«Идеальная теория». Глава из книги

Пролог

Доклад Артура Эддингтона на совместном заседании Королевского и Астрономического обществ 6 ноября 1919 года в корне изменил парадигму гравитационной физики. C торжественной монотонностью кембриджский астроном описал свое путешествие на маленький, поросший буйной зеленью остров Принсипи у западного побережья Африки, где с помощью телескопа он сфотографировал полное солнечное затмение, постаравшись запечатлеть находящееся за Солнцем неяркое звездное скопление. Измерив положение звезд, Эддингтон обнаружил отклонения от закона всемирного тяготения, открытого покровителем британской науки Исааком Ньютоном и безоговорочно принимавшегося в течение более чем двух столетий. Астроном утверждал, что место этого закона теперь занимает новая и более правильная теория, предложенная Альбертом Эйнштейном под названием «общая теория относительности».

В то время теория относительности Эйнштейна была известна не только своим потенциалом в плане объяснения происходящихво Вселенной явлений, но и своей невообразимой сложностью. После церемонии, когда слушатели и докладчики уже готовились выйти в лондонские сумерки, к Эддингтону подошел польский физик Людвиг Зильберштейн. Зильберштейн был автором книги о более ограниченной «специальной теории относительности» Эйнштейна и с интересом следил за выступлением Эддингтона. Он сказал: «Профессор Эддингтон, вы, должно быть, один из трех человек в мире, понимающий общую теорию относительности». Заметив замешательство Эддингтона, Зильберштейн добавил: «Не скромничайте». Эддингтон решительно взглянул на него и произнес: «Напротив, я пытаюсь понять, кто же является третьим».

К моменту моего первого знакомства с общей теорией относительности названную Зильберштейном цифру уже можно было скорректировать в сторону увеличения. В начале 1980-х я услышал, как Карл Саган рассказывает о сжатии и растяжении времени и пространства в телесериале «Космос». Я немедленно попросил отца объяснить мне эту теорию. Он ограничился словами о том, что она крайне сложна. «Вряд ли кто-то понимает общую теорию относительности», — вот как он сказал. Но остановить меня было непросто. В этой странной теории с ее искривленными сетками пространства-времени, обернутыми вокруг пустынных впадин небытия, имелось что-то до крайности притягательное. Действие принципа общей относительности можно было наблюдать в старых эпизодах «Звездного пути», когда «черная звезда» отправляла в прошлое космический корабль «Энтерпрайз» или когда Джеймс Т. Кирк путался в измерениях пространства-времени. Неужели понять все это настолько сложно?

Несколькими годами позднее я изучал инженерное дело в Лиссабонском университете, в тяжеловесном здании из камня, железа и стекла, представлявшем собой превосходный образчик архитектуры времен Салазара. Обстановка удивительно подходила для бесконечных лекций, обучающих нас полезным вещам: искусству создания компьютеров, мостов и машин. Некоторые студенты спасались от этого занудства, читая в свободное время материалы по современной физике. И каждый мечтал стать Альбертом Эйнштейном. Время от времени на наших лекциях излагались некоторые из его идей. Мы узнали о связи массы с энергией и о том, что свет на самом деле состоит из частиц. Когда дело дошло до изучения электромагнитных волн, нас познакомили со специальной теорией относительности. Эйнштейн сформулировал ее в 1905 году когда ему было двадцать шесть, то есть всего на несколько лет больше, чем нам. Один из наиболее просвещенных преподавателей посоветовал нам почитать оригинальные труды Эйнштейна. В сравнении с нудными упражнениями, которые мы были вынуждены делать, это были шедевры выразительности и ясности. Однако общая теория относительности — созданная Эйнштейном грандиозная теория пространства-времени — в нашу программу не входила.

В какой-то момент я решил самостоятельно заняться ее изучением. В библиотеке нашего университета обнаружилась завораживающая коллекция монографий и учебников величайших физиков и математиков двадцатого столетия. Там были Артур Эддингтон, президент Королевского астрономического общества из Кембриджа; Герман Вейль, математик из Геттингена; отцы квантовой физики Эрвин Шрёдингер и Вольфганг Паули, — и у каждого из них было свое мнение о том, как следует преподавать теорию Эйнштейна. Один том выглядел как большая черная телефонная книга и насчитывал более тысячи страниц, уснащенных орнаментами и комментариями тройки американских релятивистов. Другой, написанный физиком-теоретиком Полем Дираком, содержал всего семь десятков глянцевых страниц. Я полностью погрузился в совершенно новую Вселенную идей, населенную самыми увлекательными персонажами.

