К 1913 году заслуги Эйнштейна перед физикой были уже столь велики, что к нему в Цюрих из Берлина приехал Планк — с предложением королевским и даже императорским. За год до того возглавивший физико-математическое отделение Прусской Академии наук, Планк предложил Эйнштейну принять выдвижение в члены Академии, профессорскую должность в Берлинском университете без обязанностей преподавать и руководство создаваемым Институтом физики. Германский император и король Пруссии Вильгельм II одобрил это предложение, и 2 июля 1914 года состоялся торжественный прием Эйнштейна в Академию, на котором — по традиции — он произнес речь. Речь он начал с благодарности за то, что это избрание освободило от «забот службы и позволило полностью посвятить себя занятиям наукой», а говорил о соотношении теории и эксперимента:
Перед теоретиком стоят две разные задачи: отыскать общие принципы, из которых можно вывести проверяемые следствия, и получить сами эти следствия. Для второй задачи теоретика готовят в университете. Совершенно иного рода первая. Не существует метода, который можно выучить, чтобы его успешно применять. Исходные принципы теоретик должен выведать у природы, разглядев общие черты множества опытных фактов. Пока же такие принципы не найдены, отдельные факты бесполезны. В подобном положении находится квантовая теория с тех пор, как Планк показал, что соответствующий опытам закон теплового излучения можно рассчитать с помощью квантовой гипотезы, несовместимой с классической механикой Галилея — Ньютона. Гипотеза эта за прошедшее с тех пор время блестяще подтверждена. Но, несмотря на усилия теоретиков, до сих пор не удалось заменить принципы механики на такие, из которых следовал бы планковский закон теплового излучения. Мы находимся в том же положении, что и астрономы до Ньютона. Но есть и случай, когда четко сформулированные принципы ведут к следствиям, не доступным пока исследованию. Это — теория гравитации. Понадобятся, быть может, многолетние опыты, чтобы проверить обоснованность положенных в ее основу принципов.
Эйнштейн говорит о только что опубликованном «Проекте теории гравитации».
В ответной речи Планк, воздав должное новоизбранному академику, не скрыл своего скептического отношения к этому его проекту. Планк защищал теорию относительности от ее автора и при этом упомянул об экспедиции для наблюдений предстоящего солнечного затмения, которые должны были проверить предсказанное Эйнштейном искривление лучей света под действием гравитации. Закончил Планк тем, что в физике «острейшие противоречия разрешаются при полном уважении и сердечном отношении друг к другу».
Иначе обстояли дела в мировой политике, противоречия которой вторглись в ход истории науки и в историю мировой славы Эйнштейна. Солнечное затмение предстояло наблюдать в России 21 августа 1914 года, и германская астрономическая экспедиция уже была там, готовясь к наблюдениям, когда 1 августа началась мировая война. Руководителя германской экспедиции, астронома Фрейндлиха, интернировали, оборудование конфисковали.
А начнись война на месяц позже, и нынешней непомерной славы Эйнштейна, скорее всего, не было бы.
Дело в том, что в 1914 году проверялось бы предсказание Эйнштейна, сделанное на основе лишь принципа эквивалентности. Соответствующее отклонение луча света было в два раза меньше истинного, полученного Эйнштейном из завершенной теории гравитации в конце 1915 года. Стало быть, измерения германских астрономов в 1914 году опровергли бы предсказание германского физика, а исправление предсказания в 1915 году в глазах неспециалистов-журналистов выглядело бы вынужденным. И уж во всяком случае никакого триумфа для Эйнштейна.
Триумф состоялся пять лет спустя, вскоре после окончания мировой войны, когда британская астрономическая экспедиция в Африке и Бразилии наблюдала полное солнечное затмение 29 мая 1919 года. О результатах измерений, подтвердивших теорию Эйнштейна, было доложено 7 ноября на совместном заседании Королевского общества (Британской академии наук) и Астрономического общества, где президент Королевского общества Дж. Томсон назвал теорию Эйнштейна «одним из величайших, а возможно, и самым великим достижением в истории человеческой мысли».
