Научные споры и попытки нового прорыва: квантовая механика и единая теория поля
Уравнения Эйнштейна для специальной и общей теории относительности, описывающие взаимодействия материи и энергии во Вселенной, дали ему возможность задуматься о космологии и единой теории, объединяющей все известные фундаментальные взаимодействия в природе. Эти задачи были невероятно сложными, чтобы их решить, нужно было создать и отвергнуть множество предварительных гипотез и приблизительных вычислений.
В начале XX века считалось, что вся Вселенная – это Млечный Путь, представляющий собой громадное скопление звезд посреди пустоты. Для описания этой системы Эйнштейн ввел в уравнения космологическую постоянную. Целью этого шага было привести к статичности уравнения, которые без этого показывали движение и смещение звезд. Ученый считал, что Вселенная гомогенна и изотропна, то есть однородна по своему составу и при этом сохраняет одинаковые физические свойства во всех направлениях. Космологическая постоянная соответствовала этим качествам пространства.
Обратившись к геометрии, Эйнштейн использовал модель Вселенной Ньютона – плоскую, трехмерную, описываемую законами евклидовой геометрии. Эту модель он вывернул и изогнул – получилась сфера с четырьмя измерениями. Поверхность данной гиперсферы представляла собой бесконечность: любое тело, перемещаясь по ней в любом направлении, могло вернуться в исходную точку.
В следующие десятилетия астрономы обнаружили, что наша Вселенная не ограничивается пространством Млечного Пути, она продолжается гораздо дальше. Кроме того, Эдвин Хаббл открыл явление расширения Вселенной, самого ее пространства. Эти открытия вступали в противоречия с моделью Эйнштейна, которая была статичной. Но другое открытие, совершенное Александром Фридманом, доказало, что и в гомогенной изотропной Вселенной возможно расширение. Космологическая постоянная Эйнштейна работала и могла использоваться в вычислениях. Впоследствии развитие гипотезы ученого привело к возникновению общепринятой в наше время теории Большого взрыва.
Одной из главных задач, которую ставил перед собой Эйнштейн в последние два десятилетия жизни, было создание единой теории поля. Вместе с ним над этой проблемой работали многие математики с мировым именем. Совместными усилиями им удалось создать две версии «теории всего», но по разным причинам ни одна из них не устраивала Эйнштейна полностью.
Первой по времени была версия, которая подразумевала пятимерность нашего мира. Она включала четыре уже известные нам измерения – пространство и время и еще одно, находящееся в микромире. В наше время из этой версии, отвергнутой Эйнштейном, выросла знаменитая теория струн, в которой речь идет о свернутых измерениях, существующих внутри квантов. Вторая версия имела дело с формой пространства-времени. Эйнштейн предположил, что оно имеет не только кривизну, но и кручение.
Создание квантовой механики – раздела физики, занимающегося чрезвычайно малыми величинами (молекулами, атомами, электронами), происходило с участием Эйнштейна. Эта наука, полная противоречий, особенно на этапе своего зарождения, породила активные споры среди ученых. Ее создавали многие физики, она была коллективным плодом и поэтому в начале не отличалась последовательностью. Постулаты квантовой механики противоречили большинству законов классической физики, и сама наука долгое время была объектом критики. Даже Эйнштейна она вводила в недоумение. «Чем больше успеха имеет квантовая теория, тем более нелепой она кажется», – так он высказывался по этому поводу.
В начале XX века Макс Планк заложил основы квантовой теории, он высказал предположение, что электромагнитное излучение состоит из микроскопических порций (квантов] энергии. Развивая эту идею, он пришел к убеждению: размеры квантов не произвольны, верхняя и нижняя границы обусловлены некими законами. Эйнштейн развил предположения Планка, он был уверен, что закономерностям подчиняется не только размер квантов, но и количество, которое может выделяться при излучении. Эти догадки в то время невозможно было подтвердить экспериментально, и большинство физиков отнеслись к ним скептически.
