Чем мир держится?

Американские физики Уитерборн и Фоэйрбэнк непосредственно измерили ускорение свободного падения электронов и нашли, что оно отличается от ускорения земного тяготения не более чем на десять процентов. Харвей, Дабе и другие провели аналогичные опыты с нейтронами. Здесь различие не могло превышать и одного процента.

Проценты — после миллиардных и триллионных долей? Но ведь одно дело эксперименты с обычными телами, а другое — непосредственно с элементарными частицами, особенно заряженными, чувствительными к случайным электромагнитным полям.

Измерили степень эквивалентности тяжелой и инертных масс для Земли и Луны с точностью до полутора процентов. С планетами, как видим, получен более «прецизионный» результат, чем с электронами.

Ученые перестают проверять физические законы и принципы лишь после того, как опровергнут их. Но пока третий принцип общей теории относительности остается прочно обоснованным фактами.

Великие идеи нужно сразу же разрабатывать, не дожидаясь их добросовестной проверки по явлениям природы.

В сборнике «Физики продолжают шутить» была опубликована юмореска примерно такого содержания: экспериментаторы обнаружили, что скорость света в пустоте постоянна, теоретики принялись глубокомысленно рассуждать, отчего бы она была именно такова? Эйнштейн сказал: так и должно быть, после чего теоретики— одни раньше, другие позже — воскликнули: какая гениальная мысль!

Шутка обыгрывает реальное событие: Эйнштейн объявил факт принципом[10]. И уж наверняка то же самое он сделал и в случае с эквивалентностью инертной и тяжелой масс: обратил факт, который мог рассматриваться как чисто случайное совпадение, в фундаментальный принцип устройства Вселенной.

«Уравнение в правах» поля тяготения и неинерциальной (то есть движущейся не равномерно, а ускоренно) системы отсчета позволило сформулировать те условия, при которых законы физики справедливы для любых систем отсчета. Это положение и называют общим принципом относительности.

Так наука, начав свой путь здесь с утверждения, что законы меняются при переходе от инерциальных систем к неинерциальным, нашла способ решить это реальное противоречие природы и парадоксальным образом пришла к прямо как будто противоположному суждению. Не будем забывать только, что теперь при таком переходе уравнения, выражающие эти законы, по определенным правилам преобразуются.

Опять перед нами тот же «парадокс парадоксов» Бора: если истина действительно глубока, то справедлива и истина ей противоположная. Но как же все это построение может кому-то (пусть даже только самим физикам!) казаться проще старой ньютоновской теории?

Эйнштейн и Инфельд отвечают на этот вопрос так: «Чем проще и фундаментальнее становятся наши допущения, тем сложнее математическое оружие нашего рассуждения; путь от теории к наблюдению становится длиннее, тоньше и сложнее. Хотя это и звучит парадоксально, но мы можем сказать: современная физика проще, чем старая физика, и поэтому она кажется более трудной и запутанной».

Получается, условно говоря, так: физическая часть теории настолько проста, что математическая должна быть очень сложной. На самом деле, конечно, отделить одно от другого тут невозможно, и все-таки сам Эйнштейн дает, как видите, право на такое противопоставление.

Снова перед нами математика выступает в роли естественного языка природы; речь человека, плохо овладевшего чужим языком, поневоле проста; чем лучше знаешь язык, тем больше слов и их форм употребляешь. Но следует ли из этого, что ты отказался от первоначальной простоты ради сложности? Сложность здесь естественна, физическая простота прикрыта этой математической сложностью.

Бернард Шоу, замечательный английский писатель, как-то, обращаясь к ученым, сказал: «Коперник доказал, что Птолемей был неправ. Кеплер доказал, что Коперник был неправ. Галилей доказал, что Аристотель был неправ. Но в этом месте цепь обрывается, потому что наука впервые столкнулась с таким неподдающимся расчету явлением природы, как англичанин. Будучи англичанином, Ньютон постулировал прямолинейную Вселенную… хотя знал, что Вселенная состоит из движущихся тел и что ни одно из этих тел не движется по прямой линии, да и не может двигаться по прямой. Для этого, чтобы объяснить, почему все линии в его прямолинейной Вселенной искривлены, он выдумал специальную силу, которую назвал тяготением».

А правда ведь, оригинально соединил мастер парадокса первый закон механики Ньютона (закон инерции) и закон всемирного тяготения?