Об этом 9 ноября сообщили заокеанская «Нью-Йорк таймс» и другие газеты мира. Газетный рассказ о чисто научном событии был удивительно подробным, с указанием измеренной величины 1,98 угловых секунд с возможной ошибкой 6 % и предсказанной в теории Эйнштейна величины 1,7 угловых секунд (такого масштаба величина соответствует монете, разглядываемой на расстоянии одного километра). Сообщено было также, что точности измерений не хватило для проверки второго предсказания Эйнштейна — о сдвиге частоты света. В следующие несколько недель «Нью-Йорк таймс» еще пять раз возвращалась к теме.
Так родилась публичная мировая слава Эйнштейна.
Крохотная величина кажущегося сдвига нескольких звезд не имела никакого практического значения для обычной жизни людей, но, можно сказать, была обратно пропорциональна публичному эффекту. Причины этого связывают с тогдашним мировым контекстом. Только что закончилась страшная война, в которой солдаты Германии и Британии стреляли друг в недруга, пылала иррациональная международная ненависть, миллионы были убиты и искалечены. А тут британские астрономы подтверждают теорию германского физика, говорящую о пространстве, времени, лучах света от дальних звезд… Что могло лучше символизировать мирное рациональное мироустройство?
В публичной реакции на событие научной жизни 1919 года, однако, не упоминалось самое крупное открытие во всей истории науки — самое крупное по физическим размерам.
В 1917 году Эйнштейн открыл Вселенную.
Глава 8
Открытие Вселенной
Новый физический объект — Вселенная
Слово «вселенная» настолько обычно в русском языке, что его не выкинешь из народной песни:
Всю-то я вселенную проехал,
Нигде милой не нашел.
…………………………………
За твои за глазки голубые
Всю вселенную отдам!
До 1917 года слово «вселенная» было не столько существительным, сколько собирательным и означало «весь видимый мир» — все, что кто-то как-то мог бы увидеть.
В начале 1917 года, однако, это неопределенное слово стало новым физическим понятием, обозначив один вполне определенный — самый большой — физический объект. Новое слово физики появилось в десятистраничной статье Эйнштейна, где родилась и новая наука — космология. Ранее космологию относили к метафизике, точнее было бы сказать, к недофизике, где нет ничего количественного, а лишь слова, слова, слова. Эйнштейн же указал вполне определенные количественные свойства нового физического объекта, свойства, доступные для экспериментальных, наблюдательных исследований. В обычной астрофизике не хватает места для космологии не потому, что ее главный объект слишком велик, а из-за того, что он — один в своем роде.
Рождение новой науки не стало сенсацией — еще полыхала мировая война, а Эйнштейн еще не был знаменитостью. Слава и признание гениальности обрушатся на него два года спустя не за открытие Вселенной, а за предсказание еле заметного отклонения лучей света под воздействием притяжения Солнца. Оба достижения — следствия его теории гравитации, завершенной в 1916 году. Но если отклонение лучей света — долгожданный результат драматических восьмилетних усилий, то космология — неожиданная премия.
Подобную премию получил когда-то Максвелл после своих десятилетних поисков электромагнитной теории. Он обнаружил, что одно из решений его уравнений описывает распространение электромагнитных колебаний, в которых он опознал световые волны.
Новая теория гравитации Эйнштейна уточнила теорию Ньютона с помощью основного уравнения:
[R] = (G/c2) [T],
где [R] — геометрия пространства-времени, [T] — распределение вещества, G — гравитационная постоянная, c — скорость света. Решения этого уравнения описывают и движение луча света, и движение планеты вокруг звезды, но еще, как обнаружил Эйнштейн, могут описать и Вселенную в целом.
Обстоятельства этого открытия демонстрируют, что прихотливый путь истории науки мало похож на асфальтированное шоссе.
Чтобы ввести Вселенную в свою теорию гравитации, Эйнштейн предположил, что вселенское вещество распределено равномерно, то есть что в разных местах Вселенной одна и та же средняя плотность «для областей пространства, больших по сравнению с расстоянием между соседними неподвижными звездами, но малых по сравнению с размерами всей звездной системы».
