Страница:
Например, Галилей заметил, что частота колебаний маятника не зависит от того, насколько велик размах колебаний. Это верно потому что пока амплитуда колебаний достаточно мала, маятник является линейной системой; скорости изменения его отклонения и его импульса пропорциональны, соответственно, импульсу и отклонению. Все часы используют это свойство колебаний линейных систем, идет ли речь о маятниковых, пружинных или кварцевых часах. Несколько лет назад, после разговора с Дэвидом Уайнлендом из Национального бюро стандартов, я понял, что вращающиеся вокруг своей оси ядра, используемые в Бюро для создания эталонов времени, позволяют осуществить превосходный тест линейности квантовой механики; в моей слегка нелинейной альтернативной теории частота, с которой направление спина ядра прецессирует вокруг направления магнитного поля, должна очень слабо зависеть от угла между спином и магнитным полем. Из того факта, что в Бюро стандартов никогда не наблюдали подобного эффекта, я сделал вывод, что любые нелинейные эффекты в изучавшемся ядре (изотопе бериллия) не могут привести к изменению энергии ядра на величину, большую, чем 10
?18(в относительных единицах). После этой моей работы Уайнленд и другие экспериментаторы из Гарварда, Принстона и других лабораторий улучшили точность измерений, так что сейчас мы знаем, что нелинейные эффекты давали бы еще меньший вклад. Таким образом, даже если линейность квантовой механики приближенна, это приближение очень хорошее.
Все это не вызывает особого удивления. Даже если существуют малые нелинейные поправки к законам квантовой механики, нет никаких оснований полагать, что эти поправки окажутся достаточно заметными, чтобы быть обнаруженными в первой же серии нацеленных на это экспериментов. Что меня действительно разочаровало, так это то, что нелинейная альтернатива квантовой механике, как оказалось, содержит внутренние теоретические трудности. Сначала я не сумел найти способ распространить нелинейную версию квантовой механики на теории, основанные на специальной теории относительности Эйнштейна. Затем, уже после того, как была опубликована моя работа, Н. Гизин из Женевы и мой коллега Джозеф Польчински из Техасского университета независимо показали, что в мысленном эксперименте Эйнштейна–Подольского–Розена, упоминавшемся Крошкой Тимом, нелинейные свойства альтернативной теории могутбыть использованы для мгновенной посылки сигналов на большие расстояния, что безусловно запрещено специальной теорией относительности [70]. В конце концов к настоящему времени я прекратил всякую работу над этой проблемой; я просто не знаю, как можно немного изменить квантовую механику, не разрушив ее в результате до основания.
Этот крах теоретической попытки найти приемлемую альтернативу квантовой механике в еще большей степени, чем точные эксперименты по проверке линейности, убеждает меня, что квантовая механика такова, какова она есть, потому что любое ее малое изменение обязательно приведет к логическим противоречиям. Если это так, то квантовая механика должна быть постоянной частью физики. Иными словами, квантовая механика должна выжить не как приближение к более глубокой истине, подобно тому, как ньютоновская теория тяготения сохранилась как приближение к эйнштейновской общей теории относительности, а как точно выполняющееся свойство окончательной теории.
Глава V. Рассказы о теории и эксперименте
Я хочу теперь рассказать три истории об успехах физики ХХ в. Из всех этих историй можно извлечь поучительный вывод: физики очень часто руководствуются чувством прекрасного, причем это проявляется не только при создании новых теорий, но даже тогда, когда они судят о применимости уже созданных. Похоже, что мы постоянно учимся тому, как предугадывать красоту природы на самом глубоком уровне. Нет ничего прекраснее сознания, что мы действительно продвигаемся вперед к раскрытию окончательных законов природы.
Мой первый рассказ – об общей теории относительности (ОТО), иначе говоря эйнштейновской теории тяготения. Эйнштейн создал свою теорию в 1907–1915 гг. и представил ее миру в серии статей 1915–1916 гг. Если говорить очень коротко, то вместо ньютоновской картины тяготения как притяжения между всеми массивными телами общая теория относительности описывает тяготение как эффект, обусловленный кривизной пространства-времени, которую создают и вещество, и энергия. К середине 1920-х гг. эта революционная теория стала общепринятой как правильная теория тяготения, и с тех пор такая точка зрения не изменилась. Как это случилось?
Сразу же, в 1915 г., Эйнштейн заметил, что его теория разрешает старый конфликт между наблюдениями в Солнечной системе и ньютоновской теорией. Еще в 1859 г. было установлено, что поведение орбиты планеты Меркурий не укладывается в рамки ньютоновской теории. Если предположить, что во Вселенной нет ничего, кроме Солнца и одной единственной планеты, то, согласно механике Ньютона и его же теории тяготения, эта планета должна двигаться вокруг Солнца по идеальному эллипсу. Ориентация эллипса, т.е. расположение его большой и малой полуосей в пространстве, никогда не изменяется; все выглядит так, как будто орбита планеты закреплена в пространстве. На самом деле в Солнечной системе имеются другие планеты, которые несколько искажают гравитационное поле Солнца, так что в результате эллиптические орбиты всех планет прецессируют [71], т.е. медленно поворачиваются в пространстве. В XIX в. стало известно, что орбита Меркурия поворачивается на угол, равный примерно 575 угловым секундам за сто лет. (Напомним, что один градус равен 3 600 угловых секунд.) Однако ньютоновская теория предсказывала, что орбита Меркурия должна прецессировать на угол, равный всего лишь 532 угловым секундам за сто лет. Таким образом, возникло расхождение в 43 угловых секунды за столетие. Другой способ осознать этот результат таков: если вы подождете 225 000 лет, то эллиптическая орбита Меркурия, совершив полный оборот на 360°, вернется в исходное положение, в то время как ньютоновская теория предсказывает, что это займет 244 000 лет. Казалось бы, расхождение не так уж и велико, но оно тревожило астрономов на протяжении более чем полувека. Когда Эйнштейн в 1915 г. начал рассматривать следствия своей новой теории, он сразу же сумел объяснить дополнительную прецессию орбиты Меркурия, равную 43 угловым секундам за сто лет. (Один из эффектов, дающих вклад в эту прецессию в теории Эйнштейна, это дополнительное гравитационное поле, порожденное энергией самого гравитационного поля. В ньютоновской теории тяготения гравитационное поле порождается только массой, а не энергией, поэтому такого добавочного гравитационного поля не возникает.) Позднее Эйнштейн вспоминал, что, получив этот результат, он в течение нескольких дней был вне себя от радости.
