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

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

Описывая жизнь Альберта Эйнштейна, Митио Каку погружает нас в бурлящую атмосферу первой половины XX в. – две мировые войны, революция в Германии, создание атомной бомбы. Он показывает читателю невидимый обычно за триумфальной стороной открытий и озарений мир ученого – этапы становления, баталии в научном мире, зачастую непростые отношения с близкими. В книге представлен свежий взгляд на новаторскую деятельность Эйнштейна, перевернувшего представления человечества о пространстве и времени. Автор книги, Митио Каку, – всемирно известный физик и популяризатор науки. Его умение доносить научные знания до самого широкого читателя сродни великому Эйнштейну, любившему повторять, что новая теория никуда не годится, если не базируется на зримом образе, достаточно простом, чтобы понять его мог даже ребенок. В своей книге Митио Каку не только удается увлекательно рассказать о жизни великого гения, но и дать четкое представление об открытиях Альберта Эйнштейна даже тем, кто далек от науки.

Митио Каку

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

Переводчик Наталья Лисова

Научный редактор Владимир Сурдин, к. ф.-м. н.

Редактор Антон Никольский

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректоры Е. Аксёнова, М. Миловидова

Компьютерная верстка А. Фоминов

Дизайн обложки Ю. Буга

© Michio Kaku, 2004

First published as a Norton paperback 2005

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2016

Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).

* * *

Эта книга посвящается Мишель и Элисон

Предисловие

Новый взгляд на наследие Альберта Эйнштейна

Гений. Рассеянный профессор. Отец теории относительности. Легендарная фигура Альберта Эйнштейна – с пышными белыми волосами, развевающимися на ветру, в туфлях на босу ногу, в просторном джемпере, попыхивающий трубкой, не замечающий ничего вокруг – навсегда отпечаталась в нашем сознании. «Поп-идол уровня Элвиса Пресли и Мэрилин Монро – загадочно смотрит на нас с открыток, журнальных обложек, футболок и огромных плакатов. Одно из агентств в Беверли-Хиллз предлагает его образ для использования в телевизионной рекламе. Ему все это очень бы не понравилось», – пишет биограф Эйнштейна Денис Брайан.

Эйнштейн принадлежит к числу величайших ученых всех времен, это грандиозная вершина, которую по вкладу в науку можно поставить в один ряд с Исааком Ньютоном. Неудивительно, что журнал Time именно его назвал Человеком столетия. Многие историки видят его среди ста самых влиятельных людей последней тысячи лет.

Учитывая место Эйнштейна в истории, можно назвать несколько причин для того, чтобы попытаться заново вспомнить и переосмыслить его жизнь. Во-первых, его теории столь глубоки и всеобъемлющи, что сделанные несколько десятилетий назад предсказания до сих пор будоражат общественность и мелькают в газетных заголовках, поэтому очень важно попытаться понять корни этих теорий. По мере того как новые поколения исследовательских инструментов, которые в 1920-е гг. даже представить себе было невозможно (среди них можно назвать, к примеру, спутники, лазеры, суперкомпьютеры, детекторы гравитационных волн), зондируют дальний космос и внутренний мир атома, предсказания Эйнштейна приносят Нобелевские премии другим ученым. Даже крошки с эйнштейнова стола открывают в науке новые горизонты. Так, Нобелевская премия 1993 г. досталась двум физикам, которые сумели косвенным образом, проанализировав движение двойной нейтронной звезды, подтвердить существование гравитационных волн, предсказанных Эйнштейном в 1916 г. Нобелевская премия 2001 г. была присуждена трем физикам, подтвердившим существование бозе-эйнштейновского конденсата – нового состояния вещества при температуре, близкой к абсолютному нулю; Эйнштейн предсказал его в 1924 г.

Сегодня подтверждаются и другие предсказания. Черные дыры, когда-то считавшиеся причудой теории Эйнштейна, обнаружены телескопом «Хаббл» и многоэлементным радиотелескопом VLA[1 - Very Large Array – буквально «очень большая решетка». Радиотелескоп построен в американском штате Нью-Мексико и состоит из 27 параболических антенн диаметром 25 м каждая. – Прим. пер.]. Кольца Эйнштейна и линзы Эйнштейна не только нашли практическое подтверждение, но и являются теперь основным инструментом астрономов при измерении невидимых объектов в дальнем космосе.

Даже «ошибки» Эйнштейна, по общему признанию, внесли большой вклад в наши знания о Вселенной. В 2001 г. астрономы получили убедительные доказательства того, что «космологическая константа», считавшаяся ранее величайшим просчетом Эйнштейна, в действительности олицетворяет максимальную концентрацию энергии во Вселенной и что именно она определит окончательную судьбу самой Вселенной. Таким образом, мы наблюдаем своеобразный ренессанс наследия Эйнштейна и накопление все большего числа доказательств, подтверждающих его предсказания.

