История астрономии. Революция Эйнштейна

В первой четверти XX в. произошла вторая в истории естествознания универсальная научная революция, приведшая к полной ломке классической гравитационной физико-космологической картины мира. Эта революция готовилась многими, но своим свершением она обязана одному из величайших физиков современности Альберту Эйнштейну (1879—1955). Фундаментом для создания этой новой научной картины мира стали две его физические теории — специальная и общая теория относительности. Ньютоновская физическая (гравитационно-механическая) картина мира, дополненная к концу XIX в. идеями электродинамики Максвелла и Лоренца, опиралась на представления о полностью независимом, или абсолютном существовании и качествах таких фундаментальных сущностей как пространство, время, материя. В частности, пространство представлялось «прямолинейным» (плоским) евклидовым, бесконечным, материя же — состоящей из нейтральных атомов, которые в свою очередь составлялись из электрически заряженных частей (электрон и некая заряженная положительно «основа» атома). Были известны два фундаментальных, абсолютных, т. е. не связанных друг с другом типа взаимодействий между телами — механические и электромагнитные, законы которых считались независимыми и от масштабов тел, и от их состояния и движения. В механике со времен Галилея укрепился «принцип относительности» его имени, утверждавший равноправность, т. е. одинаковость механических явлений в системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно. При этом мыслилась одна абсолютная система, относительно которой рассматривались движения всех остальных тел и систем. Это была гипотетическая материальная среда — мировой эфир, заполняющий Космос и введенный в физику для объяснения явления света, который считался формой движения эфира.

Особой, также абсолютной силой (неизвестной природы) считалось тяготение как врожденное универсальное «всемирное» качество материи. Законы, открытые при наблюдении макроскопических тел и процессов, экстраполировались на всю шкалу масштабов — от земных до бесконечных космологических и до неограниченно малых масштабов микромира. Но уже в последние десятилетия XIX в. в этой физической картине стали проявляться парадоксы — противоречия, казалось бы, окончательно утвердившейся теории с наблюдениями. Одним из таких парадоксов стал результат опыта А. Майкельсона (1881), который попытался прямыми наблюдениями обнаружить мировой эфир, а именно — возникающий при движении Земли сквозь него «эфирный ветер». Если свет — форма механического движения мирового эфира, то скорость луча света, казалось, должна была зависеть от скорости движения наблюдателя и складываться из собственной скорости света в эфире и скорости Земли (т. е. наблюдателя) при их встречном движении. Однако в опытах Майкельсона скорость света оставалась постоянной, не зависящей от взаимного движения луча света и Земли. Сначала физики попытались объяснить этот эффект в духе принципа относительности Галилея: неощутимостью движения Земли относительно мирового эфира, хотя существование самого эфира, последовательно, движение Земли относительно него продолжали считать реальностью. Причину этой «неощутимости» движения объясняли по-разному. Г. Герц предположил, что Земля просто увлекает с собою ту часть мирового эфира, в которой и производятся наши опыты с лучом света. Однако это противоречило другим экспериментам, проведенным французским физиком А. Физо, который показал, что если эфир существует, то он должен увлекаться Землей лишь частично, т. е. все же двигаться относительно нее, хотя и с меньшей скоростью, из-за чего «эфирный ветер», хотя и более слабый, должен был бы ощущаться.