После Первой мировой войны астрономы подвергли общую теорию относительности дальнейшей экспериментальной проверке, измерив отклонение световых лучей Солнцем во время полного солнечного затмения 1919 г. Согласно эйнштейновской теории фотоны в световом луче отклоняются гравитационными полями. Это похоже на поведение кометы, прилетевшей в Солнечную систему с далекого расстояния. Комета отклоняется гравитационным полем Солнца, совершает вокруг Солнца оборот и в результате опять уходит в межзвездное пространство. Конечно, отклонение луча света намного меньше, чем отклонение кометы, так как свет распространяется намного быстрее. Быстрые кометы тоже отклоняются меньше, чем медленные. Если общая теория относительности верна, то отклонение светового луча, проходящего вблизи поверхности Солнца, должно составлять 1,75 угловых секунды или примерно пять десятитысячных долей градуса. (Чтобы измерить отклонение луча, астрономы вынуждены ждать солнечного затмения, потому что они пытаются наблюдать искривление световых лучей, приходящих от далеких звезд и проходящих вблизи Солнца. Понятно, что трудно увидеть звезды вблизи Солнца, если только солнечный свет не экранируется Луной, как это и бывает во время затмения. Таким образом, астрономы измеряют положение нескольких звезд на небесной сфере за шесть месяцев до затмения, когда Солнце находится на другой стороне неба, а затем шесть месяцев ждут этого затмения и измеряют, насколько лучи света от тех же самых звезд искривили свой путь в результате прохождения рядом с Солнцем, что проявляется в сдвиге видимого положения звезд на небе.) В 1919 г. британские астрономы снарядили экспедиции для наблюдения солнечного затмения в двух местах: в маленьком городе в северо-восточной части Бразилии и на острове в Гвинейском заливе. Они обнаружили, что в пределах экспериментальных погрешностей отклонение лучей света от нескольких звезд соответствует предсказаниям Эйнштейна. С этого момента общая теория относительности получила шумную известность во всем мире и стала предметом бесед в салонах.
Так разве непонятно, почему ОТО вытеснила ньютоновскую теорию тяготения? Новая теория объяснила одну давно известную аномалию, дополнительную прецессию Меркурия, и затем предсказала новый поразительный эффект – отклонение луча света Солнцем. Чего же еще?
Конечно, аномальная прецессия Меркурия и отклонение луча света были очень важной частью всей этой истории. Но, как всегда бывает в истории науки (а я подозреваю, что и в истории чего угодно), вся простота проблемы испаряется, если присмотреться к ней повнимательнее.
Рассмотрим расхождение между ньютоновской теорией и наблюдаемым движением Меркурия. Даже если мы ничего не знаем об ОТО, разве это расхождение не указывает нам вполне ясно, что что-то неладно с ньютоновской теорией тяготения? Совсем не обязательно. Любая теория вроде ньютоновской теории тяготения имеет такое огромное количество приложений, что все время сталкивается с какими-то экспериментальными аномалиями. Не существует теории, которая не противоречила бы какому-нибудь эксперименту. На протяжении всей своей истории ньютоновская теория Солнечной системы противоречила разным астрономическим наблюдениям. К 1916 г. в число таких расхождений входили не только аномальная прецессия орбиты Меркурия, но и аномалии в движении комет Галлея и Энке, а также в движении Луны. Во всех этих случаях реальное поведение тел не объяснялось ньютоновской теорией. Сейчас мы знаем, что объяснение аномалий в движении комет и Луны не имеет никакого отношения к основам теории тяготения. Кометы Галлея и Энке ведут себя не так, как следует из вычислений с помощью ньютоновской теории, потому что никто не знает, как правильно учесть в этих вычислениях то давление, которое оказывают газы, вылетающие из ядра движущейся по орбите кометы, когда она нагревается, проходя близко от Солнца. Аналогично, движение Луны очень сложно, так как Луна все-таки довольно большое тело и поэтому она подвержена влиянию разного рода сложных приливных сил. Оглядываясь назад, мы не должны удивляться, что при применении ньютоновской теории к этим явлениям возникли расхождения. Кроме того, было несколько предложений, как можно было бы объяснить аномалию в движении Меркурия в рамках ньютоновской теории. Одна из возможностей, серьезно обсуждавшихся в начале века, заключалась в том, что между Меркурием и Солнцем якобы имеется какое-то вещество, слегка искажающее гравитационное поле Солнца. Заметим, что ни одно из расхождений между теорией и экспериментом, образно говоря, не вскакивает, не размахивает флагом и не кричит: «Я самое важное расхождение!» Ученый конца XIX и начала ХХ вв., критически рассматривавший все данные, не мог с уверенностью прийти к выводу, что в какой-то из известных аномалий в Солнечной системе есть что-то особо важное. Нужна была теория, которая могла бы объяснить, какое же из наблюдений важно на самом деле.
Как только в 1915 г. Эйнштейн показал, что расчет дополнительной прецессии орбиты Меркурия с помощью ОТО приводит к наблюдаемому значению в 43 угловые секунды за сто лет, это сразу же явилось, конечно, серьезным свидетельством в пользу теории. На самом деле, как я поясню ниже, к этому свидетельству следовало бы отнестись еще более серьезно. Может быть, из-за обилия других возможных возмущений орбиты Меркурия, может быть, из-за сомнений в ценности теорий, подтверждаемых уже существующими данными, а может быть, просто из-за того, что шла война, но так или иначе успешное объяснение Эйнштейном прецессии Меркурия нельзя и рядом поставить с тем воздействием, которое оказало сообщение экспедиции 1919 г. по изучению солнечного затмения, подтвердившей эйнштейновское предсказание отклонения луча света Солнцем.
