Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения - Барри Паркер

В Принстоне он в основном продолжал работать над своей прежней несимметричной теорией. Он записал две системы уравнений, каждая из которых открывала новые возможности. Но и тут возникли трудности. Леопольд Инфельд показал, что частицы, описываемые одной из систем, не взаимодействуют как положено – не удовлетворяют обычным хорошо известным законам электричества и магнетизма. Позднее Каллауэй показал, что так же обстоит дело и с другой системой уравнений.

Эйнштейн был убеждён, что эти уравнения – только первый шаг; потом их как-нибудь удастся слегка изменить или подправить, какой-то выход обязательно найдётся. Он продолжал свой поиск, а тем временем из жизни уходили близкие ему люди. Через три года после переезда в Принстон умерли его жена и старый друг М. Гроссман. В 1946 году с его сестрой Майей, самым близким Эйнштейну человеком, случился удар; она медленно угасала и скончалась в 1951 году.

Эйнштейн за несколько лет до кончины

К середине 50-х годов Эйнштейна стали одолевать сомнения. Все его старания ни к чему не привели. Незадолго до смерти он неохотно признал: «Представляется сомнительным, чтобы теория поля могла описывать как атомную структуру вещества и излучения, так и квантовые явления». Но несмотря на сомнения, Эйнштейн продолжал строить единую теорию поля. Даже на смертном одре он не выпускал из рук карандаш и бумагу.

Когда 13 апреля 1955 года Эйнштейна с сильными судорогами увезли в принстонскую больницу, он знал, что конец близок, но попросил принести очки и записи, чтобы продолжать работу. Глядя на осунувшиеся, опустошённые лица близких, пришедших навестить его, Эйнштейн сказал: «Не расстраивайтесь, всем суждено умереть». Он скончался 18 апреля, так и не осуществив свою мечту.

Многие трудности, с которыми столкнулся Эйнштейн при создании новой теории, были связаны не с физической, а с математической интерпретацией. Трудности эти были так велики, что возникает вопрос, не нужны ли для их разрешения новые математические методы. В истории науки часто крупные научные открытия были результатом появления новых математических приёмов. Ньютон, например, совершил свои основные открытия, создав дифференциальное исчисление. Так и Эйнштейн не смог бы построить общую теорию относительности без тензорного исчисления, которое появилось всего за несколько лет до создания этой теории.

Итак, может быть, действительно нужны новые математические методы, без которых не преодолеть возникшие трудности? Неизвестно, ведь пока мы с ними не справились. Одну трудность в теории Эйнштейна всё же удалось преодолеть – речь идёт о странностях во взаимодействии частиц. Поведение частиц не подчинялось основным законам физики. Эйнштейн попробовал применить тот же метод, что и другие физики, но позже отверг его. Он считал, что уравнения, как и в общей теории относительности, должны быть простыми и с научной точки зрения красивыми. Поэтому он и противился введению дополнительных членов. Однако в 1952 году Б. Курсуноглу, добавив один член, сформулировал теорию, в которой удалось преодолеть упоминавшуюся трудность, а в 1954 году подобную, хотя и несколько иную теорию предложил У. Б. Боннер. Для обеих теорий были получены решения, но, по общему мнению, они далеки от совершенства.

Остаются и другие фундаментальные трудности. Прежде всего, новые теории должны объяснять, почему существуют различные частицы, т.е. почему у них разные свойства (например, заряд, масса); пока это не удаётся. В других теориях, связанных с квантовой (о них речь пойдёт дальше), удалось довольно близко подойти к решению этой проблемы. Но есть ещё одна серьёзная трудность, которой мы пока не касались. До сих пор упоминались лишь гравитационное и электромагнитное поля. В то время, когда Эйнштейн работал над своей теорией, были известны только эти два поля, но, как говорилось в гл. 1, есть ещё два – сильное и слабое. В полноценную единую теорию поля должны быть включены и они.

Глава 4

Гибель звезды

Мы с вами видели, как учёные старались расширить сферу применения общей теории относительности в надежде добиться объединения гравитационного и электромагнитного полей. Их попытки отличались изобретательностью, и иногда, казалось, что они вот-вот достигнут цели, но всё же слить эти два поля воедино не удалось и по сей день.

Представим себе, что цель достигнута. Означает ли это, что все проблемы будут решены и мы получим единую теорию поля? Вряд ли, ведь ещё два поля останутся в стороне. Более того, нам нужна безотказная теория, а об общей теории относительности этого не скажешь; известно, например, что она не работает в мире атомов. Не годится она и для описания явлений, возникающих при очень высоких плотностях. Имеются в виду вовсе не те относительно высокие плотности, с которыми иногда приходится иметь дело в повседневной жизни. Речь идёт о таких плотностях, которые возникают в экстремальных космологических условиях.

