Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн [заметки]

Сноски

1

Для наглядности используется более упрощенная картина, чем на самом деле. Описанный ход осцилляций относится на самом деле к векторному потенциалу A и его сопряженному импульсу Π = dA/dt = −E, тогда как H = curlA, где E, H – соответственно электрическое и магнитное поля. – Прим. пер.

2

Редакция по изданию библиотеки «ФИЛОСОФСКОЕ НАСЛЕДИЕ»: Кант И. Критика чистого разума (предисловие ко второму изданию), пер. с нем. Н. Лосского (1964).

3

Однако в следующем непроцитированном предложении Пуанкаре пишет: «И все-таки, чтобы окончательно сделать такой вывод, требуется дополнительное размышление. Вопрос представляет такую важность, что было бы желательно, чтобы опыт Кауфмана был воспроизведен другими экспериментаторами». – Прим. пер.

4

По-видимому, имелось в виду два возможных типа механики: волновая и корпускулярная. С учетом тематики конгресса вопрос, возможно, заключался в том, какая природа света (волновая или корпускулярная) лучше соотносится с теорией относительности, в основе которой лежит принцип постоянства скорости света. – Прим. пер.

Комментарии

1

Ниже дана гипотетическая реконструкция того решающего дня, когда в беседе со своим другом Микеле Бессо Эйнштейну пришла в голову ключевая идея, позволившая ему создать теорию относительности. Из записей Эйнштейна известно лишь, что это произошло в ясный день, где-то в середине мая, за пять или шесть недель до 30 июня, даты приема его статьи в Annalen der Physik. Если день был воскресным (единственный свободный день Эйнштейна, работавшего шесть дней в неделю по восемь часов в патентном бюро), то, скорее всего, это произошло 21 мая 1905 г. (хотя нельзя также исключить 14 или 28 мая). Обратим внимание, что, согласно Альбрехту Фольсингу, автору одной из самых точных биографий Эйнштейна (см. Избранную библиографию), Эйнштейн переехал в новую квартиру на окраине Берна недалеко от того места, где жил Бессо, в понедельник, 15 мая.

2

Эта работа Эйнштейна на тему «броуновского движения» была очень быстро и благожелательно принята физическим сообществом и долгое время оставалась его наиболее цитируемой работой.

3

С 1676 г., когда датчанин Ремер, работавший в Париже с экспериментальными данными, полученными итальянцем Жаном Домиником Кассини (которого Людовик XIV пригласил во Францию для управления Парижской обсерваторией), показал, что свет распространяется с конечной скоростью порядка 300 000 км/с. Точное значение скорости света в вакууме (по определению) составляет 299 792 458 м/с. Для простоты мы будем округлять это значение до 300 000 км/с.

4

В 1864 г. Максвелл резюмирует результаты своих исследований о совместном развитии электрического и магнитного полей в виде системы уравнений, которые сложным образом перемешивают эти два поля. Таким образом, после открытия Максвелла термин «электромагнитная теория» используется для обозначения теории, описывающей совместную динамику этих двух полей.

5

В общем случае эта сумма должна пониматься как сумма двух векторов.

6

Солнце светит для всех (подразумевается для орлов так же, как и для воробьев).

7

См., например, русское издание полного собрания сочинений Эйнштейна: Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. Под ред. И. Е. Тамма, Я. А. Смородинского, Б. Г. Кузнецова (М.: Наука, 1965–1967. Серия «Классики науки») (Здесь и далее вместо оригинальной ссылки по возможности указывается источник на русском языке. – Прим. пер.).

8

Эволюция концепции пространства описана в книге Макса Джеммера «Концепция Пространства» (Max Jammer, Concepts of Space, Dover, 1993), а также в книгах: Койре А. От замкнутого мира к бесконечной вселенной. (М.: Логос, 2001); Дэвис П. О времени (Paul Davies, About Time, New York, Touchstone, 1996); Клейн Э. Тактика хроноса (Étienne Klein, Les Tactiques de Chronos, Paris, Flammarion, 2004).

9

Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: Наука, 1989. Автор следует французскому переводу маркизы де Шатле (с помощью и комментариями Клеро): Principes mathématiques de la philosophie naturelle, Paris, Desaint et Saillant, 1756, rééditée par les éditions Blanchard, Paris, 1966.

10

Лейбниц Г. Переписка с Кларком // Сочинения в четырех томах. – М.: Мысль, 1982 (Филос. наследие. Т. 85). Автор использует редакцию Андре Робине: Переписка Лейбница – Кларка на основе оригинальных рукописей (André Robinet, éditeur, Correspondance Leibniz-Clarke (d’après les manuscrits originaux), Paris, Presses universitaires de France, 1957). Напомним, что Самуил Кларк, по существу, подменял собой Ньютона в этой переписке. Отметим также, что Лейбниц писал на французском, тогда как Кларк – на английском.

11

«Автобиографические элементы», написанные по просьбе издателя Павла Артура Шлиппа по случаю 70-летия Эйнштейна (изданы в 1949 г.). Французский перевод этого текста фигурирует в пятом томе собрания «Избранные работы Эйнштейна» (Оeuvres choisies d’Einstein, см. Избранную библиографию).

12

Эйнштейн и двое его друзей, Морис Соловин и Конрад Габихт, регулярно встречались по вечерам, чтобы разделить скромную вечернюю трапезу, а также почитать и обсудить философские и эпистемологические работы. Шутки ради, они называли этот неофициальный клуб дискуссий «Олимпийской академией».

13

Что эти волны были «векторными» и «поперечными».

14

Более точно (видимый) свет представляет собой электромагнитную волну с длиной от 0,4 до 0,8 мкм. (Микрон – это миллионная часть метра, т. е. одна тысячная миллиметра.)

15

Как уже говорилось, экспериментальные и теоретические работы Герца в 1887 г. окончательно установили эквивалентность света и электромагнитных волн. Максвелл, умерший в возрасте 48 лет в 1879 г., немного не дожил до того, чтобы увидеть триумф одного из своих самых замечательных открытий.

16

На самом деле представления физиков XIX в. об эфире были разнообразнее. Но для более наглядного описания вклада Эйнштейна мы предполагаем, что более-менее общие представления сводились к отождествлению эфира с абсолютным пространством Ньютона «в состоянии покоя».

17

Кроме того, интересно отметить, что в письме к своему другу Конраду Габихту, о котором мы упоминали выше, он характеризует как «революционную» лишь свою мартовскую статью 1905 г., посвященную квантовым свойствам света, и ограничивается следующими словами в отношении июньской статьи: «Там речь идет об электродинамике движущихся тел, построенной на основании модификации теории пространства и времени. Я уверен, что чисто кинематическая часть этой работы будет вам интересна».

18

В частности, Анри Пуанкаре и Эмиль Кон. См. подробное исследование историка науки Оливье Дарриголя «Электродинамические причины теории относительности» (Olivier Darrigol: «The electrodynamic origins of relativity theory», Historical Studies in the Physical Sciences, 26, 2, 1996).

19

Уиттекер Э. Т. История эфира и электричества (E. T. Whittaker, A History of Aether and Electricity, London, Nelson, 1953); Офрэй Ж.-П. Эйнштейн и Пуанкаре (Jean-Paul Auffray, Einstein et Poincaré, Éditions Le Pommier, 1999); Левегль Ж. Теория относительности, Пуанкаре и Эйнштейн, Планк, Гильберт (Jules Leveugle, La Relativité, Poincaré et Einstein, Planck, Hilbert, Paris, L’Harmattan, 2004); Хладик Ж. Как молодой и амбициозный Эйнштейн присвоил специальную теорию относительности Пуанкаре (Jean Hladik, Comment le jeune et ambitieux Einstein s’est approprié la relativité restreinte de Poincaré, Paris, Ellipses, 2004).

20

Независимо от скорости своего источника.

21

Предполагается, что все часы, используемые Эйнштейном (в разных рассматриваемых системах отсчета), имеют «абсолютно одинаковую конструкцию», т. е. они такие, что, находясь рядом и в состоянии покоя относительно друг друга, «идут» с одинаковой частотой.