Обратимся к этому явлению. Начиная с 1919 г., во время ряда затмений астрономы продолжали проверять предсказание Эйнштейна. Такие затмения наблюдались в Австралии в 1922 г., на острове Суматра в 1929 г., на территории СССР в 1936 г. и в Бразилии в 1947 г. Результаты некоторых наблюдений, похоже, находились в согласии с эйнштейновской теорией, но были и такие, которые существенно с ней расходились. И хотя экспедиция 1919 г. на основе наблюдения дюжины звезд сообщила о 10%-й экспериментальной погрешности в измерении отклонения и о том, что наблюдения согласуются с предсказаниями теории Эйнштейна с такой же 10%-й точностью, некоторые последующие экспедиции не смогли достичь этой точности, несмотря на то, что наблюдали много больше звезд. Правда, затмение 1919 г. было особенно удобным для таких наблюдений. И все же я склонен считать, что астрономы из экспедиции 1919 г. при анализе своих данных были охвачены чрезмерным энтузиазмом в отношении ОТО.
Действительно, многие ученые того времени скептически относились к данным, полученным во время затмения 1919 г. В докладе Нобелевскому комитету в 1921 г. [72]Сванте Аррениус упоминал многочисленную критику обнародованных результатов по измерению отклонения лучей света. Однажды в Иерусалиме я встретил престарелого профессора Самбурского, который в 1919 г. был коллегой Эйнштейна в Берлине. Он рассказал мне, что астрономы и физики в Берлине весьма сомневались в том, что британским астрономам удалось на самом деле осуществить столь аккуратную проверку теории Эйнштейна.
Я и в мыслях не могу допустить, что в эти наблюдения вкрался какой-то сознательный обман. Вы только представьте себе все те неопределенности, с которыми вы сталкиваетесь, пытаясь измерить отклонение луча света Солнцем. Вы наблюдаете звезду, находящуюся на небе рядом с солнечным диском в тот момент, когда Солнце заслоняется Луной. Вы должны сравнить положение звезды на двух фотопластинках, сделанных с интервалом в шесть месяцев. Во время этих двух наблюдений телескоп может быть чуть по-разному сфокусирован. Сами фотопластинки могут быть чуть передержаны или недодержаны. И так далее. Как и в любом другом эксперименте, необходимо учитывать все мыслимые поправки. Астрономы вносят эти поправки, опираясь на имеющиеся у них знания. Но когда знаешь ответ, возникает естественное желание вносить поправки лишь до тех пор, пока не получится «правильное» значение, а затем перестать искать другие поправки. Так, астрономов из экспедиции 1919 г. обвиняли в подгонке [73]за то, что они отбросили данные, полученные с одной из фотопластинок и расходившиеся с теорией Эйнштейна, и списали расхождение на счет изменения фокуса телескопа. Задним числом можно, конечно, сказать, что британские астрономы оказались правы, но я не удивился бы, если бы узнал, что они продолжали искать поправки лишь до тех пор, пока их результат с учетом всех поправок не совпал с теорией Эйнштейна.
Считается общепринятым мнение, что истинной проверкой теории является сравнение ее предсказаний с результатами экспериментов. Однако, оглядываясь назад, можно утверждать, что успешное объяснение Эйнштейном в 1915 г. ранее измеренной аномалии орбиты Меркурия явилось значительно более существенным тестом общей теории относительности, чем проверка его вычислений отклонения света в наблюдениях во время солнечных затмений 1919 г. и далее. Таким образом, в случае общей теории относительности последующее подтверждение, т.е. вычисление уже известного аномального движения Меркурия, оказалось на самом деле более важной проверкой теории, чем предсказаниенового эффекта отклонения луча света гравитационными полями [74].
Я думаю, что все так подчеркивают важность предсказания при проверке научных теорий, потому что стандартная точка зрения научных комментаторов заключается в том, чтобы не доверять теоретикам. Все боятся, что теоретик может подогнать свою теорию так, что она будет объяснять любые известные экспериментальные факты. Таким образом, то, что теория объясняет эти факты, не считается убедительным тестом самой теории.
Однако, несмотря на то, что Эйнштейн еще в 1907 г. изучил вопрос об аномальной прецессии орбиты Меркурия, никто из тех, кто хоть немного знает, как строилась общая теория относительности, кто пытался вникнуть в логику Эйнштейна, не может предположить, что он занимался созданием общей теории относительности для того, чтобы объяснить эту прецессию. (Я вернусь через минуту к ходу мыслей Эйнштейна.) Часто следует не доверять именно успешному предсказанию. Правда, что в случае настоящего предсказания, вроде эйнштейновского предсказания отклонения лучей света Солнцем, теоретик не знает никаких экспериментальных данных, строя свою теорию. Но с другой стороны, экспериментатор знает теоретический результат до того, как он начинает эксперимент. А это может привести, и, как показывает история науки, приводило к искажениям из-за чрезмерного доверия к вычислениям, сделанным задним числом. Я повторяю: экспериментаторы не фальсифицируют свои данные. Насколько мне известно, в истории физики не было случая, чтобы какие-то важные данные сознательно искажались. Но если экспериментаторы знают тот результат, который они теоретически ожидают получить, то им, естественно, очень трудно прекратить поиски ошибок наблюдения, если этот результат не получается, или, наоборот, продолжать такие поиски, если обнаружено совпадение с предсказанием. То, что экспериментаторы все же не всегда получают те результаты, которые ожидают, свидетельствует о силе их характера.