Во-вторых, физики в настоящее время пересматривают наследие Эйнштейна и особенно стиль его мышления. Пока биографы в подробностях изучают его личную жизнь в поисках истоков блестящих теорий, физики все глубже осознают, что теории Эйнштейна основаны не столько на мудреной математике (и уж тем более не на его личной жизни!), сколько на простых и элегантных образах. Эйнштейн любил говорить, что новая теория, вероятно, никудышна, если не базируется на зримом образе, достаточно простом, чтобы понять его мог даже ребенок.

В этой книге такого рода картины – результат научного воображения Эйнштейна – становятся формальным организующим принципом, вокруг которого выстраиваются описания его мыслительного процесса и величайших достижений.

В первой части используется картина, которую Эйнштейн увидел в своем воображении, когда ему было 16 лет: как выглядел бы луч света, если бы можно было лететь рядом с ним. Эта картина, в свою очередь, возникла, вероятно, под влиянием детской книги, которую он прочел. Наглядно представив себе, что происходит, если лететь вместе с лучом света, Эйнштейн выделил ключевое противоречие между двумя основными физическими теориями того времени: законами Ньютона и электромагнитной теории Максвелла. В определенном смысле в этой картине заключена вся специальная теория относительности (которая со временем раскроет тайну звезд и ядерной энергии).

Во второй части мы увидим другую картину: Эйнштейн представил планеты в виде шариков, катающихся по искривленной поверхности с Солнцем в центре; это иллюстрация к мысли о том, что гравитация возникает в результате искривления пространства и времени. Заменив ровную поверхность и действующие в ней силы Ньютона искривленным пространством, Эйнштейн получил совершенно новую, революционную картину гравитации. В этих рамках ньютоновы «силы» были всего лишь иллюзией, вызванной искривлением самого пространства. Из этой простой картины со временем возникнут черные дыры, Большой взрыв и конечная судьба самой Вселенной.

В третьей части книги картинка отсутствует – эта часть в основном посвящена неудачной попытке предложить образ-основу для «единой теории поля» – той, что позволила бы Эйнштейну сформулировать итог двух тысяч лет исследования законов вещества и энергии. Здесь его интуиция начала спотыкаться, поскольку в то время о силах, управляющих ядром и элементарными частицами, почти ничего не было известно.

Незавершенную единую теорию поля и 30-летний поиск «теории всего» нельзя назвать неудачей, что признали лишь недавно. Современники же Эйнштейна видели в этих исследованиях «валяние дурака». Физик и биограф Эйнштейна Абрахам Пайс сетовал: «В последние 30 лет жизни он продолжал вести активную работу, но его слава не уменьшилась бы, а может, наоборот, выросла, если бы он вместо этого занялся рыбалкой». Иными словами, его наследие могло оказаться еще более величественным, если бы он оставил физику в 1925 г., а не в 1955-м.

Однако в последние годы с появлением новой теории, получившей название теории суперструн, или М-теории, ученые занялись переоценкой поздних трудов Эйнштейна и его наследия, поскольку на первое место в мире физики вышел поиск единой теории поля. «Теория всего» стала основной целью изысканий целого поколения молодых амбициозных ученых. Если раньше считалось, что обобщением могут заниматься только стареющие физики на излете карьеры, то сегодня это доминирующая тема теоретической физики.

В своей книге я надеюсь представить новый, свежий взгляд на новаторскую деятельность Эйнштейна и, возможно, более точное описание его непреходящего наследия при помощи простых физических образов. Его озарения, в свою очередь, дали энергию нынешнему поколению революционных экспериментов, которые проводятся в космосе и в передовых физических лабораториях; они дают толчок интенсивным исследованиям, направленным на исполнение его заветной мечты – создание теории всего. Мне кажется, что такой подход к его жизни и работе больше всего понравился бы самому Эйнштейну.

Благодарности

Я хотел бы поблагодарить за гостеприимство сотрудников библиотеки Принстонского университета, где проводились некоторые исследования для этой книги. В этой библиотеке доступны как оригинальные материалы, так и копии всех рукописей Эйнштейна. Я хотел бы поблагодарить также профессоров В. П. Нейра и Дэниела Гринберга из Городского колледжа Нью-Йорка за прочтение моей рукописи и конструктивные критические замечания. Кроме того, очень полезны были беседы с Фредом Джеромом, которому удалось получить из ФБР объемистое дело Эйнштейна. Я благодарен также Эдвину Барберу за поддержку и одобрение и Джесси Коэн за бесценные редакторские замечания и правку, которые заметно улучшили рукопись и помогли расставить акценты. Кроме того, я в глубоком долгу перед Стюартом Кричевски, представлявшему все эти годы многие из моих книг о науке.

Часть I

Картина первая

Верхом на луче

Глава 1

Физика до Эйнштейна

Однажды какой-то журналист попросил Альберта Эйнштейна – величайшего научного гения со времен Исаака Ньютона – раскрыть свою формулу успеха. Великий мыслитель секунду подумал и ответил: «Если A – это успех, то я бы сказал, что формула его вычисления A = X + Y + Z, где X – это работа, а Y – игра». «А что такое Z? – поинтересовался журналист. «Держать язык за зубами», – ответил Эйнштейн.