22

Использовать телеграфные сигналы для синхронизации часов предложил французский физик и производитель часов Луи Бреге в 1857 г. Блестящее исследование на тему технологий синхронизации часов во времена Пуанкаре и Эйнштейна можно найти в книге Питера Галисона «Часы Эйнштейна, карты Пуанкаре, империи времени» (Peter Galison, Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps, Empires of Time, New York, Norton, 2003). Однако я думаю, что знание этой подоплеки так же несущественно, как знание о том, что яблоки падают, было несущественно во времена Ньютона! Гений Ньютона заключался в умении сделать вывод о наличии гравитации исходя из наблюдения за падением яблока. Точно так же гений Эйнштейна заключался в способности серьезно пересмотреть концепцию времени на примере проблем, связанных с синхронизацией движущихся часов. Как уже говорилось в тексте, по поводу той же проблемы Пуанкаре продолжал думать в рамках концепции ньютоновского абсолютного времени.

23

Мы допускаем некоторую вольность, описывая содержание статьи Эйнштейна, уважая тем не менее логический порядок, которому он следовал.

24

Вот несколько указаний для пытливого читателя, который захочет самостоятельно вывести уравнения, связывающие координаты (x, y, z, t) в «системе покоя» c координатами (x’, y’, z’, t’) в системе, «перемещающейся со скоростью v вдоль оси x». Ниже буква c обозначает скорость света. Из соображений единообразия и симметрии можно понять, что искомые уравнения имеют вид: t’ = at − bx, x’ = A (x − vt), y’ = By, z’ = Bz, где коэффициенты a, b, A, B есть функции v и c, которые необходимо определить. Заметим, что луч света, распространяющийся со скоростью c в системе покоя, т. е. такой, что x² + y² + z² − c²t² = 0, распространяется также со скоростью c в движущейся системе отсчета: x’² + y’² + z’² − c²t’² = 0. Наложим требование симметрии по отношению к отражениям и перестановке двух систем (так что, например, B (v) = B (−v) = 1/B (v)). Получив таким образом выражения для коэффициентов a, b, A, B, убедитесь, что комбинация s² = x² + y² + z² − c²t² инвариантна при переходе из одной системы отсчета в другую (даже если она не равна нулю).

25

Речь идет о так называемых уравнениях «преобразований Лоренца» (термин, введенный Пуанкаре). Впервые они были написаны (с точностью до общего множителя) немцем Вольдемаром Фойгтом в 1887 г., затем (в приближенной форме) голландцем Лоренцом в 1895 г., после чего в точном виде их нашел англичанин Джозеф Лармор в 1900 г., и, наконец, они были переоткрыты в точной форме Лоренцом (который не знал работ Фойгта и Лармора) в 1904 г. Некоторые свойства этих уравнений были подробно изучены А. Пуанкаре в июне 1905 г. Пуанкаре знал лишь работы Лоренца 1895 и 1904 гг. и поэтому ввел термин «преобразования Лоренца». Что касается Эйнштейна, то он знал лишь работу Лоренца 1985 г., где эти уравнения отсутствовали в точной форме. Независимо от физической интерпретации уравнений (интерпретация Эйнштейна полностью отличалась от интерпретации его предшественников), Эйнштейн был первым, кто вывел эти уравнения чисто кинематическим путем, т. е. на основе фундаментального пересмотра понятий пространства и времени.

26

А. Пуанкаре, доклад на Международном конгрессе науки и искусств (Сент-Луис, Миссури, США, 24 сентября, 1904); был опубликован в конце 1904 г. и воспроизведен в замечательной научно-популярной книге Пуанкаре «Ценность науки» (H. Poincaré, La Valeur de la science, Flammarion, 1905). По всей вероятности, Эйнштейн не читал этот доклад Пуанкаре, который между тем предвосхищал многие аспекты теории относительности.

27

Галисон П. (P. Galison, op cit.).

28

Эти лекции 1906–1907 гг. были опубликованы в 1953 г. в «Астрономическом бюллетене» («Les limites de la loi de Newton», Bulletin astronomique, t. XVII, Fasc. 2, р. 121–269).

29

Пуанкаре А. Динамика электрона (H. Poincaré, «La dynamique de l’électron», Revue générale des sciences pures et appliquées, t. 19, р. 386–402, 1908).

30

В уравнениях τ = kt’ = t − k²v (x − vt)/c², где k = l / √(l − υ² / c²). Здесь t и x – координаты в системе покоя, c – скорость света, τ – временна́я переменная наблюдателей A и B согласно определению Пуанкаре, а t’ – временна́я переменная в движущейся системе с A и B согласно определению Эйнштейна.

31

Заметим, когда Пуанкаре говорит о часах движущегося наблюдателя, «отстающих от других», он подразумевает фиксированное временное расхождение между двумя движущимися часами, связанное с линейным членом x − vt в синхронизированном «локальном времени», которое он определяет как τ = t − k²v (x − vt)/c². В приведенной формуле, неявно использованной Пуанкаре, разность между двумя последовательными «локальными временами» τ равна разности между двумя соответствующими абсолютными датами, ∆τ = ∆t. Пуанкаре никогда не говорит о «накопившемся отставании» движущихся часов, которые возвращаются в исходную точку. Это накопившееся отставание целиком обусловлено дополнительным фактором k = l / √(l − υ² / c²) во времени t’, о котором говорит Эйнштейн и которое связано с временем Пуанкаре τ как kt’ = τ = t − k²v (x − vt)/c².

32

Герой романа Вашингтона Ирвинга (1819), который, вернувшись в мир после пробуждения, с удивлением обнаружил, как много лет прошло для других, но не для него.

33

Речь идет о его популярных книгах, построенных вокруг персонажа – мистера Томпкинса.

34

На самом деле, несколько лет спустя общая теория относительности Эйнштейна показала, что влияние гравитации далеко от того, чтобы быть пренебрежимо малым, и сравнимо с фактором скорости, но имеет противоположный эффект. Эти эффекты, по существу, компенсируют друг друга, так что часы, размещенные на вращающейся жидкой оболочке Земли (деформированной своим вращением), будут «идти» в одинаковом темпе независимо от своего положения.

35

Тем более, что он казался содержащим внутреннее противоречие. Действительно, если рассмотреть двух близнецов, движущихся с постоянной скоростью относительно друг друга, то каждый из близнецов должен наблюдать замедление времени другого близнеца по сравнению со своим. И это кажется абсурдным. На самом деле, случай близнецов, движущихся относительно друг друга прямолинейно и всегда c постоянной скоростью, не позволяет в конце (т. е. когда они снова будут находится вместе и в относительном покое) определить разницу в возрасте. Чтобы сделать такое заключение, необходимо, как мы всегда и предполагали, представить асимметричную ситуацию, в которой один из двух близнецов движется со скоростью, величина и/или направление которой меняется во времени.

36

Ниже дана реконструкция, в которой мы пытаемся воссоздать историю пребывания Эйнштейна в Париже на основе книги Michel Biezunski, Einstein à Paris (см. Избранную библиографию).

37

К сожалению, сейчас такое редко встречается. В настоящее время газеты и журналы (а также телевидение) любят ссылаться на последние научные достижения, однако страсть к чему-то новому и сенсационному, а также к потенциально опасному обычно преобладает над стремлением осознать философское содержание науки.

38

Бергсон А. Длительность и одновременность (о теории Эйнштейна). – М.: Добросвет, 2013; КДУ, 2006 (Henri Bergson, Durée et simultanéité. À propos de la théorie d’Einstein, Paris, Félix Alcan, 1922. Septième édition aux Presses universitaires de France, Paris, 1968; http://www.uqac.uquebec.ca/zone30/Classique_des_sciences_sociales/index.html).

39

См. недавнее переиздание: La Pensée, numéro 210, février 1980, p. 12–29, précédée d’une introduction de Michel Paty, p. 3–11.

40

См. комментарий редакторов к седьмому изданию Henri Bergson, Durée et simultanéité. À propos de la théorie d’Einstein, Paris, Félix Alcan, 1922. Septième édition aux Presses universitaires de France, Paris, 1968, подчеркивающий актуальность переиздания этой книги.

