Юлия
я могу Начать заново.
"Поворачивай стиль"
Юлия Мешавкина
Все записи
текст

Альберт, ты не прав!

И на Энштейна бывает проруха! И не одна, и даже не десять. «Ученый все равно что мимоза, когда он сам сделал ошибку, и рычащий лев — когда обнаруживает ошибку у других», — писал наш гениальный герой. Сам он мимозой не был и мог признать неправоту, но мог и упорствовать в ней, что местами даже повредило науке. Лучше всех об этом высказался Фред Голдхабер, американский физик-теоретик: «Многие ученые отдали бы все, лишь бы совершить хоть одну из ошибок Эйнштейна». Потомки давно объединили его грехи в перечень из 23 позиций. Мы не будем так занудны и рассмотрим только пять – самых великих.


 

1. Какие ваши доказательства?

 

E = mc², где Е − энергия, m − масса, с − скорость света в вакууме. Всем формулам формула, символ науки вообще и теории относительности в частности, самое «распиаренное» уравнение в современной культуре и, конечно, самая известная формула Эйнштейна, один из дивных плодов его «года чудес». Хотя факт авторства нередко оспаривается, потому что похожие формулы историки науки уже нашли в более ранних   работах других авторов. Однако изыскания этих уважаемых господ относились к частным случаям. Эйнштейн же впервые представил эквивалентность энергии и массы, связанных между собой простым соотношением, как всеобщий закон динамики, который относится к материям и массам всех видов.

Однако математически изящное уравнение может быть совершенно некорректным с физической точки зрения. В формулировке Альберта Эйнштейна не учитывалось, как энергия работает для движущейся частицы: ученый вывел E = mc² только для частицы в состоянии покоя, и E = mc² в его описании зависела от системы отсчета – а это противоречило принципу его же теории относительности. Прошло несколько лет, прежде чем немецкий физик Макс фон Лауэ (кстати, нобелевский лауреат) указал, что идея кинетической энергии тут лишняя. И теперь мы имеем в виду общую релятивистскую энергию, где кинетическая энергия (KE = 1/2mv²) — возникает только в нерелятивистском пределе.

 

2. Космологическая лямбда   

 

Самый известный промах Эйнштейна — введение положительной космологической постоянной для уравновешивания сжатия Вселенной. Что это такое?

Обнажив иллюзорность ньютоновской гравитации, теория относительности показала, что Вселенная существует в континууме «пространство-время», ткань которого искривляется присутствием материи-энергии. Говоря проще, Вселенная нестабильна, что противоречило представлениям времен Эйнштейна. В соответствии с ними, Вселенная всегда статична и состоит из звезд, которые равномерно рассажены в пространстве. А по теории относительности все было наоборот: звезды должны искривлять своими массами пространство-время, а области большей массы должны притягивать материю и увеличиваться, чтобы по достижении определенного предела сжаться и стать черными дырами (в реальность которых Эйнштейн никогда не верил). Нестыковка! Ученый предположил, что в межзвездных масштабах должен быть некий противовес гравитации. Он обозначил  это «нечто» положительной космологической постоянной и под буквой лямбда ввел ее в свою теорию, конкретно — в уравнения поля  (в статье «Космологические аспекты общей в 1917 г.). 

А вместо этого мог бы просто первым выдвинуть гипотезу расширения Вселенной. Яркий пример того, как устоявшиеся представления влияют даже на революционно настроенных гениев. Справедливости ради, космологическая постоянная во Вселенной все-таки есть — мы ее сегодня называем темной энергией.

Со временем свидетельства против статической модели мироздания стали накапливаться, но Эйнштейн не сразу сдвинулся со своей позиции. Когда Жорж Леметр, бельгийский физик и священник, представил модель расширяющейся Вселенной, Эйнштейн прокомментировал ее так: «Ваши расчеты верны, но физическая суть отвратительна!» Потом он все-таки согласился с Леметром, а свою космологическую константу признал своей «самой большой ошибкой в жизни». Но и это «обесценивание» было неправильным.

«Неуместная» постоянная оказалась довольно живучей. Сначала она была искусственным дополнением к уравнениям, затем, когда появился «квантовый взгляд» на космологию, она оказалась характеристикой энергии пустого пространства. В конце ХХ века выяснилось, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с большим ускорением, и сила, управляющая этим процессом, аналогична «отталкивающей» космологической постоянной. Получается, что Эйнштейн промахнулся даже дважды: сначала по ошибочным причинам ввел в уравнения своей теории новую постоянную, а потом не изучил последствий ее появления.


 

3. Отверженные кванты

 

Теории классической физики детерминированы: зная начальные позиции любой частицы Вселенной, вы теоретически можете выяснить, что с ней будет через какое-то время. В квантовой механике все иначе: о всеобщей закономерности и причинной зависимости там можно и не мечтать, положение частицы подчиняется вероятностным законам, а чем короче жизнь ей отводится, тем более неопределенна ее масса.

Эйнштейн, будучи одним из основателей квантовой механики (как мы помним, он получил Нобелевскую премию за свою теорию фотоэффекта), не мог принять ее как фундаментальную физическую теорию и всегда оставался преданным логике классической физики. В поздних исследованиях он, стремясь приблизиться к теории единого поля, пытался объединить в классических рамках уравнения общей теории относительности и электромагнетизма. В этом смысле ему очень нравилась концепция пятимерной Вселенной с тремя пространственными измерениями, одним временным и еще одним, из-за своей малости недоступным для наблюдений. В такой многомерной Вселенной можно было единообразно задать гравитационные и электромагнитные силы. Эйнштейна эта теория привлекала возможностью классического подхода. Единой теории поля у Эйнштейна не получилось, но на его ошибке выросли научные прорывы нашей современности: его акцентированное внимание на пятимерной теории, возможно, породило многомерные математические модели современной теории суперструн, которая предлагает варианты включения квантовой механики в общую теорию относительности.