Понимание этих идей давалось непросто. Пришлось учиться думать по-новому, опираясь на выкладки, которые изначально воспринимались как трудная для понимания геометрия и абстрактная математика. Для расшифровки теории Эйнштейна требуется овладеть математическим языком. Тогда я не знал, что в попытках разобраться в собственной теории Эйнштейну пришлось пройти тот же самый путь. Изучив лексику и грамматику, я пришел в восторг от открывшихся возможностей. И тогда начался мой роман с общей теорией относительности длиною в жизнь.

Это будет сильным преувеличением, но выразиться по-другому я не могу: наградой за покорение общей теории относительности Эйнштейна становится ключ к пониманию истории Вселенной, возникновению времени, эволюции звезд и галактик. Эта теория может рассказать, что находится в самых дальних уголках Вселенной, и объяснить, как это влияет на нашу жизнь. Она проливает свет на возникновение частиц высоких энергий из ничего и объясняет, как появляется ткань реальности, пространства и времени, превращаясь в основу Вселенной.

За месяцы интенсивного обучения я понял, что общая теория относительности оживляет пространство и время. Пространство — это не просто место существования вещей, а время — не только часы, отсчитывающие мгновения. Согласно Эйнштейну, пространство и время переплетены в космическом танце, отвечая за каждый кусочек материи, от частиц до галактик, и соединяясь в сложные структуры, которые порождают самые невероятные эффекты. Предложенная им теория с момента своего появления применялась для исследования окружающего мира, открыв, что Вселенная является динамическим объектом, расширяющимся с головокружительной скоростью и наполненным черными дырами, ужасными пробоями пространства и времени, громадными волнами энергии, каждая из которых сравнима по мощности с энергией целой галактики. Общая теория относительности позволяет заглянуть в такие дали, о которых мы никогда не мечтали.

При первом знакомстве с общей теорией относительности меня поразил еще один факт. Эйнштейн занимался ее созданием почти десятилетие, но с той поры она не изменилась. Почти целый век она рассматривалась многими как совершенная, служа источником глубокого восхищения для всех, кто имел честь с ней познакомиться. Благодаря своей незыблемости она стала культовой, как центральный элемент современной мысли и как общечеловеческое достижение, наравне с Сикстинской капеллой, сюитами Баха для виолончели и фильмами Антониони. Общая теория относительности лаконично воплощается в наборе уравнений и правил, которые можно легко сформулировать и записать. Они не просто красивы, они кое-что говорят об окружающем мире. C их помощью был сделан ряд прогнозов касательно нашей Вселенной, подтвердившихся впоследствии через наблюдения. Существует твердое убеждение, что эта теория скрывает еще более глубокие секреты, которые только предстоит открыть. Чего еще мне было желать?

Почти двадцать пять лет общая теория относительности является частью моей повседневной жизни. Она попала в центр моих исследований и послужила фундаментом многих вещей, которые мы с коллегами пытались понять. Мой первый опыт столкновения с этой теорией был далеко не уникальным; я встречаю людей со всего мира, которых она зацепила настолько, что они посвятили свою жизнь раскрытию ее тайн. Говоря про весь мир, я не преувеличиваю. Из самых разных городов, от Киншасы до Кракова, от Кентербери до Сантьяго, мне регулярно присылают научные работы, авторы которых пытаются искать новые решения или даже вносить изменения в общую теорию относительности. При всей сложности для восприятия теория Эйнштейна очень доступна; ее сложность и неподатливость означают лишь то, что до момента, когда из нее будут получены все возможные выводы, еще работать и работать. И проявить себя на этом поприще может любой, обладающий ручкой, бумагой и упорством.

Я часто слышал, как руководители докторантов отговаривали своих подопечных от погружения в общую теорию относительности, пугая их невозможностью впоследствии найти работу. Для многих она является слишком заумной. Посвящение своей жизни общей теории относительности — это, конечно же, бескорыстный труд и почти безответное призвание. Но те, кто однажды подцепил этот вирус, идут на все, чтобы продолжать свои изыскания в этой области. Недавно я встречался с ведущим светилом в моделировании климатических изменений. Он настоящий пионер, член Королевского общества, эксперт в такой чертовски трудной для исследований сфере, как предсказания погоды и климата. Но он не всегда зарабатывал этим себе на жизнь. В 1970-е годы, еще юношей, он изучал общую теорию относительности. C того времени прошло почти сорок лет, но при нашей первой встрече он, криво улыбнувшись, сказал мне: «На самом деле я релятивист».