Итак, наша задача – разобраться в том, где общая теория относительности перестаёт работать и почему это происходит. Для этого лучше всего обратиться к обыкновенным звёздам. Из всех звёзд нам лучше всего знакомо, конечно, Солнце, поэтому с него мы и начнём. Через фильтр Солнце выглядит как плоский сияющий диск, на котором всё спокойно. Но если с помощью соответствующего прибора рассмотреть его поверхность повнимательнее, глазам предстанет море горячего, непрерывно клубящегося газа. Иногда бурление становится настолько интенсивным, что с поверхности с огромной скоростью выплескиваются гигантские постепенно поворачивающие к светилу потоки. Распространяясь вдоль силовых линий магнитного поля, они вытягиваются на несколько тысяч километров, а потом обрушиваются на поверхность Солнца.

Но не всё извергнутое вещество падает обратно на Солнце. Иногда сильнейшие всплески выбрасывают частицы далеко в пространство, те покидают окрестности Солнца и несутся сквозь Солнечную систему.

Что вызывает такие грандиозные бури? В поисках ответа на этот вопрос нам придётся заглянуть внутрь Солнца. Там газ ещё горячее, чем на поверхности, и чем ближе к центру, тем выше его температура. Швейцарский астроном Якоб Эмден первым предположил, что Солнце, может целиком состоять из газа, но впервые разработал математическую модель строения звезды английский астрофизик Артур Эддингтон.

Эддингтон был загадочной личностью. Несмотря на свою гениальность и репутацию великого астронома, в конце жизни он совершал странные поступки. Как и многие крупные учёные после него, Эддингтон в конце концов обратился к проблеме объединения общей теории относительности и квантовой теории. Венец его творения, книга «Фундаментальная теория», была доступна немногим (чтобы не сказать никому), а сейчас вызывает разве что любопытство.

Эддингтон родился в 1882 году в Вестморленде, Англия. Его родители были квакерами. Отец, директор местной школы, умер, когда мальчику было всего два года, и воспитывала его мать. Математические способности Артура проявились рано: он сначала освоил таблицу умножения до 24 ? 24, а потом уже научился читать. В десять лет он ночи напролёт просиживал у телескопа, зачарованный открывавшимся зрелищем.

В школе он завоевал множество наград и в конце концов получил стипендию, которая позволила ему продолжить обучение в Манчестерском университете. По приезде в Манчестер Эддингтон с удивлением узнал, что слишком молод для того, чтобы стать студентом (ему было пятнадцать лет). К счастью, кто-то проявил прозорливость, и для него было сделано исключение. Из Манчестера он перебрался в кембриджский Тринити-колледж, знаменитый своим экзаменом по математике – трайпосом (если помните, раньше его сдавал и Максвелл). Эддингтон сдавал этот экзамен в конце второго курса и, оказавшись лучшим, получил звание «старшего рэнглера» – студента, особо отличившегося на экзамене. Кроме него, никому не удалось добиться такого успеха за столь короткий срок.

Окончив колледж, Эддингтон некоторое время работал в Кавендишской лаборатории, занимался экспериментальной физикой, но вскоре это ему надоело. Его интересовала теоретическая физика, а не возня с лабораторными установками, которые никак не хотели работать. Поэтому в 1906 году он с радостью согласился занять освободившуюся в Гринвичской обсерватории вакансию.

Несмотря на неспособность к экспериментальной работе, Эддингтон стал превосходным наблюдателем и скоро занялся серьёзными астрономическими исследованиями. Незадолго до этого нидерландский астроном Якоб Каптейн организовал всемирные исследования нашей Галактики. Некоторые из первых результатов указывали на то, что поблизости от Солнца имеются два звёздных рукава. Эддингтон помог показать, что это связано с вращением нашей Галактики. В то время астрономы не только не знали детально структуру нашей Галактики, но и не были уверены в том, что во Вселенной есть другие галактики. В телескоп можно было увидеть много «размытых» объектов, некоторые из них эллиптической формы, другие – неправильной, но что они собой представляют – «островные вселенные», состоящие из звёзд, как наша Галактика, или просто сгустки газа, было неясно. Эддингтон считал, что это другие вселенные, и впоследствии оказалось, что в большинстве случаев так оно и есть.