От античности до Эйнштейна

«Как старший товарищ, я должен Вас отговорить от этой деятельности, поскольку, во-первых, Вы не преуспеете в этой деятельности и даже если Вы преуспеете, то Вам все равно никто не поверит»

Из письма Макса Планка Альберту Эйнштейну по поводу попытки Эйнштейна разрешить противоречия между Специальной теорией относительности и Ньютоновой гравитацией С древнейших времен человечество всегда было очаровано понятиями Пространства (Небеса) и Времени (Начало, Изменение и Конец). Ранние мыслители, начиная от Гаутамы Будды, Лао Цзы и Аристотеля, активно обращались к этим понятиям. За столетия, содержание рассуждений этих мыслителей, выкристаллизовала в человеческом сознании те мысленные образы, которые мы теперь используем в нашей повседневной жизни. Мы думаем о пространстве, как о трехмерном континууме, окутывающем нас. Мы представляем время, как длительность любого процесса, никак не затронутая силами, действующими в физической вселенной. А вместе они образуют сцену, на которой развивается вся драма взаимодействий, актерами которой является все остальное — звезды и планеты, поля и материя, Вы и я.

В течение более тысячи лет, четыре книги по физике, написанные Аристотелем, обеспечивали фундамент для естественных наук. В то время как Гераклит полагал, что Вселенная находится в бесконечном развитии и все процессы в ней никогда не начинались и никогда не закончатся, Парменидес учил, что само понятие движения не совместимо с тем, кем является Единый, Непрерывный и Вечный. Аристотель включил обе этих идеи в свою космогоническую систему. Все изменения были теперь связаны с Землей и Луной, поскольку эти изменения были очевидны. Неизменность была перенесена на другие планеты, солнце и звезды, потому что они являлись Прекрасными, Неизменными и Вечными. Говоря современным языком, можно утверждать, что Аристотель оперировал абсолютным временем, пространством с абсолютной структурой и все это обеспечивалось изменяющейся Землей. Эти понятия лежали в основе истинного, на то время, восприятия и описания мира, которому в 1661 — 1665 годах, будучи студентом Кембриджа, обучался Исаак Ньютон.

Двадцать лет спустя, Ньютон опрокинул эти, столетия существовавшие догмы. Опубликовав в 1686 году свое видение окружающего мира, он обеспечил новое понимание окружающей нас Вселенной. Согласно его принципам, время оказалось подоконником, подставленным под размерный континуум. Оно по-прежнему являлось абсолютным и одинаковым для всех наблюдателей. Все одновременные события составили трехмерный пространственный континуум. Таким образом, в его рассуждениях исчезла абсолютная структура пространства. Благодаря урокам Коперника, Земля была отстранена от своего привилегированного положения во Вселенной. Галилеева относительность с математической точностью поместила всех инерциальных наблюдателей на одну физическую платформу. Ньютоновы принципы разрушили Аристотелеву ортодоксальность, отменяя различия между небесами и Землей. Небеса более не были неизменными. Впервые в физике возникли универсальные принципы. Яблоко, падающее на землю и планеты, движущиеся по своим орбитам вокруг Солнца, были теперь подчинены одним и тем же законам. Небеса больше не были столь таинственны, поскольку подлежали осознанию человеческим разумом. Уже в начале 1700-х годов на Слушаниях Королевского Общества Великобритании стали появляться работы, предсказывающие не только движение Юпитера, но и движение его лун! Неудивительно, что в то время отношение к Ньютону было наполнено не только скептицизмом, но и страхом и не только со стороны непрофессионалов, но и со стороны ведущей европейской интеллигенции. Например, маркиз де-Лопиталь, известный современным студентам своим правилом вычисления пределов, писал из Франции к Джону Арбатноту (John Arbuthnot) в Англию относительно Ньютона и его Принципов следующее:

— Мой Бог! Какие основы знания являются нам в той книге? Он ест и пьет и спит? Походят ли на него другие мужчины?

Как выразился Ричард Вестфолд в своей, весьма авторитетной биографии Ньютона «Никогда в покое»:

— До 1687 года Ньютон был едва ли известным человеком в философских кругах. Однако, ничто не подготовило мир натуральной философии к появлению его Принципов. Принципов, ставших поворотным моментом и для самого Ньютона, который после двадцати лет исследований, наконец, следовал от свершения к свершению. Принципов, ставших поворотным моментом для естественной философии.