Мой друг оставил научную деятельность после почти двадцати лет работы над теорией Эйнштейна. Теперь он трудится в компании, производящей программное обеспечение, и занимается задачами хранения больших объемов данных. Всю неделю он летает по миру, настраивая сложные и дорогие системы в банках, корпорациях и правительственных учреждениях. Но при наших встречах он расспрашивает меня или сам делится последними размышлениями по поводу общей теории относительности. Он не может с ней расстаться.

Общая теория относительности всегда озадачивала меня одним обстоятельством. Каким образом, появившись почти век назад, она продолжает приносить новые плоды? Ей посвящали свое время столь мощные умы, что, казалось, еще десятилетия назад из нее можно было выжать все до последней капли. При всей ее сложности должен же быть предел того, что она в состоянии нам дать? Не достаточно ли нам черных дыр и расширяющейся Вселенной? Однако продолжая исследовать вытекающие из этой теории идеи и встречаться с работающими над ней блестящими умами, я пришел к выводу что история общей теории относительности представляет собой увлекательное и чудесное повествование, возможно, столь же сложное, как она сама. Чтобы понять, почему эта теория еще не списана со счетов, имеет смысл проследить за почти вековыми перипетиями ее существования.

Эта книга представляет собой биографию общей теории относительности. Идея Эйнштейна об объединении времени и пространства начала жить сама по себе, оставаясь на всем протяжении XX века источником восторгов и разочарований самых гениальных умов. Это теория, постоянно преподносящая сюрпризы, гениальные озарения о природе нашего мира, принять которые было сложно даже самому Эйнштейну. По мере захвата ею все новых умов возникали неожиданные открытия, причем в самых странных ситуациях. Концепция черных дыр была впервые предложена на полях сражений Первой мировой войны и достигла своей зрелости в руках первопроходцев, занимающихся созданием советской и американской атомных бомб. Идею расширяющейся Вселенной первыми предложили священник из Бельгии и метролог из России. Новые и загадочные астрофизические объекты, сыгравшие важную роль в стабилизации общей теории относительности, обнаруживали иногда совершенно случайно. Нейтронные звезды Джоселин Белл открыла среди Кембриджских болот при помощи металлической сетки, натянутой на хрупкую конструкцию из дерева и гвоздей.

Более того, общая теория относительности стала центром ряда основных интеллектуальных сражений XX века. Ее преследовали в гитлеровской Германии, травили в сталинской России и отвергали в Америке 1950-х. Она развела величайших физиков и астрономов по разные стороны баррикад в битве за окончательную модель Вселенной. Они выясняли, началась ли Вселенная с Большого взрыва или же существовала всегда, они пытались понять фундаментальную структуру пространства и времени. Одновременно она объединяла разрозненные сообщества; в разгар холодной войны советские, британские и американские ученые начали вместе работать над проблемой происхождения черных дыр.

История общей теории относительности связана не только с прошлым. За последние десять лет стало понятно, что если общая теория относительности верна, то большая часть нашей Вселенной является темной. Ее заполняет материя, которая не только не излучает свет, но даже не отражает и не поглощает его. Существует огромное количество эмпирических данных. По всей видимости, почти треть Вселенной состоит из темной материи: тяжелого, невидимого вещества, роящегося по галактикам, как множество рассерженных пчел. Остальные две трети имеют вид эфирной субстанции, темной энергии, которая раздвигает пространство в стороны. И только четыре процента Вселенной состоит из привычных для нас атомов. Нас практически не видно. Но это в случае, если теория Эйнштейна верна. Однако существует вероятность, что мы просто достигли пределов ее применимости, где теория начинает давать сбои.

Теория Эйнштейна имеет важное значение для новой фундаментальной теории природы, из-за которой физики-теоретики рвут друг другу глотки. Теория струн, пытающаяся зайти дальше, чем Ньютон с Эйнштейном, и объединить все природные явления, опирается на сложные варианты пространства-времени, приобретающие при увеличении размерности странные свойства. Эту теорию, куда более запутанную, чем любые построения Эйнштейна, одни прославляют как окончательную победу, другие же считают скорее романтической фантазией, чем наукой. Хотя теория струн не появилась бы без общей теории относительности, многие практикующие релятивисты смотрят на нее весьма скептически.