41

Пруст М. Письма (1879–1922), выбор и аннотация Франсуазы Лериш. Письмо 572 (Marcel Proust, Lettres (1879–1922), sélection et annotation par Françoise Leriche, Plon, 2004. Lettre 572, p. 1052–1054). Я благодарен Жану Ости, который обратил мое внимание на это письмо, и Тьерри Томасу, который обратил мое внимание на предварительные рукописи «Под сенью девушек в цвету» (À l’ombre des jeunes filles en fleurs), процитированные здесь.

42

Селеста А. Господин Пруст. – СПб.: Модерн, 2002 (Céleste Albaret, Monsieur Proust, Souvenirs recueillis par Georges Belmont, Paris, Éditions Robert Laffont, 1973).

43

С математической точки зрения Пуанкаре предшествовал Минковскому в своей статье «О динамике электрона», написанной в июле 1905 г. и опубликованной в 1906 г. В самом деле, в конце этой статьи в ходе технического развития Пуанкаре (мысленно) комбинирует пространство и время в некоторое «четырехмерное пространство» c координатами (x, y, z, t√(−1)) и далее обсуждает (евклидову) геометрию этого «пространства», применяя его к физике, и в частности к физике гравитации. Возможные причины, по которым Минковский, знавший эту работу Пуанкаре, не ссылается на нее на сентябрьской конференции 1908 г., обсуждаются в статье Тибо Дамура «Что упущено из лекции Raum und Zeit Минковского» (Thibault Damour, What is missing from Minkowski’s «Raum und Zeit» lecture). Статья доступна в электронном архиве: Arxiv: 0807.1300 [physics. hist-ph].

44

Если мы фиксируем каждую точку в пространстве с помощью трех ортогональных координат x, y, z (длина, ширина и высота), то расстояние D между двумя точками с соответствующими координатами (x, y, z) и (x + ∆x, y + ∆y, z + ∆z) определяется из уравнения D² = (∆x)² + (∆y)² + (∆z)².

45

В другом месте Пруст, говоря о комбрейской церкви, пишет: «Все это делало из нее […] сооружение, так сказать, четырех измерений, и четвертым было время».

46

Кант И. Критика чистого разума. – М.: Мысль, 1994. Проницательный философский анализа концепции реальности и глубокий диалог касательно идей Канта содержатся в статье Мартина Хайдеггера «Вещь» (см., например: Хайдеггер М. Время и бытие. Статьи и выступления. Сб. – М.: Республика, 1993).

47

Здесь предполагается, что глобальные свойства пространства Евклида отождествляются с множеством наборов трех действительных чисел (x, y, z).

48

Математически, если мы фиксируем точки пространства-времени набором четырех координат (x, y, z, t), где x обозначает длину, y – ширину, z – высоту и t – момент времени, то квадрат интервала S² между событиями (x, y, z, t) и (x +∆x, y + ∆y, z + ∆z, t + ∆t) определяется уравнением S² = D² − c²T² = (∆x)² + (∆y)² + (∆z)² − c² (∆t)². Здесь D обозначает расстояние между пространственными проекциями двух событий, D² = (∆x)² + (∆y)² + (∆z)², T = ∆t – продолжительность, разделяющая их временные проекции, и c – скорость света. Произведение cT имеет размерность длины и выражает расстояние, которое свет пройдет в течение времени T. Обратите внимание, что квадратичный интервал S² формально может считаться квадратом величины S, однако при этом он не обязан быть положительным.

49

В произведении Марселя Конша «Гераклит. Фрагменты» (Marcel Conche, Héraclite, Fragments, PUF, 1991.) ребенок – время – играет в игру, напоминающую шашки. Образ мировой шахматной доски очень хорошо подходит для наших целей.

50

В системе единиц, где скорость света численно равна 1.

51

Это выполняется для треугольника, все три стороны которого «направлены вдоль времени».

52

Некоторые рассуждения на тему совместимости этого неотъемлемого свойства нереальности и «устойчивых иллюзий», связанных с временным потоком, можно найти в главе 2 «Бесед о множественности мира» Тибо Дамура и Жан-Клода Карьера (Thibault Damour, Jean-Claude Carrière, Entretiens sur la multitude du monde, Paris, Odile Jacob, 2002). Обстоятельное обсуждение понятия времени в физике см.: Дэвис П. О времени (Paul Davies, About Time, New York, Touchstone, Simon & Schuster, 1996).

53

Выражение Эйнштейна на немецком gläubige Physiker часто переводится как «верящие физики». В то же время весь философский контекст рассуждения Эйнштейна показывает, что следует понимать слово «верящий» не в смысле традиционной религиозной веры, а скорее, в смысле глубокого убеждения в рациональности Вселенной. Поэтому более точный перевод этой фразы должен выглядеть как «физики до глубины души» или «убежденные физики».

54

См. ссылки в комментариях к первой главе.

55

Для более подробной информации о различиях подходов Пуанкаре и Эйнштейна, см. книги Авраама Паиса и Мишеля Пати (Abraham Pais, Michel Paty) в Избранной библиографии, а также статью Оливье Дарриголя «Должны ли мы пересмотреть историю теории относительности?» (d’Olivier Darrigol, «Faut-il réviser l’histoire de la relativité?», Lettre de l’Académie des sciences N 14, hiver 2004), доступна на сайте www.academiesciences.fr. См. также статью Тибо Дамура «Пуанкаре, теория относительности, бильярд и симметрия» (Thibault Damour, Poincaré, Relativity, Billiards and Symmetry), доступную в электронном научном архиве hep-th/0501168.

56

Я благодарю Дэвида Гросса за интересную дискуссию по этому вопросу.

57

Здесь мы разделяем взгляд Мишеля Пати в «Философии Эйнштейна» (Michel Paty, Einstein philosophe), интерпретирующего эту дискуссию, как относящуюся скорее к релятивистской механике. Эта интерпретация, однако, не является общепринятой среди историков науки. Питер Галисон считает, что она относится к квантовой механике: см.: разд. 1 «История» // «Квантовая структура пространства и времени», Труды 23-го Сольвеевского конгресса по физике под ред. Дэвида Гросса, Марка Анно и Александра Севрина (The Quantum Structure of Space and Time, Proceedings of the 23d Solvay Conference on Physics, édité par David Gross, Marc Henneaux et Alexander Sevrin, World Scientific, Singapore, 2007), в частности с. 8, 9 и 19. В то же время Оливье Дариголь (из личного общения) считает, что она, скорее, относится к статистической механике.

58

«Время и пространство» – лекция, прочитанная 4 мая 1912 г. в Лондонском университете и опубликованная (среди прочего) в книге Пуанкаре «Последние мысли» (H. Poincaré, Dernières pensées, Paris, Flammarion, 1913).

59

Кроме того, кажется, что Пуанкаре никогда не ссылался на работу Эйнштейна по теории относительности. И, возможно, даже не знал о ее существовании вплоть до 1908 г. Он узнал о ней лишь в 1909 г. (скорее всего, во время лекций, которые он читал в Геттингене, и в любом случае из письма Миттаг-Леффлера).

60

Прекрасный анализ научной философии Пуанкаре (по поводу полемики относительно движения Земли) см. в статье Жана Maувина «Крутится ли Земля?» (Jean Mawhin, «La terre tourne-t-elle?», Ciel et Terre, vol. 111, p. 3–10, 1995). Пока мы находимся в ожидании долгожданной биографической книги Жана Maувина о Пуанкаре.

61

Уточним, что энергию E, «содержащуюся в массе» m, следует рассматривать в системе отсчета, в которой тело покоится.

62

Поскольку некоторые поклонники Пуанкаре доходят до абсурда, утверждая, что Пуанкаре мог бы получить в общем виде равенство E = mc² раньше Эйнштейна, процитируем в качестве примера внутреннего неприятия утверждения об эквивалентности массы и энергии фразу, написанную Пуанкаре в 1908 г. (через три года после выхода работы Эйнштейна, вероятно, еще не известной Пуанкаре) в статье под названием «Динамика электрона». Пуанкаре говорит об отдаче, которую испытывает материальное тело, испускающее электромагнитное излучение в некотором предпочтительном направлении, противопоставляя ее отдаче орудия при выстреле: «Орудие имеет отдачу, потому что снаряд, на который оно действует, производит на него обратное действие. Но в случае излучения это не так. То, что ушло [т. е. электромагнитное излучение] не является материальным снарядом: это суть энергия, а энергия не обладает массой…»

63

Мы говорим здесь о предсказании, сделанном в окончательной версии общей теории относительности Эйнштейна, которая появилась в ноябре 1915 г. Уже в 1907 г. Эйнштейн понял, что в любом обобщении теории относительности, допускающем гравитацию, должно быть гравитационное влияние на распространение света. В 1911 г. он получил предварительный результат, согласно которому Солнце должно отклонять любые лучи, проходящие вблизи его контура, на 0,875 угловой секунды. К счастью для него, Первая мировая война сделала невозможной проверку этого неполного прогноза во время затмения 21 августа 1914 г. (Jean Eisenstaedt, Einstein et la relativité générale, Paris, CNRS Éditions, 2002).

