Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

Ученые сегодня уже сформулировали самый прогрессивный вариант квантовой физики, который воплотился в так называемой Стандартной модели, объясняющей субатомные экспериментальные данные. В каком-то смысле это самая успешная теория в природе; она описывает свойства трех (электромагнитного, слабого и сильного ядерного) из четырех фундаментальных взаимодействий. Несмотря на успешность Стандартной модели, у нее есть две бросающиеся в глаза проблемы. Во-первых, она чрезвычайно некрасива; возможно, это одна из безобразнейших теорий, когда-либо предлагавшихся в науке. Теория просто связывает между собой слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия, причем связывает достаточно искусственно. Это как соединить при помощи скотча кита, муравьеда и жирафа и утверждать, что это высшее достижение природы, конечный продукт миллионов лет эволюции.

В 1963 г. исследование черных дыр получило новый толчок, когда новозеландский математик Рой Керр обобщил теорию шварцшильдовой черной дыры так, чтобы включить в нее вращающиеся черные дыры. Поскольку все во Вселенной, кажется, вращается, и поскольку объекты вращаются все быстрее, когда сжимаются, было естественно предположить, что любая реальная черная дыра будет вращаться с фантастической скоростью. К всеобщему удивлению, Керр нашел точное решение уравнений Эйнштейна, в котором звезда коллапсировала во вращающееся кольцо. Гравитация в этом случае пытается схлопнуть кольцо, но центробежные эффекты могут оказаться достаточно сильными, чтобы противостоять гравитации, и вращающееся кольцо будет стабильным. Релятивистов больше всего удивило, что при пролете сквозь кольцо вас бы не раздавило. Гравитация в центре кольца сильна, но конечна, так что в принципе вы могли бы пролететь прямо сквозь кольцо, в другую Вселенную. Путешествие по мосту Эйнштейна – Розена не обязательно должно окончиться смертельным исходом. Если кольцо оказалось бы достаточно большим, через него можно было бы безопасно попасть в параллельную Вселенную.

Если критика Эйнштейном квантовой теории способствовала ее развитию, хотя и не привела, возможно, к полностью удовлетворительному разрешению всех ее парадоксов, то в других областях, в первую очередь в общей теории относительности, его идеи с лихвой наверстали упущенное. Сегодня, в эпоху атомных часов, лазеров и суперкомпьютеров, ученые проводят такие высокоточные эксперименты по проверке общей теории относительности, о каких Эйнштейн мог только мечтать. Так, в 1959 г. Роберт Паунд и Глен Ребка из Гарварда наконец получили лабораторное подтверждение предсказанного Эйнштейном гравитационного красного смещения, то есть того факта, что часы в гравитационном поле идут с разной скоростью.

Кроме того, появление атомных часов привело к настоящей революции в методиках проведения прецизионных экспериментов. В 1971 г. атомные часы поместили в реактивный самолет, летавший с востока на запад и с запада на восток. Эти атомные часы затем сравнили с атомными часами, остававшимися в неподвижном состоянии в Военно-морской лаборатории в Вашингтоне. Проанализировав показания атомных часов на самолетах, летавших с разной скоростью (но на одной и той же высоте), ученые смогли подтвердить специальную теорию относительности. Затем, проанализировав показания часов на самолетах, летавших с одной скоростью, но на разных высотах, они смогли проверить предсказания общей теории относительности. В обоих случаях результаты подтвердили предсказания Эйнштейна в пределах экспериментальных погрешностей.

Сегодня признается, что из всех альтернативных вариантов копенгагенская школа Бора предлагает наименее привлекательный ответ на проблему кота, хотя до сих пор никаких экспериментальных отклонений от первоначальной боровской интерпретации не обнаружено. Копенгагенская школа постулирует существование «стены», отделяющей повседневный макроскопический мир деревьев, гор и людей, который мы видим вокруг себя, от загадочного контринтуитивного микроскопического мира квантов и волн. В микроскопическом мире элементарные частицы существуют в промежуточном состоянии между бытием и небытием. Однако мы живем по другую сторону стены, где все волновые функции уже схлопнулись, поэтому наша макроскопическая вселенная кажется нам стабильной и вполне определенной. Иными словами, наблюдателя от наблюдаемого объекта «отделяет стена»

По дороге в Японию и Китай Эйнштейн получил давно запоздавшее, по мнению многих, известие из Стокгольма. В телеграмме сообщалось, что ему присуждена Нобелевская премия по физике, но не за теорию относительности – его высшее достижение, – а за объяснение фотоэффекта. На следующий год, произнося с некоторым опозданием свою нобелевскую речь, Эйнштейн вновь, как это часто бывало, шокировал слушателей. Даже не упомянув (как все ожидали) в своей речи фотоэлектрический эффект, он говорил только о теории относительности.

Надо сказать, что Эддингтон и дальше будет служить главным проводником идей Эйнштейна и «хранителем огня» в англоязычном мире, будет защищать общую теорию относительности от всех нападок. Подобно Томасу Гексли, служившему в предыдущем столетии «бульдогом Дарвина» и продвигавшем теорию эволюции в глубоко религиозной викторианской Англии, Эддингтон будет на всю мощь использовать свою научную репутацию и значительные полемические навыки для продвижения теории относительности. Этот странный союз двух пацифистов – квакера и еврея – помог донести теорию относительности до англоязычных людей.

По мнению Планка, эти две константы – постоянная Планка и скорость света – обозначили границы территории, на которой действовали «здравый смысл» и ньютонова физика. Мы не в состоянии увидеть таинственную и непонятную по природе своей физическую реальность из-за того, что постоянная Планка так мала, а скорость света так огромна. Если теория относительности и квантовая теория противоречили здравому смыслу, то только потому, что мы проживаем всю свою жизнь в крохотном уголке Вселенной – в защищенном мире, где скорости малы по сравнению со скоростью света, а объекты настолько велики, что мы никогда не сталкиваемся с постоянной Планка. Природе, однако, нет дела до нашего здравого смысла, она создала Вселенную на основе элементарных частиц, которые постоянно летают со скоростями, близкими к скорости света, и подчиняются формуле Планка.