Темная материя, темная энергия, черные дыры, теория струн — все эти порождения теории Эйнштейна доминируют в физике и астрономии. Читая лекции в университетах, посещая семинары и участвуя в заседаниях Европейского космического агентства, отвечающего за важнейшие научно-исследовательские спутники, я понял, что мы находимся на пороге важных преобразований в современной физике. У нас есть талантливые молодые ученые, рассматривающие общую теорию относительности с позиций опыта, накопленного за век работы гениальных людей. Они анализируют теорию Эйнштейна, вооружившись беспрецедентными вычислительными мощностями, рассматривая альтернативные варианты теорий, способные опровергнуть концепции Эйнштейна, и пытаясь найти в космосе неизвестные объекты, позволяющие подтвердить или оспорить основные положения общей теории относительности. Еще более широкое научное сообщество разом получило стимул к созданию грандиозных машин, позволяющих заглянуть глубже в космос и получить более четкую картину спутников, настроенных на поиск доказательств того, что предсказала нам теория Эйнштейна.

История общей теории относительности необыкновенна и всеобъемлюща, поэтому ее следует рассказать миру. Ведь даже войдя в XXI век, мы продолжаем сталкиваться с множеством порожденных ею великих открытий и оставшихся без ответа вопросов. В ближайшие годы должно произойти что-то действительно важное, и нужно понимать, откуда оно придет. Я подозреваю, что если XX век стал веком квантовой физики, то в XXI в полной мере проявит себя общая теория относительности.

Глава 1. Человек в свободном падении

Осенью 1907 года Альберт Эйнштейн работал в стрессовых условиях. Ежегодник Electronics and Radioactivity попросил его прислать полный обзор теории относительности. Обобщить столь солидный труд за короткий срок было непросто, особенно если учесть, что работать приходилось исключительно в свободное время. C 8 утра до 6 вечера с понедельника по субботу Эйнштейн находился в Федеральном бюро патентования изобретений в только что построенном здании почты и телеграфа, где он тщательно изучал схемы вновь придуманных электрических устройств и пытался определить, есть ли в них какая-либо ценность. Начальник советовал ему: «Взяв в руки заявку, представь, что все написанное изобретателем — вранье», и Эйнштейн старательно следовал этому совету. Большую часть дня заметки и расчеты, связанные с его собственными теориями, лежали во втором ящике стола, который Эйнштейн называл своей «кафедрой теоретической физики».

Обзор Эйнштейна был призван закрепить торжественное объединение механики Галилео Галилея и Исаака Ньютона с теориями электричества и магнетизма Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла. Он объяснял бы открытое несколькими годами раньше замедление хода часов при движении и уменьшение размеров движущихся тел. Он проливал бы свет на странную формулу, демонстрирующую взаимозаменяемость массы и энергии и утверждающую, что превысить скорость света невозможно. Обзор принципа относительности показал бы, что почти вся физика должна определяться новым общим набором правил.

За несколько месяцев 1905 года Эйнштейн написал ряд работ, которые преобразовали физику. Во вдохновенном порыве он продемонстрировал, что свет ведет себя как пучки энергии, напоминающие частицы материи. Также им было показано, что хаотичные перемещения пылинок на поверхности налитой в блюдце воды вызваны молекулами воды, вибрирующими и отскакивающими друг от друга. Кроме того, он решил проблему, досаждавшую физикам почти полвека: почему кажется, что действие физических законов зависит от того, каким образом мы на них смотрим. Все это Эйнштейн систематизировал в своем принципе относительности.

И эти ошеломляющие открытия Эйнштейн сделал, работая скромным патентным экспертом в Берне и попутно анализируя научные и технические разработки того времени. В 1907 году он все еще находился там, так и не попав в, казалось бы, избегающие его высокие академические круги. На самом деле Эйнштейн мало напоминал человека, способного переписать часть основных физических законов. Во время обучения в высшей технической школе Цюриха он пропускал не интересующие его лекции и восстанавливал против себя людей, которые могли бы пестовать его гений. Один из профессоров сказал ему: «Вы очень умный мальчик... Но у вас есть один недостаток: вы никогда не позволяете, чтобы вам на что-либо указывали». Из-за того, что научный руководитель запретил Эйнштейну работать над самостоятельно выбранной темой, его финальная работа оказалась столь унылой, что заслужила крайне низкий балл, впоследствии помешавший ему получить должность ассистента во всех университетах, куда он посылал заявки.

C момента выпуска в 1900 году до поступления на работу в патентное бюро в 1902 карьера Эйнштейна представляла собой цепь неудач. Довершил его разочарование тот факт, что отправленная в 1901 году в Цюрихский университет докторская диссертация годом позже была отклонена. В представленной рукописи Эйнштейн опровергал ряд идей, выдвинутых одним из величайших физиков-теоретиков конца XIX века Людвигом Больцманом. Попытка иконоборчества потерпела фиаско. И докторскую степень он получил только в 1905 году за работу «Новое определение размера молекул». Для себя же Эйнштейн обнаружил, что степень «значительно облегчает взаимоотношения с людьми».