Подведем предварительные итоги. Мы видели, что первые экспериментальные свидетельства в пользу общей теории относительности [75]сводились к единственному успешному вычислению задним числом аномалии в движении Меркурия, которое не было воспринято достаточно серьезно, и предсказанию нового эффекта отклонения луча света Солнцем, кажущееся успешное подтверждение которого вызвало много шума, однако на самом деле было отнюдь не таким убедительным, как в то время считалось. По крайней мере несколько ученых встретили его со скептицизмом. Только после Второй мировой войны, благодаря развитию новой радарной техники и радиоастрономии, удалось существенно продвинуться в увеличении точности этих экспериментальных тестов общей теории относительности [76].
Сегодня можно утверждать, что предсказания общей теории относительности для отклонения (и одновременно задержки) луча света, проходящего рядом с Солнцем, для аномалий орбитального движения как Меркурия, так и астероида Икар и других естественных и искусственных тел, подтверждены с экспериментальной неопределенностью менее 1 %. Но в 1920-е гг. до этого было еще далеко.
Тем не менее, несмотря на слабость экспериментальной поддержки, теория Эйнштейна еще в 1920-е гг. вошла в стандартные учебники и с тех пор не сдавала свои позиции, невзирая на то, что разные экспедиции по наблюдению за солнечными затмениями в 1920–1930 гг. сообщали, по меньшей мере, о сомнительном согласии с теорией. Помню, что, когда в 1950-х гг., еще до появления новых впечатляющих подтверждений теории, полученных с помощью современных радаров и радиоастрономии, я изучал общую теорию относительности, я принимал как данное, что эта теория более или менее верна. Возможно, мы все были тогда доверчивы и легкомысленны, но думаю, что объяснение не в этом. Я уверен, что широкое признание ОТО было связано главным образом с привлекательностью самой теории, проще говоря с ее красотой.
Развивая общую теорию относительности, Эйнштейн следовал линии рассуждений, которую могли проследить и физики последующих поколений, желавшие разобраться в этой теории. Более того, в этих рассуждениях они увидели бы те же притягательные черты, которые в свое время привлекли внимание Эйнштейна. Историю можно проследить назад до 1905 г., annus mirabilisЭйнштейна. В этом году, одновременно с развитием квантовой теории света и теории движения малых частиц в жидкостях [77], Эйнштейн развил новый взгляд на пространство и время, известный нам сейчас под названием специальной теории относительности. Эта теория находилась в согласии с общепринятой теорией электричества и магнетизма – электродинамикой Максвелла. Наблюдатель, движущийся с постоянной скоростью, наблюдал бы, что пространственно-временные интервалы и электромагнитные поля изменяются за счет скорости движения наблюдателя таким образом, что уравнения Максвелла остаются справедливыми (что и не удивительно, так как специальная теория относительности строилась именно так, чтобы удовлетворить этому требованию). Однако специальная теория относительности была совершенно несовместима с ньютоновской теорией тяготения. С одной стороны, в теории Ньютона сила тяготения между Солнцем и планетой зависит от расстояния между положениями этих тел, измеренными в один и тот же момент времени, а с другой стороны, в специальной теории относительности нет понятия абсолютной одновременности – разные наблюдатели, в зависимости от того, как они движутся, будут наблюдать одно и то же событие происходящим раньше, одновременно или позже другого.
Имелось несколько способов так изменить теорию Ньютона, чтобы привести ее в согласие с специальной теорией относительности. Сам Эйнштейн испробовал по крайней мере один из них, прежде чем создал общую теорию относительности [78]. Ключевой идеей, с которой начался в 1907 г. путь к ОТО, стало знакомое и проверенное свойство тяготения: сила тяготения пропорциональна массе того тела, на которое она действует. Эйнштейн понял, что это напоминает свойства так называемых сил инерции, которые действуют на нас тогда, когда мы движемся с переменной скоростью или меняем направление движения. Именно сила инерции прижимает пассажиров к спинкам кресел во время разбега самолета. Другим примером силы инерции является центробежная сила, не дающая Земле упасть на Солнце. Все силы инерции, как и силы тяготения, пропорциональны массам тех тел, на которые они действуют. Мы на Земле не ощущаем ни гравитационного поля Солнца, ни центробежной силы, вызванной движением Земли вокруг Солнца, так как эти две силы уравновешивают друг друга. Однако баланс нарушился бы, если бы одна сила была пропорциональна массе объекта, на который она действует, а другая – нет. В этом случае некоторые тела могли бы падать с Земли на Солнце, а другие, наоборот, отбрасываться от Солнца в межзвездное пространство. В общем случае тот факт, что и силы тяготения, и силы инерции пропорциональны массе того тела, на которое они действуют, и не зависят более ни от каких свойств тел, позволяет ввести в каждой точке произвольного гравитационного поля «свободно падающую систему отсчета», в которой не ощущаются ни силы тяготения, ни силы инерции, так как они точно уравновешивают друг друга для любых тел. Когда мы ощущаем силы тяготения или силы инерции, это означает, что мы не находимся в свободно падающей системе отсчета. Например, на поверхности Земли свободно падающие тела ускоряются в направлении к центру Земли с ускорением примерно 10 м/с 2. Мы ощущаем тяготение Земли до тех пор, пока сами не начнем двигаться вниз с тем же самым ускорением, т.е. начнем свободное падение. Эйнштейн совершил логический скачок и предположил, что если посмотреть в корень, то силы тяготения и силы инерции это одно и то же. Это утверждение Эйнштейн назвал принципом эквивалентности инерции и тяготения, или коротко принципом эквивалентности. Согласно этому принципу, всякое гравитационное поле полностью задается описанием того, какая система отсчета является свободно падающей в каждой точке пространства-времени.
