Несколько слов об Эйнштейне

Главные открытия Эйнштейна знают многие – это частная и общая теории относительности. Именно они навсегда изменили наши представления об окружающем мире. Но иногда обидно, что меньше знают другого Эйнштейна – создателя фотонной теории света, автора квантовой теории теплоемкости, первооткрывателя т.н. индуцированного излучения, следствием которой стало появление лазеров, одного из авторов статистики элементарных частиц (т.н. статистики Бозе-Эйнштейна), человека, который первым рассчитал еще не открытые тогда гравитационные линзы вселенной. Каждое из этих открытий могло бы надолго прославить даже крупного ученого. Эта разносторонность была характерна для Эйнштейна с первых же его шагов в большой науке. Он вступил в нее в 1905 году сразу четырьмя фундаментальными открытиями разного плана, которые в одночасье сделали его известным, а историков науки заставили впоследствии назвать этот год Annus Mirabilis («Год чудес») в биографии самого Эйнштейна – и физики в целом.

Одна из его статей этого года была мощным развитием квантовой теорий Планка. Эйнштейн утверждал в ней, что энергия не только излучается квантами, но и распространяется в пространстве в виде таких квантов (позднее они получили название фотонов). Впоследствии эта гипотеза блестяще объяснила все загадки фотоэффекта и принесла Эйнштейну Нобелевскую премию 1921 года. И хотя еще в 1922 году сам Бор назвал ее ошибочной, но уже через год эксперименты Комптона напрямую и блестяще ее подтвердили. Вторая статья, посвященная броуновскому движению частиц в жидкости, убедительно доказывала, что все особенности этого движения подтверждают атомарный характер теплового движениях. Это доказательство было настолько убедительным, что даже главный оппонент атомистической теории Оствальд позднее признал, что именно эта работа Эйнштейна заставила его «поверить в реальность атомов». А самого Эйнштейна статистические методы, развитые им в этой статье, позднее привели к созданию квантовой теории теплоемкости и статистики элементарных частиц.

Но главными, конечно, были две последние статьи этого «года чудес» и прежде всего первая из них, «К электродинамике движущихся сред». Она была принципиальной важной не только по содержанию, но, прежде всего, по воодушевлявшей ее идее, которая впоследствии стала руководящей в пожизненном научном поиске Эйнштейна. Стержнем этого поиска всегда было глубокое убеждение в единстве и всеобщей верности всех главных законов мироздания. В то время, в 1905 году, такое единство было признано только в отношении законов механики: законы Ньютона были одинаковы как для неподвижного наблюдателя (неподвижного относительно «эфира», заполняющего мировое пространство). так и для наблюдателя, движущегося относительно первого. Но вот уже для электромагнитных явлений такого равноправия не было: законы Максвелла были верны только для неподвижного наблюдателя: он мог измерить «истинную» скорость света, тогда как для движущегося (в эфире) наблюдателя эта скорость должна была быть большей или меньшей в зависимости от его скорости «относительно эфира». И хотя Майкельсон и Морли уже в 1885 году экспериментально доказали, что это не так и что скорость света одинакова для всех наблюдателей, но этот результат считали некой странностью и всячески пытались обойти. Эйнштейн, однако, исходил не из этого опыта, а из своего понимания «гармоничной стройности» мироздания, которое подсказывало ему, что все движущиеся друг относительно друга наблюдатели «должны быть» равноправны и для всех них должны быть одинаковы не только законы механики, но и уравнения Максвелла. А если этот «принцип относительности» верен, то и скорость света для них должна быть одинаковой. И приняв эти два положения за исходные постулаты, он попытался посмотреть, что требуется для их реального выполнения в природе.

Математический расчет немедленно показал ему, что эти постулаты выполняются лишь в том случае, если свойства пространства и времени для каждого наблюдателя свои, т.е. если наблюдатели в разных системах видят разной длину одного и того же отрезка и продолжительность одного и того же промежутка времени. Одинаковой для всех остается только особая комбинация длины и промежутка времени, т.н. «интервал», и это означает, что пространство и время неразрывно связаны друг с другом в единый континуум. В этом пространственно-временном континууме законы электромагнетизма столь же одинаковы для всех равномерно движущихся наблюдателей, что делает излишней гипотезу о мировом эфире. Более того, результаты Эйнштейна приводили к еще одному фундаментальному выводу, «согласно которому (как он сообщил месяц спустя в четвертой статье) масса тела есть мера его энергии: если тело излучает энергию, его масса уменьшается, и … эта потеря массы становится энергией радиации». Иными словами, масса эквивалентна энергии и наоборот, и эта связь выражается знаменитой формулой Е = mc2, которая позднее стала основой всей ядерной физики (вплоть до атомной бомбы), а также астрофизики и современной космологии.