Пока он пробивал себе путь, его друг Марсель Гроссман шел к должности достопочтимого профессора кратчайшим путем. Именно благодаря дисциплинированному, старательному и любимому учителями Гроссману, который подробно и тщательно вел конспекты лекций, Эйнштейну удалось удержаться в университете. Во время обучения в Цюрихе Гроссман стал близким другом Эйнштейна и его будущей жены Милевы Марич. Все трое окончили университет одновременно. В отличие от карьеры Эйнштейна, карьера Гроссмана с самого начала шла гладко. В 1902 году он был назначен ассистентом в Цюрихе и в 1902 получил докторскую степень. После недолгой преподавательской деятельности Гроссман стал профессором начертательной геометрии в Швейцарской высшей технической школе в Цюрихе. Эйнштейну же не удавалось устроиться даже на место школьного учителя. И только благодаря рекомендации отца Гроссмана, знакомого с главой Федерального бюро патентования изобретений, Эйнштейн был взят на должность патентного эксперта.

Работа в бюро патентов стала для Эйнштейна благословлением. После долгой финансовой нестабильности и зависимости от отца он, наконец, смог жениться на Милеве и начать семейную жизнь в Берне. Относительная монотонность работы с четко определенными задачами и отсутствием отвлекающих факторов создала идеальную среду для размышлений. За несколько часов Эйнштейн справлялся с текущими делами и мог сконцентрироваться на собственных проблемах. За маленьким деревянным столом в компании немногочисленных книг и бумаг со своей «кафедры теоретической физики» он мог мысленно ставить эксперименты. И в процессе этих, как он называл их по-немецки, gedankenexperimenten, Эйнштейн воображал ситуации и конструкции, позволяющие исследовать физические законы. В отсутствие настоящей лаборатории он прокручивал в голове тщательно моделируемые игры, инсценируя события, которые затем детально изучал. Эйнштейн хорошо знал математику и мог изложить результаты таких экспериментов на бумаге, создавая изысканные шедевры, в конечном счете поменявшие путь развития физики.

Владельцы патентного бюро были довольны работой Эйнштейна и повысили его до эксперта II класса, и это никак не было связано с появившейся у него научной репутацией. Эйнштейн все еще корпел над ежедневными порциями патентов, когда в 1907 году немецкий физик Иоханесс Штарк поручил ему обзор «О принципе относительности и вытекающих из него следствиях». На эту работу было отведено два месяца, и за это время Эйнштейн осознал, что выведенный им принцип относительности не универсален и требует тщательного пересмотра.

Статья в ежегоднике предполагалась как краткое изложение исходного принципа относительности, который гласил, что законы физики должны быть одинаковы в любой инерциальной системе отсчета. Лежащая в основе принципа идея была не нова и эксплуатировалась столетиями.

Законы физики и механики описывают движение, ускорение и замедление объектов под действием сил. В XVII веке английский физик и математик Исаак Ньютон сформулировал законы, объясняющие реакцию объектов на механические силы. Они последовательно демонстрировали, что произойдет при столкновении двух бильярдных шаров, вылете пули из ружья или при подбрасывании мяча в воздух.

Инерциальной называется система отсчета, движущаяся с постоянной скоростью. Если вы читаете эту книгу, сидя на одном месте, например дома в кресле или за столиком в кафе, вы находитесь в инерциальной системе отсчета. Другим классическим примером является равномерно перемещающийся скорый поезд с закрытыми окнами. Находящийся внутри человек после достижения постоянной скорости движения не сможет определить, движется поезд или стоит. Обнаружить разницу между двумя инерциальными системами в принципе невозможно, даже если одна перемещается с большой скоростью, а вторая покоится. Результат измерения действующих на объект сил будет тождественным в любой из инерциальных систем. Законы физики работают во всех этих системах одинаково.

Девятнадцатый век породил совершенно новые законы, объединившие две основные силы: электричество и магнетизм. На первый взгляд эти явления не связаны друг с другом. Электричество — это лампочки у нас дома или молнии во время грозы, а с проявлениями магнетизма мы сталкиваемся, прикрепляя магнитики к холодильнику или определяя направление по компасу. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что эти две силы можно рассматривать как различные проявления общей базовой силы, электромагнетизма, восприятие которой зависит от того, как именно движется наблюдатель. Человек, сидящий рядом с магнитным бруском, столкнется с магнетизмом, но не с электричеством. А вот при быстром круговом движении можно ощутить не только магнетизм, но и толику электричества. Максвелл скомпоновал две силы в одну, не зависящую от положения и скорости наблюдателя.

