Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн
Шрифт:
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 = mc^2, или, скорее, в обратном виде m = E/c^2, 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 = mc^2, 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
Через несколько лет Поль Ланжевен (который независимо от Эйнштейна предсказывал существование уравнения E = mc^2) 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 = mc^2 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 = mc^2 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 = mc^2, 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} . 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 = mc^2. 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.
62
Поскольку некоторые поклонники Пуанкаре доходят до абсурда, утверждая, что Пуанкаре мог бы получить в общем виде равенство E = mc^2 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…»
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
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.
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} : 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).
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 relativit'e g'en'erale, Paris, CNRS 'Editions, 2002).
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} , 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.
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.
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».