Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Следует признать, что как релятивистская физика Эйнштейна, так и распространяющиеся новые представления о квантах, с их сложностью и бесконечными, часто неясными философскими размышлениями были легкой добычей советских научных философов. В теории пространства-времени Эйнштейна также многое допускало критику. В первую очередь, это был яркий пример допущений. Ее основой послужили известные ныне мысленные эксперименты Эйнштейна, сделанные практически без участия данных из материального мира. Кроме того, теория формулировалась крайне непонятным математическим языком, набором правил и принципов, затруднявших интерпретацию, особенно людьми, которые, как многие из философов, не были профессионалами в математике. Наконец, в довершение ко всему теория Эйнштейна породила абсурдную Вселенную, имеющую начало, что слишком напоминало религиозные воззрения, с которыми в Советском Союзе велась нещадная борьба. Более того, большой вклад в данную теорию внес священник, аббат Леметр, еще один продажный иностранец из декадентского буржуазного общества. За яростным неприятие несоветского мышления был совершенно забыт тот факт, что первым концепцию расширяющейся Вселенной предложил гениальный русский и советский физик Александр Фридман. Костер дебатов годами тлел, периодически ярко вспыхивая, но было бы неоправданным упрощением представлять ситуацию как идеологическую борьбу между блестящими учеными и невежественными ортодоксальными философами. К философам присоединился ряд физиков и математиков, в том числе довольно известных, и спор усугубили групповые предпочтения и прочие не связанные с предметом обсуждения факторы.

В 1952 году влиятельный советский философ и историк науки Александр Максимов опубликовал статью «Против реакционного эйнштейнианства в физике». Хотя публикация появилась в малоизвестной советской газете «Красный флот», физики отреагировали на нее весьма активно. Ученик Фридмана и ведущий советский релятивист Владимир Фок парировал ее собственной статьей «Против невежественной критики современных физических теорий». Перед ее публикацией Фок, Лев Давыдович Ландау и другие физики обратились за поддержкой к советскому правительству. В секретном письме к близкому соратнику Сталина и куратору ядерного и термоядерного проектов Лаврентию Берии они жаловались на «неформальное положение, сложившееся в советской физике», приводя статью Максимова как пример агрессивного невежества, тормозящего прогресс советской науки. Статья была опубликована, и Фок заявил, что обладает поддержкой правительства в этом вопросе. Возмущенный Максимов пожаловался Берии, настаивая на своих взглядах, но к 1954 году преобладающим было влияние группы Фока и Ландау. Разумеется, у высшего советского руководства были более срочные дела, чем анализ тонкостей теорий Эйнштейна. Кроме того, Ландау и прочие имели на своей стороне крайне весомый аргумент: они успешно работали над проектом советской атомной бомбы, поэтому теории, на которых была основана их работа, считались корректными, невзирая на философскую интерпретацию. К середине 1950-х идеологические войны между советскими философами и физиками подошли к концу, и релятивистов оставили в покое. Одним из последних отголосков этой битвы стала записка в Центральный комитет Коммунистической партии от Евгения Лившица, который был соавтором Ландау во всемирно известном «Курсе теоретической физики», с жалобой на «идеологически некорректный» пленарный доклад, посвященный теории расширяющейся Вселенной. Записка была должным образом рассмотрена комитетом и… оставлена без последствий.

Войны марксистских философов не имели никакого отношения к политическим репрессиям 1937-1938-го и других лет, во время которых погиб ряд талантливых советских физиков, например Матвей Бронштейн, Лев Шубников, Семен Шубин и Александр Витт, в то время как остальные были арестованы, заключены в тюрьму или сосланы. И хотя казалось, что идеологические войны не влияют на развитие теории относительности в СССР, прогресс был крайне медленным из-за возросшего, как и на Западе, интереса к квантовой теории, борьбы за выживание в процессе быстрой индустриализации, героической и победоносной войны с европейским фашизмом и последующей гонки вооружений во время холодной войны.

Так как советские философы не одобряли математическую идеализацию, послужившую основой общей теории относительности, отвергли они и более позднюю работу Эйнштейна, когда после прибытия в Принстон его захватила идея создания большой объединяющей теории. Он все еще ценил свою предшествующую работу, но хотел сделать нечто более масштабное и улучшенное. Он надеялся свести общую теорию относительности к теории, объединяющей всю фундаментальную физику. Эйнштейн стремился показать, что не только гравитационные взаимодействия, но также электричество и магнетизм и даже некоторые странные эффекты, присущие квантам, могут быть представлены как геометрия пространства-времени. Но если в ситуации с общей теорией относительности физические озарения элегантно согласовывались римановой геометрией, к новой проблеме Эйнштейн решил подойти совсем другим путем. Он отказался от своей потрясающей физической интуиции в пользу математики.

Поле деятельности Эйнштейна не ограничивалась общей теорией относительности. Тридцать лет он цеплялся то за одну, то за другую гипотезу, иногда отказываясь от той или иной возможности, чтобы вернуться к ней годы спустя. Например, он пытался расширить пространство-время с четырех до пяти измерений. Это дополнительное пространственное измерение было свернутым и практически ненаблюдаемым. Его геометрия, или кривизна, играла роль электромагнитного поля, отвечая на заряд и токи в точности так, как в середине XIX века было предсказано Джеймсом Клерком Максвеллом.

