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

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.

2

Мах Э. Механика. Историко-критический очерк ее развития. – М.: КомКнига, 2015.

3

И давать соответствующую интерференционную картинку. – Прим. пер.

4

Многие биографы указывают на эксперимент Майкельсона – Морли как на источник идей Эйнштейна. Однако сам Эйнштейн несколько раз ясно давал понять, что этот эксперимент оказал на его мысли лишь небольшое влияние. Он пришел к теории относительности через уравнения Максвелла. Весь посыл статьи состоял в том, чтобы показать, что в уравнениях Максвелла присутствует скрытая симметрия, которую выявляет его теория относительности, и что это следует возвести в универсальные принципы физики. – Прим. авт.

5

Эту и другие упоминаемые автором ранние статьи Эйнштейна можно найти в книге: Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. Том 1. – М.: Наука, 1965. – Прим. ред.

6

При последующем развитии физики эта концепция парадоксальным образом изменилась. Оказалось, что удобнее и корректнее говорить именно об энергии релятивистского тела, сохраняя массу неизменной – инвариантной. – Прим. пер.

7

Годом чудес (лат.). – Прим. ред.

8

За прошедшие десятилетия были придуманы десятки парадоксов, иллюстрирующих безумную, на первый взгляд, природу специальной теории относительности. В них, как правило, фигурируют две системы отсчета, движущиеся с разной скоростью, из которых производятся наблюдения одного и того же объекта. Парадоксы возникают потому, что наблюдатели в каждой системе отсчета видят этот объект двумя совершенно разными способами. Почти все парадоксы могут быть разрешены с использованием двух подходов. Во-первых, уменьшение длины в одной системе отсчета должно компенсироваться растяжением времени в другой. Если мы забываем сбалансировать искажение пространства искажением времени, возникают парадоксы. Во-вторых, они возникают в тех случаях, когда мы забываем в конечном итоге свести две системы отсчета вместе. Окончательное определение того, кто на самом деле моложе или короче, может осуществляться только при сведении двух наблюдателей вместе в пространстве и времени и сравнении их между собой. Если же мы не сводим их вместе, мы можем иметь два объекта, каждый из которых короче и моложе другого, что невозможно в ньютоновой физике. – Прим. авт.

9

Лететь быстрее света, чтобы преодолеть барьер времени и попасть в прошлое, невозможно. По мере приближения к скорости света масса объекта возрастает почти до бесконечности, сам объект сжимается почти до бесконечно малой толщины, а время почти останавливается. Из этого следует, что скорость света – максимальная скорость во Вселенной. О возможных лазейках в этом ограничении мы поговорим позже, когда речь пойдет о кротовых норах и мостах Эйнштейна – Розена. – Прим. авт.

10

Напомним, что гравитационная масса – это величина, входящая в закон всемирного тяготения и позволяющая описать дистанционное воздействие одного тела на другое, а инерциальная масса связывает силу, приложенную к телу, и приобретаемое им ускорение в соответствии со 2-м законом Ньютона. – Прим. пер.

11

Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: ЛКИ, 2014.

12

Точнее, принцип Маха утверждает, что инерция объекта и, следовательно, его масса, обусловлены присутствием во Вселенной всех остальных масс, в том числе отдаленных звезд. Мах заново озвучил наблюдение, известное со времен Ньютона, что поверхность воды во вращающемся ведре становится вогнутой (благодаря центростремительным силам). Чем быстрее вращение, тем сильнее вогнутость поверхности. Если всякое движение относительно, включая и вращение, то всегда можно считать, что ведро покоится, все отдаленные звезды вращаются вокруг него. Таким образом, рассуждал Мах, именно вращение далеких звезд вызывает вогнутость поверхности воды в неподвижном ведре. Таким образом, присутствие далеких звезд определяет инерциальные свойства ведра с водой, включая и массу. Эйнштейн модифицировал этот закон таким образом: гравитационное поле однозначно определяется распределением масс во Вселенной. – Прим. авт.

13

Полоса полного солнечного затмения 8/21 августа 1914 г. проходила через Ригу, Минск, Киев и восточные районы Крыма. 29-летний Эрвин Фройндлих прибыл 25 июля в Феодосию, где и намеревался наблюдать затмение с двумя помощниками. 4 августа они получили предписание о высылке как подданные воюющей с Россией страны, а 5 августа интернированы в Одессе, но 29 августа получили разрешение выехать в Германию в порядке обмена. – Прим. пер.