При попытке объединить ньютоновские законы движения с описывающими электромагнитное взаимодействие законами Максвелла возникает проблема. Если бы окружающий мир и в самом деле подчинялся этим законам, из магнитов, проводов и блоков можно было бы создать инструмент, не ощущающий воздействия сил в одной инерциальной системе, но способный регистрировать силу в другой, нарушая постулат о неразличимости инерциальных систем. Соответственно, создавалось впечатление, что законы Ньютона противоречат законам Максвелла. Эйнштейн хотел устранить эту «асимметрию».

За предшествующий публикациям 1905 года срок, проведя серию направленных на решение данной проблемы мысленных экспериментов, Эйнштейн разработал компактный принцип относительности. Результатом его умственных упражнений стали два постулата. По-новому был сформулирован сам принцип: проявления законов физики должны выглядеть одинаково в любой инерциальной системе отсчета. Второй постулат был более радикальным: в любой инерциальной системе отсчета скорость света всегда одинакова и составляет 299 792 километра в секунду. Именно эти постулаты позволили скорректировать ньютоновскую механику и законы движения таким образом, что при их объединении с законами электромагнитного взаимодействия Максвелла инерциальные системы оставались бы неразличимыми. Кроме того, новый принцип относительности Эйнштейна привел к ошеломительным результатам.

Последний постулат требует корректировки законов Ньютона. В классической Вселенной Ньютона скорость аддитивна. Свет фар движущегося автомобиля перемещается быстрее, чем свет стационарного источника. А во Вселенной Эйнштейна это не так. Существует предельная космическая скорость, равная 299 792 километрам в секунду. Этот барьер не в состоянии преодолеть даже самая мощная ракета. Но возникает странный эффект. К примеру, человек, путешествующий в поезде, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, будет стареть медленнее, чем человек, стоящий на платформе и наблюдающий, как этот поезд проходит мимо. А размер такого поезда во время движения оказывается меньше, чем во время стоянки. Время растягивается, а пространство сжимается. Эти странные вещи показывают, что в мире относительности время и пространство переплетены друг с другом и взаимозаменяемы.

Казалось бы, принцип относительности Эйнштейна упростил физику, но последствия при этом получались странные. И осенью 1907 года в процессе подготовки обзора ему пришлось признать, что хорошо работающая на первый взгляд гипотеза пока далека от завершения. В картину не укладывалась теория тяготения Ньютона.

До появления Альберта Эйнштейна Ньютон считался богом в мире физики. Его работы демонстрировались как пример ошеломляющего успеха современной мысли. В конце XVII века Ньютон объединил действующую на очень маленькие и на очень большие объекты силу тяжести в одно простое уравнение. Оно объясняло как космические явления, так и нашу повседневную жизнь.

Закон всемирного тяготения Ньютона, или «закон обратных квадратов», на удивление прост. Он гласит, что гравитационное притяжение между двумя объектами прямо пропорционально массе каждого из объектов и обратно пропорционально расстоянию между ними. При увеличении массы одного из объектов в два раза сила гравитационного притяжения также удваивается. А если в два раза увеличить расстояние между объектами, притяжение ослабнет в четыре раза. На протяжении двух веков закон Ньютона использовался для объяснения любых физических явлений. Наиболее ярким примером его применения стало обоснование орбит существующих планет, а также предсказание новых.

Во второй половине XVIII века появились данные о странной неустойчивости орбиты Урана. По мере накопления эмпирических сведений астрономы могли все больше уточнять маршрут движения этой планеты. Предсказание орбиты Урана — задача нетривиальная. Нужно в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона рассчитать влияние на Уран других планет, корректируя орбиту то с одной, то с другой стороны и все более ее усложняя. Астрономы и математики публиковали данные о перемещениях Урана в форме таблиц, позволяющих предсказать положение планеты в любой день и год. Но предсказания необъяснимо отличались от результатов последующих наблюдений.

