Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания - Пол Хэлперн

Несмотря на изящество и простоту ньютоновской теории всемирного тяготения, Эйнштейн считал ее фундаментально малопривлекательной. Ньютон рассматривал гравитацию как мгновенную невидимую силу, действующую между двумя удаленными массами. Незримые нити тяготения, протянувшиеся сквозь пространство, каким-то образом управляли небесными телами. Соглашаясь с Махом в том, что природа должна быть измеримой и наблюдаемой, Эйнштейн искал более глубокого объяснения.

Более того, специальная теория относительности установила верхний предел для скорости распространения взаимодействий — скорость света. Теория Ньютона не удовлетворяла этому ограничению. Теория предсказывала, что если Солнце исчезнет, Земля тут же начнет двигаться по прямой, еще до того, как ее достигнут последние лучи Солнца. Но как Земля узнает об этом, прежде чем свет преодолеет разделяющее Землю и Солнце расстояние? Эйнштейн пришел к выводу, что феномен гравитации нуждается в переформулировке на языке теории относительности.

Будучи ярым приверженцем максвелловского подхода к электродинамике, основанного на концепции поля, Эйнштейн хотел сформулировать полевую теорию гравитации. Поле — это отображение потенциального действия силы с заданными значениями в каждой точке пространства. Напряженность поля в определенной точке задает величину силы, которая будет действовать на помещенную туда пробную частицу. Электрическое поле, например, определяет величину силы, которая будет действовать на электрон, протон или другое заряженное тело в любом заданном месте. Магнитное поле определяет то же самое для магнитной силы.

Рассмотрим, например, поле, которое определяет высоту и направление океанских волн. Несчастный моряк, оказавшийся в месте, где это поле исключительно велико, мог бы увидеть, как судно раскачивают огромные волны, сбивающие его с курса. Даже если бы он не знал, каков источник этих мощных волн (к примеру, подводное землетрясение), он все равно ощущал бы на себе их удары. То есть хотя причина возмущения может находиться очень далеко, поле действует как проводник этого возмущения, и воздействие получается локальным.

Обратив внимание на заметные сходства между электромагнетизмом и гравитацией, такие как закон ослабления силы обратно пропорционально квадрату расстояния между телами, Эйнштейн в 1910 году вознамерился вывести полевые уравнения гравитации. Результатом этой работы стала его совершенная общая теория относительности. Проводя аналогию между силами, он заложил основы для своих последующих попыток их объединения.

В разгар своей битвы Эйнштейн приехал в Вену и представил отчет о проделанной работе. Его потрясающий доклад на конференции вдохновил юного Шрёдингера, в его двадцать с половиной лет, перейти от прикладных вопросов, таких как измерение свойств света и излучения, к более фундаментальным вопросам: загадкам гравитации и свойствам Вселенной в целом. Параллели между электромагнетизмом и гравитацией, которые провел Эйнштейн, позднее возбудили у Шрёдингера интерес к поиску единой теории всех сил природы. Венская конференция 1913 года стала поворотной точкой в его карьере. Казалось, ничто в мире не способно ускользнуть от его пытливого ума.

Блестящая столица Австро-Венгерской империи теряла свое величие. Ее центральный огонь скоро погаснет, а сателлиты разлетятся, как головешки на ветру. Угасание будет таким же быстрым и полным, как солнечное затмение. Хотя не все было так мрачно. В моменты сгущающейся темноты звезды, которые не заметны днем, имеют все шансы засверкать. Город Габсбургов закатил вечеринку — праздничный съезд ученых, который окажется последним для золотого века Вены. Были приглашены тысячи лучших в Европе немецкоговорящих ученых. От Праги до Будапешта и от Берлина до Цюриха, ученые всех возрастов собрались, чтобы обсудить новые удивительные теории частиц, атомов, света, электричества, статистическую физику и другие вопросы. Однако некоторые известные личности все же отсутствовали: Планк и Арнольд Зоммерфельд, уважаемый директор Мюнхенского физического института, не прибыли. Тем не менее энтузиазм по поводу новых открытий сделал последний вальс австро-венгерской физики запоминающимся.

Никаких средств не пожалели в тот год для съезда немецких естествоиспытателей и физиков (той же группы ученых, перед которой выступал Минковский пять лет назад в Кёльне). Встреча проходила с 21 по 28 сентября 1913 года в новом здании Физического института Венского университета, неподалеку от Больцмангассе. В свое время Франц Экснер согласился остаться на посту директора института только при условии строительства нового здания. После заседаний в большом лекционном зале более семи тысяч участников конференции посетили роскошный прием в императорском дворце, банкет, организованный городской администрацией Вены, и вечеринку, устроенную самими венскими физиками.

Среди обсуждаемых вопросов в тренде были излучение и атомная физика. В числе докладчиков присутствовали германский физик Ханс Гейгер, изобретатель счетчика Гейгера (первый вариант его конструкции был предложен в 1908 году) и бывший коллега знаменитого физика новозеландского происхождения Эрнеста Резерфорда. В 1909 году в Университете Манчестера Гейгер и Эрнест Марсден под руководством Резерфорда провели хитрый эксперимент по исследованию структуры атома. Облучая золотую фольгу пучком альфа-частиц (альфа-частица — это ядро атома гелия), они обнаружили, что почти все частицы беспрепятственно проходят сквозь фольгу. Однако небольшая часть отражалась обратно под острым углом, как бейсбольные мячи отскакивают от бетонной стены. Из этих неожиданных результатов Резерфорд сделал вывод, что атомы представляют собой в основном пустое пространство, но при этом содержат крошечные положительно заряженные центральные части, которые Резерфорд назвал ядрами. Его модель атома, предложенная в 1911 году, представляла собой подобие Солнечной системы, где отрицательно заряженные электроны вращались вокруг положительно заряженного ядра, и она коренным образом изменила концепцию атома. Атомы больше не могли рассматриваться как неделимые и твердые крошечные шарики, скорее они представляли собой сложные (составные) тела, главным образом содержащие идеальную пустоту. Доклад Гейгера на конференции был посвящен по большей части практическим способам детектирования альфа- и бета-частиц (последние позднее были отождествлены с электронами).

Как молодой исследователь Физического института Экснера и Института исследований радия, Шрёдингер тоже заинтересовался проблемой регистрации радиации. Месяцем ранее Шрёдингер посетил деревню Зеехам на озере Обертрумер, что под Зальцбургом, чтобы измерить содержание радия А — продукта распада радия[6] — в атмосфере. Проведя почти две сотни измерений с использованием набора трубок и электрометра, он вычислил, как меняется содержание радия А в атмосфере со временем. Любопытно, что, как показал Шрёдингер, даже пиковые значения радия А отвечали только за часть атмосферной радиации. Основываясь на результатах Шрёдингера и других работах, многие ученые пришли к выводу, что должны существовать другие источники атмосферной радиации, например гамма-излучение. Исследователи продолжили поиски возможных источников дополнительной радиации.