Почти десять лет после 1907 г. Эйнштейн провел в поисках соответствующего этим идеям математического аппарата. Наконец ему удалось найти то, что требовалось, в глубокой аналогии между ролями гравитации в физике и кривизны в геометрии. То, что с помощью выбора подходящей свободно падающей системы отсчета можно добиться, что сила тяготения на короткое время исчезает в малой окрестности любой точки в гравитационном поле, очень похоже на свойство кривых поверхностей, заключающееся в том, что всегда можно сделать карту этой поверхности, на которой вблизи любой точки будут правильно изображены все расстояния и направления. Если поверхность кривая, то ни одна карта не способна правильно отобразить расстояния и направления везде; всякая карта большой области является компромиссом, в большей или меньшей степени искажающим расстояния и направления. Знакомая всем проекция Меркатора, используемая при создании географических карт Земли, дает достаточно точное представление об истинных расстояниях и направлениях вблизи экватора, но чудовищно искажает картину вблизи полюсов, так что в результате Гренландия распухает во много раз больше своего истинного размера. Точно так же одним из признаков того, что вы находитесь в гравитационном поле, является невозможность найти
Все это не вызывает особого удивления. Даже если существуют малые нелинейные поправки к законам квантовой механики, нет никаких оснований полагать, что эти поправки окажутся достаточно заметными, чтобы быть обнаруженными в первой же серии нацеленных на это экспериментов. Что меня действительно разочаровало, так это то, что нелинейная альтернатива квантовой механике, как оказалось, содержит внутренние теоретические трудности. Сначала я не сумел найти способ распространить нелинейную версию квантовой механики на теории, основанные на специальной теории относительности Эйнштейна. Затем, уже после того, как была опубликована моя работа, Н. Гизин из Женевы и мой коллега Джозеф Польчински из Техасского университета независимо показали, что в мысленном эксперименте Эйнштейна–Подольского–Розена, упоминавшемся Крошкой Тимом, нелинейные свойства альтернативной теории могутбыть использованы для мгновенной посылки сигналов на большие расстояния, что безусловно запрещено специальной теорией относительности [70]. В конце концов к настоящему времени я прекратил всякую работу над этой проблемой; я просто не знаю, как можно немного изменить квантовую механику, не разрушив ее в результате до основания.
Этот крах теоретической попытки найти приемлемую альтернативу квантовой механике в еще большей степени, чем точные эксперименты по проверке линейности, убеждает меня, что квантовая механика такова, какова она есть, потому что любое ее малое изменение обязательно приведет к логическим противоречиям. Если это так, то квантовая механика должна быть постоянной частью физики. Иными словами, квантовая механика должна выжить не как приближение к более глубокой истине, подобно тому, как ньютоновская теория тяготения сохранилась как приближение к эйнштейновской общей теории относительности, а как точно выполняющееся свойство окончательной теории.
Глава V. Рассказы о теории и эксперименте
Когда мы стареем,
Мир нам кажется странным. Все сложнее
Понять смерть и жизнь. Ведь жизнь
Не вспышка без до и после,
А пожар без конца и начала.
Т. Элиот. Ист Кокер
Я хочу теперь рассказать три истории об успехах физики ХХ в. Из всех этих историй можно извлечь поучительный вывод: физики очень часто руководствуются чувством прекрасного, причем это проявляется не только при создании новых теорий, но даже тогда, когда они судят о применимости уже созданных. Похоже, что мы постоянно учимся тому, как предугадывать красоту природы на самом глубоком уровне. Нет ничего прекраснее сознания, что мы действительно продвигаемся вперед к раскрытию окончательных законов природы.
* * *
Мой первый рассказ – об общей теории относительности (ОТО), иначе говоря эйнштейновской теории тяготения. Эйнштейн создал свою теорию в 1907–1915 гг. и представил ее миру в серии статей 1915–1916 гг. Если говорить очень коротко, то вместо ньютоновской картины тяготения как притяжения между всеми массивными телами общая теория относительности описывает тяготение как эффект, обусловленный кривизной пространства-времени, которую создают и вещество, и энергия. К середине 1920-х гг. эта революционная теория стала общепринятой как правильная теория тяготения, и с тех пор такая точка зрения не изменилась. Как это случилось?
Сразу же, в 1915 г., Эйнштейн заметил, что его теория разрешает старый конфликт между наблюдениями в Солнечной системе и ньютоновской теорией. Еще в 1859 г. было установлено, что поведение орбиты планеты Меркурий не укладывается в рамки ньютоновской теории. Если предположить, что во Вселенной нет ничего, кроме Солнца и одной единственной планеты, то, согласно механике Ньютона и его же теории тяготения, эта планета должна двигаться вокруг Солнца по идеальному эллипсу. Ориентация эллипса, т.е. расположение его большой и малой полуосей в пространстве, никогда не изменяется; все выглядит так, как будто орбита планеты закреплена в пространстве. На самом деле в Солнечной системе имеются другие планеты, которые несколько искажают гравитационное поле Солнца, так что в результате эллиптические орбиты всех планет прецессируют [71], т.е. медленно поворачиваются в пространстве. В XIX в. стало известно, что орбита Меркурия поворачивается на угол, равный примерно 575 угловым секундам за сто лет. (Напомним, что один градус равен 3 600 угловых секунд.) Однако ньютоновская теория предсказывала, что орбита Меркурия должна прецессировать на угол, равный всего лишь 532 угловым секундам за сто лет. Таким образом, возникло расхождение в 43 угловых секунды за столетие. Другой способ осознать этот результат таков: если вы подождете 225 000 лет, то эллиптическая орбита Меркурия, совершив полный оборот на 360°, вернется в исходное положение, в то время как ньютоновская теория предсказывает, что это займет 244 000 лет. Казалось бы, расхождение не так уж и велико, но оно тревожило астрономов на протяжении более чем полувека. Когда Эйнштейн в 1915 г. начал рассматривать следствия своей новой теории, он сразу же сумел объяснить дополнительную прецессию орбиты Меркурия, равную 43 угловым секундам за сто лет. (Один из эффектов, дающих вклад в эту прецессию в теории Эйнштейна, это дополнительное гравитационное поле, порожденное энергией самого гравитационного поля. В ньютоновской теории тяготения гравитационное поле порождается только массой, а не энергией, поэтому такого добавочного гравитационного поля не возникает.) Позднее Эйнштейн вспоминал, что, получив этот результат, он в течение нескольких дней был вне себя от радости.