Автор электронной теории материи X. А. Лоренц и физик Дж. Фицджеральд пытались объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона якобы реальным сокращением, размеров всех тел, включая Землю, в направлении их движений под действием электромагнитных сил, возникающих при движении. Лоренц вывел математические формулы («преобразования Лоренца») для вычисления необходимых реальных сокращений линейных масштабов движущихся тел и промежутков времени между событиями на них в зависимости от скорости движения, которые бы объяснили результаты опыта Майкельсона. Эффект неизменности скорости света, который истолковывался как эффект неощутимости якобы реально происходящего движения Земли сквозь мировой эфир, и был назван А. Пуанкаре в 1904 г. «принципом относительности». Выводы Лоренца были составной частью его общей электронной теории материи (1895), которая претендовала на то, чтобы заменить собою классическую механику как основу физических взаимодействий и самого существования материи. Но и теория Лоренца пришла в противоречие с наблюдениями, когда на ее основе попытались построить теорию излучения света. Согласно этой теории количество излучаемой световой энергии с увеличением частоты колебаний или уменьшением длины волны света должно было неограниченно и катастрофически быстро расти, что получило в физике наименование парадокса «ультрафиолетовой катастрофы». Перед физиками встала проблема поисков новой фундаментальной теории, которая бы на единой основе объяснила и механические, и электромагнитные процессы и явления. Первый шаг в этом направлении сделал в 1900 г. Макс Планк, устранивший парадокс ультрафиолетовой катастрофы с помощью идеи квантового характера процессов излучения и поглощения света. Он предположил, что то и другое осуществляется порциями, пропорциональными частоте световых колебаний (v) или равными hv (h — введенная Плавком новая фундаментальная физическая постоянная величина —«квант действия»). Дополнив теорию Планка еще более радикальной идеей — о квантовом характере самой электромагнитной волны, иначе о существовании квантов света (фотонов), Эйнштейн в 1905 г. создал квантово-механическую теорию света. В том же 1905 г. он объединил электромагнитные и механические процессы и явления в своей фундаментальной физической теории, получившей наименование специальной теории относительности. До Эйнштейна физики пытались разрешить парадокс опыта Майкельсона в рамках привычных представлений о пространстве и времени как абсолютных физических сущностях, не зависящих ни от каких других физических явлений и объектов. Поэтому среди всех движений тел выделялось одно абсолютное, происходящее относительно абсолютного пространства, что физически представлялось как движение относительно «мирового эфира». Физики лишь пытались выяснить (в поисках объяснения опыта Майкельсона), каким образом происходит это абсолютное движение Земли относительно абсолютной системы отсчета. Из постулата относительности Пуанкаре о принципиальной неощутимости этого абсолютного движения Земли (относительно мирового эфира) Эйнштейн сделал революционный вывод; такую систему отсчета можно считать несуществующей, и отказался от идеи мирового эфира. Вместо этого он провозгласил все системы отсчета принципиально равноправными, а всякое движение относительным. В преобразованиях Лоренца, как показал Эйнштейн, отражаются не реальные изменения размеров тел при их движении (что опять-таки можно было представить лишь в абсолютном пространстве, мысленно сравнивая размеры тел с неким абсолютным эталоном длины!), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета. Таким образом, относительными оказывались сами понятия «длина» и «промежуток времени» между событиями, даже «одновременность» событий, иначе говоря, не только всякое движение, но и сами пространство и время. В качестве абсолютных сущностей, не зависящих от системы отсчета, Эйнштейн рассматривал только само событие и совпадение событий. В этом принципиальном перевороте уже сложившейся до него системы представлений и заключалась научная революция, совершенная Эйнштейном.

Подобно тому, как это было с Коперником, провозгласившим гелиоцентризм на основе птолемеевой схемы планетных движений, Эйнштейну также не приходилось предварительно открывать новые явления, устанавливать новые количественные закономерности. Он «лишь» дал принципиально новое объяснение, раскрыл более глубокий смысл установленных зависимостей, эффектов, уже увязанных в некую физико-математическую систему (в виде постулата Пуанкаре). Заменив в данном случае идею абсолютности пространства и времени идеей их относительности как результатов измерения, он вложил таким образом новое содержание в «постулат относительности» Пуанкаре, который теперь уже не связывался с идеей абсолютного пространства, абсолютной системы отсчета. Такой переворот в объяснении уже известного комплекса сведений о мире снимал основное противоречие, создававшее кризисную ситуацию в теоретическом осмыслении действительности. Более того, при этом открывался путь для дальнейшего, более глубокого проникновения в свойства и законы окружающего мира,— настолько глубокого, что сам Эйнштейн (подобно Копернику) не сразу осознал степень революционности своей теории. В статье от 30 июня 1905 г., заложившей основы специальной теории относительности, Эйнштейн, обобщая принцип относительности Галилея, провозгласил равноправие всех инерциальных систем отсчета не только в отношении механических, но также и электромагнитных явлений. Отсюда непосредственно следовало объяснение опыта Майкельсона: никакими опытами, в том числе и над распространением луча света, невозможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение той системы (Земли), в которой эти опыты производятся. Кроме того, Эйнштейн ввел в ней в качестве одной из основ теории принцип абсолютности одной физической величины — принцип постоянства скорости света в вакууме, независимости его от скорости движения наблюдателя или источника света. Специальная, или частная теория относительности Эйнштейна явилась результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея — Ньютона и электродинамики Максвелла — Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем. По теории Эйнштейна относительной величиной оказывалась также инертная масса (т) тела, введенная в свое время Ньютоном как абсолютная величина — характеристика динамических свойств тела.

