Более сложные теории, в том числе и специальная теория относительности Эйнштейна, работают в сфере сверхвысоких скоростей, с которыми мы в повседневности не сталкиваемся. Именно поэтому нам так сложно понять эти теории и вытекающие из них следствия.
свет – это электромагнитная волна
Но Эйнштейн упорно продолжал разрабатывать свою идею. В 1916 году он дал ей следующую формулировку: обмен энергией происходит в форме образования частиц, обладающих моментом силы. Согласно этой формулировке, фотоны (кванты света) ведут себя подобно снарядам энергии. Через несколько лет данная теория была подтверждена в результате лабораторных исследований. Но сам Эйнштейн вскоре поменял взгляд на квантовую теорию.
В 1912 году Нильс Бор создал модель атома. Он выяснил, что все электроны движутся не хаотично, а по стационарным орбитам. На каждой орбите существует свой уровень энергии. Электроны могут переходить с орбиты на орбиту, при каждом переходе либо излучается, либо поглощается фотон (квант энергии). Таким образом, структура атома подобна амфитеатру, где электроны движутся по своим орбитам или переходят с уровня на уровень.
Это открытие вызвало много споров и вопросов, ответить на которые пытались физики всего мира, в их числе был и Вернер Гейзенберг. Он заложил основы одного из основополагающих принципов квантовой теории – принципа неопределенности. Орбиты электронов, рассчитанные Бором, увидеть было невозможно, никто лично не наблюдал перехода электрона с одного уровня на другой. Гейзенберг считал, что модель, созданная Бором, должна быть уточнена. Он сомневался в том, что орбиты электронов реально существуют. Бор использовал в своей модели зрительные образы (орбиты, амфитеатр), Гейзенберг предложил математическую модель, в основе которой лежали частоты линий спектра, излучаемые электронами.
Эйнштейн был категорически не согласен с той моделью квантовой механики, которую приняли Бор, Гейзенберг и другие ученые. «Бог не играет в кости!» – восклицал он, отрицая неопределенность. «Не указывайте Богу, что ему делать!» – в тон ему отвечал Нильс Бор. Эйнштейна не удовлетворяла незавершенность квантовой механики, он хотел создать полную теорию микромира. Ему это не удалось, но многие физики до сих пор над этим работают.
Создание квантовой механики – раздела физики, занимающегося чрезвычайно малыми величинами (молекулами, атомами, электронами), происходило с участием Эйнштейна. Эта наука, полная противоречий, особенно на этапе своего зарождения, породила активные споры среди ученых. Ее создавали многие физики, она была коллективным плодом и поэтому в начале не отличалась последовательностью. Постулаты квантовой механики противоречили большинству законов классической физики, и сама наука долгое время была объектом критики. Даже Эйнштейна она вводила в недоумение. «Чем больше успеха имеет квантовая теория, тем более нелепой она кажется», – так он высказывался по этому поводу.
Одной из главных задач, которую ставил перед собой Эйнштейн в последние два десятилетия жизни, было создание единой теории поля. Вместе с ним над этой проблемой работали многие математики с мировым именем. Совместными усилиями им удалось создать две версии «теории всего», но по разным причинам ни одна из них не устраивала Эйнштейна полностью.
Первой по времени была версия, которая подразумевала пятимерность нашего мира. Она включала четыре уже известные нам измерения – пространство и время и еще одно, находящееся в микромире. В наше время из этой версии, отвергнутой Эйнштейном, выросла знаменитая теория струн, в которой речь идет о свернутых измерениях, существующих внутри квантов. Вторая версия имела дело с формой пространства-времени. Эйнштейн предположил, что оно имеет не только кривизну, но и кручение.
В начале XX века считалось, что вся Вселенная – это Млечный Путь, представляющий собой громадное скопление звезд посреди пустоты. Для описания этой системы Эйнштейн ввел в уравнения космологическую постоянную. Целью этого шага было привести к статичности уравнения, которые без этого показывали движение и смещение звезд. Ученый считал, что Вселенная гомогенна и изотропна, то есть однородна по своему составу и при этом сохраняет одинаковые физические свойства во всех направлениях. Космологическая постоянная соответствовала этим качествам пространства.
Обратившись к геометрии, Эйнштейн использовал модель Вселенной Ньютона – плоскую, трехмерную, описываемую законами евклидовой геометрии. Эту модель он вывернул и изогнул – получилась сфера с четырьмя измерениями. Поверхность данной гиперсферы представляла собой бесконечность: любое тело, перемещаясь по ней в любом направлении, могло вернуться в исходную точку.
В следующие десятилетия астрономы обнаружили, что наша Вселенная не ограничивается пространством Млечного Пути, она продолжается гораздо дальше. Кроме того, Эдвин Хаббл открыл явление расширения Вселенной, самого ее пространства. Эти открытия вступали в противоречия с моделью Эйнштейна, которая была статичной. Но другое открытие, совершенное Александром Фридманом, доказало, что и в гомогенной изотропной Вселенной возможно расширение. Космологическая постоянная Эйнштейна работала и могла использоваться в вычислениях. Впоследствии развитие гипотезы ученого привело к возникновению общепринятой в наше время теории Большого взрыва.
Эйнштейн тоже считал, что подобное тело не может существовать в реальности – здесь теория, вернее, ее следствие, вошли в противоречие со своим создателем. Теория победила: в 1967 году Джон Уилер впервые употребил термин «черная дыра». Оказалось, что это явление имеет поистине фантастические характеристики: критическая масса, замедление времени и горизонт событий – черта, попав за которую, ничто не способно вырваться из черной дыры. Существование черных дыр полностью вписывается в общую теорию относительности и подтверждает ее.
Под действием массы Солнца пространство рядом с ним искривляется, это можно заметить по отклонению световых лучей, идущих от звезд. Это явление – следствие общей теории относительности – описал Эйнштейн
Еще один интересный эффект, объясненный общей теорией относительности, – гравитационное замедление времени. Астроном Карл Шварцшильд занимался решением уравнений Эйнштейна для отдельной звезды и обнаружил, что при приближении к звезде время начинает идти медленнее. Чем ближе к гравитационному центру, тем больше проявлен эффект замедления времени. Это явление визуально подтверждалось красным смещением, которому подвергался идущий от звезды свет.
Всем известно, что такое радуга, это разложение солнечного света на спектр цветов. Такое же разложение можно проделать с любым излучением: излучение состоит из волн различной длины, и это можно увидеть при помощи специальных приборов. К примеру, атомный спектральный анализ позволяет определить состав звезды по ее излучению.
Из расчетов Шварцшильда следовало, что время течет медленнее для атомов вещества на звезде, чем для атома того же самого вещества, находящегося на Земле. Чем массивнее и плотнее звезда, тем медленнее будет течь время поблизости от нее и тем явственнее будет эффект красного смещения. Рассуждая дальше, Шварцшильд пришел к выводу, что при критической плотности объекта время рядом с ним остановится. Для него это открытие стало лишь математической иллюзией. Он и не подозревал, что описывает черную дыру – эти объекты были обнаружены гораздо позже.
Общая теория относительности была неоднократно проверена экспериментально, ее эффекты и следствия подтверждены исследованиями. Среди эффектов теории относительности можно назвать смещение орбиты Меркурия, которое астрономы много лет не могли объяснить, замедление времени в гравитационном поле (гравитационное красное смещение), отклонение луча света в поле гравитации Солнца, гравитационная задержка сигнала и т. д.
