Чудесна теорія

 

Виповнюється 100 років від дня оприлюднення загальної теорії відносності, безперечно, однієї з найпрекрасніших і найабстрактніших конструкцій, створених людством, справжнього твору наукового мистецтва, породженого інтелектом 36-літньої людини, чоловіка, який, ховаючись від численних несприятливих умов, що його оточували, працював на самоті, — Альберта Ейнштейна.

 

В листопаді 1915 р. Ейнштейн перебував у Берліні й став жертвою кількох воєн. Перша, світова, проникла в кабінети інституту, яким керував хімік Фріц Габер, де Ейнштейн працював. Троє науковців, які заманили його в Берлін — Макс Планк,  Вальтер Нернст і сам Габер, — неприємно вражали Ейнштейна своєю мілітаристською позицією і колабораціонізмом з армією. Кажучи конкретно, Габер, який на той час вже винайшов свій знаменитий метод синтезувати аміак, що уможливив масове виробництво вибухових речовин, реорганізовував інститут в установу, що опікувалася виробництвом хімічної зброї для німецької армії. Безглуздість тієї війни змусила Ейнштейна обстоювати суспільні та політичні ідеали інтернаціонального і пацифістського штибу, яких він дотримувався і які підкреслював протягом усього свого подальшого життя. Другу війну Ейнштейн провадив на особистому фронті: його розлучення з Мілевою Марич, з якою він мав двох дітей, було невичерпним джерелом запеклих сварок.

 

Ейнштейн ховався в роботі, але й на цьому фронті провадив війну, оскільки люто конкурував з Давидом Гільбертом, великим математиком з Ґеттінґена, який також працював — хоча й з чисто математичного погляду — над виведенням рівнянь загальної теорії відносності.  Як розповідає Волтер Айзексон у своїй чудовій біографії Ейнштейна, той у листі до свого сина Ганса Альберта 4 листопада написав: «Я часто так занурений в свою роботу, що забуваю навіть поїсти». Він також почувався «знесиленим і виснаженим» через болі у шлунку, які не дозволяли йому поїхати до Ґеттінґена, щоб дискутувати з Гільбертом особисто.

 

Та навіть у такому стані Ейнштейн був здатний зосереджуватися на вивченні тензорів (математичних об'єктів, подібних на матриці) і на чотиривимірній неевклідовій геометрії; ці інструменти мали дозволити йому узагальнити теорію відносності, часткове формулювання якої він виклав у 1905 р. Попередньо Ейнштейн пообіцяв  прочитати чотири лекції п'ятдесятьом членам Прусської академії — кожного четверга у листопаді. І поки він листовно полемізував з Гільбертом, ця серія лекцій стала тим вирішальним поштовхом, який змусив його вивести свою теорію.

 

На першій з тих лекцій, прочитаній 4 листопада, він згадав численні труднощі, які долав протягом останніх років, щоб знайти рівняння, які мали описувати властивості ґравітаційного поля, і заявив, що ті, які він зараз розглядає, не є цілком задовільними; нині ми знаємо, що тоді бракувало трьох тижнів, щоб йому це вдалося. На другій лекції він подав змінені рівняння, які не були суттєво кращими. На третій лекції, 18 листопада, він оголосив, що його рівняння в останньому форматі здатні абсолютно точно пояснити рух Меркурія (який не можна було пояснити за допомогою традиційної теорії Ньютона), і назвав нове значення кривини, що його має набути світловий промінь, проходячи поблизу Сонця. Наступного четверга, 25 листопада, він прочитав свою знамениту і тріумфальну лекцію з назвою «Рівняння ґравітаційного поля», в якій подав набір рівнянь, які стали кульмінацією загальної теорії відносності.

