Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе
Шрифт:
Задолго до того, ещё в XVI веке, Галилей продемонстрировал относительность движения. Не существует эксперимента, который помог бы вам понять, сидите вы в кресле у себя дома или на корабле, идеально плавно скользящем по морской глади, если вы наблюдаете за броском мяча или полётом мухи. Наблюдающий за вами человек, находящийся относительно вас в движении, конечно, заметил бы это различие. Однако этому человеку не легче, нежели вам: он не может сказать, кто из вас двоих на самом деле движется! Если вам когда-нибудь при взгляде в зеркало заднего вида вашей машины казалось, что вы приближаетесь к автомобилю, догоняющему (на самом деле) вас, вы знаете, что такое относительность движения. Для Галилея относительным было любое движение – абсолютного покоя не существовало. Но Галилей ничего не знал о природе света. Ему, конечно, и в голову не могло бы прийти, что это знание
Что такое свет? На этот вопрос в середине XIX века ответил шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Отправными точками для Максвелла стали две на первый взгляд несопоставимые области явлений: электричество и магнетизм. Максвелл показал, что они внутренне едины и могут быть описаны четырьмя взаимосвязанными уравнениями, достаточно компактными, чтобы сейчас их можно было повсюду видеть на футболках любителей науки. У таких «ботаников» есть шутка: «Как только Максвелл записал свои знаменитые уравнения, бог сказал: “Да будет свет!”». Скрытый смысл этой остроты – в том, что уравнения Максвелла суть законы света.
Уравнения Максвелла оказались очень мощным научным инструментом. В небольшом наборе компактных формул поместилась вся природа электричества и магнетизма. Но Максвелл понимал: за математикой кроется нечто более глубокое. Уравнения описывали пространство, заполненное полями – электрическим и магнитным.
Именно через эти поля осуществлялась связь электрических зарядов и токов, притягивавшихся и отталкивавшихся силами электромагнетизма.
Максвелл понимал, что изменяющееся магнитное поле будет порождать электрическое, а изменяющееся электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное. В его уравнениях не было ничего, что требовало бы прекращения этих периодических изменений: в принципе, они могли бесконечно распространяться сквозь пустое пространство в виде волны. Максвелл решил проверить, насколько быстро движутся эти электромагнитные волны. К его удивлению, их скорость оказалась в точности равной скорости света: 299 792 458 метров в секунду. Из этого Максвелл заключил, что свет и есть электромагнитная волна.
Учёный сделал и другой вывод: кроме оптического излучения, улавливаемого нашим зрением, должны быть и другие, невидимые электромагнитные волны. Электромагнитная волна характеризуется длиной; наши глаза воспринимают волны длиной около 0,4 тысячных доли миллиметра – для нас это голубой цвет. Самые длинные волны, которые наши глаза могут чувствовать, примерно вдвое длиннее – это красный. Но по обе стороны от этого узкого промежутка длин волн, рассуждал Максвелл, должны быть и более короткие, и более длинные волны, невидимые для нас. В конце XIX столетия, когда Генрих Герц зарегистрировал радиоволны, а Вильгельм Рёнтген – коротковолновое излучение, которое было названо X-лучами или рентгеновским излучением, гипотеза Максвелла о существовании широкого спектра электромагнитных волн полностью подтвердилась [4] .
4
Ещё о Максвелле: См. биографию Джеймса Клерка Максвелла, написанную Робином Арианродом – Robyn Arianrhod. Einstein’s Heroes: Imagining the World through the Language of Mathematics (Brisbane: University of Queensland Press, 2003). Максвелла называют отцом современной науки об электромагнетизме; именно из его прозрений родились революционные взгляды Эйнштейна на природу света.