После Первой мировой войны астрономы подвергли общую теорию относительности дальнейшей экспериментальной проверке, измерив отклонение световых лучей Солнцем во время полного солнечного затмения 1919 г. Согласно эйнштейновской теории фотоны в световом луче отклоняются гравитационными полями. Это похоже на поведение кометы, прилетевшей в Солнечную систему с далекого расстояния. Комета отклоняется гравитационным полем Солнца, совершает вокруг Солнца оборот и в результате опять уходит в межзвездное пространство. Конечно, отклонение луча света намного меньше, чем отклонение кометы, так как свет распространяется намного быстрее. Быстрые кометы тоже отклоняются меньше, чем медленные. Если общая теория относительности верна, то отклонение светового луча, проходящего вблизи поверхности Солнца, должно составлять 1,75 угловых секунды или примерно пять десятитысячных долей градуса. (Чтобы измерить отклонение луча, астрономы вынуждены ждать солнечного затмения, потому что они пытаются наблюдать искривление световых лучей, приходящих от далеких звезд и проходящих вблизи Солнца. Понятно, что трудно увидеть звезды вблизи Солнца, если только солнечный свет не экранируется Луной, как это и бывает во время затмения. Таким образом, астрономы измеряют положение нескольких звезд на небесной сфере за шесть месяцев до затмения, когда Солнце находится на другой стороне неба, а затем шесть месяцев ждут этого затмения и измеряют, насколько лучи света от тех же самых звезд искривили свой путь в результате прохождения рядом с Солнцем, что проявляется в сдвиге видимого положения звезд на небе.) В 1919 г. британские астрономы снарядили экспедиции для наблюдения солнечного затмения в двух местах: в маленьком городе в северо-восточной части Бразилии и на острове в Гвинейском заливе. Они обнаружили, что в пределах экспериментальных погрешностей отклонение лучей света от нескольких звезд соответствует предсказаниям Эйнштейна. С этого момента общая теория относительности получила шумную известность во всем мире и стала предметом бесед в салонах.
Так разве непонятно, почему ОТО вытеснила ньютоновскую теорию тяготения? Новая теория объяснила одну давно известную аномалию, дополнительную прецессию Меркурия, и затем предсказала новый поразительный эффект – отклонение луча света Солнцем. Чего же еще?
Конечно, аномальная прецессия Меркурия и отклонение луча света были очень важной частью всей этой истории. Но, как всегда бывает в истории науки (а я подозреваю, что и в истории чего угодно), вся простота проблемы испаряется, если присмотреться к ней повнимательнее.
Рассмотрим расхождение между ньютоновской теорией и наблюдаемым движением Меркурия. Даже если мы ничего не знаем об ОТО, разве это расхождение не указывает нам вполне ясно, что что-то неладно с ньютоновской теорией тяготения? Совсем не обязательно. Любая теория вроде ньютоновской теории тяготения имеет такое огромное количество приложений, что все время сталкивается с какими-то экспериментальными аномалиями. Не существует теории, которая не противоречила бы какому-нибудь эксперименту. На протяжении всей своей истории ньютоновская теория Солнечной системы противоречила разным астрономическим наблюдениям. К 1916 г. в число таких расхождений входили не только аномальная прецессия орбиты Меркурия, но и аномалии в движении комет Галлея и Энке, а также в движении Луны. Во всех этих случаях реальное поведение тел не объяснялось ньютоновской теорией. Сейчас мы знаем, что объяснение аномалий в движении комет и Луны не имеет никакого отношения к основам теории тяготения. Кометы Галлея и Энке ведут себя не так, как следует из вычислений с помощью ньютоновской теории, потому что никто не знает, как правильно учесть в этих вычислениях то давление, которое оказывают газы, вылетающие из ядра движущейся по орбите кометы, когда она нагревается, проходя близко от Солнца. Аналогично, движение Луны очень сложно, так как Луна все-таки довольно большое тело и поэтому она подвержена влиянию разного рода сложных приливных сил. Оглядываясь назад, мы не должны удивляться, что при применении ньютоновской теории к этим явлениям возникли расхождения. Кроме того, было несколько предложений, как можно было бы объяснить аномалию в движении Меркурия в рамках ньютоновской теории. Одна из возможностей, серьезно обсуждавшихся в начале века, заключалась в том, что между Меркурием и Солнцем якобы имеется какое-то вещество, слегка искажающее гравитационное поле Солнца. Заметим, что ни одно из расхождений между теорией и экспериментом, образно говоря, не вскакивает, не размахивает флагом и не кричит: «Я самое важное расхождение!» Ученый конца XIX и начала ХХ вв., критически рассматривавший все данные, не мог с уверенностью прийти к выводу, что в какой-то из известных аномалий в Солнечной системе есть что-то особо важное. Нужна была теория, которая могла бы объяснить, какое же из наблюдений важно на самом деле.
Как только в 1915 г. Эйнштейн показал, что расчет дополнительной прецессии орбиты Меркурия с помощью ОТО приводит к наблюдаемому значению в 43 угловые секунды за сто лет, это сразу же явилось, конечно, серьезным свидетельством в пользу теории. На самом деле, как я поясню ниже, к этому свидетельству следовало бы отнестись еще более серьезно. Может быть, из-за обилия других возможных возмущений орбиты Меркурия, может быть, из-за сомнений в ценности теорий, подтверждаемых уже существующими данными, а может быть, просто из-за того, что шла война, но так или иначе успешное объяснение Эйнштейном прецессии Меркурия нельзя и рядом поставить с тем воздействием, которое оказало сообщение экспедиции 1919 г. по изучению солнечного затмения, подтвердившей эйнштейновское предсказание отклонения луча света Солнцем.