14

Общая ковариантность означает, что уравнения сохраняют форму при изменении координат (сегодня это называют «калибровочным преобразованием»). Эйнштейн в 1912 г. не понимал, что, исходя из этого, физические предсказания его теории также остаются неизменными при преобразовании координат. В 1912 г. он, к своему ужасу, обнаружил, что его теория дает бесконечное число решений для гравитационного поля вокруг Солнца. Однако через три года вдруг осознал, что все эти решения описывают одну и ту же физическую систему – Солнце. Таким образом, кривизна Риччи оказалась вполне подходящим математическим инструментом, способным однозначно описать гравитационное поле вокруг звезды согласно принципу Маха. – Прим. авт.

15

Хаос, вызванный окончанием Первой мировой войны, едва не привел к закрытию Берлинского университета, когда студенты захватили университетский городок и пленили ректора с сотрудниками. Члены факультета сразу же вызвали Эйнштейна, чтобы тот помог провести переговоры об их освобождении. Эйнштейн, в свою очередь, предложил физику Максу Борну составить ему компанию в опасной поездке на переговоры со студентами. Борн позже писал, что они пробирались «в Баварский квартал по улицам, полным дикого вида вопящих юнцов с красными повязками… Принадлежность Эйнштейна к левому крылу, если не к “красным”, была хорошо известна, и он был идеальной фигурой для переговоров». Студенты узнали Эйнштейна и передали ему свои требования. Они согласились отпустить своих пленников, если на то даст согласие новоизбранный президент – социал-демократ Фридрих Эберт. После этого Эйнштейн и Борн двинулись во дворец рейхсканцлера и обратились к президенту с просьбой; он согласился подкрепить своим авторитетом освобождение пленников. Позже Борн вспоминал: «Мы покинули дворец рейхсканцлера в самом лучшем настроении, с чувством, что приняли участие в историческом событии, и надеждой на то, что время прусской надменности прошло, что все кончено с юнкерами, с гегемонией аристократов, с кликой чиновников и военных, что теперь германскую демократию ждет победа». Эйнштейн и Борн – два физика-теоретика, интересовавшиеся прежде всего тайнами атома и Вселенной, очевидно, нашли более практичное применение своим талантам: они спасали свой университет. – Прим. авт.

16

Британский аналог Академии наук. – Прим. пер.

17

Республиканец, член Сената с 1908 по 1925 г., ярый консерватор. – Прим. пер.

18

Следует указать, что коллеги-сионисты часто опасались, что Эйнштейн, знаменитый своей откровенностью, скажет что-нибудь такое, что им не понравится. Так, одно время Эйнштейн считал, что еврейское государство должно располагаться в Перу; он подчеркивал, что, если там поселятся евреи, никого не нужно будет вытеснять из родных мест. Он часто говорил, что для любой успешной попытки создать еврейское государство на Ближнем Востоке абсолютно необходимы дружба и взаимоуважение между еврейским и арабским народами. Он писал: «Я предпочел бы видеть разумное соглашение с арабами, основанное на совместной мирной жизни, чем создание еврейского государства». – Прим. авт.

19

Великий физик и нобелевский лауреат Джон Стретт, 3-й барон Рэлей, скончался в 1919 г., так что двумя годами позже Эйнштейн мог встретиться только с его сыном Робертом, также носившим этот титул. – Прим. пер.

20

Эйнштейн, завсегдатай германского светского общества, был постоянно окружен богатыми матронами, жаждавшими приобщиться к его остроумию и мудрости, и многие из них были готовы щедро жертвовать на выбранные им дела и благотворительные проекты. Некоторые из них время от времени присылали свои личные лимузины, чтобы подбросить Эйнштейна из его загородного дома в Капуте на какую-нибудь благотворительную вечеринку или концерт. Естественно, это порождало слухи и о его любовных связях. Если проследить источник этих слухов, выяснится, что исходят они в основном из воспоминаний горничной в загородном доме Герты Вальдов, которая продала свою историю прессе. Однако у нее не было никаких доказательств предполагаемых романов Эйнштейна, и она признавала, что эти светские дамы неизменно лично угощали Эльзу шоколадом, когда увозили ее мужа, чтобы избежать каких бы то ни было подозрений в нарушении приличий. Более того, Конрад Вахсман – архитектор, участвовавший в проектировании загородного дома, наблюдал отношения в семье Эйнштейна и пришел к выводу, что все эти внешние связи совершенно невинны. Он считал, что все они «почти без исключения» были платоническими по природе и что Эйнштейн никогда не изменял Эльзе с этими женщинами. – Прим. авт.

21

Американский летчик, первым (в 1927 г.) совершивший перелет через Атлантический океан в одиночку. – Прим. ред.

22

Это произошло несколько раньше: Хаббл предположил фундаментальное различие между газопылевыми туманностями и настоящими галактиками в 1922 г. и смог доказать существование последних, разрешив несколько галактик на звезды, к 1926 г. – Прим. пер.

