Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью

Общая теория относительности не только применялась в мудреных ситуациях – она к тому же была записана мудреным математическим языком. Математический аппарат теории относительности очень сложен – гораздо сложнее языка квантовой механики. Всем известно, что для того, чтобы сформулировать и самому понять свою новую теорию, Эйнштейну пришлось прибегнуть к помощи друга-математика Марселя Гроссмана, который научил его дифференциальной геометрии. Такое сочетание незнакомого предмета изучения и замысловатой математики для многих физиков оказалось препятствием к пониманию смысла этой теории и заставляло их с подозрением относиться к ее выводам. Даже самому Эйнштейну, уже после того, как он разработал и в 1915 году опубликовал свою теорию, было нелегко принять вытекающие из нее следствия. Как он увидел, из общей теории относительности вытекает, что Вселенная в целом должна либо сжиматься, либо расширяться. Этот вывод смущал его – он противоречил всем имевшимся в то время наблюдательным данным. Чтобы удержать Вселенную в статическом состоянии, Эйнштейн ввел поправочный коэффициент – «космологическую постоянную». Но в 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что далекие галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до них, – в точности так, как следовало ожидать в случае, если Вселенная расширяется. Эйнштейн с радостью убрал из теории свою искусственно придуманную космологическую постоянную – он с самого начала невзлюбил ее, говоря, что она «наносит серьезный ущерб красоте теории»[649]. Теперь Эйнштейн считал, что космологическая картина, вытекающая из общей теории относительности, верна. Но в этом были убеждены далеко не все, в том числе и сам Эдвин Хаббл. Он и многие вместе с ним считали, что далекие галактики только кажутся разбегающимися, а на деле Вселенная статична. Другие признавали, что Вселенная расширяется, но предлагали видоизменить законы физики так, чтобы, несмотря на расширение, Вселенная в любой момент прошлого и будущего выглядела бы в основном неизменной. Эта концепция получила название «теории стационарной Вселенной». Спустя десятилетия теория продолжала рассматриваться как обоснованная научная теория; многие физики считали ее даже несколько более обоснованной, чем расширяющаяся Вселенная общей теории относительности. Ведь получалось, что такая расширяющаяся Вселенная когда-то была невероятно горячей, плотной и маленькой и вдруг начать стремительно расширяться. Сторонник стационарной теории Фред Хойл придумал для этого термин «Большой взрыв». Как считал Хойл и многие другие, раз общая теория относительности приводит к таким странным выводам, ей не следует особенно доверять и прилагать ее ко всей Вселенной в целом тоже не стоит.

С другой стороны, тем временем продолжалась неразбериха в отношении результатов применения общей теории относительности даже к объектам, гораздо меньшим, чем вся Вселенная, например звездам. Еще в 1938 году в Беркли Роберт Оппенгеймер и его студент Джордж Волков вместе с Ричардом Толменом из Калтеха при помощи очень раннего предшественника компьютера сумели вычислительными методами показать, что сверхмассивная звезда, гораздо бо́льшая, чем наше Солнце, должна заканчивать свою жизнь, схлопываясь в поразительно плотный объект, который ничто, даже свет, не может покинуть. Представление о таких «сколлапсировавших звездах», или «коллапсарах», как их тогда называли, вызывало бурные споры. Отпугивающе сложные математические построения общей теории относительности вместе с удивительной (по тем временам) вычислительной мощью и необычностью техники, нужной для расчетов Оппенгеймера и Волкова, не говоря уж о головокружительной странности их результата, – все это мешало многим физикам принять идею коллапса звезд всерьез.

Математические сложности препятствовали понимаю следствий его собственной теории даже самому Эйнштейну. «Вместе с одним моим молодым сотрудником я пришел к интересному результату: гравитационных волн не существует»[650], – писал Эйнштейн своему старому другу Максу Борну в 1936 году. Гравитационные волны – рябь пространства-времени, которая возникает при столкновениях сверхплотных звезд и других масштабных событиях и со скоростью света распространяется от места породившей ее космической катастрофы, – были уникальным предсказанием общей теории относительности; в ньютоновой теории гравитации ничего подобного не было. Но математические странности новой теории сбили Эйнштейна и его сотрудника Розена с пути. Они опубликовали статью, в которой утверждали, что им удалось доказать: гравитационные волны не являются физическими объектами, это всего лишь фиктивные математические образования. Эйнштейна позже переубедил американский физик Говард Перси Робертсон, а Розен так и не согласился с реальностью гравитационных волн. Их совместная с Эйнштейном статья не была отозвана, и это в течение многих десятилетий продолжало вносить путаницу в вопрос о реальности одного из фундаментальных предсказаний общей теории относительности[651].