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

Можно попробовать проиллюстрировать гиперболическую геометрию следующим образом: представьте себе точки, прямые и геометрические фигуры, расположенные не на плоскости, а на поверхности в форме седла или, если эпикурейские удовольствия вам ближе, в форме изогнутых картофельных чипсов. Из-за формы седла находящиеся рядом прямые будут расходиться друг от друга. Как бы им ни «хотелось» идти прямо, они будут отклоняться друг от друга и никогда не встретятся. Это приводит к тому, что через данную точку вы можете провести неограниченное число прямых, не пересекающих прямую, лежащую в стороне от данной точки. Кроме того, седловая форма поверхности «сжимает» треугольники; делая сумму их углов меньше 180°.

Другая версия неевклидовой геометрии впервые была предложена студентом Гаусса Бернхардом Риманом в 1854 году и опубликована в 1867 году. Она стала известна под названием «эллиптическая геометрия»; которое предложил Клейн. В этой геометрии аксиома параллельных заменена утверждением; полностью исключающим возможность существования непересекающихся прямых. Она говорит о том; что через данную точку, не лежащую на данной прямой; невозможно провести ни одной прямой; не пересекающейся с данной. Другими словами; все прямые; проходящие через точку, не лежащую на данной прямой; должны пересекать эту прямую где-то в пространстве. Риман показал; что таким свойством обладают прямые на поверхности сферы.

Если отсутствие параллельных прямых кажется вам странным; представьте себе Землю. Каждый меридиан пересекается со всеми остальными на Северном и Южном полюсах. То есть если какой-нибудь амбициозный путешественник начнет свой путь из центра Торонто строго на север; прямо по Янг-стрит; главной улице города; потом наймет собачью упряжку и ледокол и продолжит свой путь на Северный полюс; в то время как его сестра в это же самое время пойдет по аналогичному маршруту, только из Москвы, то вначале их пути будут казаться параллельными, но, несмотря на это, родственники неизбежно встретятся.

Любопытно, что такой запрет существования параллельных прямых повлиял на свойства треугольников иным образом. В эллиптической геометрии сумма углов треугольника превышает 180°. Возможен, например, треугольник, все углы которого прямые, а сумма углов равна 270°. Примером может служить треугольник, составленный из нулевого и 90-градусного меридианов, а также из соединяющей их части экватора. У такого треугольника все три стороны будут пересекаться под прямыми углами.

Риман разработал очень сложный математический аппарат для анализа кривых поверхностей произвольной размерности. Такие поверхности получили название многообразия. Риман показал, как строго математически обнаружить разницу между кривой и плоской поверхностями. Для этого он ввел тензор кривизны. Тензор — это математический объект, который преобразуется определенным образом при переходе в другую систему координат. Риман показал, что существует три типа пространств: пространства положительной кривизны, пространства отрицательной кривизны и пространства нулевой кривизны. Они соответствуют эллиптической, гиперболической и евклидовой (плоской) геометриям.

Людям, далеким от математики, неевклидова геометрия кажется абстрактной и противоестественной. В конце концов, здравый смысл подсказывает, что параллельность — это что-то про две прямые, которые никогда не пересекутся. Если при параллельной парковке вы врежетесь в другую машину, то вряд ли полиция сделает скидку на неевклидовость. Детям в школе объясняют, что сумма углов треугольника равна 180°. Зачем же усложнять геометрию, изменяя ее основополагающие принципы?

По мере развития своих идей, но еще до создания общей теории относительности Эйнштейн и сам задавался этим вопросом, однако традиции евклидовой геометрии, усвоенные еще на школьной скамье, прочно владели его мыслями. Эйнштейн обсуждал свои идеи с другом семьи и студентом медицинского университета Максом Талми (Талмудом), который часто заходил к нему в гости, и Талми был поражен глубиной суждений столь молодого юноши о математике, природе и других материях.

