Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Чтобы ближе познакомиться с этим принципом, представим себе наблюдателя, находящегося в лифте без окон, и предположим, что лифт расположен где-то далеко в космосе (подальше от гравитационного поля Земли) и что его тянут вверх с ускорением 9,8 м/с²

(таково ускорение земного тяготения). Наблюдателю, естественно, покажется, что он находится на поверхности Земли – предметы будут падать так же, как на Земле, и чтобы подпрыгнуть, нужно будет приложить привычное усилие. Одним словом, в соответствии с принципом эквивалентности, всё будет происходить так же, как в гравитационном поле Земли. Никакой опыт не позволит отличить силу воздействия этого поля от силы, действующей в ускоренно движущемся лифте. «Инерциальное поле», создаваемое ускорением, полностью эквивалентно гравитационному. Так, пытаясь обобщить специальную теорию относительности на случай ускоренного движения, Эйнштейн обнаружил, что создаёт теорию тяготения.

Эйнштейн опубликовал первую статью по общей теории относительности, работая в патентном бюро. В этой статье содержался принцип эквивалентности, который он применил для того, чтобы показать, что ускоренное движение не абсолютно. Силы инерции, вызываемые ускорением, нельзя отличить от гравитационных сил. Они полностью тождественны, поэтому все виды движения, в том числе ускоренное, относительны. Можно считать, что сила инерции вызывается ускорением по отношению к остальной Вселенной, а сила притяжения вызвана ускорением всей Вселенной по отношению к нам.

В 1909 году Эйнштейн перешёл из патентного бюро в Цюрихский университет, но проработал там недолго, и в 1911 году приступил к работе в Пражском университете. В том же году он опубликовал вторую статью по общей теории относительности, в которой рассмотрел некоторые следствия принципа эквивалентности. Одним из результатов специальной теории относительности является эквивалентность массы и энергии. Используя этот результат и принцип эквивалентности, Эйнштейн показал, что луч света, проходящий в поле тяготения Солнца, должен отклоняться на 0,83 дуговых секунды. Это очень небольшой угол, но его можно измерить. Эйнштейн не знал, что такие расчёты уже проделал за 100 лет до него математик и геодезист Йоханн Зольднер. Активный пособник нацистов, немецкий физик Филипп Ленард попытался 35 дискредитировать Эйнштейна и поставить его в неловкое положение, организовав в 1921 году переиздание статьи Зольднера в журнале «Annalen der Physik», но это не произвело большого впечатления.

В Праге, как и в Цюрихе, Эйнштейн задержался недолго. Гроссман и другие коллеги по «альма матер» стали уговаривать его перебраться в Цюрихский политехникум, и в 1912 году Эйнштейн принял их предложение. Так в Цюрихе начался новый этап работы над общей теорией относительности. К тому времени Эйнштейн уже сформулировал многие из физических идей, лежащих в её основе, и представлял себе, в каком направлении её следует развивать, но ему не хватало соответствующего математического аппарата. С этой точки зрения переезд оказался особенно удачным, поскольку Марсель Гроссман был специалистом именно в той области математики, которая требовалась Эйнштейну. Гроссман познакомил его с трудами Римана, Кристоффеля и Риччи по тензорному исчислению (области математики, занимающейся исследованиями специфических объектов, называемых тензорами), и Эйнштейну сразу стало ясно – это как раз то, что нужно. Он уже сформулировал второй принцип, называемый принципом ковариантности, который гласит, что законы физики не должны зависеть от системы координат (воображаемой сетки, используемой для обозначения положения в пространстве-времени). Тензорное исчисление позволяло выразить эти принципы математически. Вскоре под руководством Марселя Гроссмана Эйнштейн овладел тензорным исчислением, и они даже опубликовали вместе несколько статей, но в целом работа на этом этапе напоминала движение наощупь – происходил изнурительный поиск одного уравнения из сотен возможных. Они испробовали и отбросили множество вариантов. Интересно, что какое-то время учёные рассматривали и правильное уравнение, но Эйнштейн его отверг, так как ошибочно решил, что оно нарушает принцип причинности. Более поздняя ошибка привела к отказу от принципа ковариантности.

В период работы Эйнштейна в Цюрихе к нему приехали профессора Берлинского университета Планк и Нернст. Они сделали ему предложение, от которого невозможно было отказаться – стать директором нового исследовательского института им. Кайзера Вильгельма. Ему предоставлялась почти полная свобода в проведении исследований, притом без преподавательских обязанностей. Это особенно устраивало Эйнштейна; дело не в том, что он не любил общаться со студентами, совсем наоборот, просто регулярное чтение лекцией ему мешало. Именно потому что новая должность оставляла так много свободного времени, Эйнштейн смог закончить работу над своей теорией.