Французский астроном и математик Урбен Леверье имел большой опыт расчетов астрономических орбит. Именно он рассчитал траектории перемещения различных планет Солнечной системы. Сосредоточив свое внимание на Уране, он первым делом предположил, что теория Ньютона верна. Ведь с другими планетами она дала прекрасные результаты. В этом случае единственным объяснением происходящего могло быть наличие некоего неучтенного до сих пор фактора. И Леверье сделал смелый шаг, предсказав существование новой условной планеты и рассчитав ее астрономическую таблицу. К его восторгу, немецкий астроном из Берлина Готтфрид Галле направил свой телескоп в соответствии с указанными в таблице координатами и обнаружил неизвестную большую мерцавшую планету. Как выразился Галле в письме к Леверье: «Месье, планета, положение которой вы указали, действительно существует».

Леверье воспользовался теорией Ньютона глубже, чем кто-либо другой, и был вознагражден за свою дерзость. Десятилетиями Нептун называли «планетой Леверье». Марсель Пруст в цикле «В поисках утраченного времени» использовал открытие Леверье как аналогию процесса над парламентской коррупцией, а Чарльз Диккенс упомянул его при описании напряженной работы сыщиков в рассказе «Сыскная полиция». Ведь это был прекрасный пример применения фундаментальных правил научной дедукции. Греющийся в лучах славы Леверье обратил свои взоры к Меркурию. Орбита этой планеты тоже казалась странной и неожиданной.

В рамках ньютоновской механики изолированная планета должна вращаться вокруг Солнца по простой замкнутой орбите, имеющей форму сплющенного круга, то есть эллипса. Планета бесконечно следует по одной траектории, то подходя ближе к Солнцу, то удаляясь от него. Ближайшая к Солнцу точка планетарной орбиты, называемая перигелием, со временем не меняется. Орбиты некоторых планет, например Земли, представляют собой практически окружности, в то время как, к примеру, Меркурий движется по более эллиптическому контуру.

Учтя влияние всех прочих планет на орбиту Меркурия, Леверье обнаружил, что движение этой планеты не подчиняется закону всемирного тяготения; ее перигелий смещается примерно на 40 угловых секунд в столетие. (Угловой секундой называется внесистемная астрономическая единица измерения малых углов; небесный купол состоит из 1,3 миллиона угловых секунд, или 360 градусов.) Эту аномалию, известную как смещение перигелия Меркурия, Леверье не смог объяснить при помощи законов Ньютона. Присутствовало влияние дополнительного фактора.

И снова постулировав корректность законов Ньютона, Леверье в 1859 году предположил наличие недалеко от Солнца планеты Вулкан, размер которой примерно совпадал с размерами Меркурия. Это была крайне дерзкая и нелепая гипотеза. Как выразился сам Леверье: «Неужели очень яркую и расположенную недалеко от Солнца планету нельзя было заметить во время полного солнечного затмения?»

Гипотеза Леверье спровоцировала настоящую гонку за новой планетой. В течение десятилетий то и дело поступали сведения об обнаружении рядом с Солнцем некоего объекта, но при внимательном изучении информация не выдерживала критики. Поиск продолжался даже после смерти Леверье, но объяснить аномалию удалось и без помощи невидимой планеты.

Когда в 1907 году гравитационными взаимодействиями заинтересовался Эйнштейн, ему требовалось согласовать теорию Ньютона с собственным принципом относительности. В глубине души он понимал, что одновременно следует найти объяснение аномальной орбите Меркурия. Это была тяжелая задача.

Теория гравитационных взаимодействий Ньютона противоречила обоим постулатам красивого и лаконичного принципа относительности. Сила тяжести действует мгновенно. Как только два объекта оказываются рядом, между ними возникает гравитационное взаимодействие — время для его передачи от одного объекта к другому не требуется. Но как быть с тем, что в соответствии с принципом относительности ничто, никакой сигнал и никакой эффект не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость света? Фактически согласовавший механику и электромагнетизм, принцип относительности Эйнштейна не распространялся на гравитационные взаимодействия. Более того, ньютоновская гравитация по-разному выглядела в разных инерциальных системах отсчета.

Первый шаг на длинном пути к устранению данного противоречия и обобщению теории относительности был сделан в патентном бюро, где Эйнштейн сидел, погрузившись в собственные мысли. Годы спустя он вспоминал идею, позволившую ему распространить свою теорию на гравитационные взаимодействия: «В свободном падении человек не чувствует собственного веса».