Продолжая в том же духе, можно заявить, что и Эйнштейн проявил себя «как англичанин». Вдумаемся вот в эту его фразу: «…и вот мне пришло в голову… тот факт, что ускорение свободного падения не зависит от природы падающего вещества, допускает следующее толкование: в полях тяготения (малой пространственной протяженности) все происходит так, как в пространстве без тяготения».

Уж не выкинул ли Эйнштейн из описываемого им мира тяготение вовсе — вместо того, чтобы объяснить его? Нет, не выкинул. Но стал рассматривать это явление совсем по-новому. Он свел законы, управляющие тяготением, к законам, управляющим пространством-временем. И одно из имен, под которыми известна общая теория относительности — геометродинамика[11]. Вдумаемся в этот длинноватый термин. Его вторая половина — слово «динамика» — было введено Лейбницем как имя науки о движении тел под влиянием сил; слово «геометрия», в данном случае сочетавшееся странным браком со слогом «динамика», объяснять не надо. А расшифровка общего имени новой семьи может дать и такой результат: описание движения тел языком геометрии.

Ч. Мизнер, К. Торн и Дж. Уилер пишут в своей книге «Гравитация»: «Пространство воздействует на материю, „указывая“ ей, как двигаться. Материя, в свою очередь, оказывает обратное воздействие на пространство, „указывая“ ему, как искривляться».

Три американских физика утверждают, в полном согласии с Эйнштейном, что «это влияние геометрии на материю есть то, что мы сегодня подразумеваем под словом тяготение».

Для популярного пояснения этого факта физики приводят похожие, в общем, друг на друга образные примеры, которые можно свести к такой типовой ситуации. Два физика из страны «двумерцев», существ, которым знакомы лишь два измерения, только ширина и длина, оказались на поверхности глобуса. Из двух разных точек на экваторе глобуса каждый из них отправился путешествовать по неведомым землям, избрав дорогой линию, отходящую от экватора под прямым углом и ведущую на север. Естественно (для нас), что путешественники встретились на полюсе, хотя ни один из них не уклонялся от маршрута. Путешественники были физиками: поэтому они нашли способ объяснить свою встречу. Им стало очевидно, что в дороге на них обоих действовала некая сила, заставившая их (против их воли) сблизиться. Физики дали этой силе имя — они назвали ее тяготением.

Выходит, сила, заставляющая планеты двигаться вокруг звезд, имеет ту же природу, что явление, благодаря которому физики-двумерцы встретились на полюсе? Можно условно сказать и так, оговорившись, что одно дело — третье измерение для двумерцев, а другое — сложная структура нашего реального пространства-времени и что пример этот — только аналогия, помогающая проникнуть в суть явления, и т. д.

Реальная геометрия нашей Вселенной оказалась неевклидовой — в евклидовом пространстве, где параллельные линии пересечься не могут, тяготение невозможно. Вспомним, что Бернард Шоу говорил о Ньютоне; он якобы придумал тяготение как способ объяснить, почему в его прямолинейной Вселенной все линии искривлены. У Эйнштейна, наоборот, линии, если хотите, искривляются, чтобы можно было объяснить, что такое тяготение. Даже луч света, этот классический эталон прямизны, вынужден во Вселенной Эйнштейна сходить с прямой дороги, искривлять свой путь. В этом были торжественно уличены лучи звезд, пролетающие вблизи нашего Солнца. Чтобы измерить, отклоняются ли они при этом от Солнца и насколько именно, ученые организовали в 1919 году экспедицию в Западную Африку, в тот ее район, где должно было наблюдаться полное солнечное затмение. Во время затмения сфотографировали звезды, видные на небе вблизи от закрытого Луной солнечного диска. Потом, значительно позже, тот же участок неба опять сфотографировали ночью, когда Солнца не было. Когда фотографии наложили друг на друга, оказалось, что изображенные на них звезды не совпадают. Объяснение было оговорено заранее — гравитационное поле Солнца заставило искривиться звездный луч[12].

10

Стоит оговориться, что Эйнштейн, возможно, не знал об эксперименте, в котором было доказано постоянство скорости света в пустоте, и пришел к этому своему принципу, исходя из общих теоретических рассуждений.

11

Под геометродинамикой в широком смысле слова понимают идею описания всех полей по создаваемым ими искривлениям пространства.

12

По закону Ньютона притяжение Солнца тоже должно было искривить путь луча, но вдвое меньше (и то, если принять, вопреки Ньютону, что скорость света конечна и его частицы притягиваются к Солнцу).