История общей теории относительности связана не только с прошлым. За последние десять лет стало понятно, что если общая теория относительности верна, то большая часть нашей Вселенной является темной. Ее заполняет материя, которая не только не излучает свет, но даже не отражает и не поглощает его. Существует огромное количество эмпирических данных. По всей видимости, почти треть Вселенной состоит из темной материи: тяжелого, невидимого вещества, роящегося по галактикам, как множество рассерженных пчел. Остальные две трети имеют вид эфирной субстанции, темной энергии, которая раздвигает пространство в стороны. И только четыре процента Вселенной состоит из привычных для нас атомов. Нас практически не видно. Но это в случае, если теория Эйнштейна верна. Однако существует вероятность, что мы просто достигли пределов ее применимости, где теория начинает давать сбои.
Теория Эйнштейна имеет важное значение для новой фундаментальной теории природы, из-за которой физики-теоретики рвут друг другу глотки. Теория струн, пытающаяся зайти дальше, чем Ньютон с Эйнштейном, и объединить все природные явления, опирается на сложные варианты пространства-времени, приобретающие при увеличении размерности странные свойства. Эту теорию, куда более запутанную, чем любые построения Эйнштейна, одни прославляют как окончательную победу, другие же считают скорее романтической фантазией, чем наукой. Хотя теория струн не появилась бы без общей теории относительности, многие практикующие релятивисты смотрят на нее весьма скептически.
Темная материя, темная энергия, черные дыры, теория струн — все эти порождения теории Эйнштейна доминируют в физике и астрономии. Читая лекции в университетах, посещая семинары и участвуя в заседаниях Европейского космического агентства, отвечающего за важнейшие научно-исследовательские спутники, я понял, что мы находимся на пороге важных преобразований в современной физике. У нас есть талантливые молодые ученые, рассматривающие общую теорию относительности с позиций опыта, накопленного за век работы гениальных людей. Они анализируют теорию Эйнштейна, вооружившись беспрецедентными вычислительными мощностями, рассматривая альтернативные варианты теорий, способные опровергнуть концепции Эйнштейна, и пытаясь найти в космосе неизвестные объекты, позволяющие подтвердить или оспорить основные положения общей теории относительности. Еще более широкое научное сообщество разом получило стимул к созданию грандиозных машин, позволяющих заглянуть глубже в космос и получить более четкую картину, спутников, настроенных на поиск доказательств того, что предсказала нам теория Эйнштейна.
История общей теории относительности необыкновенна и всеобъемлюща, поэтому ее следует рассказать миру. Ведь даже войдя в XXI век, мы продолжаем сталкиваться с множеством порожденных ею великих открытий и оставшихся без ответа вопросов. В ближайшие годы должно произойти что-то действительно важное, и нужно понимать, откуда оно придет. Я подозреваю, что если XX век стал веком квантовой физики, то в XXI в полной мере проявит себя общая теория относительности.
Глава 1.
Человек в свободном падении
Осенью 1907 года Альберт Эйнштейн работал в стрессовых условиях. Ежегодник Electronics and Radioactivity попросил его прислать полный обзор теории относительности. Обобщить столь солидный труд за короткий срок было непросто, особенно если учесть, что работать приходилось исключительно в свободное время. С 8 утра до 6 вечера с понедельника по субботу Эйнштейн находился в Федеральном бюро патентования изобретений в только что построенном здании почты и телеграфа, где он тщательно изучал схемы вновь придуманных электрических устройств и пытался определить, есть ли в них какая-либо ценность. Начальник советовал ему: «Взяв в руки заявку, представь, что все написанное изобретателем — вранье», и Эйнштейн старательно следовал этому совету. Большую часть дня заметки и расчеты, связанные с его собственными теориями, лежали во втором ящике стола, который Эйнштейн называл своей «кафедрой теоретической физики».
Обзор Эйнштейна был призван закрепить торжественное объединение механики Галилео Галилея и Исаака Ньютона с теориями электричества и магнетизма Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла. Он объяснял бы открытое несколькими годами раньше замедление хода часов при движении и уменьшение размеров движущихся тел. Он проливал бы свет на странную формулу, демонстрирующую взаимозаменяемость массы и энергии и утверждающую, что превысить скорость света невозможно. Обзор принципа относительности показал бы, что почти вся физика должна определяться новым общим набором правил.
За несколько месяцев 1905 года Эйнштейн написал ряд работ, которые преобразовали физику. Во вдохновенном порыве он продемонстрировал, что свет ведет себя как пучки энергии, напоминающие частицы материи. Также им было показано, что хаотичные перемещения пылинок на поверхности налитой в блюдце воды вызваны молекулами воды, вибрирующими и отскакивающими друг от друга. Кроме того, он решил проблему, досаждавшую физикам почти полвека: почему кажется, что действие физических законов зависит от того, каким образом мы на них смотрим. Все это Эйнштейн систематизировал в своем принципе относительности.
И эти ошеломляющие открытия Эйнштейн сделал, работая скромным патентным экспертом в Берне и попутно анализируя научные и технические разработки того времени. В 1907 году он все еще находился там, так и не попав в, казалось бы, избегающие его высокие академические круги. На самом деле Эйнштейн мало напоминал человека, способного переписать часть основных физических законов. Во время обучения в высшей технической школе Цюриха он пропускал не интересующие его лекции и восстанавливал против себя людей, которые могли бы пестовать его гений. Один из профессоров сказал ему: «Вы очень умный мальчик… Но у вас есть один недостаток: вы никогда не позволяете, чтобы вам на что-либо указывали». Из-за того, что научный руководитель запретил Эйнштейну работать над самостоятельно выбранной темой, его финальная работа оказалась столь унылой, что заслужила крайне низкий балл, впоследствии помешавший ему получить должность ассистента во всех университетах, куда он посылал заявки.
С момента выпуска в 1900 году до поступления на работу в патентное бюро в 1902 карьера Эйнштейна представляла собой цепь неудач. Довершил его разочарование тот факт, что отправленная в 1901 году в Цюрихский университет докторская диссертация годом позже была отклонена. В представленной рукописи Эйнштейн опровергал ряд идей, выдвинутых одним из величайших физиков-теоретиков конца XIX века Людвигом Больцманом. Попытка иконоборчества потерпела фиаско. И докторскую степень он получил только в 1905 году за работу «Новое определение размера молекул». Для себя же Эйнштейн обнаружил, что степень «значительно облегчает взаимоотношения с людьми».
Пока он пробивал себе путь, его друг Марсель Гроссман шел к должности достопочтимого профессора кратчайшим путем. Именно благодаря дисциплинированному, старательному и любимому учителями Гроссману, который подробно и тщательно вел конспекты лекций, Эйнштейну удалось удержаться в университете. Во время обучения в Цюрихе Гроссман стал близким другом Эйнштейна и его будущей жены Милевы Марич. Все трое окончили университет одновременно. В отличие от карьеры Эйнштейна, карьера Гроссмана с самого начала шла гладко. В 1902 году он был назначен ассистентом в Цюрихе и в 1902 получил докторскую степень. После недолгой преподавательской деятельности Гроссман стал профессором начертательной геометрии в Швейцарской высшей технической школе в Цюрихе. Эйнштейну же не удавалось устроиться даже на место школьного учителя. И только благодаря рекомендации отца Гроссмана, знакомого с главой Федерального бюро патентования изобретений, Эйнштейн был взят на должность патентного эксперта.
