Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

Несколько выдающихся физиков конца XIX века проверяли работы Майкельсона и пришли к выводу, что и конструкция установки, и сами измерения были сделаны чрезвычайно тщательно. Чутье говорило им, что это эксперимент высочайшего класса. Может быть, решили они, что-то действительно неверно в самой основе ньютоновской физики. В отличие от них, Генрих Вебер и большинство остальных физиков были уверенны в том, что со временем дальнейшие исследования поставят все на свои места, и ньютоновская физика восторжествует, как это уже много раз случалось. Раз так, не стоит даже упоминать эти опыты в университетских лекциях и морочить студентам головы.

Ирландский физик Джордж Ф. Фицджеральд был первым, кто по достоинству оценил результаты Майкельсона — Морли и стал анализировать их следствия. Сравнивая их с результатами других экспериментов, он пришел к неожиданному выводу, что ошибочным является понимание физиками того, что такое «длина» и, соответственно, что-то может быть неверным в ньютоновской концепции абсолютного пространства. В короткой статье, опубликованной в американском журнале Science в 1889 г., он, в частности, писал:

Я с огромным интересом прочитал о прекрасных, высокоточных измерениях Майкельсона и Морли… Их результат кажется противоречащим результатам других экспериментов… Я полагаю, практически единственным предположением, которое способно снять это противоречие, является то, что длина материальных тел меняется в зависимости от того, как они движутся через эфир [через абсолютное пространство], на величину, зависящую от квадрата отношения скорости их движения к скорости света.

Ничтожное (на пять миллиардных долей) уменьшение размера в направлении движения Земли действительно могло объяснить нулевой результат опытов Майкельсона — Морли. Но признать наличие такого эффекта означало отказаться от существовавшего у физиков понимания поведения материи: среди известных сил не было такой, которая могла бы вызвать сжатие предметов в направлении их движения, даже на такую маленькую величину. Согласно существовавшему представлению о свойствах пространства и молекулярных сил внутри твердых тел, равномерно движущееся твердое тело всегда должно сохранять свою форму и размеры по отношению к абсолютному пространству, не зависимо от того, как быстро оно движется.

Хендрик Лоренц в Амстердаме тоже поверил результатам опытов Майкельсона — Морли. Кроме того, он принял всерьез предположение Фицджеральда о том, что движущиеся предметы сокращаются. Фицджеральд, узнав об этом, написал Лоренцу письмо с выражением благодарности, поскольку, как он писал, «я сам слегка посмеивался над своими взглядами». В поисках лучшего понимания Лоренц и, независимо, Анри Пуанкаре в Париже (Франция), а также Джозеф Лармор в Кембридже (Англия) заметили одну особенность в законах электромагнетизма, которая замечательно согласовывалась с идеей Фицджеральда о сокращении движущихся тел.

Если записать уравнения Максвелла для электрических и магнитных полей, измеренных наблюдателем, покоящимся в абсолютном пространстве, они принимают особенно простой и красивый вид. В частности, из одного из уравнений следует, что магнитные силовые линии не имеют начала и конца, т. е. всегда являются замкнутыми (см. рис. 1.1 а, б). С другой стороны, если записать те же уравнения, но для полей, измеряемых движущимся наблюдателем, они становятся гораздо более сложными и невыразительными. Например, получалось, что большинство магнитных силовых линий должны оставаться замкнутыми, но некоторые из них, вследствие этого движения, обрываются. Хуже того, если, например, экспериментатор начнет трясти магнит, то его силовые линии должны обрываться, затем срастаться, потом снова обрываться и так далее (см. рис. 1.1 в).

Математическая теория, предложенная Лоренцом, Пуанкаре и Лармором, позволяла сделать уравнения электромагнетизма в системе движущегося наблюдателя красивыми, такими же, как и для наблюдателя, покоящегося в абсолютном пространстве. Магнитные силовые линии оставались замкнутыми при любых обстоятельствах. И для того чтобы придать уравнениям Максвелла простой и красивый вид, нужно было, вопреки принципам Ньютона, считать, что все движущиеся тела сокращаются в направлении своего движения на величину, в точности совпадающую с той, которая была нужна Фицджеральду для объяснения результатов Майкельсона — Морли!

