Пол Хэлперн - Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания
В своей обширной переписке (они обменивались подробными письмами раз или два в месяц) ученые нередко смеялись над трудностями, с которыми сталкивались. Чаще всего они использовали выражение «подарок от чертовой бабушки», как однажды обозвал Эйнштейн математическую проблему, над которой они бились.
Эйнштейн имел в виду колдовской сглаз (в смысле закрадывающееся ощущение, что он обречен на провал), и Шрёдингер нашел это выражение забавным.
В ответ Шрёдингер предложил собственную историю. «Давно меня ничто так не смешило, как “подарок от чертовой бабушки” — писал он. — В предыдущих фразах вы в точности описали Голгофу, на которую я пошел лишь для того, чтобы завершить дело, возможно, с таким же бесполезным результатом, как и Вы»{170}.
Эйнштейн ответил: «Ваше последнее письмо было необычайно интересным. Я был чрезвычайно тронут вашим энтузиазмом в отношении “чертовой бабушки”»{171}.
Оба они постоянно сталкивались с математическими демонами. Одной из проблем, досаждавших физикам, было понятие общей ковариантности. Важной особенностью общепринятой формулировки общей теории относительности является идеальное требование того, чтобы простые преобразования координат (такие, как вращения системы координат) не влияли на результаты физических измерений. Однако в некоторых расширениях общей теории относительности такая инвариантность отсутствует. Одни компоненты преобразуются там иначе, чем другие, что делает теорию далекой от идеала. Это как если взять легковой автомобиль с жилым автоприцепом и надеяться, что при повороте направо прицеп последует за ним в том же темпе, иначе произойдет авария и автопоезд расцепится.
К концу 1946 года два физика были так близки, что Шрёдингер пытался убедить Эйнштейна переехать в Ирландию. Для совместной работы такие условия были бы идеальными. Но Эйнштейн вежливо отказался, написав: «Старому растению не место в новом горшке»{172}.
Примерно в январе 1947 года Шрёдингеру удалось добиться того, что он посчитал крупным прорывом. Он нашел (или думал, что нашел) простой лагранжиан, который хорошо сочетался с его единой теорией и из которого можно было получить полевые уравнения для гравитации, электромагнетизма и мезонных полей.
Взволнованный этим открытием, он подготовил доклад для Ирландской королевской академии, чтобы представить его на собрании 27 января.
Речь всей жизни
Зима 1947 года в Ирландии была очень суровой. Из-за сильных морозов и снегопадов острая нехватка топлива переживалась еще более болезненно. Популярность правительства сильно упала, что неудивительно. К концу января в Дублине установилась довольно низкая температура и пошел легкий снежок. И дальше погода только ухудшалась.
Несмотря на то что снег практически полностью покрыл город, велосипедисты продолжали ездить по центральным улицам. Шрёдингера не страшила погода, поскольку у него была миссия, которую он намеревался завершить. На своем велосипеде вдоль Доусон-стрит, большой магистрали, параллельной главной улице Дублина Графтон-стрит, он прибыл в академию с «ключом ко Вселенной» в рюкзаке: простой комбинацией символов, которая умещалась на клочке бумаги размером с почтовую марку, но которую он считал лагранжианом, описывающим всё во Вселенной. Подставьте этот лагранжиан в уравнения движения, разработанные Гамильтоном, и вы увидите, как чудесным образом появляются все силы природы.
Дух Гамильтона часто посещал это величественное кирпичное здание. В 1852 году, когда Академия переехала на Доусон-стрит, 9, Гамильтон был ведущим ученым и мыслителем Ирландии и присутствовал на всех заседаниях академии. Интересуясь связью между временем и пространством, он восхищался тем, как физики объединяют их в своих математических теориях. Как он однажды заметил, «из символов спрясть бы такую нить, чтоб ею пространство и время сшить»{173}.
Конференц-зал академии, спроектированный известным архитектором Фредериком Кларендоном, был воплощением элегантности. Огромные люстры, свисавшие с высокого потолка, дополняли слабое освещение от высоких окон, расположенных над балконами.
Стоявшие вдоль стен книжные шкафы, напоминая членам академии о значимости научного наследия прошлого, ломились от увесистых фолиантов. Каждый курс лекций, тщательно записанный для потомков в изданиях трудов академии, также пополнял коллекцию библиотеки.