Обратимся к этому явлению. Начиная с 1919 г., во время ряда затмений астрономы продолжали проверять предсказание Эйнштейна. Такие затмения наблюдались в Австралии в 1922 г., на острове Суматра в 1929 г., на территории СССР в 1936 г. и в Бразилии в 1947 г. Результаты некоторых наблюдений, похоже, находились в согласии с эйнштейновской теорией, но были и такие, которые существенно с ней расходились. И хотя экспедиция 1919 г. на основе наблюдения дюжины звезд сообщила о 10%-й экспериментальной погрешности в измерении отклонения и о том, что наблюдения согласуются с предсказаниями теории Эйнштейна с такой же 10%-й точностью, некоторые последующие экспедиции не смогли достичь этой точности, несмотря на то, что наблюдали много больше звезд. Правда, затмение 1919 г. было особенно удобным для таких наблюдений. И все же я склонен считать, что астрономы из экспедиции 1919 г. при анализе своих данных были охвачены чрезмерным энтузиазмом в отношении ОТО.
Действительно, многие ученые того времени скептически относились к данным, полученным во время затмения 1919 г. В докладе Нобелевскому комитету в 1921 г. [72]Сванте Аррениус упоминал многочисленную критику обнародованных результатов по измерению отклонения лучей света. Однажды в Иерусалиме я встретил престарелого профессора Самбурского, который в 1919 г. был коллегой Эйнштейна в Берлине. Он рассказал мне, что астрономы и физики в Берлине весьма сомневались в том, что британским астрономам удалось на самом деле осуществить столь аккуратную проверку теории Эйнштейна.
Я и в мыслях не могу допустить, что в эти наблюдения вкрался какой-то сознательный обман. Вы только представьте себе все те неопределенности, с которыми вы сталкиваетесь, пытаясь измерить отклонение луча света Солнцем. Вы наблюдаете звезду, находящуюся на небе рядом с солнечным диском в тот момент, когда Солнце заслоняется Луной. Вы должны сравнить положение звезды на двух фотопластинках, сделанных с интервалом в шесть месяцев. Во время этих двух наблюдений телескоп может быть чуть по-разному сфокусирован. Сами фотопластинки могут быть чуть передержаны или недодержаны. И так далее. Как и в любом другом эксперименте, необходимо учитывать все мыслимые поправки. Астрономы вносят эти поправки, опираясь на имеющиеся у них знания. Но когда знаешь ответ, возникает естественное желание вносить поправки лишь до тех пор, пока не получится «правильное» значение, а затем перестать искать другие поправки. Так, астрономов из экспедиции 1919 г. обвиняли в подгонке [73]за то, что они отбросили данные, полученные с одной из фотопластинок и расходившиеся с теорией Эйнштейна, и списали расхождение на счет изменения фокуса телескопа. Задним числом можно, конечно, сказать, что британские астрономы оказались правы, но я не удивился бы, если бы узнал, что они продолжали искать поправки лишь до тех пор, пока их результат с учетом всех поправок не совпал с теорией Эйнштейна.
Считается общепринятым мнение, что истинной проверкой теории является сравнение ее предсказаний с результатами экспериментов. Однако, оглядываясь назад, можно утверждать, что успешное объяснение Эйнштейном в 1915 г. ранее измеренной аномалии орбиты Меркурия явилось значительно более существенным тестом общей теории относительности, чем проверка его вычислений отклонения света в наблюдениях во время солнечных затмений 1919 г. и далее. Таким образом, в случае общей теории относительности последующее подтверждение, т.е. вычисление уже известного аномального движения Меркурия, оказалось на самом деле более важной проверкой теории, чем предсказаниенового эффекта отклонения луча света гравитационными полями [74].
Я думаю, что все так подчеркивают важность предсказания при проверке научных теорий, потому что стандартная точка зрения научных комментаторов заключается в том, чтобы не доверять теоретикам. Все боятся, что теоретик может подогнать свою теорию так, что она будет объяснять любые известные экспериментальные факты. Таким образом, то, что теория объясняет эти факты, не считается убедительным тестом самой теории.
Однако, несмотря на то, что Эйнштейн еще в 1907 г. изучил вопрос об аномальной прецессии орбиты Меркурия, никто из тех, кто хоть немного знает, как строилась общая теория относительности, кто пытался вникнуть в логику Эйнштейна, не может предположить, что он занимался созданием общей теории относительности для того, чтобы объяснить эту прецессию. (Я вернусь через минуту к ходу мыслей Эйнштейна.) Часто следует не доверять именно успешному предсказанию. Правда, что в случае настоящего предсказания, вроде эйнштейновского предсказания отклонения лучей света Солнцем, теоретик не знает никаких экспериментальных данных, строя свою теорию. Но с другой стороны, экспериментатор знает теоретический результат до того, как он начинает эксперимент. А это может привести, и, как показывает история науки, приводило к искажениям из-за чрезмерного доверия к вычислениям, сделанным задним числом. Я повторяю: экспериментаторы не фальсифицируют свои данные. Насколько мне известно, в истории физики не было случая, чтобы какие-то важные данные сознательно искажались. Но если экспериментаторы знают тот результат, который они теоретически ожидают получить, то им, естественно, очень трудно прекратить поиски ошибок наблюдения, если этот результат не получается, или, наоборот, продолжать такие поиски, если обнаружено совпадение с предсказанием. То, что экспериментаторы все же не всегда получают те результаты, которые ожидают, свидетельствует о силе их характера.
Подведем предварительные итоги. Мы видели, что первые экспериментальные свидетельства в пользу общей теории относительности [75]сводились к единственному успешному вычислению задним числом аномалии в движении Меркурия, которое не было воспринято достаточно серьезно, и предсказанию нового эффекта отклонения луча света Солнцем, кажущееся успешное подтверждение которого вызвало много шума, однако на самом деле было отнюдь не таким убедительным, как в то время считалось. По крайней мере несколько ученых встретили его со скептицизмом. Только после Второй мировой войны, благодаря развитию новой радарной техники и радиоастрономии, удалось существенно продвинуться в увеличении точности этих экспериментальных тестов общей теории относительности [76].
Сегодня можно утверждать, что предсказания общей теории относительности для отклонения (и одновременно задержки) луча света, проходящего рядом с Солнцем, для аномалий орбитального движения как Меркурия, так и астероида Икар и других естественных и искусственных тел, подтверждены с экспериментальной неопределенностью менее 1 %. Но в 1920-е гг. до этого было еще далеко.