Во-вторых, «самым важным опытным фактом о распределении вещества» он назвал то, что «относительные скорости звезд очень малы по сравнению со скоростью света». По сути же предположил, что средняя плотность Вселенной постоянна во времени.
Выражение «неподвижные звезды» напоминает о древней «сфере неподвижных звезд». Их неподвижность была очевидной, поскольку даже ближайшие звезды в тысячи раз дальше самой дальней планеты, и, стало быть, движения звезд в тысячи тысяч раз менее заметны. Такие движения астрономы заметили лишь во времена Ньютона — обнаружили, что положения нескольких звезд, нанесенных на карту неба древними греками, за два тысячелетия изменились на полградуса. Век спустя удалось измерить расстояние до некоторых звезд. И еще почти столетие можно было называть Вселенную «всей звездной системой», как это сделал и Эйнштейн в 1917 году.
Космологии повезло, что ее основатель не следил за новостями дальней астрономии. А там шел Великий спор. Дальняя астрономия помимо звезд знала еще и туманности. Одна тянется полосой через все небо и видна невооруженному глазу. Это — Млечный Путь, или по-гречески Галактика. Галилей, глядя в свой телескоп, обнаружил, однако, что это небесное молоко состоит из огромного числа крупинок-звезд. Отсюда возникла гипотеза, что и другие туманности — гораздо меньшие по видимым размерам — представляют собой звездные системы, подобные Млечному Пути, — другие галактики. К 1924 году астрономы убедились, что действительно многие туманности — это огромные звездные системы, удаленные от нашей Галактики. С тех пор Вселенную называют системой галактик, каковых — на сегодняшний день — насчитано сотни миллиардов. А в каждой галактике — миллиарды звезд.
В 1917 году Эйнштейн не знал о галактиках, но как мог он предположить равномерное распределение звезд во Вселенной?! Простой взгляд на небо опровергает это. Неравномерность расположения звезд очевидна: Млечный Путь — явное и несомненное сгущение звезд. Как стало известно позже, равномерно лишь распределение галактик, о чем Эйнштейн не ведал.
Другое его предположение правдоподобней: действительно, как скорости звезд могут сравниться со скоростью света?! Но говорить-то надо не о звездах, а о туманностях-галактиках. Фактически Эйнштейн подразумевал, что средняя плотность Вселенной постоянна во времени. Но почему?! Неудивительно, что астроном Виллем де Ситтер, единственный упомянутый в статье Эйнштейна, не принял этих предположений и искал иное решение эйнштейновских уравнений гравитации.
Эйнштейн же считал, что отказ от упрощающих предположений — это отказ от решения. И его предположения дали вполне определенное решение — вполне определенную форму Вселенной, сферически симметричную, конечную и безграничную, как и положено всякой сфере — и двухмерной и трехмерной. Радиус вселенской сферы R определялся плотностью вещества:
1/R2 = (G/c2).
Астронаблюдатели могли проверять это соотношение, оценивая по отдельности плотность и кривизну пространства, особенно «не заморачиваясь», как эта формула получилась у астротеоретика Эйнштейна. Зато ему пришлось поморочиться. Дело в том, что принятое им предположение о плотности вещества, постоянной в пространстве-времени, будучи подставлено в его уравнение
[R] = (G/c2) [T] ,
давало лишь очень скучное решение: нулевая плотность и плоская геометрия пространства-времени, никаких звезд и сплошная космическая пустота.
Эйнштейн придумал выход, добавив в свои уравнения нечто, не имевшее никаких оснований в тогдашней физике, — некую новую универсальную константу:
[R] + []= (G/c2) [T].
И получил гораздо более интересное решение, связавшее радиус сферической Вселенной R и ее плотность с величиной новой константы
1/R2 = (G/c2) = λ.
Эта связь оправдала и само диковинное третье предположение: чрезвычайно малая плотность Вселенной (из-за огромных расстояний между звездами и галактиками) означала огромный радиус вселенской сферы и суперчрезвычайную малость новой константы. Потому-то можно было не беспокоиться о влиянии новой константы на уже известные и подтвержденные гравитационные эффекты планетного масштаба.