64

На самом деле Эйнштейн отказался от немецкого гражданства, когда ему было 16 лет, и принял швейцарское гражданство. Тем не менее он был членом Прусской академии наук, и Германия считает, что это снова дало ему немецкое гражданство. Позже Эйнштейн принял также американское гражданство, но сохранил швейцарское гражданство на всю оставшуюся жизнь.

65

Эксперимент с падающим телом, который якобы был проведен на Пизанской башне, является мифом, хотя и хорошо отражает суть инновации Галилея.

66

Для русского издания см., например: Галилео Галилей. Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой. – М.: ГИТТЛ, 1948.

67

Приставка «гипер» добавляется к слову поверхность для подчеркивания, что соответствующая совокупность точек обладает размерностью, меньшей на одно измерение, чем «окружающее пространство», в которое она вложена. Так как данная поверхность вложена в четырехмерное пространство-время, это означает, что она имеет три внутренних измерения (в то время как в обычном трехмерном пространстве поверхность имеет только два измерения). Для обозначения того, что мы называем здесь песочными часами, в математике используется термин «гиперболоид».

68

Здесь подразумевается то, что в математике называется обобщенным «эллипсоидом».

69

Используя точный математический термин, речь идет об обобщенном «гиперболоиде».

70

На самом деле, впоследствии было выяснено, что «принцип общей теории относительности» не имеет физического смысла обобщения «принципа специальной теории относительности». Принцип специальной теории относительности – это принцип симметрии структуры пространства-времени, который гласит, что физика для определенного класса систем отсчета одна и та же, и, таким образом, определенные «соответствующие» явления происходят одинаковым образом в разных системах отсчета (связанных «активными» преобразованиями). В то же время принцип общей теории относительности является принципом безразличия: явления не разворачиваются (в общем случае) одинаковым образом в различных системах координат, но ни одна из (глобальных) систем координат не имеет привилегированного статуса по отношению к другим.

71

В свете того, что уже было сказано, теорема Пифагора – Эйнштейна в деформированном пространстве-времени, «заданном» четырьмя произвольными координатами x₀, x₁, x₂, x₃, утверждает, что квадрат интервала между двумя бесконечно близкими друг к другу точками (с координатами x₀, x₁, x₂, x₃ и x₀ + dx₀, x₁ + dx₁, x₂ + dx₂, x₃ + dx₃) равен сумме слагаемых, пропорциональных квадратам и двойным произведениям (бесконечно малых) координатных дифференциалов: dx0, dx1, dx2, dx3. В этой сумме содержатся десять слагаемых, поскольку имеются четыре квадрата dx₀², dx₁², dx₂², dx₃² и шесть двойных произведений 2dx₀dx₁, 2dx₀dx₂, 2dx₀dx₃, 2dx₁dx₂, 2dx₁dx₃ и 2dx₂dx₃. Коэффициенты при четырех квадратах обозначаются, соответственно, как g₀₀, g₁₁, g₂₂ и g₃₃, в то время как коэффициенты при двойных произведениях обозначены через g₀₁, g₀₂, g₀₃, g₁₂, g₁₃ и g₂₃. Если мы назовем ds² бесконечно малым квадратом интервала между двумя рассматриваемыми точками, то можем записать теорему Пифагора – Эйнштейна в виде ds² = ∑g_µνdx_µdx_ν, где каждый индекс µ или ν принимает четыре значения 0, 1, 2 и 3, а знак ∑ указывает на то, что суммирование производится независимо по двум индексам µ и ν. Эйнштейн упростил эти обозначения (введенные Риманом), заметив, что нет необходимости писать символ ∑, поскольку достаточно лишь неявно подразумевать суммирование по повторяющимся индексам (в данном случае µ и ν). Эйнштейн всегда писал индексы µ и ν как нижние индексы у координат x. Сегодня они пишутся как верхние индексы (хотя в результате этого их иногда можно спутать с показателями). Таким образом, в конечном итоге мы пишем: ds² = g_µν (x^λ) dx^µdx^ν, где отмечено, что 10 метрических коэффициентов g_µν являются функциями четырех координат x^λ.

72

На самом деле математический термин «тензор» (англ. tensor) изначально возник как физический объект, используемый для описания «напряжений» (англ. tensions) в сплошной среде.

73

Можно показать, что «тензор деформации» математически строится из различных пространственных производных «вектора» смещения желе. В свою очередь, вектор смещения представляет собой набор маленьких стрелок, соединяющих начальные невозмущенные положения материальных точек в желе с их конечными возмущенными положениями.

74

Оказывается, что для однородной и изотропной среды объект κ лишь немного сложнее, чем простой численный коэффициент пропорциональности. Он состоит из двух численных коэффициентов, называемых коэффициентами упругости Ламе.

75

Компоненты g_µν принимают значение +1, когда индексы µ и ν равны друг другу и соответствуют квадрату разности пространственных координат, т. е. когда µ = ν = 1, или 2, или 3. Если использовать в качестве временной координаты x⁰ = ct, то компонента g₀₀, отвечающая квадрату временной разности, принимает значение −1 (если же в качестве временной координаты использовать непосредственно t, то g_tt = −c²). Наконец, остальные шесть компонент, отвечающие двойным произведениям, т. е. компоненты g_µν, в которых µ отличен от ν, будут равны нулю.

76

Обычно этот тензор обозначается T^µν, где индексы µ и ν соответствуют используемым координатам x^µ с µ = 0, 1, 2, 3. Компонента, соответствующая «квадрату времени», т. е. T⁰⁰, измеряет плотность массы-энергии, в то время как чисто пространственные компоненты T^ij с индексами i и j, принимающими значения 1, 2, 3, в точности соответствуют тензору напряжений упругой среды.

77

Однако еще до появления окончательной формулировки теории гравитации он, находясь в Праге, предсказал величину отклонения света, в два раза меньшую конечного результата. Иными словами, он получил 0,875 угловой секунды (значение, которое давала ньютоновская теория тяготения, если учесть, что свет состоит из корпускул) вместо 1,75 угловой секунды, которое будет определено в ноябре 1915 г.

78

Отметим, что Эйнштейн никогда не использовал выражение «закон упругости пространства-времени», введенное в этой книге. Тем не менее мы считаем, что использование этого образа не искажает, а скорее, проясняет центральную идею его теории.

79

Речь идет о «тензоре Риччи».

80

Ханнес Альфвен «Космология: Миф или Наука?» в сборнике «Эйнштейн, книга столетия» под ред. A. Френча (Hannes Alfven, Cosmology: Myth or Science?, dans Einstein, Le Livre du Centenaire (édité sous la direction de A. P. French, version française réalisée par G. Delacôte et J. Souchon-Royer), Paris, Hier et Demain (1979), p. 83). Цитируется Мишелем Бьезунским в книге «Эйнштейн в Париже» (Cité par Michel Biezunski, Einstein à Paris, op. cit.).

81

Приливной тензор, называемый также градиентом силы тяжести, является математическим объектом, который определяется взятием двух последовательных пространственных производных ньютоновского гравитационного потенциала. Тензор R является более сложным объектом, получаемым из g, вида R (g) = g⁻¹d d g + g⁻¹g⁻¹d g d g, где g обозначает 10 компонент метрического тензора g_µν, g⁻¹ = g^µν, обратная матрица к g_µν, и d – пространственно-временной градиент, т. е. частная производная по отношению к четырем пространственно-временным координатам x^µ. Математический объект, используемый Эйнштейном и обозначаемый как D (g) в тексте, имеет точно такую же структуру, как и R (g), т. е. он содержит (линейно) вторые производные g и обладает квадратичной нелинейностью по первым производным g.

