Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
Никто не знает, какую драму переживал Эйнштейн между 26 февраля и 23 марта 1912 года, когда в редакцию того же журнала поступила его очередная статья «К теории статического гравитационного поля». Здесь он, исходя из уравнения для гравитационного поля, получает уравнения электромагнитного поля и снова рассматривает связь термодинамических величин с гравитационным полем. Результаты получаются совершенно осмысленными и хорошо согласующимися с обычной теорией.
Трудности начинаются при изучении уравнений поля тяготения. В случае, когда в этом поле присутствует вещество. Сравнительно простой расчет показывает, что в этом случае нарушается закон равенства действия и противодействия, один из фундаментальных законов механики, установленный
Эйнштейн пишет: «Таким образом, мы пришли к довольно рискованному результату, который может вызвать сомнения в справедливости всей развитой здесь теории. Этот результат, очевидно, свидетельствует о глубоких пробелах в основах наших исследований…»
Эйнштейн не скрывает от читателя своих затруднений, более того, он описывает неудачные попытки их преодоления. Единственный легкий путь, позволяющий согласовать уравнения поля тяготения с законом равенства действия и противодействия, требует дальнейшего усложнения уравнений, но этот путь одновременно принуждает к отказу от принципа эквивалентности ускорения и тяготения. Эйнштейн не может пойти по этому пути. Он считает принцип эквивалентности столь важным и так хорошо обоснованным всей совокупностью опытных фактов, что не может отказаться от него. Ведь в нем заложена плодотворная идея, идея о глубокой общности между системой, движущейся ускоренно под влиянием постоянной силы, и неподвижной системой, находящейся в однородном поле тяготения.
Эйнштейн видит только один путь согласования уравнений поля тяготения с принципом эквивалентности. Следует учесть, что принцип эквивалентности опирается только на опыты, проведенные на Земле, где поле тяготения сравнительно невелико. Поэтому он делает шаг назад и сохраняет принцип эквивалентности только для бесконечно слабых полей и бесконечно малых ускорений. «На этот шаг тяжело решиться…»Однако другого пути не видно.
Но и теперь проблема тяготения сводится к сложной математической задаче. Ее следует решить несмотря ни на что. Путь к решению, возможно, сможет быть найден при помощи математической обработки прежней теории относительности, проведенной польским математиком Минковским. Он придал уравнениям, первоначально найденным Эйнштейном, очень симметричную форму, объединив обычное пространство и время в математическое четырехмерное «пространство — время».
Очень интересно интерпретирует этот подход Луи де Бройль. Он пишет: «Каждый наблюдатель по-своему выкраивает из четырехмерного мира свое пространство и свое время, и формулы преобразований Лоренца немедленно следуют из того, что два по-разному равномерно движущихся наблюдателя разными способами отделяют пространство от времени».
Новый взгляд объединяет временную координату и пространственные координаты в единый четырехмерный мир. Этот новый мир — математическое отражение сложной связи времени и пространства, которое возникает в воображении Эйнштейна как возможная модель Вселенной.
«Отныне пространство само по себе и время само по себе обратились в простые тени, и только какое-то единство их обоих сохранит независимую реальность», — говорит Минковский.
Перед ним, математиком, — чисто формальная, математическая задача. Но Эйнштейн всегда и во всем хочет видеть и физическую картину событий. Следует принять, что реальный мир имеет не трехмерную, а четырехмерную структуру. Она остается неизменной, как оставалась неизменной трехмерная структура предмета в мире классической физики. Для Лоренца трехмерный предмет испытывал при движении сквозь эфир реальное сокращение. Эйнштейн же видит неизменным четырехмерный предмет. Трехмерная его сущность в пространственных координатах и одномерная во временной координате могут меняться, но четырехмерный корабль в четырехмерном мире «пространства — времени» неизменен. Четырехмерная сущность предметов абсолютна и неизменна. Таково кредо новой теории относительности.
Как движется такое тело в новом четырехмерном мире?
Еще один отрывок из автобиографических
Приступив вместе с Гроссманом к интенсивной математической разработке новой теории, Эйнштейн нашел. время для того, чтобы решить весьма важный в принципиальном отношении вопрос. Он сформулировал этот вопрос так: существует ли гравитационное воздействие, аналогичное электромагнитной индукции? Ему было ясно из общих, чисто интуитивных соображений, что ответ должен быть положительным. Индукция есть свойство поля. Если верна теория гравитационного поля, она должна содержать такое воздействие. Эйнштейн проводит приближенное решение частной задачи: тяжелое тело расположено внутри полой массивной оболочки, но не имеет с нею никаких связей, кроме гравитационного взаимодействия. Оболочке придают ускоренное движение. Спрашивается: возникнет ли при этом сила, вызывающая ускорение внутреннего тела? Уравнения дают ответ: да, возникнет. Более того, уравнения говорят, что наличие массивной оболочки приводит к тому, что инертная масса внутреннего тела увеличивается.
«Этот результат очень интересен, — пишет Эйнштейн и продолжает: — Это наводит на мысль о том, что инерция материальной точки полностью обусловлена воздействием всех остальных масс посредством некоторого рода взаимодействия с ними».
Так впервые появляется возможность создать физическую теорию, объясняющую происхождение инерции. Ведь инерция — свойство тел сохранять свое равномерное и прямолинейное движение при отсутствии сил, свойство, открытое Галилеем, — оставалась необъясненной и таинственной около трехсот лет! Правда, Мах высказал мысль о том, что инерция обусловлена действием удаленных звезд, но дальше этой гипотезы он не пошел. Эйнштейн раскрыл тайну инерции. Оставалось выразить это языком математики.
Два года продолжалась плодотворная совместная работа, основанная на дружбе, сложившейся еще в студенческие годы. Разработка идейных основ и осмысливание физических следствий были обязанностью Эйнштейна. На Гроссмане лежала математика, сложное для непосвященных, но чрезвычайно гармоничное описание свойств пространства и времени, связанных в единое искривленное «пространство— время».
Успех в работе был обусловлен возродившейся привычкой к длительным обсуждениям, при которых математик пытался вскрыть логические неувязки в рассуждениях физика, а физик требовал от математика общих методов, соответствующих усложняющимся задачам физики.
Первым результатом совместных трудов стала статья «Проект общей теории относительности и теории тяготения». Около года труднейшей напряженной работы, и в результате — не теория, а только проект теории. Авторам стало ясно, что предстоит многое сделать и уточнить, но они понимают значение достигнутого и хотят представить это на суд специалистов. Статья, как и сама работа, состоит из двух частей. Физическая часть написана Эйнштейном, математическая — Гроссманом. Вот ее начало.
«Излагаемая теория возникла на основе убеждения, что пропорциональность инертной и тяжелой масс является точным законом природы, который должен находить свое отражение уже в самых основах теоретической физики… Наглядно эту гипотезу можно сформулировать так: наблюдатель, находящийся в закрытом ящике, никоим образом не может установить, покоится ящик в статическом гравитационном поле или же находится в пространстве, свободном от гравитационных полей, но движется с ускорением, вызываемым приложенными к ящику силами (гипотеза эквивалентности)».