Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности
Возможно, именно сильная облачность в начале эксперимента помогла получить приемлемые результаты. В бразильской деревне Собраль был жаркий и ясный день, что позволило наблюдать затмение с самого начала. Окруженные ликующими местными жителями, жаждущими принять участие в историческом событии, Кроммелин и Девидсон смогли получить девятнадцать пластин в дополнение к шестнадцати пластинам Эллингтона и Коттингема. В восторге они послали телеграмму: «Затмение. Великолепно». В тот момент они не понимали, что прекрасные условия наблюдения и жаркая погода фактически сорвали эксперимент. Жара настолько деформировала аппаратуру, что измерять фотопластинки было уже бесполезно. И только резервные наблюдения с меньшего телескопа позволили экспедиции внести в эксперимент свою лепту.
Быстро вернуться домой астрономы не могли, поэтому к анализу пластинок приступили только в конце июля. Из шестнадцати предоставленных Эддингтоном снимков только на двух оказалось достаточное для корректного измерения отклонения количество звезд. В результате получили отклонение в 1,61 угловой секунды с погрешностью в 0,3 угловой секунды, что согласовывалось с предсказанной Эйнштейном цифрой 1,7 угловой секунды. Результаты анализа бразильских пластинок вызвали тревогу. Отклонение составило всего 0,93 угловой секунды, что совсем не совпадало с релятивистскими прогнозами, зато укладывалось в теорию Ньютона. Впрочем, это были пластинки, пострадавшие от тепла. Анализ резервных наблюдений из деревни Собраль, полученных при помощи меньшего телескопа, показал, что отклонение составляет 1,98 угловой секунды, что всего на 0,12 угловой секунды превысило предсказанное Эйнштейном число.
6 ноября 1919 года команда исследователей отчиталась о результатах на совместном заседании королевского и астрономического обществ. В серии выступлений под руководством Фрэнка Дайсона члены экспедиции представили аудитории, состоящей из их коллег, различные измерения. После того как были приняты во внимание проблемы, с которыми столкнулась экспедиция в деревне Собраль, докладчики продемонстрировали, что результаты измерений блестяще подтверждают предсказания Эйнштейна.
Президент Королевского общества Джозеф Джон Томсон отозвался об измерениях так: «Это самый важный результат, полученный в теории тяготения после Ньютона». Он добавил: «Если таким образом поддерживается справедливость рассуждений Эйнштейна — и были пройдены две серьезные проверки в рамках уточнения перигелия Меркурия и настоящего затмения, — то данный результат относится к одному из величайших достижений человеческой мысли».
На следующий день после собрания в Берлингтон-хаузе слова Томпсона появились в лондонской газете Times. Рядом с множеством заголовков, посвященных годовщине перемирия и провозглашавших «Славу погибшим», располагалась статья, озаглавленная «Революция в науке. Новая теория Вселенной. Идеи Ньютона опровергнуты». В ней описывались результаты экспедиций. Новости и мнения по поводу новой теории Эйнштейна и экспедиции Эддингтона распространялись по англоязычным странам со скоростью лесного пожара. К 10 ноября информация достигла Америки, и в газете New York Times появились статьи под броскими заголовками «Весь свет скривился в небесах», «Триумф теории Эйнштейна». Была даже статья с витиеватым названием «Звезды не там, где кажутся, и не там, где они должны быть по расчетам, но для волнений нет причин».
Рискованная игра Эддингтона принесла плоды. Изучив и проверив новую общую теорию относительности Эйнштейна, он превратился в пророка новой физики. С этого момента он стал одним из немногих ученых мужей, на взгляды которых полагались при обсуждении нового релятивизма. Его мнение о том, как следует интерпретировать или разрабатывать теорию Эйнштейна, спрашивали чаще, чем кого бы то ни было.
И разумеется, блестящая экспедиция Эддингтона превратила Эйнштейна в суперзвезду. Его выводы изменили жизнь Эйнштейна и обеспечили общей теории относительности на редкость высокий уровень популярности и славы, по крайней мере на некоторое время. Ньютон был сброшен с трона, который он занимал в течение сотен лет. Теория Эйнштейна была непонятной и формулировалась математическим языком, известным крайне небольшому кругу людей, но она с честью выдержала устроенные Эддингтоном испытания. Кроме всего прочего, Эйнштейн перестал быть врагом. Несмотря на окончание войны, неприязнь к немецким ученым все еще существовала, но Эйнштейна она не касалась. Стало широко известно, что он не подписывал манифест 93-х, более того, он был не немцем, а швейцарским евреем. Как Эйнштейн выразился в статье Times вскоре после исторического доклада Эддингтона в Королевском астрономическом обществе: «В Германии меня называют немецким ученым, а для Англии я являюсь швейцарским евреем. Если же потребуется вызвать ко мне неприязнь, характеристики поменяются местами, и для Германии я стану швейцарским евреем, а для Англии — немецким ученым».
