Новое учение о пространстве, тяготении и Вселенной

Альберт Эйнштейн

Несмотря на вызванные войной лишения, первые берлинские годы Эйнштейна были в научном отношении необычайно плодотворными. В начале 1916 года в журнале "Аннален дер физик" появилась его работа "Основы общей теории относительности", объемом около пятидесяти печатных страниц. Эта работа явилась предварительным завершением изысканий, проводившихся им в области теории относительности начиная с 1908 года. В то же время она представляла собой вершину теоретической физики 20 века.

Если созданная в 1905 году специальная теория относительности, которая справедлива для всех физических явлений за исключением тяготения, рассматривает системы, движущиеся по отношению друг к другу прямолинейно и равномерно, то общая теория относительности, завершенная в 1915 году, имеет дело с произвольно движущимися системами. Уравнения общей теории относительности справедливы независимо от характера движения системы отсчета, а также для ускоренных и вращательных движений. В этом смысле она является обобщением теории относительности, созданной в 1905 году; в этом же смысле использованное Эйнштейном словосочетание "общая теория относительности" так же оправдано, как и его сравнение новой теории со вторым этажом в здании теории относительности.

По своему содержанию, однако, общая теория относительности является в основном учением о тяготении. Она примыкает к гауссовой теории кривизны поверхностей и имеет целью геометризацию гравитационного поля и действующих в нем сил. По этой причине общую теорию относительности следует рассматривать прежде всего как геометрическую теорию гравитации. Такая ее интерпретация была, в частности, положена в основу работ по теории относительности советского физика В.А.Фока.

В отличие от специальной теории относительности, в подготовке которой существенное участие приняло несколько ученых, при создании общей теории относительности Эйнштейн имел (если не считать некоторых замечаний Лейбница) всего лишь одного непосредственного предшественника. Это был Эрнст Мах, который в своих историко-критических исследованиях о законе инерции Ньютона развивал соображения, близкие к идеям общей теории относительности (относительность ускорения).

Последовательно применяя "принцип Маха", который по своему существу был диалектическим и материалистическим принципом, и исходя из закона тождества инертной и гравитационной массы, Эйнштейн пришел к совершенно новому пониманию явлений тяготения. В его теории гравитации окончательно искоренены таинственные "силы дальнодействия" Ньютона, уже давно казавшиеся физикам неудовлетворительными и весьма сомнительными. Гравитация понимается здесь как "близкодействие", а поле тяготения выступает как реальность, как особая форма материи.

В ходе своих исследований Эйнштейн пришел к убеждению, что пространство отнюдь не однородно, но что его геометрическая структура зависит от распределения масс, от вещества и поля. Евклидова геометрия теперь утратила свою универсальность. Законы Евклида оказались всего лишь предельными законами для случая слабого взаимодействия масс. В общем же случае в пространстве справедлива неевклидова геометрия в форме, разработанной в середине 19 века геттингенским математиком Бернгардом Риманом, предшественниками которого были Гаусс, Лобачевский и Бояи. Благодаря работам Эйнштейна неевклидова геометрия впервые приобрела физический смысл.

По аналогии с искривленными поверхностями в неевклидовой геометрии используется представление об "искривленном" пространстве. В таком пространстве не существует прямых линий, как в "плоском" пространстве Евклида; в нем имеются лишь "наиболее прямые" линии, носящие наименование геодезических линий. Они представляют собой кратчайшее расстояние между двумя точками. Кривизной пространства определяется геометрическая форма траекторий тел, движущихся в поле тяготения. Согласно этой теории, орбиты планет нашей Солнечной системы определяются искривлением пространства, обусловленным массой Солнца, и характеризуют это искривление. Закон тяготения становится теперь частным случаем закона инерции.

Для математической обработки этих гениальных идей требовались специальные, в высшей степени сложные методы. Так как в общей теории относительности события должны математически описываться в четырехмерном мире, обладающем неевклидовой пространственной структурой, Эйнштейн не мог уже пользоваться прежними средствами, которые применялись им раньше, а должен был искать новые пути. Фундаментальное значение приобрело теперь понятие тензора.

Эйнштейновская теория относительности, завершенная в 1915 году, может служить блестящим примером плодотворного содружества математики и естествознания. Поставленные Эйнштейном физические вопросы потребовали более детальной разработки некоторых математических методов. В свою очередь обусловленный этим требованием прогресс математики оказал стимулирующее действие на дальнейший ход физического познания.