Теория пространства-времени, изложенная Эйнштейном в этих двух статьях, ныне именуется СТО - специальной (или частной) теорией относительности. И «частной» она была прежде всего для самого Эйнштейна, потому что он тут же устремился на поиски общей теории, которая включала бы не только равномерно, но и ускоренно движущихся наблюдателей. На этом пути он уже в 1907 году сделал первый важный шаг – обнаружил эквивалентность ускорения и гравитации. Он показал ее с помощью «мысленного эксперимента»: человек в закрытом лифте, наблюдая падающее яблоко, не сможет отличить, что является причиной этого ускоренного падения – то, что яблоко тянется вниз силой гравитации, или то, что лифт поднимается вверх с тем же ускорением. Эта эквивалентность заставляла думать, что можно найти общее выражение законов для ускоренно движущихся наблюдателей, если заменить ускорение гравитацией и понять ее воздействие на пространство-время.

То, что гравитация «искривляет» пространство, можно понять из другого мысленного эксперимента, проанализированного Эйнштейном в ходе его размышлений. Вообразим человека в свободно падающем лифте. Такой человек будет испытывать немного разное тяготение в левой и правой руках, потому что стрелки этого тяготения направлены к одному и тому же центру гравитации, а значит под углом друг к другу. На большом расстоянии от центра гравитации эти стрелки практически параллельны, но чем ближе к центру, тем больше наклонены, и в конце концов сходятся в центре. Стало быть, гравитация оказывает такой же эффект, как шарообразность (сферичность) Земли на ее меридианы: они тоже параллельны на экваторе и сходятся на полюсах. Это означает, что ускоренное движение под воздействием гравитации можно трактовать просто как движение в сферически искривленном пространстве. Для самого же Эйнштейна этот вывод означал необходимость найти математический аппарат, позволяющий описать движение в таком пространстве. Ему пришлось освоить новый тогда даже для математиков тензорный анализ, и три последующих года Эйнштейн пробивался к искомым формулам сквозь неизбежные для не-математика ошибки в сложнейших расчетах. Даже докладывая о своих работах в ноябре 1915 года в Прусской академии наук, он на каждой из первых лекций обнаруживал очередные ошибки, и лишь на последней, четвертой лекции, 25 ноября, сумел выписать на доске точные тензорные уравнения своей новой теории. Их левая часть описывала геометрию искривленного пространства (которая заменяла гравитацию), а правая – движение тел в нем с учетом этой кривизны.

Это и была ОТО - общая теория относительности. Она сразу же объяснила давнюю упрямую загадку регулярного смещения перигелия планеты Меркурий – и объяснила с абсолютной точностью. Она предсказала, что свет, проходя около массивного тела, должен отклоняться от прямолинейного пути, - и это было блестяще подтверждено в 1919 году наблюдениями Эддингтона. Исходя из этой теории, Карл Шварцильд уже через несколько лет предсказал возможность «полного свертывания» пространства в черную дыру. Исходя из нее, сам Эйнштейн в 1936 году предсказал существование во вселенной «гравитационных линз» и рассчитал их свойства. Этот славный перечень можно продолжить, ибо ОТО является основой всей современной космологии. И в этом плане, пожалуй, главное в ОТО – то, что она впервые открыла путь к теоретическому анализу свойств вселенной как целого. И первый шаг на этом пути опять сделал Эйнштейн, когда в 1917 году предложил свою модель «статической вселенной». В этой модели гравитация, стягивающая вселенную, уравновешивалась невидимым силовым полем «лямбда» (так называлась добавочная постоянная, которую Эйнштейну пришлось ввести в уравнения ОТО, чтобы вселенная не стягивалась в точку). Но в 1920-е годы Хаббл доказал, что вселенная не статична – она расширяется, и на смену этой модели Эйнштейна пришли новые, в свою очередь сменяя друг друга: «расширяющаяся вселенная» Фридмана (1922), «модель Биг-Бэнга» Леметра (1931), «осциллирующая вселенная» самого Эйнштейна (1936), «стационарная (Steady State) модель» Хойла (1948), «multiverse-модель параллельных вселенных» Эверетта (1956), «инфляционная модель» Гута (1980), «хаотическая модель» Линде (1983), «циклическая модель» Стейнхардта-Турока (2002).

Этот поиск продолжается и сегодня, но Эйнштейн отошел от него уже в 1930-е годы, переключившись на другой поиск – единой теории, которая связывала бы общими уравнениями все силы природы - механические, электромагнитные, гравитационные и ядерные. Сегодня такая теория называется «Теорией Всего». Эйнштейн сделал на пути к ней несколько интересных, по общему признанию, шагов, но преуспел не очень. Впрочем, до сих пор не преуспел и никто другой.

СТО была создана ровно 110 лет тому назад. ОТО была создана ровно 100 лет тому назад. Эйнштейн умер ровно 70 лет тому назад. Отмечая сегодня три эти даты и задумываясь над соединяющим их жизненным путем, мы можем приблизиться к пониманию того, что означает слово «гений».

Рафаил Нудельман
"Окна", 10.12.2015