Из имеющего склонность к высокомерию неизвестного служащего патентного бюро, которым восхищались несколько узких специалистов, Эйнштейн превратился в культурный символ и стал получать приглашения прочитать лекции в Америке, в Японии, в странах Европы. А его общая теория относительности, впервые увидевшая свет в процессе простого мысленного эксперимента в бернском офисе, сформировала совершенно новый подход в физике. В релятивистской физике математика нашла твердую поддержку, породив набор сложных и красивых уравнений, готовых разлететься по миру. Пришло время выяснить, что эти уравнения означают.
Глава 3.
Корректная математика, отвратительная физика
Уравнения поля Эйнштейна представляют собой набор сложных связанных друг с другом функций, тем не менее их может решить любой человек, обладающий необходимыми навыками и настойчивостью. В следующие за открытием Эйнштейна десятилетия советский математик и метеоролог Александр Фридман и бельгийский католический священник Жорж Леметр сформировали на основе уравнений общей теории относительности радикально новый взгляд на Вселенную. Сам Эйнштейн долгое время его не разделял. Но именно благодаря их трудам теория получила новую жизнь, неподконтрольную Эйнштейну.
В 1915 году, сформулировав уравнения поля, Эйнштейн хотел решить их самостоятельно. Такое решение, позволяющее точно смоделировать всю Вселенную, казалось хорошей отправной точкой. В 1917 году, сделав несколько допущений, он предпринял первые шаги в этом направлении. В его теории поведение пространства определялось распределением материи и энергии. Для моделирования целой Вселенной требовалось учесть всю входящую во Вселенную материю и энергию. Простейшим и наиболее логичным было сделанное при первой попытке решения предположение о равномерном распределении материи и энергии в пространстве. Этим Эйнштейн просто продолжал рассуждения, в XVI веке преобразовавшие астрономию. Тогда Николай Коперник сделал смелое предположение, что Земля не является центром Вселенной, а на самом деле вращается вокруг Солнца. Эта «революция Коперника» с течением времени делала наше место в космосе все более незначительным. К середине XIX века стало ясно, что даже Солнце не имеет особой важности и располагается в каком-то непонятном месте на одном из спиральных рукавов Млечного пути нашей галактики. Взявшись за решение своих уравнений, Эйнштейн расширил допущение о том, что любое место во Вселенной должно выглядеть более или менее одинаково, доведя его до логического следствия: предпочтительного места или выделенного центра существовать не должно.
Предположение о наличии во Вселенной равномерно распределенной в пространстве материи упростило уравнения, но привело к странным последствиям. Из уравнений вытекало, что такая Вселенная должна расширяться. В какой-то момент все равномерно распределенные фрагменты энергии и материи начнут двигаться друг относительно друга упорядоченным образом. В крупном масштабе ничто не остается статичным. В конечном счете все может упасть на себя же, утянув за собой пространство-время и приведя к коллапсу Вселенной в целом.
В 1916 году общие представления астрономов о космосе находились в лучшем случае на уровне церковно-приходской школы. Имелась достаточно подробная карта Млечного пути, но о том, что находится за его пределами, не было ни малейшего представления. Ни у кого не было данных о том, как ведет себя Вселенная в целом. Все наблюдения показывали небольшое движение звезд, но эти перемещения не были резкими и, разумеется, не производили впечатление организованного и систематического явления. Эйнштейну, как и для большинству людей, небо казалось статичным. Никаких доказательств сжатия или расширения Вселенной не было. Подчинившись своей физической интуиции и предвзятому мнению, Эйнштейн нашел способ убрать из теории расширяющуюся Вселенную. Он ввел в уравнения новый постоянный член. Космологическая постоянная была призвана стабилизировать Вселенную, в точности компенсируя все ее содержимое. Вся энергия и материя, которую Эйнштейн равномерно распределил по Вселенной, пыталась затянуть в себя пространство-время, а космологическая постоянная выталкивала пространство-время назад, препятствуя коллапсу. Работа на сжатие и расширение сохраняла хрупкое сбалансированное состояние Вселенной, фиксированное и статичное, как хотелось видеть Эйнштейну.
