Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная - Уолтер Айзексон

Целью космологии является изучение Вселенной как единого целого, от края и до края, от начала и до конца ее существования, в том числе определение ее размера и формы, прошлой истории и будущей судьбы. Это огромная тема и очень сложная. Даже определить, что означают эти понятия, даже понять, имеют ли они смысл вообще, непросто. Эйнштейн, сформулировав уравнения гравитационного поля общей теории относительности, заложил фундамент для исследований природы Вселенной и стал, таким образом, основателем современной космологии.

Помог ему в этом, по крайней мере на раннем этапе, очень сильный математик и еще более выдающийся астрофизик Карл Шварцшильд, который руководил в то время Потсдамской обсерваторией. Он изучил новую формулировку общей теории относительности Эйнштейна и в начале 1916 года предпринял попытку применить ее к исследованию космических объектов.

Одно обстоятельство очень осложняло работу Шварцшильда. Во время войны он пошел добровольцем в немецкую армию и читал статьи Эйнштейна, уже находясь на фронте в России и рассчитывая там траектории артиллерийских снарядов. Однако он смог выкроить время и с помощью уравнений теории Эйнштейна рассчитать гравитационное поле вокруг космических объектов. В каком-то смысле его ситуация была похожа на ту, в которой работал сам Эйнштейн, создавая свою специальную теорию относительности в свободное время от рассмотрения патентных заявок на способы синхронизации часов, только в военном ее варианте.

В январе 1916 года Шварцшильд послал Эйнштейну по почте свой результат точного решения его уравнений с припиской, что он придаст его теории “блеск высшей пробы”. Помимо прочего, его результаты подтвердили с большей точностью, что уравнения Эйнштейна объясняют поведение орбиты Меркурия. Эйнштейн пришел в возбуждение. В ответ он написал: “Я не ожидал, что точное решение задачи может быть сформулировано так просто”. В следующий четверг он лично представил эту работу на еженедельном заседании Прусской академии наук1.

Первые расчеты Шварцшильда в основном касались искривления пространства – времени во внешней окрестности невращающейся сферической звезды. Через несколько недель он послал Эйнштейну еще одну статью с расчетом того, что происходит уже внутри такой звезды.

Из расчетов следовало, что и там и там может, а точнее должно, происходить что-то необычное. Если всю массу звезды (или любого другого объекта) сжать в достаточно маленький объем, определяемый радиусом, получившим название шварцшильдовского радиуса, то все расчеты делались неверными. В центре звезды пространство должно было бесконечно заворачиваться вокруг самого себя. Для нашего Солнца это случилось бы, если бы вся его масса сжалась в сферу с радиусом примерно три километра. Для Земли это могло бы произойти, если бы вся ее масса была втиснута в сферу радиусом около одного сантиметра.

Что это могло означать? В такой ситуации ничто в пределах радиуса Шварцшильда не смогло бы преодолеть притяжение, даже свет или излучение в любой другой форме. Время на границе сферы также подверглось бы искажению и бесконечно замедлилось. Другими словами, путешественник, приближающийся к границе сферы Шварцшильда, с точки зрения внешнего наблюдателя застыл бы в неподвижности.

Эйнштейн не верил – ни тогда, ни позже, – что эти результаты на самом деле соответствуют чему-то реальному. В 1939 году, например, он подготовил работу, в которой, по его словам, “ясно объяснил, почему эти “сингулярности Шварцшильда” не существуют в физической реальности”. Однако несколько месяцев спустя Роберт Оппенгеймер и его ученик, студент Хартланд Снайдер, сделали обратное утверждение, предсказав, что звезды могут подвергаться гравитационному коллапсу2.

Что касается самого Шварцшильда, то он уже не смог продвинуться в этом вопросе. Через несколько недель после написания своей статьи на фронте он заболел страшной аутоиммунной болезнью, которая начала съедать его клетки кожи, и в мае того же года в возрасте сорока двух лет умер.

После смерти Эйнштейна ученые доказали, что странная теория Шварцшильда была правильной. Звезды могут коллапсировать, и на самом деле они часто это делают, так что такое явление вполне реально. В 1960-е годы многие физики, например Стивен Хокинг, Роджер Пенроуз, Джон Уилер, Фримен Дайсон и Кип Торн, показали, что это явление – одно из самых реальных следствий общей теории относительности Эйнштейна. Уилер назвал такие сколлапсировавшие звезды “черными дырами”, и они стали элементом космологии и героями фантастического телесериала “Звездный путь”3.

Черные дыры к настоящему времени уже обнаружены в разных концах Вселенной, в том числе одна дыра в центре нашей галактики, масса которой в несколько миллионов раз больше массы нашего Солнца. “Черные дыры не редкость, и они не случайные украшения нашей Вселенной, – говорит Дайсон. – Это единственные места в мире, где теория относительности Эйнштейна проявляется в полной своей мощи и славе. Здесь и нигде больше пространство и время теряют свою индивидуальность, сливаются и образуют сильно искаженную четырехмерную структуру, точно описываемую уравнениями Эйнштейна”4.

Эйнштейн считал, что его общая теория относительности решает проблему ведра Ньютона так, как понравилось бы Маху: инерция (или центробежная сила) не будет возникать при вращении предметов в совершенно пустой Вселенной[58]– инерция возникает только при вращении относительно всех других объектов во Вселенной. “Согласно моей теории инерция есть просто взаимодействие между массами, а не эффект, в котором участвует “пространство” само по себе, отдельно от наблюдаемой массы, – писал Эйнштейн Шварцшильду, – это можно объяснить следующим образом. Если я позволю всему исчезнуть, то согласно Ньютону инерциальное пространство Галилея остается, а согласно моей интерпретации не остается ничего”5.

Вопрос об инерции вызвал спор Эйнштейна с одним из величайших астрономов того времени – Виллемом де Ситтером из Лейдена. На протяжении всего 1916 года Эйнштейн боролся за сохранение относительности инерции и принципа Маха, используя всевозможные конструкции, в том числе различные “граничные условия”, такие как отдаленные массы, расположенные на периферии космического пространства, которые невозможно наблюдать. Как заметил де Ситтер, это само по себе было бы предметом осуждения для Маха, всегда негодовавшего, когда постулировались вещи, которые невозможно наблюдать6.

К февралю 1917 года Эйнштейн принял новый подход. “Я полностью отказался от своих взглядов, справедливо вами оспариваемых, – писал он де Ситтеру. – Мне любопытно услышать, что вы сможете сказать о немного сумасшедшей идее, которую я сейчас рассматриваю”7. Это идея поначалу показалась ему настолько дурацкой, что он написал о ней своему другу Паулю Эренфесту в Лейден: “Из-за нее мне грозит опасность оказаться в сумасшедшем доме”. Он в шутку попросил Эренфеста удостовериться, что в Лейдене нет таких психиатрических лечебниц, только тогда он приедет к нему в гости8.