82

Для тех, кого не пугают явные уравнения, уточним, что тензор Римана имеет четыре независимых индекса, R = R^α_βμv, и что последовательным суммированием по определенным индексам из него получается тензор Риччи R_µν = R^α_μαv, а затем тензор Эйнштейна D_µν = R_µν − (1/2) R g_µν, где R = g^µνR_µν. Таким образом, уравнения Эйнштейна имеют окончательный вид D_µν = R_µν − (1/2) Rg_µν = κT_µν, где T_µν – тензор энергии-импульса. Стандартного обозначения для тензора Эйнштейна (обозначаемого здесь как D_µν) не существует. Наиболее часто используются обозначения G_µν, S_µν или E_µν.

83

Левая сторона уравнения D’ = κT, предложенного 11 ноября, не давала окончательно правильный результат, поскольку D’ есть тензор Риччи, а не тензор Эйнштейна, отличающийся от тензора Риччи дополнительным членом −(1/2)R g. Эйнштейн напишет D в окончательном виде 25 ноября. В течение длительного времени считалось (и некоторые авторы книг, посвященных Эйнштейну, до сих пор продолжают так думать), что математик Гильберт понял 20 ноября, т. е. за пять дней до заключительной статьи Эйнштейна, необходимость дополнительного члена −(1/2)R g в уравнении, написанном 11 ноября Эйнштейном. Однако найденный недавно оригинал исправленных доказательств Гильберта показывает, что Гильберт глубоко изменил ход доказательств исходной версии своей статьи после прочтения окончательного результата Эйнштейна 25 ноября.

84

В обычном пространстве более прямые линии являются также более короткими. Но в пространстве-времени из-за знака минус, связанного с временным направлением, более прямые линии (в направлении «времени») оказываются более длинными.

85

Применяя формулировку, которую Эйнштейн использует в отношении новой идеи Луи де Бройля несколько лет спустя.

86

Заметим, кстати, что уже в июне 1905 г. Пуанкаре осознал, что вся «релятивистская» теория подразумевает распространение гравитации со скоростью света (это распространение он называл «гравитационными волнами»). Он также предсказал, что эти гравитационные волны должны вытягивать энергию из источника. В 1908 г. он предложил явление, связанное с этой потерей энергии, которое можно было наблюдать экспериментально: «ускорение» орбитального вращения планетарных систем. Примечательно, что именно благодаря этому эффекту (зафиксированному в двойном пульсаре PSR 1913 + 16 в 1980-х гг.) была подтверждена реальность существования гравитационных волн. Заметим между тем, что рассуждения Пуанкаре (связанные с более ранними идеями Лапласа и Лоренца) имели чисто качественный характер. В отличие от Эйнштейна, Пуанкаре никогда не предлагал специальной релятивистской теории гравитации. Ему не хватало необходимых инструментов, которыми для Эйнштейна послужили принцип эквивалентности и принцип общей относительности.

87

Поправка, полученная Лоренцом (из «преобразований Лоренца») и Дж. Дростом. Эквивалентный результат был позже получен другим методом (в 1938 г.) Эйнштейном, Л. Инфельдом и Б. Гофманом. Впоследствии этот метод оказался полезным при описании движения нейтронных звезд и черных дыр.

88

В работе Т. Дамура, подводящей итог серии предшествующих работ в сотрудничестве с Н. Дрюелем, а также с Л. Белем и Дж. Мартаном.

89

Георгий Гамов. Мистер Томпкинс исследует атом. Глава 3 (переиздание). – М.: УРСС, 2003.

90

Благодаря новым технологиям эти датчики должны обладать достаточной чувствительностью для обнаружения гравитационных волн уже в 2015 г.

91

Мы пренебрегаем здесь тем фактом, что волна деформации совершает колебания с относительно высокой частотой (порядка 100 Гц для источников, которые ищут LIGO и VIRGO).

92

Но только в отсутствии дополнительного члена, связанного с так называемой «космологической постоянной», которую Эйнштейн ввел в своей основополагающей статье по космологии в 1917 г. Кроме того, один из аргументов, использованных Эйнштейном для введения дополнительного члена, заключается в том, чтобы пространство-время Минковского не являлось решением в отсутствие материи.

93

Мы предпочитаем использовать термин «изогнутый во времени», нежели выражение расширяющийся (или сжимающийся), чтобы избежать неявного повторного введения временного потока. См обсуждение ниже.

94

См. например: Джозеф Силк. Большой взрыв. – М.: Мир, 1982; Краткая история Вселенной (Une brève histoire de l’univers, Paris, Éditions Odile Jacob, 2003); Изобретение Большого взрыва (Jean-Pierre Luminet, L’Invention du Big Bang, Paris, Éditions du Seuil (1997)); Темная энергия, темная материя (Michel Cassé, Énergie noire, matière noire, Paris, Éditions Odile Jacob, 2004).

95

В частности, здесь идет речь об открытии ускорения расширения Вселенной в результате наблюдения далеких сверхновых. За это открытие Солу Перлмуттеру, Адаму Рису и Брайану Шмидту была присуждена Нобелевская премия по физике 2011 г.

96

Большим сжатием называется «верхняя граница» пространства-времени относительно общепринятой конвенции, в которой Большой взрыв в обычном смысле считается «нижней границей» пространства-времени. Другими словами, если (мысленно) разделить пространство-время на слои с использованием «космического времени», измеряющего высоту над Большим взрывом (т. е. космическое время, равное нулю в момент Большого взрыва и некоторой положительной величине в той части пространства-времени, где мы находимся), то Большое сжатие является временно́й противоположностью Большого взрыва.

97

Иными словами, возможно. Обратите внимание, что «возможно» не означает «вероятно», даже если в квантовой теории «все, что возможно, – обязательно», т. е. реализуется с некоторой амплитудой существования (обычно называемой амплитудой вероятности), отличной от нуля. Весь опыт указывает на то, что доступная для нас часть пространства-времени находится в состоянии, предпочитающем особую временную ориентацию, что отражается во временном расслоении большого количества структур (космологических, астрофизических, электромагнитных, термодинамических…).

98

Не следует путать временную ориентацию (или стрелу времени) с временным потоком. Например, блок желе, скажем, из-за оседания при охлаждении некоторых формирующих его компонентов, может быть расслоен, а именно может быть плотнее «внизу» и менее плотным «наверху» (с непрерывным изменением плотности снизу вверх). Такой блок желе будет иметь привилегированную пространственную ориентацию (снизу вверх). Но это «привилегированное направление» не означает, что что-то движется снизу вверх. Аналогично, наше пространство не является однородным, а скорее, расслоенным. Привилегированные слои обладают «пространственной ориентацией», т. е. расположены вдоль положительных квадратов интервала, но ничего не соответствует идее «слоя данного момента», который бы «перемещался» в направлении будущего, словно прожектор, освещающий последовательно «слои постоянной плотности» пространства-времени.

99

Здесь предполагается, что термодинамическая стрела времени (т. е. направление времени, в котором энтропия увеличивается) есть то, что определяет ощущение «течения времени» как результат необратимости процесса запоминания в нейронных структурах, связанных с феноменом сознания. В космологической модели рассматриваемого типа термодинамическая стрела времени не будет определена в некоторых областях переходов, где энтропия переходит максимумы. Для недавнего обсуждения различных (математических, физических, философских…) аспектов Времени см. семинар Пуанкаре от 4 и 18 декабря 2010 г. (www.bourbaphy.fr).

100

Здесь анализируется деформация «пространственной геометрии», т. е. геометрии пространственно-временного слоя, рассматриваемого в данный момент времени.

101

Для введения в исследования режима сильных гравитационных полей, полученных на основании наблюдений бинарных пульсаров, см. раздел 6.9 главы 6 «Общая теория относительности» в недавно вышедшем сборнике «Эйнштейн сегодня» (см. Избранную библиографию).

102

Мы предполагаем здесь, что типичные особенности пространства-времени локально похожи на космологическую сингулярность (т. е. распространяются либо вдоль «пространственнообразной» гиперповерхности, либо строго вдоль «светообразной» гиперповерхности). Эта (упрощенная) гипотеза подтверждается некоторыми результатами, но, по сути, в рамках неквантовой общей теории относительности остается недоказанным предположением.

