В календаре этого года много знаменательных научных дат. 120 лет назад была создана специальная теория относительности, а 110 лет назад появилась общая теория относительности. Эти теории коренным образом изменили представление о пространстве и времени и наряду с квантовой механикой, у которой тоже, кстати, в 2025 году столетний юбилей, стали основным рабочим инструментом науки и техники XX и XXI века.
Кандидат физико-математических наук, автор и ведущий телепрограммы студенческой телерадиокомпании «ЮУрГУ-ТВ» «Золотое сечение» Игорь Клебанов, будучи энциклопедистом, в своих выпусках просто и интересно рассказывает о выдающихся ученых, научных достижениях, открытиях и феноменах. Октябрьский выпуск программы, которая продолжает традиции популярной в свое время передачи «Очевидное невероятное», он посвятил этим знаменательным датам. Точнее — красивым и стройным теориям, без которых просто невозможно себе представить естествознание, технический прогресс, научные исследования, а значит, и культуру, поскольку наука — ее составляющая.
Между тем наш разговор с ученым на эту тему начался необычно — с его неожиданного вопроса…
Неверное представление
— Как вы думаете, что ответит абсолютное большинство, если спросить, в чем суть теории относительности? — предвосхитил мои вопросы Игорь Иосифович.
— Вероятно… суть в том, что все относительно?
— Да. И это в корне неверное представление. Как, впрочем, и представление о том, что Эйнштейн — единственный автор теории относительности, хотя он, безусловно, внес в нее выдающийся вклад. Но давайте разбираться. Итак, есть две теории относительности, теснейшим образом друг с другом связанные: специальная и общая. Основной результат специальной теории относительности — представление о пространстве-времени как о едином четырехмерном мире с геометрией, отличающейся от той, которую мы изучаем в школе. Общая теория относительности идет дальше и утверждает существование неразрывной связи между геометрией пространства-времени и материей. По образному выражению выдающегося американского физика Джона Уилера, материя указывает геометрии, как ей искривляться, а геометрия указывает материи, как ей двигаться.
Так вот, специальную теорию создал не Эйнштейн. До него были работы Лоренца. Основные математические уравнения, которые лежат в основе специальной теории относительности, так и называются — «преобразования Лоренца». Еще вспоминается блестящая работа французского математика Анри Пуанкаре о динамике электрона, где фактически специальная теория относительности была построена.
Однако работы Лоренца и Пуанкаре были достаточно сложны для понимания. Сейчас этот математический язык, ну скажем, студенты классических университетов на третьем курсе изучают, а в начале прошлого века далеко не все физики им владели. Так что не всё было понятно, хотя формально математический аппарат был построен.
И вот в 1905 году, не зная о математической работе Пуанкаре, но зная о работах Лоренца и более ранней работе Пуанкаре об измерении времени, Эйнштейн предлагает свое изложение того, что потом назовут специальной теорией относительности. Он настолько ясно и логически стройно эту теорию изложил, что она стала доступна любому физику средней руки. А вот общая теория относительности создана именно Эйнштейном, правда, при участии его друга Марселя Гроссмана, который помог Эйнштейну разобраться с математическими вопросами.
— Теории относительности можно назвать попытками объяснить мироздание?
— Скажу так: любая физическая теория — это попытка объяснить какую-то часть мироздания, а не мироздание в целом. Конечно, есть научная мечта — создать теорию всего. Но я не уверен, что она достижима. Специальная теория относительности хорошо объясняет достаточно небольшой «кусочек» мироздания. А именно — движение с околосветовыми скоростями относительно инерциальных систем отсчета. А общая теория относительности описывает сильные гравитационные поля. Эти теории объясняют довольно большие классы явлений, которые, безусловно, являются мазками в общей картине мироздания. Между тем полностью мы ее, конечно, никогда не нарисуем.
— Но, может быть, она уже нарисована? Надо ее только увидеть…
— Дело в том, что в каждую историческую эпоху у человечества есть картина мироздания. То есть имеется определенное представление о мире. Эта картина меняется с течением времени, когда появляются новые научные открытия. Были картины мира Птолемея, Коперника, Ньютона. Затем, уже в XX столетии, появилась картина мира Эйнштейна. Каждая из них в своих границах применимости красива. Но границы постоянно расширяются.
Пища для ума
— Теории относительности дружат с квантовой механикой или спорят?
— Специальная теория относительности прекрасно дружит с квантовой механикой. В середине XX века благодаря этой дружбе появилась квантовая электродинамика — теория, адекватно описывающая электромагнитное поле с учетом и теории относительности, и квантовой механики. А вот общая теория относительности с квантовой механикой уже почти целый век ну никак не может подружиться.
— Что мешает? Гравитация?..
— Вот как раз да, гравитация. Дело в том, что даже для того, чтобы математически им состыковаться, нужно решить непростую задачу. В одном случае уравнения линейны, а в другом — нелинейны. Поэтому общая теория относительности с квантовой механикой подружиться и не могут. Но физики не теряют надежду на то, что это все-таки произойдет.
— И тогда…
— В распоряжении ученых будет описание гравитации с учетом микроэффектов. А на сегодняшний день мы можем описать гравитационное поле только как макрообъект. Кстати, что касается микроскопии, выдающийся российский физик Матвей Бронштейн еще в тридцать пятом году предсказал существование частицы «гравитон» и построил приближенную квантовую теорию гравитации для слабого гравитационного поля. Однако общепризнанной квантовой теории гравитации пока нет.
Окончание следует.
Свежие комментарии