В 1916 г. Эйнштейн завершил создание своей общей теории относительности, которая стала дальнейшим развитием, обобщением ньютоновской теории тяготения. (Специальная теория относительности вошла в нее как частный случай.) В этой теории Эйнштейн раскрыл смысл установленного еще Ньютоном количественного совпадения инертной и весомой (гравитационной) масс тела. Теория вскрывает глубокую связь между тяготением, пространством и временем, рассматривая две последние величины как неразрывное единое «пространство — время». Геометрические свойства пространства, иначе его метрика, определяются количеством, распределением и движением материи в нем. Поскольку пространство немыслимо без материи, оно оказывается не плоским, а искривленным и с приближением к областям с повышенной плотностью материи кривизна увеличивается. В описании этого реального пространства нашла применение и обрела физический смысл неевклидова геометрия, возникшая в первой половине XIX в. как чисто математическая теория, созданная несколькими математиками, в том числе гениальным русским ученым Н. И. Лобачевским. Одной из существенных характеристик геометрических свойств пространства является вид мировых линий в нем, т. е. кратчайших расстояний между точками, или его «метрика». В плоском евклидовом пространстве это — прямые. На поверхности сферы — большие окружности, или геодезические линии. В искривленном неевклидовом пространстве мировые линии определяются в результате решения «мировых уравнений» Эйнштейна. Их решение позволяет судить о характере мирового пространства в целом: постоянна или нет его кривизна, положительна она или отрицательна. В общей теории относительности впервые получило объяснение «всемирное тяготение» — как результат движения в искривленном вблизи другого тела пространстве. Это касается и света — потока фотонов, поскольку они также обладают массой. Последнее действительно впервые наблюдалось во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 г. А. Эддингтоном и Дайсоном, подтвердившими предсказанное теорией отклонение луча света от прямолинейного пути вблизи Солнца. При достаточной средней плотности материи в окружающей нас Вселенной ее искривленное пространство может стать полностью замкнутым — конечным, хотя и безграничным, как всякая замкнутая искривленная поверхность; луч света будет двигаться в нем подобно спутнику — по окружности и уже не сможет принести никакой информации другим возможным областям Вселенной о существовании нашей замкнутой области, например, Метагалактики. Современные наблюдательные оценки средней плотности вещества в Метагалактике (около 10-31 г/см3) еще не дают ответа на вопрос о том, является ли она открытой или закрытой, конечной (что было бы при плотности большей, чем 5 • 10-30 г/см3). Дело в том, что не исключено обнаружение в дальнейшем значительных масс не наблюдаемой нами материи в форме, например, нейтрино (если подтвердится обнаруженное недавно советскими физиками неравенство нулю массы покоя у этой частицы). Звездная динамика уже показывает наличие «скрытой массы», например, у галактик. Общая теория относительности стала фундаментом для выявления новых общих свойств и закономерностей Вселенной в самых крупных масштабах, для создания релятивистской космологии и космолого-космогонической картины мира. Первым ее успехом стало объяснение открытой еще в 1859 г. и непонятной с точки зрения классической теории возмущенного движения дополнительной скорости движения перигелия Меркурия (около 43" в столетие). В последние десятилетия своей жизни Эйнштейн, как и Эддингтон, усиленно занимался поисками единой теории материи, которая бы объединила теорию тяготения и теорию электромагнитного поля. Однако, несмотря на все остроумие его методов и колоссальное упорство, ему не удалось этого достигнуть. Работы в этом направлении были возобновлены с целью объединения на единой основе всех четырех известных в настоящее время типов фундаментальных взаимодействий (сил): «сильных», «слабых», электромагнитных и гравитационных (проблема «Мегале синтаксис», или «Великого объединения» наших дней). В отношении микромира благодаря Эйнштейну совершился, прежде всего, переход определенных представлений из области научных экстраполяции — картины мира — в область достоверного знания — науку. Его теория броуновского движения (беспорядочного движения микрочастиц вещества, взвешенных в жидкости) открыла путь к доказательству атомной структуры вещества, остававшейся гипотезой в течение тысячелетий. Эйнштейн создал квантовую теорию фотоэффекта и тем самым физически обосновал другую древнюю гипотезу — дискретной природы света. Но при этом вскрывался истинный новый смысл самой дискретности света — «кванты излучения» вместо «твердых частиц». Таким образом, и в области микромира теории Эйнштейна вызвали революцию — коренное изменение научной картины микромира. На основе идей Планка и Эйнштейна в середине 20-х годов XX в. была создана (Гейзенбергом и Шрёдингером) квантовая механика, заменившая собою классическую механику при описании явлений микромира.