23

Поскольку вещество предпочитает находиться в состоянии с минимальной энергией, это означало, что все электроны имели бы возможность провалиться в состояние с отрицательной энергией, и Вселенная схлопнулась бы. Чтобы «предотвратить» такую катастрофу, Дирак постулировал, что все отрицательные энергетические состояния уже заполнены. Проходящий гамма-квант может выбить электрон из состояния с отрицательной энергией, оставив на его месте «дырку», или пузырек. Эта дырка, предсказывал Дирак, будет вести себя как электрон с положительным зарядом, то есть как антивещество. – Прим. авт.

24

Эйнштейн очень ясно изложил свою позицию по детерминизму и неопределенности: «Я детерминист, вынужденный действовать так, как будто свободная воля существует, потому что, если я хочу жить в цивилизованном обществе, я должен действовать соответственно. Я знаю, что с философской точки зрения убийца не виноват в своих действиях, но я не стал бы с ним чаевничать… У меня нет никакой власти, в первую очередь над этими загадочными железами, в которых природа готовит самую суть жизни. Генри Форд может называть это своим Внутренним Голосом, Сократ – своим демоном: каждый человек по-своему объясняет тот факт, что человеческая воля не свободна… И начало, и конец – все определено силами, над которыми мы не властны. Все определено в равной степени для насекомого и для звезды. Люди, овощи или космическая пыль – все мы танцуем под загадочный ритм, исполняемый в отдалении невидимым музыкантом». – Прим. авт.

25

Реактор Энрико Ферми, запущенный в декабре 1942 г. в Чикаго, также работал на природном уране и продемонстрировал возможность выработки изотопа плутоний-239, пригодного для изготовления атомной бомбы. Последующие американские работы развивались по двум основным направлениям: строительство реакторов на природном уране для наработки оружейного плутония и заводов по обогащению природного урана с выходом в виде почти чистого урана-235. К 1945 г. оба эти пути привели к созданию атомного заряда. – Прим. пер.

26

Петиция Силларда была засекречена Оппенгеймером и подлежала передаче установленным порядком по военным каналам. До президента она доведена не была. – Прим. пер.

27

В 1948 г. он помогал составлять свое Послание к интеллектуалам, в котором говорилось: «Человеку не удалось создать политические и экономические формы организации, которые гарантировали бы мирное сосуществование государств мира. Мы, ученые, трагической судьбой которых стало участие в разработке методов уничтожения еще более ужасных и эффективных, должны считать своим священным и исключительным долгом сделать все, что в наших силах, чтобы предотвратить использование этого оружия в бесчеловечных целях, для которых оно было придумано. Какая задача могла бы быть для нас важнее этой? Какая общественная цель могла бы быть ближе нашим сердцам?»

Он пояснил свои взгляды относительно мирового правительства так: «Единственное спасение для цивилизации… заключается в создании мирового правительства, где безопасность государств будет основываться на законе… До тех пор, пока суверенные государства продолжают иметь отдельные вооруженные силы и военные тайны, новые мировые войны будут неизбежны». – Прим. авт.

28

Точнее, Белл выступал за перепроверку старого мысленного эксперимента Эйнштейна – Подольского – Розена. В принципе, возможно измерить угол между осями поляризации пары электронов. Проведя подробный анализ зависимости между различными углами поляризации двух пар электронов, Белл сумел построить в отношении этих углов неравенство, названное его именем. Если квантовая механика верна, то величины должны удовлетворять одному набору отношений, если неверна – другому. Всякий раз, когда проводится этот эксперимент, корректными оказываются предсказания квантовой механики. – Прим. авт.

29

Первоначальный проект LISA не был реализован. Близок к осуществлению его предварительный этап под названием LISA Pathfinder, который ведет ЕКА при участии американской Лаборатории реактивного движения. – Прим. пер.

30

Именно в него попадают англоязычные стрелки вместо нашего «в яблочко». – Прим. пер.

31

Ключевой вклад в Инфляционную модель Вселенной внесли советские астрофизики А. Старобинский, А. Линде, В. Муханов и ряд других. – Прим. ред.

32

Фактически подтверждение сводится к определению скорости вращения вещества вокруг компактного центрального объекта. Масса его, оказывается, настолько велика, что единственным возможным вариантом природы объекта остается гигантская черная дыра. – Прим. пер.

33

А не кубу радиуса, как можно было бы ожидать для обычного тела. – Прим. пер.

34

Уайт Т. Король былого и грядущего. Книга Мерлина. – М.: Рипол Классик, 2013.