Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная - Уолтер Айзексон

Дочь Эльзы Ильза в конечном итоге выйдет замуж за Рудольфа Кайзера, редактора главного литературного журнала в Германии, и они создадут дом, наполненный искусством и людьми искусства – художниками и писателями. Марго, которая любила лепить, была настолько застенчива, что иногда пряталась под столом, когда приходили гости ее отчима. Она продолжала жить в доме с родителями даже после того, как вышла замуж в 1930 году за русского по имени Дмитрий Марьянов. Оба зятя в конечном итоге напишут цветистые, но малоинтересные книги о семье Эйнштейна.

Но в то время Эйнштейн, Эльза и две ее дочери жили вместе в просторной квартире с мрачной мебелью недалеко от центра Берлина. Обои в комнатах были темно-зеленого цвета, на столах – белые льняные скатерти с кружевами. “Чувствовалось, что Эйнштейн всегда останется чужим в этом доме, – писал его друг и коллега Филипп Франк, – богемным гостем в буржуазном доме”.

Нарушив все строительные нормы и правила, они перестроили три мансардных комнаты и превратили их в чердачный кабинет с большим новым окном. В нем иногда было пыльно, никогда не прибрано, и бумаги сваливали в кучи под портретами, с которых ласково глядели Ньютон, Максвелл и Фарадей. Там Эйнштейн работал, сидя в старом кресле и положив блокнот на колени. Иногда он вставал и ходил, потом садился и строчил уравнения, с помощью которых, как он надеялся, он сможет обобщить свою теорию относительности и объяснить строение космоса67.

Глава одиннадцатая

Вселенная Эйнштейна. 1916-1919

Космология и черные дыры, 1917 год

Целью космологии является изучение Вселенной как единого целого, от края и до края, от начала и до конца ее существования, в том числе определение ее размера и формы, прошлой истории и будущей судьбы. Это огромная тема и очень сложная. Даже определить, что означают эти понятия, даже понять, имеют ли они смысл вообще, непросто. Эйнштейн, сформулировав уравнения гравитационного поля общей теории относительности, заложил фундамент для исследований природы Вселенной и стал, таким образом, основателем современной космологии.

Помог ему в этом, по крайней мере на раннем этапе, очень сильный математик и еще более выдающийся астрофизик Карл Шварцшильд, который руководил в то время Потсдамской обсерваторией. Он изучил новую формулировку общей теории относительности Эйнштейна и в начале 1916 года предпринял попытку применить ее к исследованию космических объектов.

Одно обстоятельство очень осложняло работу Шварцшильда. Во время войны он пошел добровольцем в немецкую армию и читал статьи Эйнштейна, уже находясь на фронте в России и рассчитывая там траектории артиллерийских снарядов. Однако он смог выкроить время и с помощью уравнений теории Эйнштейна рассчитать гравитационное поле вокруг космических объектов. В каком-то смысле его ситуация была похожа на ту, в которой работал сам Эйнштейн, создавая свою специальную теорию относительности в свободное время от рассмотрения патентных заявок на способы синхронизации часов, только в военном ее варианте.

В январе 1916 года Шварцшильд послал Эйнштейну по почте свой результат точного решения его уравнений с припиской, что он придаст его теории “блеск высшей пробы”. Помимо прочего, его результаты подтвердили с большей точностью, что уравнения Эйнштейна объясняют поведение орбиты Меркурия. Эйнштейн пришел в возбуждение. В ответ он написал: “Я не ожидал, что точное решение задачи может быть сформулировано так просто”. В следующий четверг он лично представил эту работу на еженедельном заседании Прусской академии наук1.

Первые расчеты Шварцшильда в основном касались искривления пространства – времени во внешней окрестности невращающейся сферической звезды. Через несколько недель он послал Эйнштейну еще одну статью с расчетом того, что происходит уже внутри такой звезды.

Из расчетов следовало, что и там и там может, а точнее должно, происходить что-то необычное. Если всю массу звезды (или любого другого объекта) сжать в достаточно маленький объем, определяемый радиусом, получившим название шварцшильдовского радиуса, то все расчеты делались неверными. В центре звезды пространство должно было бесконечно заворачиваться вокруг самого себя. Для нашего Солнца это случилось бы, если бы вся его масса сжалась в сферу с радиусом примерно три километра. Для Земли это могло бы произойти, если бы вся ее масса была втиснута в сферу радиусом около одного сантиметра.

Что это могло означать? В такой ситуации ничто в пределах радиуса Шварцшильда не смогло бы преодолеть притяжение, даже свет или излучение в любой другой форме. Время на границе сферы также подверглось бы искажению и бесконечно замедлилось. Другими словами, путешественник, приближающийся к границе сферы Шварцшильда, с точки зрения внешнего наблюдателя застыл бы в неподвижности.

Эйнштейн не верил – ни тогда, ни позже, – что эти результаты на самом деле соответствуют чему-то реальному. В 1939 году, например, он подготовил работу, в которой, по его словам, “ясно объяснил, почему эти “сингулярности Шварцшильда” не существуют в физической реальности”. Однако несколько месяцев спустя Роберт Оппенгеймер и его ученик, студент Хартланд Снайдер, сделали обратное утверждение, предсказав, что звезды могут подвергаться гравитационному коллапсу2.

Что касается самого Шварцшильда, то он уже не смог продвинуться в этом вопросе. Через несколько недель после написания своей статьи на фронте он заболел страшной аутоиммунной болезнью, которая начала съедать его клетки кожи, и в мае того же года в возрасте сорока двух лет умер.

После смерти Эйнштейна ученые доказали, что странная теория Шварцшильда была правильной. Звезды могут коллапсировать, и на самом деле они часто это делают, так что такое явление вполне реально. В 1960-е годы многие физики, например Стивен Хокинг, Роджер Пенроуз, Джон Уилер, Фримен Дайсон и Кип Торн, показали, что это явление – одно из самых реальных следствий общей теории относительности Эйнштейна. Уилер назвал такие сколлапсировавшие звезды “черными дырами”, и они стали элементом космологии и героями фантастического телесериала “Звездный путь”3.

Черные дыры к настоящему времени уже обнаружены в разных концах Вселенной, в том числе одна дыра в центре нашей галактики, масса которой в несколько миллионов раз больше массы нашего Солнца. “Черные дыры не редкость, и они не случайные украшения нашей Вселенной, – говорит Дайсон. – Это единственные места в мире, где теория относительности Эйнштейна проявляется в полной своей мощи и славе. Здесь и нигде больше пространство и время теряют свою индивидуальность, сливаются и образуют сильно искаженную четырехмерную структуру, точно описываемую уравнениями Эйнштейна”4.