Чтение онлайн

Эйнштейна удивило и обрадовало то, что его уравнения были решены так быстро. На очередном заседании Прусской академии наук он доложил результаты Шварцшильда. То, что решение найдено, радовало Эйнштейна, хотя сам характер этого решения его беспокоил. Получалось, что при достаточно высокой концентрации масс происходит нечто странное – пространство искривляется так сильно, что вся область внутри поверхности определённого радиуса оказывается отрезанной от остальной Вселенной. Эйнштейну это не нравилось, и он много лет безуспешно пытался доказать, что в реальном мире такая возможность физически не реализуется.

Гораздо позже, подробно анализируя эту предельную искривлённость пространства, Эйнштейн обнаружил нечто ещё более странное – по мере приближения к веществу большой плотности пространство изгибается всё сильнее и становится похоже на бутылочное горлышко или воронку. Эта воронка не заканчивается на веществе; из уравнений следует, что по другую сторону имеется её зеркальное отражение. По сути, получается что-то вроде туннеля в пространстве, который сначала сужается, а потом начинает расширяться. Эйнштейн задался вопросом: куда ведёт этот туннель (или, как он его называл, «пространственно-временной мостик»)? Он пришёл к выводу, что мостик может вести только в «Другую Вселенную», хотя непонятно, что это такое. Полученный результат не понравился Эйнштейну, ведь из него следовало, что кто-то может попасть в туннель с одной стороны и появиться в «другой Вселенной». К его облегчению, дальнейшие расчёты показали, что для прохождения сквозь туннель потребуются скорости, большие световой, что согласно специальной теории относительности невозможно.

Вскоре после создания (1905 год) специальная теория относительности перестала устраивать Эйнштейна, и он начал работать над её обобщением. То же произошло и с общей теорией относительности. В ней возник ряд проблем, связанных с уравнением поля. Давайте и мы начнём с этого уравнения. Не пугайтесь, я не буду подробно его записывать, а только рассмотрю упрощённый вариант, о котором рассказал нам на первом курсе один из преподавателей. Взглянув на испуганные лица, он на первой же лекции утешил нас, сказав, что математика по сути очень проста. «Все уравнения в конечном счёте, – сказал он, – сводятся к виду A = B». Не знаю как студентам, а нам с вами, читатели, это заявление очень кстати, так как оно полностью относится и к уравнению Эйнштейна, хотя A и B там немного (по правде говоря, гораздо) сложнее, чем в большинстве других уравнений. И слева и справа стоят математические величины, о которых я уже упоминал раньше, – это тензоры.

Предельно упрощая, уравнение Эйнштейна можно записать в виде: тензор A = тензор B, где тензор A описывает кривизну пространства, а тензор B – материю, которая вызывает это искривление. На практике B может также содержать члены, описывающие электромагнитное поле, так как это поле есть проявление энергии, а энергия – одна из форм массы.

Эйнштейна не устраивал главным образом тензор B. В автобиографии он писал: «Правая часть включает в себя всё то, что не может быть пока объединено в единой теории поля. Конечно, я ни минуты не сомневался в том, что такая формулировка есть только временный выход из положения». Он ввёл этот тензор, чтобы уравнение имело законченный вид и можно было проводить расчёты, но был убеждён, что в дальнейшем форма уравнения изменится. Он много раз говорил: «Левая часть – это дворец из мрамора, а правая – хижина из дерева и бумаги».

Вся беда в том, что правая часть относится не к полю; эта часть описывает материю. Отсюда следует, что уравнение в целом не является чисто полевым. Оно «скомпрометировано» наличием материи, что вызывало у Эйнштейна отвращение – по его мнению, уравнение должно было быть чисто полевым.

Кроме того, существовала ещё одна, гораздо большая трудность – тогда были известны два поля, но в уравнение входило лишь одно из них, гравитационное. Второе, электромагнитное, во многом подобно полю тяготения, но в то же время отлично от него, из-за чего описывается совсем другой системой уравнений, носящих имя Максвелла. Хотя электромагнитное поле и вошло в правую часть уравнений общей теории относительности в виде источника, оно там не на равных правах с гравитационным полем.