Максвелловские уравнения электромагнетизма были крупнейшим научным успехом, но Эйнштейн искал большего. Он знал, что из математического описания электромагнитных волн вытекает огромная скорость их распространения в вакууме: 300 000 км/с! Однако здесь он встретился с затруднением: не было никаких указаний на то, относительно чего эта скорость измеряется. Другие физики предполагали, что пространство заполнено какой-то субстанцией, в которой, как в океане, распространяются электромагнитные волны. Это невидимое электромагнитное море они называли эфиром. Но эксперименты, которые один за другим изобретались для подтверждения присутствия эфира, неизменно кончались неудачей. Получалось, что электромагнитные волны распространяются
Эйнштейн сделал гениальное предположение: скорость света измеряется относительно каждого отдельного человека или предмета, и каждый раз она равна одним и тем же 300 000 км/с. Это единственная абсолютная постоянная в мире, относительном во всех других смыслах. Но это было невозможно во Вселенной Ньютона, в которой все скорости были относительны и каждый должен был определять своё собственное значение скорости света. Естественно, если бы кто-то двигался вдоль светового луча лишь чуть-чуть медленнее 300 000 км/с, он видел бы почти неподвижные частички света на расстоянии дюйма от себя. Разве не так? Нет, отвечал Эйнштейн! Этот человек всё равно нашёл бы в результате своих измерений, что свет удаляется от него со скоростью 300 000 км/с.
Конечно, чтобы добиться такого результата, пришлось пожертвовать чем-то очень важным [5] . Жертвой стала концепция жёсткого и неизменяемого пространства и времени. Эти понятия пришлось отбросить и заменить чем-то более податливым. Следствием постоянства скорости света при измерении её любым наблюдателем стало то, что теперь часы каждого наблюдателя тикали с разной частотой, а все линейки имели разную длину. Наблюдатели больше не могли договориться ни о том, каково на деле расстояние между двумя точками, ни о том, сколько времени длится то или иное событие!
5
Ещё о теориях Эйнштейна: Трактовку понятия относительности самим Эйнштейном см. в Albert Einstein, Relativity: Teh Special and the General Teh ory (Princeton University Press’s 100th Anniversary edition, 2019). [Русский перевод: А. Эйнштейн, О специальной и общей теории относительности, в «Собрание научных трудов в четырёх томах», М.: Наука, 1967, Т. 1, с. 123. – Прим. пер.].
Опубликовав частную теорию относительности, Эйнштейн, казалось, полностью уничтожил фундамент физической Вселенной – и не остановился на этом.
Тяжёлая ситуация
Эйнштейн видел, что сила, доминирующая во Вселенной, – гравитация или тяготение – не вписывается в картину мира, соответствующую частной теории относительности. В XVII веке Исаак Ньютон дал математическое описание тяготения, которое до тех пор работало исключительно хорошо. Но в формулу Ньютона – в так называемый закон всемирного тяготения – входило расстояние между тяготеющими массами, а если никакие измерения расстояний больше не согласуются между собой – какое из них использовать? Эйнштейну потребовалось 10 лет упорной работы, чтобы прийти к решению этой проблемы – к общей теории относительности.
Учёный снова предложил мысленный эксперимент. Представим себе, что кто-то находится в состоянии падения под действием силы гравитации. Допустим, этот человек сидит в комнате, окружённый обычными предметами: стол, стулья, тарелки, чашки, блюдца… Если комната в целом падает под действием силы тяжести, то этот человек и все окружающие его объекты просто повиснут в воздухе, лишившись веса. С точки зрения падающего вместе с комнатой человека, утверждал Эйнштейн, тяжесть исчезнет!
Этот мысленный эксперимент подтолкнул физика к тому, чтобы включить тяготение в картину деформируемого пространства и времени. Решение задачи потребовало дьявольски сложных математических выкладок, но к 1915 году Эйнштейн наконец добился успеха. Чтобы ввести гравитацию в теорию относительности, он показал: пространство и время должны быть поистине гибкими. Ход часов и длина линейки зависят от того, где они расположены по отношению к массивным объектам, источнику тяготения.
Последствия установления связи между гравитацией и искривлением пространства и времени были революционными. Астрономы уже давно заметили, что орбита Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, отклоняется от предсказанной на основании ньютоновской теории тяготения. Новая математика Эйнштейна объяснила эти отклонения. Кроме того, согласно его теории, траектория луча света во Вселенной не была прямой линией – она изгибалась в присутствии массивного объекта. Именно регистрация такого гравитационного линзирования во время солнечного затмения 1919 года принесла теории Эйнштейна международное признание.