Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

Эволюционная астрофизика изучает не только длительные плавные изменения космических объектов, но и катастрофические процессы, возникающие на определенных стадиях эволюции и приводящие к возникновению ярких и очень ярких новых и сверхновых звезд. Она включает в свои задачи и ключевой вопрос о том, как и из чего возникли звездные скопления — галактики, как и из чего возникла вся Вселенная.

Уже на рубеже нашего века ученые не сомневались в том, что и Вселенной в целом свойственно развитие. Но серьезные ученые не брались за изучение эволюции Вселенной. Они не имели ни нужного для этого наблюдательного материала, ни соответствующей теории, основанной на известных, твердо установленных законах природы.

Новый фундамент

Ситуация изменилась, когда Эйнштейн создал теорию относительности. Он разрабатывал ее не с целью изучения эволюции Вселенной. Эйнштейн поставил перед собой другую цель: разработать теорию, способную устранить противоречие между механикой и электродинамикой, между законами движения вещества и свойствами света.

В 1905 году Эйнштейн показал, что достаточно изменить процедуру измерения времени и расстояний, чтобы устранить эти противоречия. При этом Эйнштейн выяснил что предложенный им метод измерения времени и длины вместе с предположением о постоянстве скорости света позволяет расширить область применимости принципа относительности за пределы механических движений, изученных Галилеем. Он установил, что принципу относительности подчиняются и оптические процессы. Такое расширение приводит к замене простого уравнения, выражающего принцип относительности Галилея, другими уравнениями, совпадающими с преобразованиями, полученными Лоренцом и теперь носящими его имя.

Так Эйнштейн устранил противоречия между механикой, описывающей движение всех тел, и электродинамикой, управляющей движением света и силами, действующими между электрическими зарядами и магнитами. Он достиг этого путем сравнительно небольшого усложнения уравнений движения.

Теория удовлетворяла всем требованиям, предъявляемым к научной теории: она была непротиворечива и однозначна, описывала все известные явления и предсказывала неизвестные, которые затем подтверждались опытом.

Теория была вскоре признана большинством ученых. Им пришлось примириться с непривычными уравнениями и со странной зависимостью размеров тел, их масс и интервалов времени от скорости относительного движения этих тел. Следовало научиться пользоваться новыми уравнениями, позволяющими глубже проникнуть в тайны природы. Неожиданный вывод Эйнштейна о том, что между массой вещества и энергией, заключенной в нем, существует жесткая связь, казался в то время несколько странным, но не связанным с тем, что можно наблюдать в природе и в специальных опытах.

Все были довольны тем, что наконец устранены противоречия между электродинамикой и механикой, что исчезли парадоксы, возникавшие раньше при попытках применить электродинамику к движущимся телам. Довольны были все, за исключением Эйнштейна. Его с самого начала тревожила необходимость ограничивать новую теорию случаем равномерных и прямолинейных движений. Ускоренные и вращательные движения оставались за ее пределами. Доведя построение теории до конца и получив из нее ряд интересных результатов, он продолжал обдумывать суть ограничений, заложенных в теории, причины их возникновения, возможные пути устранения.

Два года прошло в мучительных раздумьях и безуспешных попытках. Не найдя выхода, Эйнштейн высказал свою тревогу в докладе перед собранием ученых, а затем и в статье, направленной в ведущий физический журнал.

Эйнштейн обращал внимание физиков на ограниченность теории. Ее нельзя применять, если в изучаемых процессах участвуют вращающиеся тела или если они подвержены простому прямолинейному ускорению, например, при движении в поле тяжести.

Потребовались годы упорной работы, в ходе которой Эйнштейн продумывал и проверял различные способы расширения теории, основанные на известных свойствах природы. Он комбинировал различные варианты уравнений, воплощающих эти свойства.

Ключом, открывшим Эйнштейну путь к решению задачи, стал известный эксперимент венгерского физика Р. Этвеша, выявивший с чрезвычайной точностью пропорциональность между массой, связанной с ускорением тел (ее называют инертной массой), и их тяжелой (гравитационной) массой, определяющей вес тел в поле тяготения.

Именно из-за этой связи все тела падают с одинаковым ускорением (факт, установленный Галилеем). Это со своей стороны, приводит к тому, что масса, входящая во второй закон Ньютона (закон ускорения), и масса, входящая в закон тяготения, являются двумя проявлениями единой сущности.