Премьер-министр занял свое место в зале вместе с приблизительно двадцатью другими участниками, включая студентов и профессоров. Без сомнения, он был счастлив находиться здесь, а не в Дойле перед лицом возмущенной оппозиции. Его присутствие практически гарантировало освещение доклада в прессе. Репортеры Irish Press и Irish Times, предупрежденные о том, что заседание может стать отличным информационным поводом, сидели все во внимании и нетерпеливо ждали сенсации.
Президент академии Томас Перси Клод Киркпатрик (врач, библиофил и историк медицины) подошел к трибуне. Он тоже приехал на велосипеде, поскольку у него не было автомобиля. Киркпатрик представил нового члена академии, графа Росса, и первого спикера, ботаника Дэвида Уэбба, который прочитал лекцию о видах растений Ирландии.
Затем настал черед Шрёдингера. Зал затих, и все взоры устремились на австрийского лауреата Нобелевской премии.
«Чем ближе человек подбирается к истине, тем проще становятся вещи, — начал Шрёдингер. — Я имею честь представить вам сегодня краеугольный камень аффинной теории поля, а также решение проблемы, волнующей физиков уже более тридцати лет: непротиворечивое обобщение великой теории Эйнштейна 1916 года»{174}.
Репортеры старательно делали заметки о новой научной революции и прокручивали в голове варианты громких заголовков. Они надеялись, что смогут каким-то образом понять математические выкладки в достаточной степени, чтобы донести их значимость до читателей.
Конференц-зал Ирландской королевской академии, в котором Шрёдингер прочитал многие из своих главных лекций. Фотограф и дата неизвестны; © RIA
Шрёдингер объяснил, как Эйнштейн и Эддингтон почти нашли правильный лагранжиан, равный квадратному корню из определителя тензора Риччи, взятого со знаком минус. Но именно Шрёдингер заставил его работать. (Напомним, что тензор Риччи используется для описания кривизны пространства-времени, а его определитель, или детерминант, получается путем суммирования комбинаций его компонент.) Шрёдингер отметил, что основное отличие его подхода от предыдущих заключается в том, что он использовал несимметричную аффинную связность. Неназванные коллеги пытались разубедить его, но он стоял на своем.
Шрёдингер использовал свои излюбленные аналогии с животным миром, чтобы обосновать использование аффинной связности, которая не была симметричной, и тем самым включить в теорию дополнительные независимые переменные. «Наездник хочет, чтобы его конь взял барьер, — сказал Шрёдингер. — Он смотрит на него и думает: “Несчастное создание, у него четыре ноги, ему будет очень трудно управляться сразу со всеми четырьмя. Я знаю, что делать. Я буду учить его последовательно. Сначала я свяжу вместе его задние ноги, и он научится прыгать только передними ногами. Это будет намного проще. И тогда мы посмотрим, возможно, после этого он сможет научиться прыгать, используя одновременно четыре конечности”. Эта аналогия отлично описывает ситуацию. Несчастное создание [аффинная связность] получило свои задние ноги, связанные условием симметрии, которое отобрало 24 из 64 степеней его свободы. Следствием такого ограничения стало то, что оно не могло прыгать»{175}.
Закончил свою речь Шрёдингер необычайно амбициозным прогнозом, что его теория способна объяснить, почему вращающиеся массы (например, такие объекты, как Земля) могут создавать вокруг себя магнитные поля. С 1943 года его цели расширились от описания аномалий магнитного поля Земли до объяснения законов всего мироздания. Он говорил о том, что выхолило за рамки его компетенции! Он мало что знало геомагнетизме и, похоже, не был знаком с исследованиями, которые успешно объясняли этот эффект при помощи модели ядра Земли.
Например, в 1936 году датский геофизик Инге Леманн продемонстрировала с помощью анализа сейсмических волн, что Земля имеет как внутреннее, так и внешнее ядро. В 1940 году американский геофизик Фрэнсис Бёрч разработал модель для описания магнитного поля Земли, основанную на некоторых предположениях о поведении железа, находящегося в ее ядре под высоким давлением. Хотя его модель и была довольно упрощенной и неточной, она представляла собой надежную отправную точку для дальнейших исследований источников возникновения магнитного поля Земли. С учетом этого становится ясно, что Шрёдингер не просто промазал мимо мишени, но даже не прицелился как следует.