 

4. Упорство и унификация

 

Что такое унификация в науке? Стремление не только описать, но и объяснить всю природу простым набором параметров и изящных правил. Соблазнительное решение, в поисках которого делали свою карьеру многие герои из учебников физики. И у них получалось – в некоторых пределах. Например, законы Кулона,  Гаусса, Фарадея и постоянные магниты объясняются в рамках электромагнетизма Максвелла. Движение тел на Земле и в космосе объясняет гравитация Ньютона и общая теория относительности. Но Эйнштейну хотелось объединить гравитацию и электромагнетизм. Первые успехи вдохновили его, но новые правила, выявляемые экспериментами, ученый просто игнорировал. Например, слабые и сильные взаимодействия подчиняются квантовым правилам электромагнетизма, и перевод этих теорий на квантовый язык привел к построению Стандартной модели. Но Эйнштейн никогда не пытался включить ядерные взаимодействия.


 

5. Недооценка ценностей

 

Эйнштейн не единожды проходил мимо своих же идей, которые легли в основу современной космологии. Например, он недооценил один из важнейших своих результатов: искривление лучей в гравитационном поле. В декабре 1936 г. он опубликовал в журнале Science заметку «Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле». Во вступлении он Эйнштейн оправдывается, что к публикации его буквально принудил чешский инженер Руди Мандл, который «попросил опубликовать результаты небольшого расчета, который я провел по его просьбе».  Это было исследование возможности экстремального отклонения света в гравитационном поле. Эйнштейн показал, что если лучи света от звезды проходят вблизи массивного объекта, то они могут так искривляться под влиянием гравитационных, что будут сближаться, образовывая увеличенное изображение звезды (или несколько изображений). Так же лучи света искривляет оптическая линза – отсюда и термин «гравитационное линзирование». В современной космологии он этот эффект стал важным наблюдательным инструментом: благодаря ему можно узнать, как распределяется во Вселенной масса, даже невидимая телескопами (та же темная материя). Эйнштейн подробно охарактеризовал эффект гравитационного линзирования и… не понял его важности. В своей заметке он сделал вывод, что увеличение изображения звезды, которое получается при прохождении света в гравитационном поле, будет «ненаблюдаемо» мал». С математической точки зрения это было правдой – но физик не учел, что, помимо звезд, существуют и другие объекты, в случае с которыми гравитационное линзирование может оказаться сильным и заметным. Довольно странный вывод для Эйнштейна – ведь отклонение света массивным объектом — это ключевое наблюдение, которое предсказывает общая теория относительности.

После публикации Эйнштейн еще и письменно поблагодарил редактора «за поддержку в опубликовании этой небольшой статьи... Работа малоценна, но пусть она хотя бы бедного парня осчастливит».

Эйнштейн не учел, что звезды объединяются в галактики. Об этом не забыл калифорнийский астроном Фриц Цвикки, который в 1937 году опубликовал свою работу в журнале Physical Review — в ней он утверждал, что в случае с галактиками гравитационное линзирование вполне может наблюдаться, и предложил способы его применения: проверка общей теории относительности, усиление яркости удаленных объектов и измерение массы крупномасштабных структур Вселенной. Шел 1937 год, напомню! Цвикки не учел только возможности использования для изучения геометрии и эволюции Вселенной.

 

Существование гравитационных волн – ряби пространства-времени, которая распространяется от взрывающихся звезд или столкновения черных дыр – Эйнштейн обнаружил в 1916 году, вскоре после формирования общей теории относительности. Из ее уравнения вытекает существование такой ряби, однако ученый отступил от ее правильного описания — он усомнился в реальности колебательных возмущений пространства при движении массивных тел. Этим сомнениям он посвятил статью, опубликованную в 1936 году в том же журнале Physical Review. История получилась анекдотическая. Когда Эйнштейн отправил в редакцию материал под заголовком «Существуют ли гравитационные волны?» (с выводом о том, что не существуют), он не знал о предстоящей процедуре рецензирования (немецкая практика отличалась в этом смысле от американской), и когда получил отзыв от неизвестного рецензента с замечаниями и вопросами, очень оскорбился и отозвал текст из редакции. А рецензент был прав, объяснив главную ошибку статьи Эйнштейна. Он и его соавтор Розен, выводя уравнение плоской гравитационной волны, столкнулись с сингулярностью, в которой физические характеристики должны были принимать бесконечно большие значения. Это вынудило авторов заключить, что гравитационные волны существовать не могут. На самом деле Эйнштейн неверно использовал математические выводы собственной теории. Ведь законы природы не зависят от системы координат, а разные странные результаты, которые дают  решения уравнений теории относительности, – это следствие неверной системы координат. Нет единой координатной системы, в которой плоские гравитационные волны можно описать без появления сингулярности, но системы эти нефизичны. А при использовании двух различных, перекрывающихся координатных систем сингулярность исчезает.

Эйнштейн отправил статью в другое издание, но еще до публикации увидел-таки ошибку – благодаря деликатности рецензента, который предложил способ решения. В печати статья вышла уже под названием «О гравитационных волнах» и включала решение уравнений общей теории относительности в такой системе координат, где сингулярность не появляется.

 

Эйнштейн совершал промахи, как любой из нас, однако они не были его личной «дорогой проб и ошибок», основываясь на революционных идеях и обладая серьезным научным «зарядом». И перечень из 23 эйнштейновых грехов помогают понять не только ход его мыслей, но и ход научной мысли об изменении представлений о Вселенной.


Всего 0 комментариев
Комментарии
OK OK OK OK OK OK OK
Яндекс.Метрика