Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная - Уолтер Айзексон

Эйнштейн отстаивал это и перед блестящим молодым ученым Карлом Шварцшильдом, который во время войны написал ему письмо с Восточного фронта о значении общей теории относительности для космологии. “Инерция – просто взаимодействие между массами, а не эффект, в который вовлечено само “пространство” отдельно от наблюдаемых масс”, – заявил тогда Эйнштейн23. Но Шварцшильд с этим утверждением не согласился.

И теперь, через четыре года, Эйнштейн изменил свою точку зрения. В отличие от интерпретации общей теории относительности в 1916 году в речи, произнесенной в Лейдене, Эйнштейн признал, что теория гравитационного поля подразумевает наличие физических свойств у пустого пространства. Механическое поведение тела, подвешенного в пустом пространстве, такого как, например, ведро Ньютона, “зависит не только от относительных скоростей, но также и от собственного состояния вращения”. А это значит, что “пространство наделено физическими свойствами”.

Он категорически заявил: это означает, что он отказывается от принципа Маха. Среди прочего, идея Маха о том, что инерция обусловлена взаимодействием данного тела со всеми телами во Вселенной, предполагает, что эти тела могут мгновенно воздействовать на него, даже если они расположены сколь угодно далеко. Теория относительности Эйнштейна не допускает мгновенного действия на расстоянии. Даже силы гравитации не приводятся в действие мгновенно, а только благодаря изменениям гравитационного поля, а те подчиняются ограничениям, накладываемым постулатом о постоянстве скорости света. “Инерционное сопротивление ускорению, обусловленное удаленными массами, предполагает действие на расстоянии, – сказал Эйнштейн во время лекции. – Поскольку в настоящее время физики не согласны с тем, что действие на расстоянии может иметь место, мы возвращаемся к эфиру, который должен служить средой, передающей инерцию”24.

Полемика по этому вопросу продолжается до сих пор, но Эйнштейн, по крайней мере читая лекцию в Лейдене, верил, что в согласии с общей теорией относительности, как он ее тогда понимал, вода в ведре Ньютона будет подниматься вдоль стенок, даже если оно будет вращаться во Вселенной, свободной от всех других тел. “В отличие от предсказаний Маха, – пишет Брайан Грин, – даже если во Вселенной нет других тел, вы будете ощущать давление на внутренние стенки вращающегося ведра… В общей теории относительности пустое пространство – время обеспечивает точку отсчета для ускоренного движения”25.

Сила инерции, поднимающая воду вверх по стенкам ведра, вызвана его вращением относительно метрического поля, которое Эйнштейн теперь считал возрожденным эфиром. В результате он вынужден был признать, что общая теория относительности не требует исключения понятия абсолютного движения, по крайней мере относительно метрики пространства – времени26.

Это было не совсем отступление. Не было это и возвращением к концепции эфира из XIX века. Но это был более консервативный взгляд на Вселенную, указывающий на разрыв с радикализмом Маха, который когда-то Эйнштейн признавал.

Эйнштейну явно было некомфортно. Он пришел к выводу, что лучший способ избавиться от необходимости в эфире, существующем независимо от материи, – построить эту самую не дающуюся в руки единую теорию поля. Это был бы настоящий триумф! “Сгладились бы противоречия между эфиром и материей, – говорил он, – а вся физика стала бы завершенной системой взглядов”27.

Но наиболее явно переход Эйнштейна в середине жизни из стана революционеров в стан консерваторов проявился в его все более напряженных отношениях с квантовой теорией, приведшей в середине 1920-х годов к созданию совершенно новой механики. Он подозрительно относился к этой новой квантовой механике, большую часть времени тратил на поиск единой теории поля, которая объединила бы ее с теорией относительности и вернула определенность природе. Этот поиск длился всю вторую половину его научной карьеры и в какой-то степени сделал ее менее значимой. Когда-то он был бесстрашным первооткрывателем квантов. В начале века они с Максом Планком начали квантовую революцию, но в отличие от Планка Эйнштейн был среди тех немногих ученых, кто искренне верил в физическую реальность кванта – в то, что свет действительно представляет собой порции энергии. Иногда такие кванты ведут себя как частицы. Это неделимые элементы, а не часть континуума.

В 1909 году, выступая в Зальцбурге, Эйнштейн предсказывал, что физике предстоит примириться с дуальностью, то есть с тем, что свет можно считать и волной, и частицей. И на первом Сольвеевском конгрессе в 1911 году он решительно утверждал, что “эти нарушения непрерывности, которые нам так не нравятся в теории Планка, по-видимому, на самом деле должны существовать в природе”28.

По этой причине Планк, не готовый признать физическую реальность введенных им квантов, написал об Эйнштейне в рекомендательном письме для избрания в Прусскую академию: “Возможно, высказав гипотезу о квантах света, он зашел слишком далеко”. Другие ученые тоже поддержали Планка в неприятии квантов Эйнштейна. Вальтер Нернст назвал эту идею “вероятно, самым странным, о чем он когда-либо слышал”, а Роберт Милликен – “полностью несостоятельной” – даже после того, как сам в своей лаборатории проверил точность предсказаний теории Эйнштейна29.

Новый этап квантовой революции начался в 1913 году, когда Нильс Бор предложил свою исправленную модель атома. Бор, блестящий, но застенчивый и невразумительно выражавшийся молодой датчанин, был шестью годами моложе Эйнштейна. Он был знаком как с немецкими работами по квантовой теории Планка и Эйнштейна, так и с работами по структуре атомов англичан Дж. Дж. Томсона и Эрнеста Резерфорда. “В то время квантовая теория была немецким изобретением, вряд ли вообще проникшим в Англию”, – вспоминал Артур Эддингтон30.

Бор отправился учиться к Томсону в Кембридж. Но у невнятно бормочущего датчанина и неразговорчивого британца возникли трудности в общении. Поэтому Бор перебрался в Манчестер работать с более коммуникабельным Резерфордом, автором модели атома, где крошечные отрицательно заряженные электроны вращались по орбитам вокруг положительно заряженного ядра31.

Усовершенствование, сделанное Бором, основывалось на том, что вращающиеся электроны не сваливаются на ядро, испуская излучение непрерывного спектра, как то предсказывает классическая механика. В новой модели Бора, основанием которой послужило изучение атома водорода, электрон, находясь в состояниях с дискретными энергиями, вращается вокруг ядра по определенным разрешенным орбитам. Атом может поглощать энергию излучения (такого как свет) только маленькими порциями, что приводит к перебрасыванию электрона с орбиты, на которой он находился, на другую, более высокую разрешенную орбиту. Точно так же атом может испускать излучение только порциями, что приведет к падению электрона вниз на другую разрешенную орбиту.

При переходе с одной орбиты на другую электрон совершает квантовый скачок. Другими словами, это отдельный, проходящий с нарушением непрерывности переход с одного уровня на другой без возможности отклониться и оказаться где-то между уровнями. Бору удалось показать, что его модель объясняет положение спектральных линий излучения атома водорода.