Педро Феррейра Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Глава VII Афоризмы Уиллера

Джон Арчибальд Уиллер пришел к концепции относительности через ядерную физику и квантовую теорию. Весной 1952 года он задал себе вопрос, что же происходит со звездами, состоящими из нейтронов — строительных кирпичиков ядерной физики, которой Уиллер занимался всю свою жизнь, — в конце их жизненного цикла. Его ставила в тупик гипотеза Роберта Оппенгеймера, гласившая, что конечным этапом гравитационного сжатия такой звезды могла бы быть сингулярность — некая точка бесконечной плотности и кривизны, расположенная в центре звезды.

Однако Уиллеру такие сингулярности казались неубедительными. С точки зрения истинной физики их не должно было быть, и требовалось как-то обойтись без них. Чтобы лучше разобраться в этой сомнительной гипотезе, Уиллер начал изучать общую теорию относительности. Он решил, что лучше всего это делать, читая студентам в Принстоне лекции как раз по теории относительности. И вот в 1952 году в вотчине Эйнштейна, Гёделя и Оппенгеймера, на физическом факультете Принстонского университета Джон Арчибальд Уиллер прочел первый курс общей теории относительности. Раньше данная дисциплина считалась абстрактной, больше подходящей для математического факультета. Это был судьбоносный момент, о котором годы спустя Уиллер вспоминал как о «первом шаге на территорию, захватившую мое воображение и на всю жизнь задавшую направление моих Дальнейших исследований».

Уиллер, по меткому выражению одного из его студентов, был «радикальным консерватором». Он действительно имел крайне консервативный вид: всегда безупречно одетый, в темном костюме с галстуком, с идеально ухоженными волосами, в сияющих ботинках — совершенный образ традиционного и даже в какой-то мере светского джентльмена. Преданный студентам и коллегам, он был учтивым и вежливым и имел старомодные представления о приличиях. Тем не менее он мог изрекать самые диковинные вещи, часто бросая непонятные фразы о загадках космоса, больше напоминая религиозного пророка «нового века» или просвещенного хиппи.

Как ученый Уиллер представлял собой одновременно мечтателя и человека дела. В диапазон его интересов попадали самые разные вещи, от эзотерических до вполне практических. Взрывчатые вещества и механические устройства очаровывали его в той же степени, как и магические новые правила атомно-молекулярного учения. В университете в процессе изучения инженерного дела ему открылось великолепие математики. Один из преподавателей математики научил его решать задачи; как вспоминал Уиллер, «показывая нам новые математические трюки, он любил говорить, что ирландец устраняет преграды, обходя их».

Этот совет повлиял на подход Уиллера к проблемам. Он бесстрашно брался за любые задачи, изучая все, что ему было нужно, когда в этом возникала необходимость. В 1932 году в возрасте всего двадцати одного года он получил докторскую степень по квантовой физике. Джон Уиллер достиг зрелости в квантовой физике в момент, когда свои плоды стали приносить великие открытия Шрёдингера и Гейзенберга. Будучи молодым преподавателем из Принстона, он с датским физиком Нильсом Бором работал над квантовыми свойствами ядра и взаимодействием ядер. Статья Уиллера и Бора, посвященная делению ядер, была опубликована в один день со статьей Оппенгеймера и Снайдера, рассказывающей про гравитационное сжатие, и сыграла важную роль в подготовке к Манхэттенскому проекту.

Консерватизм Уиллера выражался в его страстной вере в американский образ жизни, американское общество и его защиту. Сразу после Перл-Харбора он присоединился к проекту атомной бомбы, работая над необходимыми для создания плутония гигантскими реакторами. На войне в 1944 году погиб его брат, и всю свою жизнь Уиллер считал, что сделал недостаточно, чтобы ускорить создание атомной бомбы. Как позднее он говорил коллегам, если бы бомба была разработана раньше, ее можно было бы применить в Германии. Человеческие потери были бы колоссальными, но, с точки зрения Уиллера, несравнимыми с ужасами последнего года войны. Его патриотизм порой становился причиной конфликтов с коллегами.

В начале 1950-х его пригласили поработать с Эдвардом Теллером в рамках проекта Маттерхорн, который был попыткой Соединенных Штатов разработать водородную бомбу, термоядерное оружие, функционирующее на основе ядерного синтеза. Уиллер согласился, хотя многие его коллеги, в том числе Роберт Оппенгеймер, выступали против этого проекта. Уиллер был одним из немногих физиков, не поддержавших Оппенгеймера в период, когда тому были предъявлены обвинения в подрыве национальной безопасности. Несмотря на консервативные взгляды в области политики, в науке он оставался индивидуалистом и даже радикалом, придерживаясь странных идей, идущих вразрез с общепринятыми в то время взглядами на физические законы. Среди принстонских учеников Уиллера был Ричард Фейнман, одаренный юноша из Нью-Йорка, ставший олицетворением послевоенной квантовой физики.

Под руководством Уиллера Фейнман совершенно революционно объяснит и вычислит взаимодействие частиц и сил в пространстве-времени. Именно Уиллер научит Фейнмана думать по-другому быть смелым. Уиллер прекрасно подходил для продолжения работы над общей теорией относительности. Он был одновременно практиком и мечтателем. Как консерватор; он уважал физику и астрофизику которые были основой теории, но стремился попробовать новые; пока неизведанные подходы. И прежде всего он был вдохновляющим наставником; воспитывающим и поддерживающим новое поколение физиков; способных вдохнуть жизнь в общую теорию относительности.

Изучив общую теорию относительности; Уиллер принял ее. Она была слишком элегантна; а немногочисленные экспериментальные факты — слишком убедительны; чтобы теория казалась некорректной. Но это вовсе не означает, что Уиллер был против испытания теории на прочность. Он верил, что «доводя теорию до границ применимости; мы получаем возможность увидеть недостатки; скрытые в ее структуре». Поэтому он решил проверить; насколько непонятной может быть общая теория относительности. В процессе работы он часто присваивал своим выдающимся идеям содержательные и остроумные названия; ставшие известными как афоризмы Уиллера.

Одной из идей, разработанной вместе с его талантливым учеником Чарльзом Мизнером, было включение в общую теорию относительности электрических зарядов фактически без таковых. Эту концепцию он описал афоризмом «заряд без заряда». В мысленном эксперименте использовался целый набор математических приемов для создания в двух местах пространства-времени отверстий; соединявшихся так называемой кротовой норой.

Через такие норы можно было пустить линии электрического поля. Линии; выходящие из одного конца норы, заставляли ее вести себя как положительно заряженный объект, привлекающий к себе отрицательные заряды. Линии поля, входящие в другой конец, создавали там эффект отрицательного заряда. В итоге кротовая нора имитировала расположенные далеко друг от друга положительный и отрицательный заряды, при этом в реальности заряженные частицы отсутствовали. Это была гениальная легко визуализируемая идея, хотя ее практическое применение было бы крайне сложным.

Другим афоризмом Уиллера стала «масса без массы». Теория Эйнштейна объясняет взаимодействие массивных объектов, но Уиллер хотел получить аналогичные результаты, не вводя туда понятие массы. В теории Эйнштейна под действием массы свет меняет свою траекторию, поэтому Уиллер предположил, что сжатие пучка лучей, вызывающее достаточную деформацию пространства и времени, могло бы послужить аналогом массы. Этот пучок световых лучей, или геон, как назвал его Уиллер, мог бы обладать весом и притягивать другие геоны. Световые лучи сворачивались в кольцо в форме пончика и могли бы легко рассыпаться, но обладали эффектом массы без реальной массы.