103

Для введения в астрофизику черных дыр и их истории см.: Жан-Пьер Люмине. Черные дыры (Jean-Pierre Luminet, Les Trous noirs, Paris, Éditions du Seuil, 1992); Жан Эйзенштадт. Эйнштейн и общая теория относительности (Jean Eisenstaedt, Einstein et la relativité générale, Paris, CNRS Éditions, 2002); Вернер Израиль. Темные звезды: эволюция идеи (Werner Israel, Dark Stars: The Evolution of an Idea, dans 300 Years of Gravitation, édité par S. W. Hawking et W. Israel, Cambridge, Cambridge University Press, 1987).

104

Математически представленная на этой диаграмме хроногеометрия (за пределами коллапсирующей звезды) есть хроногеометрия черной дыры Шварцшильда, что соответствует решению уравнений Эйнштейна, полученному Карлом Шварцшильдом и Йоханнесом Дростом в 1916 г. Для тех, кому интересно, вот математическая форма инфинитезимального квадрата интервала этой хроногеометрии: ds² = −Aс²dt² + dr²/А + r² (da² + (sin a)² (db)²), где r – радиальная координата, A = 1 − 2GM / (c²r) и где a обозначает широту (рассчитанную от северного полюса), а b – долготу на сфере направлений. [Эти углы обычно обозначаются греческими буквами theta и phi, однако из-за серьезных (связанных с системой обработки текстов) проблем совместимости компьютеров, которые одному американскому компьютерному магнату удалось создать для многих, в том числе для французских издателей, мы стараемся свести к минимуму использование греческих букв.] Горизонт черной дыры Шварцшильда (вне звезды) является «цилиндром», имеющим «радиус» r = 2GM/c2.

105

Энергия, импульс и момент импульса изолированной черной дыры определяются формализмом, введенным Ричардом Арновиттом, Стэнли Дезером и Чарльзом Миснером.

106

В работе, датируемой 1971 г., в которой они показали существование фундаментальной необратимости в физике черных дыр.

107

Понятие энтропии черной дыры было введено Яковом Бекенштейном в 1973 г.

108

Понятие температуры черной дыры было введено Стивеном Хокингом в 1974 г. в расчете, где он обнаружил замечательное явление «квантового испарения» черной дыры.

109

Понятие поверхностного сопротивления черной дыры было введено независимо Тибо Дамуром и Романом Знаеком в 1978 г.

110

Понятие поверхностной вязкости черной дыры было введено Тибо Дамуром в 1979 г.

111

Данные здесь объяснения в отношении Эрнеста Сольве и первого Сольвеевского конгресса в значительной степени взяты из книги под редакцией Пьера Мараге и Грегуара Валленборна «Сольвеевские конгрессы и начала современной физики» (Pierre Marage et Grégoire Wallenborn (éditeurs), Les Conseils Solvay et les débuts de la physique moderne, Université libre de Bruxelles, 1995).

112

Международный Сольвеевский институт в Брюсселе и сегодня с большим успехом продолжает эту традицию при непрекращающийся поддержке семьи Сольве.

113

В особенности Густав Кирхгоф, Джозеф Стефан, Людвиг Больцман, Вильгельм Вин, Фридрих Пашен, Макс Планк, Отто Луммер, Эрнст Прингсгейм, Генрих Рубенс и Фердинанд Курльбаум.

114

Этот закон обычно называют «законом Рэлея – Джинса». На самом деле, как отметил Авраам Пейс в своей книге об Эйнштейне (см.: Избранную библиографию), закон нужно было бы называть «законом Рэлея – Эйнштейна – Джинса», поскольку Эйнштейн был первым, кто дал полный вывод этого закона и понял весь его смысл. Оригинальная работа лорда Рэлея (1900 г.) не содержала вывода общего множителя, возникающего в законе.

115

На практике используется не логарифм с основанием 10, а «натуральный» логарифм с основанием e = 2,71828, т. е. N = eL.

116

Здесь мы несколько упрощаем историческое развитие связи между энтропией, статистикой, вероятностью и количеством микроскопических состояний. Для большей полноты необходимо отметить вклады Д. Максвелла, Макса Планка, Д. Гиббса и самого Эйнштейна. Фактически в 1905 г. немногие физики понимали и принимали связь между энтропией и вероятностью. Первые работы Эйнштейна, еще до 1905 г., были направлены на изучение этой связи и даже в отсутствие чего-либо революционного стали для Эйнштейна мощным интеллектуальным инструментарием в дальнейших исследованиях.

117

Фактически понятие числа микроскопических состояний стало полностью определенным только в квантовой теории. Тем не менее примечательно, что адекватно «усовершенствованное» использование доквантовой статистики позволило Планку и особенно Эйнштейну основать квантовую теорию (и квантовую статистику).

118

На самом деле Эйнштейн предпочитал мыслить с точки зрения вероятности и использовал различия энтропий для оценки отношений вероятностей.

119

Обозначение h было введено Планком в 1900 г. Согласно небольшой, но интересной книге Жан-Клода Будено и Жиля Коэн-Таннуджи «Макс Планк и кванты» (Max Planck et les Quanta, de Jean-Claude Boudenot et Gilles Cohen-Tannoudji, Paris, Ellipses, 2001), Планк избрал букву h, подразумевая hilfe grösse, т. е. «вспомогательную переменную». Отметим также, что Эйнштейн не использовал обозначение h в своей статье 1905 г. (и на протяжении еще нескольких лет). Он считал (частично справедливо), что «вывод» закона излучения черного тела Планка, сделанный в 1900 г., был противоречивым, и предпочитал представлять свою аргументацию независимо от рассуждений Планка.

120

При условии, что начальный и конечный физические размеры доступных поверхностей остаются фиксированными. Например, если площадь исходной поверхности была один квадратный сантиметр, а площадь конечной – 64 квадратных сантиметра, то можно было бы использовать шахматную доску с клетками размером один квадратный миллиметр. Исходная поверхность состояла бы тогда из 100 элементарных клеток, а конечная поверхность – из 6400 клеток.

121

Как было отмечено Оливье Дарриголем (в его статье в сборнике «Эйнштейн сегодня», см. Избранную библиографию), Планк как объективный ученый в своей Нобелевской лекции в 1920 г. признает, что наука обязана Эйнштейну за осознание квантования энергии осциллятора как физической реальности (а не как формального введения размера «элементарных ячеек вероятности»).

122

Здесь подразумевается теорема о равнораспределении классической статистики, которая гласит, что каждая механическая «степень свободы» имеет среднюю тепловую энергию kT/2, где k – постоянная Больцмана, а Т – абсолютная температура. Следует также использовать тот факт, что для осциллятора типа пружины средняя потенциальная энергия равна средней кинетической энергии. Это дает удельную теплоемкость 3k на атом.

123

Несколько лет спустя (в 1911 г.) Планк предположил и затем доказал в рамках новой квантовой теории Вернера, Гейзенберга и Эрвина Шредингера (1925–1926 гг.), что даже в отсутствие каких-либо сил внешнего возбуждения (т. е. при нулевой температуре) «фундаментальное» состояние осциллятора, имеющее наиболее низкую энергию, обладает не нулевой энергией, а энергией, равной половине «скачка» до его первого возбужденного уровня, т. е. hf/2. Другими словами, энергия вибрации квантового осциллятора может принимать лишь значения hf/2, 3hf/2, 5hf/2, 7hf/2…

124

Затем было замечено, что результат Эйнштейна не очень хорошо согласуется с экспериментальными данными при очень низких температурах. Однако некоторая доработка теоретического расчета Эйнштейна (проделанная Питером Дебаем), которая тем не менее сохраняла основную идею (квантование энергии осциллятора), позволила восстановить полное согласие с экспериментом.

125

Помимо нового доказательства, более общего, нежели предыдущие, того факта, что закон черного тела должен быть «законом Планка».

126

Термин фотон был использован впервые (в письменной форме) в 1926 г. в статье американского физико-химика Гилберта Льюиса. Тем не менее очевидно, что сама концепция была введена именно в этой статье Эйнштейна 1916 г.

