Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - Митио Каку

В 1909 г. Эйнштейн прочел свою первую лекцию на своей первой крупной конференции по физике в Зальцбурге, где присутствовали многие знаменитости, включая и Макса Планка. В докладе «Развитие наших взглядов на природу и состав излучения» он убедительно представил миру формулу E = mc2. Эйнштейн, привыкший экономить на завтраках, изумлялся роскоши, царившей на той конференции. Он вспоминал: «Празднества завершились в отеле “Националь” самым роскошным банкетом, какой мне приходилось видеть в жизни. Это заставило меня сказать женевскому аристократу, сидевшему рядом со мной: “Знаете, что сделал бы Кальвин, окажись он здесь?.. Он воздвиг бы громадный столб и сжег бы всех нас за грешную расточительность”. Тот человек больше не сказал мне ни слова».

В докладе Эйнштейна впервые в истории была ясно и четко представлена слушателям концепция дуализма в физике – концепция, согласно которой свет может обладать одновременно свойствами и волны, как полагал Максвелл в предыдущем веке, и частицы, как полагал Ньютон. Частицей или волной увидит свет наблюдатель, зависит от эксперимента. В низкоэнергетических экспериментах, где длина волны света велика, полезнее волновая картина. Для высокоэнергетического луча, где длина волны света чрезвычайно мала, лучше подходит картина частицы. Позже выяснилось, что эта концепция (которую несколько десятилетий спустя припишут датскому физику Нильсу Бору) отражает фундаментальную природу вещества и энергии и дает богатейший материал для исследований в квантовой теории.

Став профессором, Эйнштейн остался человеком богемы. Один из студентов живо вспоминал его первую лекцию в Цюрихском университете: «Он появился в аудитории одетым довольно бедно, в слишком коротких брюках и с листочком бумаги размером с визитную карточку, на котором он набросал свои заметки к лекции».

В 1910 г. у Эйнштейна родился второй сын Эдуард. Эйнштейн, никогда не любивший подолгу сидеть на одном месте, уже занимался поисками новой работы, в частности потому, что некоторые профессора хотели удалить его из университета. В следующем году ему предложили должность с более высоким жалованьем в Немецком университете Пражского института теоретической физики. По иронии судьбы его кабинет там располагался рядом с лечебницей для душевнобольных. Размышляя над загадками физики, он нередко задумывался и над тем, кто на самом деле здоров – так называемые нормальные люди или обитатели лечебницы.

Тот же 1911 г. был ознаменован первым Сольвеевским конгрессом в Брюсселе, организованным на деньги богатого бельгийского промышленника Эрнеста Сольве, который хотел представить миру работы ведущих ученых. Эта конференция стала важнейшим научным событием своего времени и дала Эйнштейну шанс встретиться и обменяться идеями с гигантами физики. Он увиделся с Марией Кюри, дважды лауреатом Нобелевской премии, и завязал с ней добрые отношения на всю жизнь. В центре внимания ученых на конференции были теория относительности и фотонная теория Эйнштейна. Темой конференции была «Теория излучения и кванты».

Одним из вопросов, живо обсуждавшихся на конгрессе, был знаменитый «парадокс близнецов». Эйнштейн и прежде упоминал о странных парадоксах, связанных с замедлением времени. О парадоксе близнецов первым заговорил физик Поль Ланжевен; он предложил простой мысленный эксперимент, призванный прояснить некоторые кажущиеся противоречия теории относительности. (В то время газеты были полны сенсационными историями про Ланжевена, который был несчастливо женат, и про его скандальный роман с овдовевшей Марией Кюри.) Ланжевен рассматривал двух близнецов, живущих на Земле. Один из близнецов перемещается некоторое время со скоростью, близкой к скорости света, а затем возвращается на Землю. На Земле, допустим, прошло 50 лет, но близнец в ракете за счет замедления времени постарел всего на 10 лет. Когда близнецы наконец встречаются, они оказываются разного возраста – тот из них, кто летал в ракете, на 40 лет моложе своего брата.

А теперь посмотрите на ситуацию с точки зрения того близнеца, который летал в ракете. Он может сказать, что сам он находился в покое, а прочь уносилась Земля, так что часы должны были замедлиться у земного близнеца. В этом случае при будущей встрече моложе окажется земной, а не ракетный близнец. Но, поскольку движение относительно, какой же из близнецов на самом деле окажется моложе? Поскольку на первый взгляд две ситуации представляются симметричными, эта задачка и сегодня остается болезненной занозой для любого студента, который пытается разобраться с теорией относительности.

Для разрешения этой загадки, как указал Эйнштейн, надо учесть тот факт, что ускоряется близнец в ракете, а не на Земле. Ракете придется замедлиться, остановиться, а затем двинуться в обратную сторону, что, очевидно, создаст серьезный стресс для близнеца в ракете. Иными словами, ситуации не симметричны, потому что ускорения, не подпадающие под постулаты, на которых основана теория относительности, переживает только один близнец – тот, который в ракете; он и будет на самом деле моложе.

Однако ситуация становится сложнее и непонятнее, если улетевший на ракете близнец не возвращается. В этом сценарии каждый из близнецов видит в телескоп, как другой замедляется во времени. Здесь ситуации полностью симметричны, и каждый близнец убежден, что для другого время идет медленнее и что именно другой близнец остается моложе. Точно так же каждый из близнецов убежден, что второй сжат в направлении движения. Но в итоге-то – кто из близнецов моложе и тоньше? Какой бы парадоксальной ни казалась эта ситуация, в теории относительности действительно возможно существование двух близнецов, каждый из которых моложе и тоньше другого. Простейший способ определить во всех этих парадоксах, кто из них на самом деле тоньше или моложе, состоит в том, чтобы свести близнецов вместе. Для этого потребуется сдернуть одного из близнецов с пути и доставить ко второму; при этом, строго говоря, и определится, который из близнецов двигался «на самом деле».

Хотя эти головоломные парадоксы удалось косвенным образом разрешить в пользу Эйнштейна, на атомном уровне при изучении космических лучей и в экспериментах на ускорителях ядерных частиц, этот эффект настолько слаб, что непосредственно увидеть его в лаборатории удалось только в 1971 г., когда самолеты с атомными часами долго летали на больших скоростях. Атомные часы способны измерять временны́е интервалы с астрономической точностью, поэтому ученые, сравнивая показания двух часов, могли убедиться в том, что чем быстрее движутся часы, тем медленнее для них идет время, в точности как предсказал Эйнштейн.

В другом парадоксе фигурируют два объекта, каждый из которых короче другого[8]. Представьте себе охотника, который пытается поймать трехметрового тигра в клетку длиной не более полуметра. В обычных условиях это невозможно. А теперь представьте, что тигр движется так быстро, что сжимается до полуметра, так что, если опустить на него клетку, он окажется внутри. Естественно, после этого тигр резко затормозится – и удлинится. Если клетка сделана из сетки, тигр, увеличиваясь, ее разорвет. Если клетка сделана из бетона, то бедный тигр будет раздавлен.