Ньютоновы принципы стали новой ортодоксальностью и безраздельно властвовали на протяжении более чем 150 лет. Первый вызов ньютоновскому пониманию мира был брошен в совершенно неожиданной области физики и был связан с развитием понимания электромагнитных явлений. В середине 19-го столетия шотландский физик Джеймс Кларк Максвелл достиг удивительного синтеза всех накопленных знаний в этой области, записав свои четыре знаменитых векторных уравнения. Эти уравнения в дальнейшем обеспечили понимание особой значимости скорости света. Но в то время, понять это было невозможным. Абсолютная скорость передачи взаимодействия с очевидностью противоречила принципу относительности Галилея, являвшемуся краеугольным камнем Ньютоновой модели пространства-времени. К тому времени большинство физиков безоговорочно верили в истинность Ньютонова мира и потому пришли к выводу, что уравнения Максвелла могут выполняться только в определенной среде, названной эфиром. Но, делая подобные утверждения, они невольно возвращались назад к Аристотелю, утверждавшему, что Природе свойственна абсолютная структура пространства. И в таком состоянии эта проблема просуществовала в течение приблизительно 50 лет.

И вот 26-летний Альберт Эйнштейн публикует свою знаменитую работу «К электродинамике движущихся сред». В этой работе Эйнштейн принял истинность значения констант, содержавшихся в уравнениях Максвелла, и, используя простые мысленные эксперименты, ясно показал, что скорость света — универсальная постоянная, сохраняющая свое значение для всех инерциальных наблюдателей. Он показал, что понятие абсолютной физической одновременности несостоятельно. Пространственно разделенные события, кажущиеся одному наблюдателю одновременными, не являются таковыми для другого наблюдателя, движущегося относительно первого с постоянной скоростью.

Стало понятно, что Ньютонова модель пространства-времени может быть только приближением, справедливым в случае, когда рассматриваемые скорости много меньше, чем скорость света. Возникла новая модель пространства-времени, включающая в себя новый принцип относительности, называемая Специальной Теорией Относительности. Эта теория имела в свое время революционное значение. Согласно ей время потеряло свое абсолютное положение в физике. Абсолютным стал четырехмерный континуум пространства-времени. Расстояния в четырехмерном пространстве-времени между событиями хорошо определены, но только временные или только пространственные интервалы между событиями стали зависеть от выбора системы отсчета, то есть, от скорости движения одного наблюдателя, относительно другого. Новая теория давала необычные, эффектные предсказания, которые в то время было трудно воспринимать. Энергия и масса потеряли свою уникальность и могли быть преобразованы друг в друга, согласно известной формуле E=mc2. Тут следует заметить, что данное соотношение впервые появилось в 1895 году в работе Анри Пуанкаре «Об измерении времени», опубликованной в парижском философском журнале и поэтому не привлекшей к себе внимания физиков, но свое нынешнее значение она приобрела после работы Эйнштейна. Представьте, энергия, содержащаяся в грамме материи, могла освещать целый город в течение года. Близнец, оставивший сестру на Земле и движущийся на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, возвратившись, обнаружил бы, что его сестра постарела, по сравнению с ним, на несколько десятилетий. Столь неожиданными были эти предсказания, что множество ученых в ведущих университетах, утверждали, что данная теория не может быть жизнеспособной. Однако все они ошибались. Ядерные реакторы работают на Земле и звезды сияют в небесах, преобразуя массу в энергию, точно соответствуя формуле E=mc2. В лабораториях больших энергий, неустойчивые частицы, ускоренные до околосветовых скоростей, живут в десятки и сотни раз дольше, чем их близнецы, покоящиеся на земле.

Однако, несмотря на всю революционность СТО, один аспект пространства-времени оставался Аристотелевым. Оно оставалось пассивной ареной для всех событий, холстом, на котором пишут свою картину движущие силы Вселенной. В середине 19-го столетия математики выяснили, что геометрия Эвклида, которую мы все изучали в школе, является одной из возможных геометрий. Это приводило к идее, наиболее прозрачно сформулированной Рихардом Риманом в 1854 году. Он говорил, что геометрия физического пространства, возможно, не подчиняется аксиомам Эвклида, а может быть искривлена из-за присутствия материи во Вселенной. В его идеях пространство перестало быть пассивным и изменялось материей. Потребовался еще 61 год, что бы эта идея была востребована.

Таким великим событием стала публикация Эйнштейном в 1915 году своей Общей Теории Относительности. В этой теории пространство-время приняло форму четырехмерного континуума. Геометрия этого континуума искривлена, а степень искривления моделирует гравитационные поля в самом континууме. Пространство-время перестало быть инертным. Оно действует на материю, и материя действует на него. Как говорил известный американский физик Джон Уиллер:

— Материя говорит пространству-времени, как искривляться и пространство-время говорит материи как двигаться.

Нет больше никаких зрителей в космическом танце, ни фона, на котором развиваются все события. Сама сцена присоединилась к группе актеров. Это глубочайшее изменение мировоззрения. Поскольку все физические системы находятся в пространстве-времени, подобное изменение мировоззрения сильно встряхнуло все основы натуральной философии. Потребовались долгие десятилетия, что бы физики примирились с многочисленными приложениями этой теории и философы достигли соглашения с новым пониманием мира, которое вырастало из Общей Теории Относительности.