127

Напомним, что Альфред Кастлер, молодой студент Эколь Нормаль, вдохновился на исследования, непосредственно услышав выступление Эйнштейна, когда тот приехал в Париж весной 1922 г. Хотя, по всей видимости, Эйнштейн говорил там исключительно о теории относительности.

128

На самом деле Бозе ввел, не понимая этого по-настоящему, новый способ применения статистических методов к газу идентичных и таким образом неразличимых квантовых частиц. Этот новаторский прием Бозе был отмечен в работе Эйнштейна, в частности благодаря обсуждению с Паулем Эренфестом.

129

Для доступного обзора основных достижений, связанных с квантовой теорией, а также некоторых их следствий (в особенности «конденсации газа Бозе – Эйнштейна») см.: Ален Аспект и др. Физика завтра (Alain Aspect et al., Demain la physique, Paris, Éditions Odile Jacob, 2004).

130

Более точно, в сумму двух отдельных слагаемых раскладывается квадрат флуктуации.

131

Согласно Вольфгангу Паули, Эйнштейн предложил «искать существование явлений интерференции и дифракции для молекулярных пучков» в ходе конференции, проходившей в Инсбруке с 21 по 24 сентября 1924 г. Из писем, написанных Эйнштейном в декабре 1924 г. Ланжевену и Лоренцу и отражающих его энтузиазм от недавнего прочтения диссертации Луи де Бройля (защищенной в Париже 25 ноября 1924 г.), следует, что Эйнштейн узнал об идеях де Бройля касательно сходства поведения света и материи (датируемых 1923 г.) лишь в декабре 1924 г. Эйнштейн, таким образом, признал первенство де Бройля и сделал его основоположником идеи этого сходства, не настаивая на том, что сам он самостоятельно нашел указывавшие на него весомые аргументы. Заметим между тем, что Пейс в биографии Эйнштейна цитирует письмо, написанное ему Луи де Бройлем в 1978 г., в котором последний предполагает, что Ланжевен передал Эйнштейну копию его диссертации в начале весны 1924 г.

132

Длину волны обычно обозначают буквой греческого алфавита лямбда. По (техническим) причинам, которые уже упоминались, мы предпочитаем использовать здесь латинскую L.

133

Второе уравнение (полученное в общем виде де Бройлем) является естественным следствием первого уравнения (Планка – Эйнштейна), если применить идеи специальной теории относительности (Эйнштейна). Заметим, что уравнение L = cƬ, применимое к свету, не выполняется в случае более «массивной» материальной частицы.

134

Изложение здесь идейно следует духу воспоминаний Вернера Гейзенберга, записанных много позже и изданных в его замечательной книге «Физика и философия. Часть и целое» (М.: Наука, 1990.)

135

Книга «Пространство, Время, Материя» математика Германа Вейля (Hermann Weyl, Espace, temps, matière) была первой книгой по общей теории относительности. Первое издание вышло в 1918 г.

136

Напомним, что в квантовой теории возможные энергии «состояний» атома образуют дискретный набор значений E₀, E₁, E₂, … Коэффициенты, которые Эйнштейн сопоставил квантовым переходам между состоянием с энергией E_m и состоянием с (меньшей) энергией E_n обозначаются A_nm. Здесь m и n – индексы, принимающие значения 0, 1, 2 и т. д. Если частоту испущенного света во время перехода между (скажем, для краткости) «состоянием m» и «состоянием n» обозначить f_nm, то энергия испущенного кванта будет E = hf_nm = E_m − E_n, а его импульс примет значение p = hf_nm/c.

137

Амплитуда a_nm, связанная с переходом между состоянием m и состоянием n, есть комплексное число (a_nm = x_nm + iy_nm, где i = √(−1)), квадрат модуля которого (|a_nm|² = |x_nm|² + |y_nm|²) пропорционален коэффициенту Эйнштейна A_nm того же самого перехода.

138

Как и Гейзенберг в своей первой статье, мы рассматриваем здесь для простоты атом лишь с одним электроном.

139

Борн вскоре понял, что «таблица» (комплексных) амплитуд a_nm, рассмотренная Гейзенбергом, является по сути тем, что математики называют «матрицей», поскольку правила вычислений, введенные для нее Гейзенбергом исходя из физического смысла, совпадают с правилами матричного исчисления. Заметим между тем, что в общем случае таблица амплитуд a_nm бесконечна.

140

Используя выражение Эйнштейна из письма, написанного Бессо 25 декабря 1925 г.

141

См. главу 5.

142

См. главу V из книги воспоминаний Гейзенберга, процитированной выше.

143

Речь идет о таблице f_nm = (E_m − E_n)/h и о таблице anm, упомянутой в комментариях чуть выше.

144

Более строго, A есть комплексная функция (A = A₁ + iA₂), которая обычно обозначается греческой буквой ψ.

145

Для обсуждения исторического развития «духовых полей» (Gespensterfeld) Эйнштейна и их влияния на вероятностную интерпретацию волновой амплитуды А (или же «волновой функции пси») см. биографии Эйнштейна (см. Избранную библиографию) и Бора (Niels Bohr‘s Times, Oxford, Clarendon Press, 1991), написанные Абрахамом Пайсом.

146

A является комплексным числом, A = a + ib; «квадрат», о котором здесь идет речь, понимается как квадрат модуля A: |A|² = a² + b².

147

См. часть VI его книги «Физика и философия. Часть и целое» (La Partie et le Tout, op. cit.).

148

Также известны как дисперсионные соотношения.

149

Напомним, что количество движения, или импульс, (релятивистской) частицы описывается выражением p = mv √(1 − v² / c²), где m – масса (покоя) частицы, а v – ее скорость.

150

В зависимости от конкретного определения «неопределенностей» минимум их произведения может отличаться от h некоторым числовым множителем.

151

В том смысле, что некоторые физики разделяли с Эйнштейном его сомнения в отношении точности и/или полноты описания квантовой теории, тогда как большинство объединилось вокруг «копенгагенской интерпретации».

152

См. замечательную книгу: Ален Аспект и др. Физика завтра (Alain Aspect et al., Demain la physique, Paris, Éditions Odile Jacob, 2004).

153

В качестве введения в современные подходы к проблемам движения гравитационно сжатых тел см.: Т. Дамур. Проблемы движения в ньютоновской и эйнштейновской гравитации (T. Damour, The Problem of Motion in Newtonian and Einsteinian Gravity, in 300 Years of Gravitation édité par S. W. Hawking et W. Israel, Cambridge, Cambridge University Press, 1987, Chapitre 6, p. 128–198).

154

Заметим, что в ответе Бора нет ничего «ошибочного», и, более того, не будет «ошибочным» сказать, что недавние эксперименты с ЭПР-системами скорее «подтверждают» позицию Бора. Автор, однако, полагает, что эйнштейновский подход, транслирующий концептуальные вопросы в мысленные эксперименты (которые впоследствии были реализованы), выглядит физически более обоснованным, нежели априорный отказ от необходимости какого-либо экспериментального подтверждения по причине квазирелигиозной веры в метафизически туманную концепцию дополнительности.

155

См. главу 5 в книге Алена Аспекта и др. Физика завтра (Alain Aspect et al., Demain la physique, Paris, Éditions Odile Jacob, 2004).

156

Содержание этой лекции известно нам из заметок, сделанных Джоном Уилером, и из воспоминаний, оставленных некоторыми участниками. См. с. 201–211 в книге «Альберт Эйнштейн, его влияние на физику, философию и политологию» под ред. Питера Айчильбарга и Романа Сексля (Peter C. Aichelburg et Roman U. Sexl, Albert Einstein, His Influence on Physics, Philosophy and Politics, Braunschweig/Wiesbaden, Vieweg, 1979).

157

Напомним, что именно Эйнштейн ввел вероятность в квантовую теорию в статье 1916 г., где он описал процессы перехода между атомными уровнями под влиянием электромагнитного излучения.

158

Я благодарю Чарлза Мизнера за то, что он подтвердил мне присутствие Хью Эверетта на этой лекции. Детальную биографию Хью Эверетта III см. в статье Евгения Шиховцева (под ред. Кеннета Форда) (Eugene Shikhovtsev, édité par Kenneth Ford) на веб-сайте Макса Тегмарка: http://space.mit.edu/home/tegmark/everett. Подавляющая часть цитируемых в тексте фактов, касающихся Эверетта, взяты из этой биографии.