Поставьте себя на место провалившейся в кроличью нору Алисы, падению которой ничто не в силах помешать. Так как вы падаете под действием силы тяжести, скорость движения будет равномерно увеличиваться. Ускорение точно совпадает с гравитационным притяжением, и в результате ваше падение будет ощущаться как не требующее усилий — вы не почувствуете, что вас что-то подталкивает или тянет, хотя такое падение, без сомнения, внушит вам ужас, ведь вы мчитесь сквозь пространство. А теперь представьте, что вместе с вами падает ряд предметов: книга, чашка чая, белый кролик, пребывающий в такой же панике, как и вы. Движение всех этих объектов также будет равноускоренным, компенсируя силу тяжести. В результате они начнут парить вокруг вас в процессе вашего совместного падения. Если поставить эксперимент и попытаться определить движение этих объектов относительно вас и измерить силу тяжести, это ничего не даст. Вы будете чувствовать себя невесомым, невесомыми будут выглядеть и падающие вместе с вами объекты. Все это указывает на наличие тесной взаимосвязи между ускоренным движением и силой тяжести — в данном случае одно полностью компенсирует другое.

Возможно, свободное падение — излишне радикальный эксперимент. Слишком много отвлекающих факторов: в ушах свистит воздух, а мысль о том, что рано или поздно вы достигнете дна, мешает ясности мышления. Проделаем более простые и куда более спокойные действия. Представьте, что вы вошли в лифт на первом этаже высотного дома. В первые несколько секунд подъема, пока лифт ускоряется, вы чувствуете, что стали немного тяжелее. И наоборот, представьте движение в лифте вниз с последнего этажа. В первый момент, пока он набирает скорость, вы ощутите легкость. Разумеется, после достижения максимальной скорости перемещения ваш вес меняться уже не будет. Но ускорение и замедление лифта сдвигают ваше восприятие собственного веса, а значит, и силы тяжести. Другими словами, ощущение силы тяжести зависит от того, разгоняетесь вы или тормозите.

В тот день 1907 года, когда Эйнштейн представил себе падающего человека, он понял, что между силой тяжести и ускорением существует тесная связь, которая и послужит ключом к двери, открывающей гравитационным взаимодействиям путь в его теорию относительности. Если отредактировать принцип относительности таким образом, чтобы сделать законы физики инвариантными по отношению не только к системам отсчета, движущимся с постоянной скоростью, но и к ускоряющимся или замедляющимся системам, он позволит добавить к комбинации механики и электродинамики еще и гравитационные взаимодействия. Полной уверенности в правильности выбранного пути не было, но именно это гениальное озарение стало первым шагом на пути к универсальной теории относительности.

Под давлением немецкого редактора Эйнштейн написал обзор «О принципе относительности и вытекающих из него следствиях». Туда он включил раздел, описывающий, что произойдет, если подправить принцип с учетом гравитационных взаимодействий. Вкратце были отмечены некоторые следствия, например то, что наличие гравитации меняет скорость света и заставляет часы двигаться медленнее. Обобщенный принцип относительности позволял объяснить даже дрейфующую орбиту Меркурия. Все эти перечисленные в конце статьи эффекты можно было использовать для проверки высказанной идеи, но их следовало проработать более тщательно и подробно. Все это могло подождать. И на несколько лет Эйнштейн оставил свою теорию.

К концу 1907 года великолепная безвестность Эйнштейна завершается. Медленно, но верно опубликованные в 1905 году работы начинают привлекать к себе внимание. Начинают приходить письма от выдающихся физиков с просьбами прислать копии статей и с обсуждениями выдвинутых Эйнштейном идей. Взволнованный всем этим Эйнштейн говорит друзьям: «Мои работы получили большое признание и дают мне стимул к дальнейшим исследованиям». Один из его поклонников съязвил: «Должен признаться, я был поражен, прочитав, что вам приходилось по восемь часов высиживать в офисе. Но история полна дурными шутками!» Жизнь Эйнштейна нельзя назвать плохой. Работа в Берне позволила ему создать семью с Милевой. В 1904 году у них родился сын Ганс Альберт. График работы в патентном бюро позволял Эйнштейну проводить время дома, мастеря игрушки для ребенка, хотя он уже был готов ворваться в научный мир.

В 1908 году Эйнштейн наконец получает возможность читать факультатив в университете Берна. Он счел преподавание ужасно обременительным и как лектор заработал ужасную репутацию. Тем не менее в 1909 году его пригласили на должность экстраординарного профессора в университет Цюриха. Там он оставался чуть больше года. Уже в 1911 году он получает предложение возглавить кафедру в Немецком университете в Праге. На этот раз преподавательская деятельность не вошла в его обязанности. Без этого груза ум Эйнштейна вернулся в то состояние, которое владело им в упорядоченной и изолированной атмосфере патентного бюро. Он снова мог размышлять над тем, как сделать теорию относительности более универсальной.