Геометрическая теория гравитации, которую Эйнштейн сформулировал в конце 1915 года в своей общей теории относительности, принадлежит к величайшим теоретическим достижениям во всей истории естествознания. "Создание общей теории относительности, - сказал Макс Борн в 1955 году в одном из своих докладов, - представлялось мне тогда и продолжает представляться сегодня величайшим достижением человеческого мышления, направленного на познание природы, поразительнейшим сочетанием философской глубины, физической интуиции и математического искусства".

Как и все составившие эпоху открытия, общая теория относительности Эйнштейна оказалась чревата далеко идущими последствиями. Она ограничила область применимости евклидовой геометрии и ньютоновской теории гравитации. Оба эти учения оказались отражениями лишь некоторых частных условий материального мира. Установленные Эйнштейном законы поля и движения отражают более общие закономерности природы.

Общая теория относительности имела также и философское значение. Прежде философы, исходя из механистических и метафизических представлений Ньютона, обычно рассматривали пространство и время как нечто, существующее независимо от материальных вещей, либо же трактовали их - в духе Канта - лишь как формы созерцания, присущие человеческому сознанию. Теперь же подтвердился тезис, уже давно выдвинутый диалектическим материализмом, но до недавнего времени остававшийся недоказанным: пространство и время суть "формы существования" движущейся материи.

Основной результат его общей теории относительности Эйнштейн выразил в полушутливой форме в беседе с одним журнальным репортером: раньше считали, что время и пространство останутся, даже если все вещи исчезнут из мира, теперь же мы знаем, что в этом случае больше не будет никакого пространства и никакого времени. Проще и нагляднее, пожалуй, нельзя сформулировать неразрывную связь материи, движения, пространства и времени.

Для проверки общей теории относительности, которая покоится на очень небольшом числе эмпирических фактов и в основном представляет собой продукт чисто умозрительных рассуждений, Эйнштейн указал на три возможных эффекта. Они позволяют с помощью астрономических измерений и наблюдений проверить новое учение о гравитации, которое привлекает представителей математической физики своей внутренней завершенностью и последовательностью.

Первый эффект состоит в дополнительном вращении или смещении перигелия Меркурия. Речь идет о давно известном явлении, в свое время открытом французским астрономом Леверье. Оно заключается в том, что ближайшая к Солнцу точка эллиптической орбиты Меркурия смещается за одно столетие на 43 дуговые секунды. Эта цифра превышает то значение, которое следует из ньютоновского закона притяжения масс и из усовершенствованной Лапласом теории возмущений.

Астрономы пытались различным образом объяснить явление добавочного смещения. В теории Эйнштейна оно объясняется без всяких дополнительных предположений как прямое следствие изменений структуры пространства, вызванных наличием солнечной массы. Точное совпадение наблюдаемого значения с величиной, полученной путем теоретических вычислений, с самого начала было серьезным доводом в пользу учения Эйнштейна.

Второй эффект, который может служить для проверки релятивистской концепции тяготения, состоит в искривлении световых лучей в поле тяготения Солнца. Лучи, исходящие от неподвижных звезд, слегка искривляются, проходя вблизи поверхности Солнца. Этот эффект лежит на пределе точности измерений и может быть обнаружен фотографическим путем лишь в моменты полных солнечных затмений. Эйнштейн уже в 1911 году теоретически предсказал это явление, однако найденное им тогда количественное значение оказалось заниженным. В 1915 году он получил правильное значение для отклонения светового луча, которое составляет 1,7 дуговой секунды.

Подтверждение этого предсказания в 1919 году явилось одним из величайших триумфов теоретического естествознания во всей истории науки.

Третьим эффектом, предложенным для проверки новой теории тяготения, было так называемое релятивистское "красное смещение". Оно состоит в том, что спектральные линии света, испускаемого очень плотными звездами, смещены в красную сторону, то есть в сторону более длинных волн по сравнению с их положением в спектрах тех же молекул, находящихся в земных условиях. Смещение объясняется тем, что сильное гравитационное воздействие уменьшает частоту колебаний световых лучей и соответственно увеличивает их длину волны. Релятивистское красное смещение было проверено астрономами прежде всего на спутнике Сириуса - звезде, обладающей очень большой плотностью, а затем и на других аналогичных звездах, принадлежащих к так называемым белым карликам. Правда, в этом случае наблюдаемые значения лишь очень приблизительно соответствовали величине, указанной Эйнштейном. Тем временем релятивистское красное смещение было обнаружено и в поле земного тяготения при измерениях частоты гамма-квантов с помощью эффекта Мессбауэра. Здесь наблюдаемые величины почти точно совпали с теоретически предсказанными значениями.

