ОТО – новая теория гравитации. Это кажется странным, но лишь на первый взгляд. Все сводится к так называемому принципу эквивалентности Эйнштейна, впервые сформулированному в 1907 г., согласно которому в действительности нет никакой разницы между гравитацией и движением с ускорением.
Представьте, что вы вошли в помещение без окон. Гравитация Земли тут же притягивает вас к полу. Ваш друг входит в такое же помещение без окон в космическом корабле, разгоняющемся в безвоздушном пространстве. Рядом нет планеты, которая могла бы воздействовать на него своей гравитацией, но и его прижимает к полу. Это происходит потому, что все помещение с ускорением движется вперед, будучи частью корабля.
Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что между этими двумя ситуациями нет принципиальной разницы. Иными словами, какие бы эксперименты ни поставили вы и ваш друг-астронавт, результаты будут одинаковыми. Следовательно, если время замедляется в ускоряющемся корабле, оно должно замедляться и в среде с сильной гравитацией. Как объяснил Эйнштейн Лоренцу во время визита 1911 г., часы идут чуть быстрее на втором этаже здания, чем в цокольном, поскольку на втором этаже гравитационное поле Земли чуть слабее.
В последующие несколько лет Эйнштейн много трудился над этой темой и в конце концов поручил своему другу и бывшему соученику по Цюриху Марселю Гроссману разработать сложный математический аппарат, без которого невозможно было двигаться дальше. Осенью 1915 г. он погрузился в размышления, почти не покидая мансарду в доме Эльзы по Хаберландштрассе, 5, обстановку которой составляли старомодный телефон (и самопишущее перо!) на письменном столе, вытертый ковер на полу и портрет Исаака Ньютона на стене. Думаю, он даже на время перестал обращать внимание на свою кузину.
В течение ноября Эйнштейн завершил четыре основополагающие статьи о разных аспектах ОТО. Это геометрия четырехмерного пространства; масса, энергия и искривление пространственно-временного континуума; знаменитое уравнение поля, ныне украшающее стену Музея Бургаве в Лейдене; наконец, верное предсказание избыточной прецессии перигелия орбиты Меркурия. Ее можно полностью объяснить искривлением пространственно-временного континуума вблизи массивного Солнца.
Задача была решена.
Эйнштейн представил свои статьи на четырех последующих собраниях Прусской академии наук, проводившихся по четвергам, – 4, 11, 18 и 25 ноября 1915 г. Третья статья, по проблеме Меркурия, была обнародована в день 34-летия его любимой сестры Майи – двойное торжество. Читая доклад, он то и дело прерывался, чтобы записать формулы на доске. Все ли физики старшего поколения, присутствовавшие в аудитории, были способны сразу понять его работу? Едва ли. Сознавали ли они, что ОТО совершит переворот в физике? По крайней мере некоторые. Оценили ли они гений молодого коллеги? Почти наверняка.
Альберту Эйнштейну было 36 лет.
Прошло еще четыре года, прежде чем Эйнштейн стал культовой фигурой (в главе 3 я расскажу, как это произошло). К тому времени он развелся с Милевой (14 февраля 1919 г.) и, не прошло и 16 недель, женился на Эльзе. В 1920 г. он становится приглашенным профессором в Лейденском университете и в течение многих лет проводит по меньшей мере один месяц ежегодно в обществе Эренфеста, сменившего Лоренца в 1912 г. Эйнштейн стал иностранным членом Голландской академии наук и Королевского общества. Он получил Нобелевскую премию по физике, посетил Нью-Йорк, совершил путешествие по Азии и подружился с Чарли Чаплином.
В начале 1933 г., по окончании третьей поездки в Соединенные Штаты, Альберт и Эльза решили не возвращаться в Германию, где пришел к власти Адольф Гитлер. У Эйнштейна были еврейские корни, он был включен в список врагов германского рейха. Написанные им книги были сожжены, его летний коттедж в Капуте, недалеко от Берлина, захвачен и впоследствии превращен в лагерь гитлерюгенда. После девятимесячного пребывания в Бельгии супруги уехали в Англию, откуда вернулись в США. Осенью 1933 г. Эйнштейн получил должность в недавно созданном Институте перспективных исследований в Принстоне. Через несколько недель его близкий друг Пауль Эренфест в состоянии глубокой депрессии покончил с собой.
Жизнь Альберта Эйнштейна оборвалась 18 апреля 1955 г. Он умер от аневризмы брюшной аорты в принстонской больнице в возрасте 76 лет. Одно из его последних писем было адресовано семье его друга Микеле Бессо, скончавшегося в марте того же года. «Люди, подобные нам, которые верят в физику, знают, что различие между прошлым, настоящим и будущим – всего лишь навязчивая иллюзия», – писал он. В конце концов, время относительно[22].
Собственноручно написанное Эйнштейном послание и сейчас можно прочесть в доме Эренфеста по улице Витте Розенстраат, 57, в Лейдене. Коллегам со всего мира, приезжающим в гости, предлагалось расписаться на стене в коридоре второго этажа перед гостевой комнатой. Эти подписи можно читать как биографический словарь по физике: Нильс Бор, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Эрвин Шрёдингер, Альберт Эйнштейн.