Если бы фицджеральдовское сокращение было единственной «новой физикой», необходимой для того, чтобы сделать простоту и красоту законов электромагнетизма универсальной, Лоренц, Пуанкаре и Лармор с их интуитивной верой в то, что законы физики должны быть красивыми, возможно, отказались бы от принципов Ньютона и твердо поверили бы в существование такого сокращения. Но его было недостаточно. Чтобы сделать уравнения красивыми, надо было считать, что время для движущегося через пространство наблюдателя течет медленнее, чем для того, который находится в покое. Выходило, что движение «замедляет» время.

1.1. Следствия одного из уравнений Максвелла, описывающих электромагнетизм, с точки зрения физики XIX века (ньютоновской физики), (а) Концепция магнитных силовых линий. Если положить стержневой магнит под лист бумаги, на котором рассыпаны металлические опилки, можно увидеть изображение силовых линий магнитного поля. Каждая линия выходит из северного полюса магнита, огибает его, входит в южный полюс и, проходя через магнит, замыкается. Таким образом, силовые линии — это замкнутые кривые, у которых нет начала и конца. С точки зрения математики утверждение о том, что магнитные силовые линии не имеют начал и концов — это одно из уравнений Максвелла в его простейшей и наиболее красивой форме, (б) Согласно ньютоновской физике, уравнение в такой форме справедливо вне зависимости от того, что наблюдатель делает с магнитом (например, даже если он трясет его изо всех сил) до тех пор, пока сам наблюдатель покоится относительно абсолютного пространства. Ни одна силовая линия не имеет начала или конца с точки зрения того, кто неподвижен, (в) С точки зрения наблюдателя на поверхности Земли, которая движется через абсолютное пространство, все выглядит гораздо сложнее. Даже если его магнит спокойно лежит на столе, некоторые силовые линии (примерно одна на сто миллионов) будут разорваны. Если наблюдатель будет трясти магнит, другая часть силовых линий (примерно одна из триллиона) будет разрываться и вновь замыкаться в процессе тряски. Хотя обрыв одной из ста миллионов и, тем более, из триллиона силовых линий — это слишком мало, чтобы такой эффект мог быть обнаружен в экспериментах XIX века, сам факт, что уравнения Максвелла предсказывают его, казался противоестественным Лоренцу, Пуанкаре и Лармору.

Здесь законы ньютоновской физики были недвусмысленны. Время должно быть абсолютно. Оно течет равномерно и неумолимо, с одинаковой скоростью для всех наблюдателей, независимо от их движения. Если ньютоновские законы верны, то движение не может вызвать замедление времени, так же как оно не может вызвать сокращение длины. К сожалению, точность часов, существовавших в конце XIX века, была совершенно недостаточна для проверки. Перед лицом научного и технического триумфа ньютоновской физики, триумфа, который был основан на абсолютности пространства, Лоренц, Пуанкаре и Лармор отступили.

Эйнштейн, будучи студентом в Цюрихе, был еще не готов взяться за решение столь сложных проблем, но он уже начинал размышлять о них. Своей подруге Милеве Марич (роман с которой становился у него все серьезнее) он писал в августе 1899 г.: «Я все более и более убеждаюсь, что электродинамика движущихся тел в ее сегодняшнем виде неверна». В течение последующих шести лет, становясь все более зрелым физиком, он будет исследовать эту проблему и идти к пониманию реальности сокращения длины и замедления времени.

В отличие от Эйнштейна Вебер не интересовался столь сомнительными исследованиями. Он продолжал читать лекции о ньютоновской физике так, как будто все шло своим чередом и не существовало даже намека на трещины в ее фундаменте.

В конце своего обучения в ЕТН Эйнштейн наивно предполагал, что, поскольку он умен и не так уж плохо сдавал экзамены (средний балл 4,91 из 6,00), ему будет предложена должность ассистента-физика в ЕТН под руководством Вебера и что он, как это обычно случалось, сможет использовать эту должность как ступень лестницы в научный мир. Будучи ассистентом он мог бы начать самостоятельные научные исследования и через несколько лет получить степень доктора философии.

Но этого не случилось. Из четырех студентов, сдавших выпускной экзамен по объединенной физико-математической специальности в августе 1900 г., трое получили должности ассистентов-математиков в ЕТН, а четвертый — Эйнштейн не получил ничего. Вместо него Вебер взял в ассистенты двух студентов с инженерного факультета.