159

Я не уверен, действительно ли Эверетт знал эту фразу. В принципе, он мог услышать ее от Уилера, который определенно ее знал. Действительно, этой фразе уделяется достаточно большое внимание в книге Джона Арчибальда Уилера и Войцеха Хуберта Зурека «Квантовая теория и измерение» (John Archibald Wheeler et Wojciech Hubert Zurek, Quantum Theory and Measurement, Princeton, Princeton University Press, 1983).

160

См. биографию Эверетта, написанную Евгением Шиховцевым (под ред. Кеннета Форда) (Eugene Shikhovtsev (éditée par Kenneth Ford), op. cit).

161

Брайс Девитт. Глобальный подход к квантовой теории поля (Bryce DeWitt, The Global Approach to Quantum Field Theory, Oxford, Clarendon Press, 2003; volume 1, page 144).

162

Для большей точности нужно было бы рассмотреть все стабильные элементарные частицы системы (электроны и кварки), а также включить описание различных полей взаимодействий (электромагнитных, слабых, сильных и гравитационных).

163

Другими словами, q = (x₁, y₁, z₁; x₂, y₂, z₂; …; x_N, y_N, z_N). Амплитуда A является комплексной функцией времени t (в каждый момент которого рассматривается данная конфигурация), а также 3N вещественных переменных q.

164

Тибо Дамур и Жан-Клод Карьер. Беседы о множественности мира (Thibault Damour et Jean-Claude Carrière, Entretiens sur la multitude du monde, Paris, Éditions Odile Jacob, 2002).

165

Аналогия с обычным фотографическим изображением не совсем подходит, поскольку в нем трехмерная конфигурация проецируется на плоскую двумерную пленку. Скорее, читатель должен представить, что либо мы говорим о трехмерных фотографиях, либо о двумерных голограммах, содержащих всю пространственную информацию о конфигурации.

166

Точнее, частота f, с которой оттенок цвета физической системы вращается по цветовому кругу, задается уравнением Планка – Эйнштейна (E = hf). Иными словами, она принимает значение f = E/h, где E – полная энергия системы, а h – постоянная Планка. По существу, эта связь между энергией системы и частотой вращения по кругу комплексной амплитуды A представляет собой знаменитое «уравнение Шредингера». Из-за очень маленького численного значения постоянной Планка частота f чрезвычайно велика для любой макроскопической энергии E.

167

Для «эффекта коктейля» и в более общем случае для детального объяснения понятия амплитуды существования и интерпретации Эверетта см. книгу Т. Дамура и Ж.-К. Карьера (T. Damour et J.-C. Carrière, op. cit.).

168

Позже другие физики, в частности Брайс Девитт, улучшат доказательство, намеченное Эвереттом.

169

Первый строгий результат, связанный с явлением декогеренции и ее ролью в обосновании «квантовой теории измерений», принадлежит швейцарскому физику-теоретику Клаусу Хeппу (1972 г.). В настоящее время декогеренция является предметом многочисленных экспериментальных исследований (в частности, группы во главе с французским физиком Сержем Харошом). В действительности, понимание и умение использовать явление декогеренции является существенным условием для исследования вопроса применения возможностей, открываемых квантовой теорией, в информатике и криптографии.

170

См. захватывающую книгу Дэвида Дойча «Структура реальности. Наука параллельных вселенных» (М.: Альпина нон-фикшн, 2015).

171

Более детальную дискуссию см. в книге Т. Дамура и Ж.-К. Карьера (T. Damour et J.-C. Carrière, op. cit.)

172

Для подробного описания формализма квантовой механики и его различных интерпретаций см.: Франк Лалоэ. Действительно ли мы понимаем квантовую механику (Franck Laloë, Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique, Paris, EDP Sciences et CNRS Éditions, 2011).

173

См.: Иммануил Кант. Критика чистого разума (Emmanuel Kant, Critique de la raison pure, Paris, GF, Flammarion, 1976). Смотрите также процитированную ранее статью Мартина Хайдеггера «Вещь».

174

Некоторые недавние эксперименты, проводимые, в частности, группой физика Сержа Хароша, позволили детально исследовать ситуацию типа «кота Шредингера» для мезоскопических систем (т. е. промежуточных между микроскопическим и макроскопическим уровнями).

175

См., например, Т. Дамур и Ж.-К. Карьер. Беседы о множественности мира (T. Damour et J.-C. Carrière, Entretiens sur la multitude du monde, op. cit.).

176

Если p равно единице, мы получаем струну, тогда как p = 2 дает мембрану, p = 3 – упругого моллюска и т. д. Случай p = 0 описывает точечную частицу. Даже случай p = −1 существует и описывает «инстантон», т. е. (введенный А. Поляковым) объект, существующий лишь одно мгновение (фр. instant) в некоторой точке пространства.

177

То, что искривленная геометрия пространства-времени появляется в теории струн как «поправка» к начальному недеформированному пространству-времени, выглядит неудовлетворительным. Многие физики надеются, что в теории струн можно доказать выполнение своего рода принципа «обобщенной общей теории относительности», таким образом, что не будет необходимости задавать исходное базовое пространство-время.

178

В этой теории «метрический тензор» g_µν не должен быть симметричным по индексам µ и ν. Симметричная часть g_µν соответствует обычной геометрии общей теории относительности, в то время как асимметричная часть является новым полем. Оказывается, что уравнения, написанные Эйнштейном, весьма напоминают те, что следуют из теории струн, в которой естественным образом возникают как симметричный тензор, так и антисимметричный (поле Калба – Рамона B_µν).

179

В данном случае я имею в виду «дуальность» между «калибровочными теориями» и «струнами», которая была предположена Александром Поляковым, а также Хуаном Малдаcеной.

180

Инициированные Игорем Хлебановым и получившие большое развитие благодаря замечательной гипотезе Хуана Малдасены.

181

Мы подразумеваем телевизор «старого» типа с электронно-лучевой трубкой.

182

Согласно общей идее этой книги, мы фокусируемся здесь на вкладе Эйнштейна. Хотя, конечно, было бы еще более полезным вспомнить также, что фотоэлектрический эффект случайно обнаружил Генрих Герц в своих экспериментах с целью установить реальность электромагнитных волн. Следовало бы также подумать о всех тех ученых и инженерах, чьи «божественное любопытство и увлеченное стремление» существенным образом способствовали пониманию и использованию фотоэлектрического эффекта: в частности, Жана Перрена и Джозефа Джона Томсона, «открывших» электрон, и Филиппа Ленарда, обнаружившего существование пороговой частоты фотоэлектрического эффекта.

183

Влияние каждого «релятивистского эффекта» на кажущуюся частоту часов имеет порядок 10⁻⁹, что по абсолютной величине весьма мало, но все же в 10 000 раз больше, чем точность атомных часов (порядка 10⁻¹³ или лучше).

184

Детальное обсуждение текущего состояния физики и его значения для человечества см.: Ален Аспект и др. Физика завтра (Alain Aspect et al., Demain, la physique, Paris, Éditions Odile Jacob, 2004).

185

Тони Каукелл и Юджин Гарфилд «Оценка влияния Эйнштейна на науку на основе анализа цитирования» в сборнике «Эйнштейн: первые сто лет», с. 32 (Tony Cawkell et Eugene Garfield, Assessing Einstein’s Impact on Science by Citation Analysis, dans Einstein: The First Hundred Years (London, 1980), p. 32). Здесь я руководствуюсь материалом начала седьмой главы книги Альбрехта Фольсинга «Альберт Эйнштейн», см. Избранную библиографию.

186

Эта цитата извлечена из отличной небольшой книги «Альберт Эйнштейн. Переписка, собранная Элен Дюкас и Банешом Хоффманом» (Albert Einstein, Correspondance présentée par Helen Dukas et Banesh Hoffmann, traduit de l’anglais par Caroline André, Paris, InterÉditions, 1980). См. также: Элен Дюкас и Банеш Хоффман. Альберт Эйнштейн как человек // Вопросы философии. № 1. 1991; интернет-источник: http://www.lib.ru/MEMUARY/ZHZL/

187

Слово «Берн» происходит от швейцарско-немецкого слова Bär, которое означает медведь.