Недалеко от дома Эренфеста, на стене дома по Грёнховенстраат, 18, начертано стихотворение аргентинского писателя Хорхе Луиса Борхеса. Вот его последние строки:
Tu materia es el tiempo, el incesante
Tiempo. Eres cada solitario instante.
(Ты состоишь из времени, бесконечного времени.
Ты есть каждый отдельный момент.)
3Теория Эйнштейна проходит проверку
Можно ли израсходовать $750 млн на доказательство того, что все и так считают истинным? В такую сумму НАСА обошлась космическая миссия Gravity Probe B, в 2005 г. подтвердившая ряд предсказаний Эйнштейна путем измерения слабых релятивистских эффектов, известных как геодезическая прецессия и увлечение инерциальных систем отсчета.
В 1963 г., когда проект стартовал, высказывалось мнение, что незачем тратить огромные суммы только ради подтверждения, казалось бы, самоочевидных вещей, ведь в космосе еще множество тайн.
Фрэнсис Эверитт, главный исследователь проекта Gravity Probe B, постоянно слышал этот аргумент. В своем кабинете в Стэнфордском университете он рассказывает о сложном пути проекта, в том числе о зависти некоторых коллег[23]. В науке получить деньги означает гарантированно нажить врагов.
Восьмидесятидвухлетний Эверитт умеет относиться к деньгам как к стратегическому ресурсу. Путь проекта Gravity Probe B от замысла до официального обсуждения научных результатов занял почти полвека, что чрезвычайно долго даже для программы исследований космоса[24]. Однако, если разложить его полную стоимость на весь срок, получим ежегодные затраты в $14 млн. Это менее 0,001 % бюджета НАСА на 2016 г. Более того, количественные тесты идей Эйнштейна были немногочисленны и редки. Эверитт убежден, что каждый вложенный в Gravity Probe B пенс окупился.
Тем не менее вопрос о том, зачем вообще тестировать идеи Эйнштейна, остается открытым. Он величайший физик всех времен и народов. Разве кто-то сомневается, что его теория относительности верна?
На самом деле сомневается.
Вернее, ученые никогда не бывают уверены ни в чем. Завтра могут появиться новые экспериментальные данные, противоречащие излюбленной теории. Это произошло, когда измерения орбиты Меркурия не полностью совпали с предсказаниями теории всеобщего тяготения Ньютона. Вспомните, как работают ученые. Наблюдения объясняются теорией. На основе теории делаются предсказания. Эксперименты проверяют справедливость предсказаний. Если они подтверждаются, уверенность в истинности теории возрастает; если не подтверждаются, значит, в ней какая-то ошибка. Корректируем теорию или выдвигаем другую. Снова ставим эксперименты. Так выглядит научный метод.
Итак, проверка предсказаний – это норма для науки. Фрэнсису Эверитту нравятся слова Леонарда Шиффа, физика из Стэнфорда, предложившего идею проекта Gravity Probe B: «Какой смысл в теории без экспериментов?»
В конце этой главы я подробнее расскажу о Gravity Probe B, геодезической прецессии и увлечении инерциальных систем отсчета, но прежде вернемся примерно на 100 лет назад. Альберт Эйнштейн только что сформулировал ОТО. Она прекрасно объясняет все, что мы наблюдаем в окружающем мире: падение яблок с веток, орбитальное движение планет и даже слишком сильную прецессию перигелия Меркурия. Прекрасно! Но является ли это пределом наших знаний о гравитации и пространственно-временном континууме? Прав ли Эйнштейн?
Сам ученый предложил три пути проверки своей теории. Один из них связан с наблюдением, заставившим Эйнштейна приступить к ее разработке, – странным поведением Меркурия, тем фактом, что его вытянутая орбита смещается гораздо быстрее, чем предполагает теория Ньютона. Действительно, его теория полностью объясняет прецессию Меркурия.
Два других способа проверки опираются на специфические предсказания ОТО: отклонение света звезд и гравитационное красное смещение. По сути, Эйнштейн заявил: «Испытайте меня. Если я прав, свет звезд должен отклоняться массивными телами, а длина волны света изменяться в сильном гравитационном поле. Если ничего подобного не наблюдается, значит, я ошибаюсь и нам нужно начинать сначала».
В первую очередь разберемся с отклонением света. Представьте себе Солнце, каким оно наблюдается с Земли. Фоном Солнцу служат звезды. Вы их, разумеется, не видите, поскольку Солнце слишком яркое, но они там есть. Каждый день года мы точно знаем, в какой части неба находится Солнце.
Теперь представьте себе свет звезды, расположенной в наблюдаемом участке неба вблизи края солнечного диска. Свет звезды движется во Вселенной по прямой десятки или сотни лет, может, и больше, точно в направлении нашего телескопа. Но вот свет проходит рядом с Солнцем. Поскольку Солнце является массивным телом, оно вызывает местное искривление пространственно-временного континуума, как было описано в главе 1. В результате траектория света отклоняется. Свет начнет двигаться немного в другом направлении и не попадет в наш телескоп.