Эйнштейн при случае подчеркивал, что основная ценность его общей теории относительности состоит не в том, что она подтверждается малыми эффектами, а "в громадном упрощении теоретической основы, на которой покоится вся физика", однако лишь немногие сумели правильно оценить это обстоятельство.

Всего через год после опубликования общей теории относительности Эйнштейн представил ученому миру еще одну работу, имевшую революционное значение. Она относилась к области космологических проблем. Если не существует пространства и времени без материи, то есть без вещества и поля, если, далее, механические свойства пространства целиком определяются материей, как этого требует принцип Маха, то отсюда, полагал Эйнштейн, с необходимостью следует, что Вселенная должна быть пространственно замкнутой, хотя и не имеющей границ. Это означает, что световой луч, распространяющийся по "самой прямой" линии, через миллиарды лет вернется к своей исходной точке. Гипотеза о пространственно замкнутой Вселенной находилась в резком противоречии со всеми привычными и употребительными представлениями. Она произвела сенсацию, причем, как и все необычное, одни приняли ее с горячим одобрением, другие же отвергали и яростно оспаривали. Противниками гипотезы Эйнштейна были в основном люди, принадлежавшие к числу философов. Большинство из них все еще находилось под глубоким воздействием традиционных (механистических и метафизических) представлений о бесконечности пространства: в соответствии с евклидовой геометрией они не были способны проводить различие между "конечным" и "ограниченным" и поэтому не могли разобраться в рассуждениях Эйнштейна. Принятию эйнштейновской модели мира препятствовало также все еще сохранявшееся влияние философии Канта, в которой евклидово представление о пространстве принималось как философская догма.

Описанная Эйнштейном в 1917 году статическая модель замкнутой Вселенной оказалась в дальнейшем несостоятельной. Однако ее основная идея сохранила свою силу и вскоре привела к появлению целого набора релятивистских моделей мира. Одним из первых, кто примкнул к космологическим воззрениям Эйнштейна и творчески их продолжил, был гениальный советский математик Александр Фридман. Исходя из эйнштейновских уравнений поля, он пришел в 1922 году к динамической модели: к гипотезе замкнутого в себе мирового пространства, радиус кривизны которого возрастает с течением времени. Эйнштейн оценил результаты Фридмана как "правильные и проясняющие". Вопрос о расширении Вселенной, впервые поставленный в 1928 году калифорнийским астрономом Хабблом в связи с экспериментальным фактом разбегания спиральных туманностей, теснейшим образом связан с космологией Эйнштейна и Фридмана.

Как указывал Эйнштейн, вопрос о конечности пространственных размеров Вселенной "вполне правомерен в смысле практической геометрии". На этот вопрос можно ответить лишь с помощью средств и методов естественных наук. Лишь опыт покажет, какая из многочисленных возможных моделей Вселенной соответствует реальной действительности.

В 1917 году была опубликована первая книга Эйнштейна. Она носила название: "О специальной и общей теории относительности"; ее объем составлял всего семьдесят страниц. Подзаголовок гласил: "общедоступное изложение". И хотя Эйнштейн сам шутя говорил, что подзаголовок следовало бы изменить на "общенедоступное изложение", эта брошюра стала одним из его наиболее известных трудов и все время переиздается. Интересно, что великий ученый лишь к возрасту почти сорока лет впервые выступил в качестве автора книги. Это объяснялось главным образом тем, что - как он сам писал в одном из писем к Соловину - он всегда испытывал "ужас перед писанием книг". Большей частью Эйнштейн удовлетворялся краткими журнальными статьями. Он предоставлял возможность другим, больше любившим писать коллегам превращать его фундаментальные научные идеи в объемистые тома.

В своей статье "Научные произведения Альберта Эйнштейна", написанной для сборника "Альберт Эйнштейн как философ и писатель", Луи де Бройль следующими словами характеризует произведения Эйнштейна: "Хотя он почти всегда писал короткие статьи, каждая из них содержала удивительные новые идеи, способные произвести революцию в науке, или же тонкие и глубокие замечания, освещавшие сокровеннейшие стороны рассматриваемой проблемы и несколькими словами характеризующие открывающиеся бесконечные перспективы. Произведения Эйнштейна - это прежде всего "качественные работы"; они не содержат выводов и подробных разработок. Его статьи можно сравнить с запальным шнуром фейерверка, который в ночной темноте внезапно ненадолго, но ослепительно ярко освещает огромный незнакомый ландшафт".

Фридрих Гернек, 1984 год