Почему эти два поля описываются разными системами уравнений? Не являются ли электромагнитное и гравитационное поля лишь разными проявлениями одного и того же поля, как электрическое и магнитное? Нет ли между ними связи? Если есть, то можно получить уравнения, которые одинаково описывали бы оба поля. Эйнштейн надеялся объединить их, включив в уравнения общей теории относительности и электромагнитное поле.

Чтобы понять, в чём состоят трудности, нужно познакомиться с электромагнитным полем поближе. Хотя оно постоянно окружает нас и используется, например, в телевидении и радио, большинство людей знают о нём меньше, чем о гравитационном.

Начнём с электричества и магнетизма. Известно, что положительно или отрицательно заряженный заряд окружает область, в которой действует электрическая сила (она влияет только на другие заряды), точно так же, как Земля окружена областью, в которой действует сила притяжения. И в том и в другом случае сила по мере удаления от источника ослабевает. Магнитное поле ведёт себя примерно так же. Вспомните опыт, который делают в школе с магнитом и железными опилками, насыпанными на бумагу. Опилки располагаются по силовым линиям, идущим от одного полюса – северного, к другому – южному.

Учёным прошлого были знакомы и электричество, и магнетизм, но они считали эти явления различными и не связанными одно с другим. Связь между ними обнаружил датский учёный X. Эрстед. Однажды, показывая в аудитории опыт с электрическим током, он заметил, что каждый раз, когда провод подключался к источнику питания, стрелка лежащего рядом компаса вздрагивала. Объяснить это можно было только появлением магнитного поля. Так в результате счастливой случайности Эрстед обнаружил, что электрический ток создаёт магнитное поле.

Следующий шаг было сделать уже легче, так как ток есть не что иное, как движение зарядов, а зарядам сопутствует электрическое поле; иными словами, изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное поле. Новость быстро распространилась; через несколько месяцев все европейские учёные уже знали об опыте Эрстеда и лихорадочно ставили свои эксперименты.

Может показаться странным, что столь важное открытие было сделано с такой лёгкостью, но ведь научные исследования того времени сильно отличались от нынешних. Я уверен, что многие из современных учёных, собирающих установки с помощью могучих кранов, иногда тоскуют по тем временам, когда оборудование было куда миниатюрней, а сделать выдающееся открытие было намного легче.

Вскоре после открытия Эрстеда учёные задались таким вопросом: если изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное поле, то, может быть, изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, создаёт электрическое поле? Через несколько лет Майкл Фарадей поставил решающий опыт, которым доказал, что это предположение верно.

Фарадей родился в 1791 году неподалёку от Лондона и вскоре переехал в столицу. Рос он в бедности и большую часть времени проводил на улице. Образования почти не получил и едва умел читать и писать. В 12 лет Майкл поступил посыльным к переплётчику и через несколько лет стал у него подмастерьем. С того времени в его жизни наступили перемены. Переплетаемые книги произвели на него огромное впечатление, ему хотелось все их прочесть, но мешал недостаток образования. Майкл был упорен и старался читать как можно больше. Попадались ему и научные издания – о магнетизме, электричестве, химии. В свободное время, до того как переплести книгу и отправить её заказчику, он старался сделать для себя как можно больше выписок. В этих книгах описывались различные опыты, и почти всё своё скромное жалованье Фарадей тратил на аппаратуру для их выполнения.

Майкл Фарадей (1791-1867)

Поворотным пунктом в его жизни стали четыре публичных лекции, прочитанные Хэмфри Дэви, известным учёным того времени. Лекции так поразили Фарадея, что он твёрдо решил стать учёным. Он переплёл конспект этих лекций и послал его Дэви вместе с просьбой о месте ассистента. Сначала Дэви колебался и даже уговаривал Фарадея, что переплётчиком быть гораздо надёжней и спокойней. Но вскоре место ассистента освободилось, и Дэви предложил его Фарадею, который с радостью согласился.