеком, неподвластным критериям, по которым мы оцениваем своих ближних» [10] . Однако даже Ньютон – со своим исключительным мышлением – не сумел до конца разгадать загадку гравитации. Он не мог объяснить, каким образом она работает в вакууме, будучи невидимой и действуя мгновенно. Ньютон признал это в своем великом труде о гравитации «Математические начала натуральной философии» (1687) [11] : «Я не смог обнаружить причины этих свойств гравитации в наблюдаемых феноменах, и я не формулирую никакой гипотезы».

10

Из предисловия к кн.: Richard S. Westfall, Never at Rest: A Biography of Isaac Newton (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1983).

11

Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: Наука, 1989.

Понимание ткани пространства и времени

Альберт Эйнштейн, 26-летний клерк патентного бюро в Берне, опроверг систему Ньютона. В 1905 г. Эйнштейн написал четыре статьи, которым суждено было изменить устоявшиеся представления о физике [12] . В одной из статей он рассмотрел фотоэлектрический эффект – высвобождение электронов под воздействием солнечного света на вещество. Он утверждал, что свет ведет себя как частица, перенося энергию дискретными порциями – квантами. Именно эта работа принесла Эйнштейну Нобелевскую премию, а не его более знаменитые теории относительности (илл. 2). Эксперименты Томаса Юнга и других ученых достоверно подтвердили, что для света характерны явления дифракции и интерференции, и физикам пришлось согласиться с тем, что свет одновременно подобен и волне, и частице.

12

J. Stachel et al., Einstein’s Miraculous Year: Five Papers That Changed the Face of Physics (Princeton: Princeton University Press, 1998).

В другой небольшой статье было предложено самое краткое уравнение физики: E = mc². Это означает, что масса и энергия эквивалентны и взаимозаменяемы. Поскольку скорость света с очень велика, крохотная масса может быть превращена в колоссальную

энергию. Масса представляет собой своего рода «замороженную» форму энергии – этим объясняется невероятная мощь ядерного оружия. И наоборот, энергии соответствует крохотная эквивалентная масса. Согласно этому уравнению, фотоны действительно могут испытывать влияние гравитации.

В третьей статье изложена специальная теория относительности. Теория строится на идее Галилея, гласящей, что законы природы должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью относительно друг друга. Эйнштейн добавляет второе положение: скорость света не зависит от движения наблюдателя. Второе положение является фундаментальным, в подтверждение его можно провести мысленный эксперимент [13] . Вы направляете свет фонарика в сторону человека, находящегося очень далеко от вас. Он отмечает, что фотоны движутся к нему со скоростью 300 000 км/с – скоростью света. Предположим, теперь вы мчитесь навстречу ассистенту со скоростью, равной половине скорости света. Он по-прежнему будет наблюдать фотоны, движущиеся со скоростью света, а не со скоростью 450 000 км/с. Теперь предположим, что вы удаляетесь с той же огромной скоростью, – и снова наблюдаемые фотоны летят со скоростью света, а не со скоростью 150 000 км/с. Свет не подчиняется простой арифметике. Скорость света – универсальная постоянная, что подразумевает весьма важные выводы. Скорость есть расстояние, деленное на время; если скорость постоянна, то пространство и время должны изменяться. Когда объекты перемещаются очень быстро и приближаются к скорости света, они сжимаются в направлении движения и их время замедляется. Теория Эйнштейна утверждает, что свет – самое быстрое, что есть во Вселенной, и из этого следует, что объекты становятся массивнее, приближаясь к скорости света, что увеличивает их инерцию, вследствие чего они так и не смогут достичь или превзойти скорость света.

13

Мысленный эксперимент – мощный инструмент развития науки, восходящий к древнегреческой философии, способ задать гипотетический вопрос Природе. Галилей осуществил один из первых мысленных экспериментов в физике, размышляя о том, с какой скоростью падали бы разные тела, сброшенные с башни (вопреки расхожему мнению, он никогда не ставил его на практике). Эйнштейн с помощью мысленных экспериментов прорабатывал вопросы относительности, и ученые-физики начала XX в. часто использовали этот метод, пытаясь понять следствия квантовой теории материи.

Но даже столь блестящая работа была для Эйнштейна лишь разминкой перед эпохальным трудом – общей теорией относительности. Общая теория позволила ученому перейти от идеи постоянного движения к движению с ускорением с учетом гравитации, отталкиваясь от другой догадки Галилея. Энциклопедист эпохи Возрождения доказал, что все объекты падают с одной и той же скоростью, независимо от массы. Это значит, что инертная масса (сопротивление объекта изменению его движения) равна гравитационной массе (тому, как объект реагирует на силу гравитации). Для Галилея это было случайным и необъяснимым совпадением, в котором Эйнштейн усмотрел ключ к новому пониманию гравитации.

Представьте, что находитесь в закрытом лифте, стоящем на первом этаже. Вы ощущаете свой нормальный вес; любой предмет, который вы уроните, ускорится до 9,8 м/с². Так работает гравитация. Теперь представьте себя в герметичном ящике в космосе (внутри он выглядит как кабина лифта), которому космический корабль придал ускорение в 9,8 м/с². В одной ситуации участвует гравитация, в другой – нет, но Эйнштейн понял, что никакой эксперимент не позволит их различить (илл. 3). Рассмотрим еще две ситуации. В одной вы заперты внутри лифта в глубоком космосе – вы парите в кабине в невесомости. В другой – лифт находится в высоком здании и после обрыва троса вертикально падает на дно лифтовой шахты. Эти две ситуации также невозможно отличить друг от друга. Гравитация неотличима от любой другой силы. Этот «принцип эквивалентности» является центральным в общей теории относительности Эйнштейна. Оказаться в оборвавшемся лифте, стремительно несущемся к земле, – катастрофа, но для Эйнштейна мысль о том, что падающий человек не почувствует своего веса, стала «счастливейшей».

Новая концепция гравитации Эйнштейна является геометрической. Уравнения общей теории относительности в определенной области соотносят массу и энергию с искривлением пространства. Плоское линейное пространство Ньютона с находящимися в нем объектами заменяется пространством, которое искривлено находящимися в нем объектами (илл. 4) [14] . Пространство и время связаны, следовательно, гравитация может искажать и время, и пространство. Физик Джон Уилер, который, как мы в дальнейшем узнаем, ввел термин «черная дыра», нашел лаконичную формулировку: «Материя указывает пространству, как искривляться. Пространство указывает материи, как двигаться». Эта идея отражена и в словах поэта Роберта Фроста, который неоднозначно воспринял открытия теории относительности. В сонете «Нам по сердцу любая геометрия» он приходит в ужас при мысли о бесконечности космоса, но искривление, характеризующее черную дыру, видится ему утешением:

14

Теория носит математический характер и устрашающе сложна, но имеется ряд научно-популярных введений в нее. К лучшим относятся R. Geroch, General Relativity from A to B (Chicago: University of Chicago Press, 1978); D. Mermin, It’s About Time: Understanding Einstein’s Relativity (Princeton: University of Princeton Press, 2005 и конечно, классическая работа Альберта Эйнштейна: Relativity: The Special and General Theory (New York: Crown, 1960). Биография Эйнштейна: A. Pais, Subtle is the Lord: The Science and Life of Albert Einstein (Oxford: Oxford University Press, 1982).