Тем не менее, несмотря на слабость экспериментальной поддержки, теория Эйнштейна еще в 1920-е гг. вошла в стандартные учебники и с тех пор не сдавала свои позиции, невзирая на то, что разные экспедиции по наблюдению за солнечными затмениями в 1920–1930 гг. сообщали, по меньшей мере, о сомнительном согласии с теорией. Помню, что, когда в 1950-х гг., еще до появления новых впечатляющих подтверждений теории, полученных с помощью современных радаров и радиоастрономии, я изучал общую теорию относительности, я принимал как данное, что эта теория более или менее верна. Возможно, мы все были тогда доверчивы и легкомысленны, но думаю, что объяснение не в этом. Я уверен, что широкое признание ОТО было связано главным образом с привлекательностью самой теории, проще говоря с ее красотой.
Развивая общую теорию относительности, Эйнштейн следовал линии рассуждений, которую могли проследить и физики последующих поколений, желавшие разобраться в этой теории. Более того, в этих рассуждениях они увидели бы те же притягательные черты, которые в свое время привлекли внимание Эйнштейна. Историю можно проследить назад до 1905 г., annus mirabilisЭйнштейна. В этом году, одновременно с развитием квантовой теории света и теории движения малых частиц в жидкостях [77], Эйнштейн развил новый взгляд на пространство и время, известный нам сейчас под названием специальной теории относительности. Эта теория находилась в согласии с общепринятой теорией электричества и магнетизма – электродинамикой Максвелла. Наблюдатель, движущийся с постоянной скоростью, наблюдал бы, что пространственно-временные интервалы и электромагнитные поля изменяются за счет скорости движения наблюдателя таким образом, что уравнения Максвелла остаются справедливыми (что и не удивительно, так как специальная теория относительности строилась именно так, чтобы удовлетворить этому требованию). Однако специальная теория относительности была совершенно несовместима с ньютоновской теорией тяготения. С одной стороны, в теории Ньютона сила тяготения между Солнцем и планетой зависит от расстояния между положениями этих тел, измеренными в один и тот же момент времени, а с другой стороны, в специальной теории относительности нет понятия абсолютной одновременности – разные наблюдатели, в зависимости от того, как они движутся, будут наблюдать одно и то же событие происходящим раньше, одновременно или позже другого.
Имелось несколько способов так изменить теорию Ньютона, чтобы привести ее в согласие с специальной теорией относительности. Сам Эйнштейн испробовал по крайней мере один из них, прежде чем создал общую теорию относительности [78]. Ключевой идеей, с которой начался в 1907 г. путь к ОТО, стало знакомое и проверенное свойство тяготения: сила тяготения пропорциональна массе того тела, на которое она действует. Эйнштейн понял, что это напоминает свойства так называемых сил инерции, которые действуют на нас тогда, когда мы движемся с переменной скоростью или меняем направление движения. Именно сила инерции прижимает пассажиров к спинкам кресел во время разбега самолета. Другим примером силы инерции является центробежная сила, не дающая Земле упасть на Солнце. Все силы инерции, как и силы тяготения, пропорциональны массам тех тел, на которые они действуют. Мы на Земле не ощущаем ни гравитационного поля Солнца, ни центробежной силы, вызванной движением Земли вокруг Солнца, так как эти две силы уравновешивают друг друга. Однако баланс нарушился бы, если бы одна сила была пропорциональна массе объекта, на который она действует, а другая – нет. В этом случае некоторые тела могли бы падать с Земли на Солнце, а другие, наоборот, отбрасываться от Солнца в межзвездное пространство. В общем случае тот факт, что и силы тяготения, и силы инерции пропорциональны массе того тела, на которое они действуют, и не зависят более ни от каких свойств тел, позволяет ввести в каждой точке произвольного гравитационного поля «свободно падающую систему отсчета», в которой не ощущаются ни силы тяготения, ни силы инерции, так как они точно уравновешивают друг друга для любых тел. Когда мы ощущаем силы тяготения или силы инерции, это означает, что мы не находимся в свободно падающей системе отсчета. Например, на поверхности Земли свободно падающие тела ускоряются в направлении к центру Земли с ускорением примерно 10 м/с 2. Мы ощущаем тяготение Земли до тех пор, пока сами не начнем двигаться вниз с тем же самым ускорением, т.е. начнем свободное падение. Эйнштейн совершил логический скачок и предположил, что если посмотреть в корень, то силы тяготения и силы инерции это одно и то же. Это утверждение Эйнштейн назвал принципом эквивалентности инерции и тяготения, или коротко принципом эквивалентности. Согласно этому принципу, всякое гравитационное поле полностью задается описанием того, какая система отсчета является свободно падающей в каждой точке пространства-времени.
Почти десять лет после 1907 г. Эйнштейн провел в поисках соответствующего этим идеям математического аппарата. Наконец ему удалось найти то, что требовалось, в глубокой аналогии между ролями гравитации в физике и кривизны в геометрии. То, что с помощью выбора подходящей свободно падающей системы отсчета можно добиться, что сила тяготения на короткое время исчезает в малой окрестности любой точки в гравитационном поле, очень похоже на свойство кривых поверхностей, заключающееся в том, что всегда можно сделать карту этой поверхности, на которой вблизи любой точки будут правильно изображены все расстояния и направления. Если поверхность кривая, то ни одна карта не способна правильно отобразить расстояния и направления везде; всякая карта большой области является компромиссом, в большей или меньшей степени искажающим расстояния и направления. Знакомая всем проекция Меркатора, используемая при создании географических карт Земли, дает достаточно точное представление об истинных расстояниях и направлениях вблизи экватора, но чудовищно искажает картину вблизи полюсов, так что в результате Гренландия распухает во много раз больше своего истинного размера. Точно так же одним из признаков того, что вы находитесь в гравитационном поле, является невозможность найти