И все же не странно ли, что год спустя после того, как Эйнштейн получил свои долгожданные уравнения гравитации, он решился их изменить? Он понимал это, написав другу: «В теории гравитации я сделал нечто такое, за что меня могут посадить в сумасшедший дом».
Совершенно иначе смотрел на новую константу де Ситтер — первый собеседник и соучастник Эйнштейна в решении космологической задачи. Голландский астроном высшей математической пробы, он еще в 1910 году включился в поиск новой теории гравитации. В частности, он выяснял, способны ли предложенные теории объяснить неньютоново движение Меркурия, и знал, что не способны. Поэтому успех Эйнштейна, объяснившего это астроявление в 1915 году, был для него важнейшим событием, поднявшим авторитет германского физика до небес. И когда Эйнштейн дерзнул и необъятные небеса объял физической теорией, де Ситтер присоединился первым. Он, правда, счел неубедительными упрощения Эйнштейна и придумал свое, астрономически резонное: если плотность вещества во Вселенной столь мала, то почему не предположить для упрощения, что ею можно вовсе пренебречь, то есть считать плотность вещества нулевой. Соответствующее решение, при наличии космологической постоянной, давало вполне определенную и весьма особую геометрию пространства-времени, которую надо было изучать и прикладывать к астрономическим наблюдениям.
Говорить о геометрии в отсутствии вещества было, однако, выше сил физика Эйнштейна, и он решение де Ситтера не принял всерьез. А впоследствии считал введение космологической константы своей ошибкой. И оказался неправ — сегодняшние космологи не мыслят своей науки без величины, которая у них, правда, перестала быть универсальной константой, и в ней появилась физическая начинка, но это — уже другая история и пока еще не история науки, а ее сегодняшний день.
Физики ценят великих коллег не за их ошибки. А историкам дороги и ошибки, если они помогают понять драматизм истории открытий, сделанных живыми людьми, которым тоже свойственно ошибаться.
Выясняя физику Вселенной, Эйнштейн следовал своему принципу делать все как можно проще, но не проще, чем надо. Однако незаметно нарушил его — переупростил Вселенную. Пять лет спустя это понял российский математик Александр Фридман.
Александр Фридман: «Вселенная не стоит на месте»
Весной 1922 года в главном физическом журнале того времени — «Zeitschrift fьr Physik» появилось обращение «К физикам Германии». Правление Германского физического общества сообщало о трудном положении коллег в России, которые с начала войны не получали немецких журналов. Поскольку лидировала тогда физика немецкоязычная, речь шла о жестоком информационном голоде. У немецких физиков просили публикации последних лет для пересылки в Петроград.
В том же самом журнале, двадцатью пятью страницами ниже, помещена статья, полученная из Петрограда и противоречащая призыву о помощи. Имя автора — Александра Фридмана — физикам было неизвестно, но статья с названием «О кривизне пространства» претендовала на многое. Автор утверждал, что решения Эйнштейна и де Ситтера, опубликованные за пять лет до того, не единственно возможные, а лишь весьма частные случаи, что плотность, постоянная по всему пространству, вовсе не обязана быть постоянной во времени. Именно в этой статье впервые сказано о «расширении Вселенной». Астрономическим фактом оно станет семь лет спустя; еще предстоит измерять и вычислять, сколько миллиардов лет расширение длилось и каково расстояние до космического горизонта, но горизонт науки расширил в 1922 году 34-летний Александр Фридман.
Александр Фридман
Если, набравшись смелости, уподобить Вселенную маятнику, то решения космологической задачи, полученные Эйнштейном и де Ситтером, можно сопоставить положениям маятника в покое. Таких положений два: когда маятник просто висит и когда он стоит «вверх ногами». А Фридман обнаружил, что вселенский маятник вовсе не обязан покоиться, ему гораздо естественней двигаться. И рассчитал закон движения на основе уравнений Эйнштейна. При этом показал, что движение возможно и при равной нулю космологической константе. Вселенная может и расширяться и сжиматься в зависимости от ее плотности и скорости в некий момент. Итак,