 

Ці десять рівнянь, які нині відомі як «рівняння Ейнштейна», формулються в напрочуд компактний та елеґантний спосіб: G = 8 pi T. Це лаконічний спосіб говорити, що просторово-часова геометрія (G) визначається рухами матеріальних об'єктів, які перебувають у ній (T), і навпаки — що рухи таких об'єктів визначаються просторово-часовою кривиною. Згідно з цими рівняннями, простір, час, матерія та енергія утворюють складну структуру, в якій кожен з цих елементів впливає на інші. Цей фізичний світ є дуже відмінний від Ньютонового, в якому простір і час були незмінними абсолютними рамками, в яких рухаються матеріальні тіла. У світі Ейнштейна навпаки — маса, розміщена у певній ділянці простору, спричиняє те, що поблизу неї час протікатиме повільніше і простір деформується, і ця деформація своєю чергою визначає рух інших близьких об'єктів.

 

Як заявив Ейнштейн у своїх знаменитих лекціях 1915 р., на поширення світла мусить впливати ґравітація, що мало дозволити зробити експериментальні дослідження. Наприклад, промінь світла, який проходить поруч із Сонцем, має відхилятися на 1,74 кут. сек. Відтак британський астроном сер Артур Еддінґтон запропонував, що нагодою для вимірювання кривини світла стане повне затемнення Сонця 29 травня 1919 р. Бо й справді, під час сонячного затемнення можна спостерігати яскраві зорі довкола основного небесного світила. Якщо Сонце здатне відхиляти траєкторію світлових променів, то деякі з тих яскравих зірок, які можна спостерігати поблизу затемненого Сонця, мають опинитися в помітно відмінних позиціях порівняно з їхніми звичними позиціями, виміряними тоді, коли Сонце перебуває у віддаленій  позиції на небозводі. Королівське наукове товариство організувало дві експедиції у реґіон, де спостерігалося повне затемнення: одну — на північ Бразилії, іншу — на острів Прінсіпі в Ґвінейській затоці, щоб виміряти положення зір поблизу Сонця. Так Еддінґтон дуже ефектно підтвердив, що найменші відхилення світлових променів, передбачені загальною теорією відносності (1,74 кутової секунди дорівнюють половині тисячної частини градуса), є цілком реальними.

 

Це вимірювання відхилення світла також додавалося до точного пояснення руху Меркурія, заявленого на третій лекції для Прусської академії наук. Відтоді ця теорія багато разів піддавалася перевіркам, з яких завжди виходила звитяжницею. Загальна відносність нині є необхідною для того, щоб обчислювати відстані та властивості віддаленіших об'єктів всесвіту й фактично в умовах екстремальної ґравітації, як ті, що створюються поблизу чорних дірок, де загальна відносність творить свої найбільш вражаючі ефекти.

 

Утім варто підкреслити, що загальна теорія відносності — це не лише теоретичні міркування та опис екстремальних астрофізичних ситуацій. Як інші теорії, загальна відносність є результатом фундаментальної науки, який знаходить широке технологічніе застосування у щоденному житті. Наприклад, завдяки загальній відносності працює технологія, яка нині може нам видатися банальною: GPS. Справді, якщо на супутник діятиме сила тяжіння менша, ніж та, що діє на поверхні Землі, то час протікатиме швидше на супутнику GPS, ніж на приймальному приладі на землі. Цей ефект додається до іншого, спрогнозованого спеціальною теорією відносності, — розтягування часу, спричиненого високою швидкістю супутника. Обидва ефекти, якщо їх брати до уваги, уможливлюють те, що система GPS працюватиме правильно.

 

Завдяки загальній теорії відносності Ейнштейна ми нині бачимо всесвіт як одне ціле, структуру, в якій прекрасні рівняння описують взаємозв'язок між простором, часом, матерією та енергією. Цей цілісний опис всесвіту мав вирішальний вплив на всі теорії сучасної космології, які намагаються пояснити походження та еволюцію всесвіту, трактуючи його як щось єдине і цілісне. Теорія Ейнштейна є геніальним поєднанням фізичної інтуїції та математичної ерудиції, яке має філософське значення вражаючого масштабу. Тож не дивно, що сам Ейнштейн назвав цю теорію «найбільшим здобутком свого життя».        

 

 

Рафаель Бачільєр, астроном, директор Національної астрономічної обсерваторії

 


Rafael Bachiller      
Una teoría prodigiosa
El Mundo, 25/11/2015
Зреферувала Галина Грабовська

      

27.11.2015