Физикам, королям и королевам, да и просто широкой публике очень нравились его человечность, великодушие и юмор, проявлявшиеся во всем, чем бы он ни занимался, – защищал ли дело мира или разгадывал тайны Вселенной.

Даже дети сбегались посмотреть, как великий физик разгуливает по улицам Принстона, а он в ответ шевелил ушами. Эйнштейн любил поболтать с одним пятилетним мальчиком, который часто сопровождал великого мыслителя до Института перспективных исследований. Однажды они неторопливо шли вдвоем, и вдруг Эйнштейн рассмеялся. Когда мать мальчика поинтересовалась, о чем они говорили, сын ответил: «Я спросил у Эйнштейна, ходил ли он сегодня в туалет». Мать была в ужасе, зато Эйнштейн ответил: «Приятно, когда хоть кто-то задает мне вопрос, на который я в состоянии ответить».

Физик Джереми Бернстайн как-то раз сказал: «Всякий, кто действительно общался с Эйнштейном, ощущал ошеломляющее благородство этого человека. Снова и снова звучит в описаниях слово “человечность”… простота и привлекательность его характера».

Эйнштейн, который всегда был одинаково вежлив с бродягами, детьми и членами царствующих фамилий, проявлял великодушие и к своим предшественникам по блистательному пантеону науки. Хотя ученые, как все творческие личности, могут быть ревнивы к соперникам и замечательно умеют разводить мелкие дрязги, Эйнштейн, напротив, всегда старался проследить возникновение идей, которые развивал, до самых истоков, до таких гигантов физики, как Исаак Ньютон и Джеймс Клерк Максвелл, портреты которых украшали его стол и стены. Более того, труды Ньютона по механике и гравитации и труды Максвелла по теории электромагнетизма в начале XX в. представляли собой два главных столпа физики. Замечательно, что достижения этих двух физиков на тот момент заключали в себе чуть ли не весь объем физического знания.

Трудно представить, что до Ньютона движение объектов на Земле и в небесах почти никак не объяснялось и многие верили, что судьба человека определяется злобными происками духов и демонов. Колдовство, чары и суеверия горячо обсуждались даже в самых ученых центрах Европы. Науки такой, какой мы ее знаем, еще не существовало.

Греческие философы и христианские теологи писали, что объекты движутся под влиянием желаний и эмоций, подобных человеческим. Для последователей Аристотеля объекты, находящиеся в движении, с течением времени замедлялись, потому что «уставали». Предметы падают на пол потому, что «жаждут» соединиться с землей, писали тогдашние ученые.

Человек, которому суждено было ввести порядок в этот хаотический мир духов, в определенном смысле был противоположностью Эйнштейна по темпераменту и характеру. Если Эйнштейн не жалел времени и всегда готов был дать краткий комментарий, чтобы порадовать прессу, то Ньютон был известен своей замкнутостью и склонностью к паранойе. Он был глубоко подозрителен к окружающим и постоянно конфликтовал с другими учеными по поводу научного приоритета. Его немногословность вошла в легенду: будучи в 1689–1690 гг. членом парламента Британии, он, судя по протоколам, произнес всего одну фразу: пожаловался на сквозняк и попросил пристава закрыть окно. По словам биографа Ричарда Уэстфолла, Ньютон был «раздражительным человеком, крайне невротической личностью и всегда, по крайней мере все свои зрелые годы, балансировал на грани нервного срыва».

Но в вопросах науки и Ньютон, и Эйнштейн были подлинными мастерами; их многое объединяло. Оба были готовы работать одержимо недели и месяцы напролет, ни на что не отвлекаясь, вплоть до физического истощения и обмороков. И оба умели выразить в простом рисунке тайны Вселенной.

В 1666 г., когда Ньютону было 23 года, он «изгнал демонов», населявших аристотелев мир, и ввел новую механику, основанную на силах. Ньютон сформулировал три закона движения, согласно которым тела (объекты) двигались потому, что их толкали или тянули силы, которые можно точно измерить и выразить простыми уравнениями. Вместо рассуждений о желаниях, которые заставляют тела двигаться, Ньютон готов был рассчитать траекторию любых тел – начиная от падающих листьев и заканчивая взлетающими ракетами, пушечными ядрами и облаками – путем сложения действующих на них сил. Вопрос, надо сказать, не был чисто академическим; подобные расчеты помогали закладывать фундамент промышленной революции, в ходе которой сила пара, двигавшая громадные локомотивы и суда, создала новые империи. Мосты, дамбы и высоченные небоскребы теперь можно было строить с полной уверенностью в их безопасности – ведь появился способ рассчитать напряжение в каждом кирпиче и каждой балке. Ньютонова теория сил оказалась настолько могучей и победоносной, что автора при жизни вознесли на пьедестал, и Александер Поп провозгласил:

Закон природы скрыт во тьме