Авторство идеи о пятимерной Вселенной принадлежало не Эйнштейну. Ее выдвинули двое молодых ученых: младший приват-доцент из Кенигсбергского университета Теодор Калуца и работавший под руководством Нильса Бора молодой и шедский ученый Оскар Клейн. Вместе они предложили способ практически идеально имитировать электромагнетизм при помощи пятимерного пространства-времени. Вселенные Калуцы и Клейна, на которые Эйнштейн потратил почти двадцать лет своей жизни, наполнены странной формой материи, бесконечным количеством частиц различной массы, распределенных в пространстве и искажающих остальную геометрию пространства-времени. Эйнштейн надеялся, хотя так и не смог этого доказать, что эти дополнительные поля могут быть неразрывно связаны с волновыми функциями, введенными Шрёдингером в его квантовую физику. От этих гипотез он отказался в конце 1930-х, но, что интересно, построения Калуцы-Клейна снова выйдут на сцену в 1970-х, когда в теоретической физике начнется поиск универсальной теории.

Намного больше времени Эйнштейн посвящал попыткам объединения гравитационных взаимодействий и электромагнетизма. Он ввел в геометрическую основу общей теории относительности язык, предложенный Риманом за много десятилетий до ее появления. Исходная теория при описании геометрии и динамики пространства-времени использовала десять неизвестных функций, определяемых из предложенных Эйнштейном уравнений поля. Именно такое количество связанных друг с другом неизвестных было одной из основных причин сложности работы с теорией. Но новую версию, по замыслу Эйнштейна, нужно было расширить, добавив еще шесть функций, три из которых относились к электрической части, а три к магнитной. Сложность состояла в том, чтобы объединить эти шестнадцать функций, сохранив однозначность и предсказуемость теории. В случае успеха результат привел бы к грандиозным выводам одновременно и из общей теории относительности, и из теории электромагнитных взаимодействий. Эйнштейн хотел сделать это красиво с математической точки зрения, но за десятки лет так и не смог найти нужный путь.

Эйнштейн знал, что поиск большой универсальной теории должен был стать доминирующим в физике конца XX века, но пока ему предстояло заниматься этим нереально сложным делом в одиночку. В то время как он без посторонней помощи сражался со своей новой и дьявольски сложной теорией, остальной мир с интересом следил за ним. Время от времени Эйнштейн попадал на первые страницы центральных газет. В ноябре 1928 года заголовок New York Times объявил: «Эйнштейн на пороге большого открытия», а спустя несколько месяцев появилось короткое интервью Эйнштейна с такой припиской: «Эйнштейн поражен суматохой вокруг новой теории. Держит сто журналистов в напряжении целую неделю». Этот уровень внимания и напряженного ожидания сопровождал его и следующие двадцать пять лет. В 1949 году в New York Times снова объявили: «Новая теория Эйнштейна дает ключ к тайнам Вселенной», а несколько лет спустя, в 1953-м, провозгласили: «Эйнштейн предлагает новую теорию для объединения космических законов». Несмотря на внимание популярных газет, среди коллег Эйнштейн начинал чувствовать себя в некотором роде чужаком, а его попытки унификации не находили широкого отклика.

Сбежав из Германии из-за негативного отношения к своей деятельности, Эйнштейн обнаружил, что его новая родина, Соединенные Штаты, также не проявляет к общей теории относительности особого интереса. Молодые ученые с хорошим потенциалом, способные продвинуть ее вперед, были поглощены квантовой физикой, пытаясь применять ее к фундаментальным частицам и взаимодействиям.

В некотором смысле их можно было понять. Ранее общая теория относительности уже принесла ряд успешных открытий, например она обосновала прецессию перигелия Меркурия и гравитационное отклонение света. Она привела к открытию расширяющейся Вселенной, сильно повлияв на наше мировоззрение. Но это было в прошлом. Кроме того, создалось впечатление, что теория относительности может давать только фантастические математические предсказания, такие как решения Шварцшильда или Оппенгеймера и Снайдера для коллапсирующих или сколлапсировавпшх звезд. Доказательством подобных странных решений, существовавших где-то там, в пространстве, была только сама теория. Но в реальности их никто не видел, поэтому имело смысл считать их математическим казусом. А квантовая физика поддавалась экспериментальным измерениям в лабораториях и могла служить для создания каких-то вещей. Однако было ясно, что общая теория относительности может давать и еще более странные результаты, что смог показать логик Курт Гёдель.

Путь из дома в институт Эйнштейн не всегда совершал в одиночку. Часто этого эксцентричного и неаккуратно выглядящего профессора с всклокоченными волосами и добрым взглядом сопровождала маленькая фигурка, всегда укутанная в тяжелое пальто, с глазами, скрытыми за толстыми линзами очков. Пока Эйнштейн рассеянно двигался к главному зданию института, этот человек плелся следом, спокойно выслушивая монологи Эйнштейна и отвечая ему высоким голосом. Эйнштейн наслаждался прогулками с этим странным маленьким человеком и доверял ему. Его другом стал Курт Гёдель, ученый, ответственный за пересмотр современной математики. К изумлению Эйнштейна, Гёдель смог значительно расширить общую теорию относительности.

Гёдель приехал из Вены, которая в начале столетия представляла собой интеллектуальный центр. В ее кофейнях, которые стали домом для Эрнста Маха, Людвига Больцмана, Рудольфа Карнапа, Густава Климта и целого ряда гениальных мыслителей, процветал свободный дух дискуссий. Наиболее престижным из неформальных сообществ был получивший Мировую известность «Венский кружок». Туда попадали только по приглашениям, и Гёдель оказался в числе немногих избранных.

В отличие от Эйнштейна Гёдель получал в школе отличные отметки по всем предметам, а в университете считался выдающимся студентом. Он заигрывал с физикой, но представлял, как соединить ее с математикой в одну логичную конструкцию. Он оперативно изучал разработки, которые с удивительной скоростью штамповали философы и математики в попытках создать нерушимую теорию математики, в которой не будет места нерациональности, допущениям и обходным маневрам. Именно такой план продвигал правивший в Геттингене Давид Гильберт.