Эйнштейн узнал о неевклидовой геометрии уже в университете. Будучи все еще привязанным к своему детскому учебнику, он не уделил ей особого внимания, посчитав не важной для науки. Намного позже, находясь под влиянием университетского друга Марселя Гроссмана, он осознал важность неевклидовой геометрии. Введя неевклидову геометрию в область теоретической физики, Эйнштейн невероятным образом изменил эту науку [3]. Двенадцатилетний мальчик, прижимающий к груди учебник геометрии, еще не знал, что своими руками перепишет законы физики в такой формулировке, которая сделает этот учебник неактуальным.

Атомы в движении

Вена конца 1890-х годов была местом ожесточенных споров в фундаментальной науке. Пока Шрёдингер получал образование, сначала на дому, а с 1898 года в престижной Академической гимназии, два человека, которые впоследствии помогли оформиться его научным интересам, Людвиг Больцман и Эрнст Мах, горячо спорили о реальности атомов.

Когда Больцмана назначили на должность профессора теоретической физики Венского университета в 1894 году, он уже был известен как один из основателей статистической механики (тогда ее называли кинетической теорией). Статистическая механика — это раздел физики, изучающий взаимосвязь поведения микроскопических частиц и изменения таких макроскопических термодинамических величин, как температура, объем, давление. Чтобы применить такой подход, пришлось допустить, что все газы состоят из огромного количества чрезвычайно малых частиц — атомов и молекул.

Достижения Больцмана сделали термодинамику актуальной темой для исследований, и множество молодых ученых устремились в Вену, чтобы поработать с ним. Физики Лиза Мейтнер, Филипп Франк, Пауль Эренфест писали свои диссертации под его руководством и впоследствии сделали успешную карьеру. Шрёдингер восхищался Больцманом и надеялся поработать с этим великим ученым.

Несмотря на успехи Больцмана, спокойствие его было нарушено появлением Маха, который в 1895 году стал профессором философии Венского университета. Указывая на необходимость проведения большего числа экспериментов, он категорически выступал против атомизма и теории Больцмана. Мах настаивал, что в основе термодинамики должно быть то, что можно воспринять и непосредственно измерить, к примеру тепловой поток. Это была позиция позитивизма — философского направления, отрицающего абстрактное знание и призывающего подтверждать любое утверждение экспериментальными доказательствами. Сравнивая веру в атомы с религиозной верой. Мах полагал, что его подход отличается большей научностью и опирается на эмпирические данные, полученные от органов чувств.

«Если вера в существование атомов имеет столь большое значение, — писал он, — то я отрекаюсь от физического образа мышления, я не желаю быть настоящим физиком, я отрекаюсь от признания научным сообществом. Словом, я с благодарностью отказываюсь от причисления меня к верующим. Я предпочитаю свободу мышления» ^{15}.

Мах направлял свои язвительные комментарии не только в адрес Больцмана. Даже самые почитаемые физики подвергались его нападкам, если их точка зрения противоречила принципу прямого чувственного восприятия. Мах дерзко раскритиковал одно из основных понятий ньютоновской механики, понятие инерциальной системы отсчета — такой системы, которая покоится или движется прямолинейно и с постоянной скоростью, поскольку ее движение необходимо соотносить с «универсальным вместилищем», называемым «абсолютным пространством». К этому времени Ньютон, особенно в Великобритании, практически приобрел статус святого. Однако само понятие инерции основывалось на чем-то абстрактном — а такую науку Мах не признавал.

Претензия Маха к ньютоновскому определению инерции основывалась на мысленном эксперименте с вращающимся ведром, который Ньютон придумал, чтобы продемонстрировать необходимость абсолютного пространства. Эксперимент заключался в следующем. Представьте себе ведро, наполненное водой не до самых краев и подвешенное к дереву на веревке. Далее вращайте ведро вокруг его оси, пока веревка совсем не закрутится. Одерживайте ведро в таком положении, пока вода не придет в состояние покоя, а затем отпустите его. Оно начнет раскручиваться. Загляните внутрь ведра: вода внутри ведра тоже движется, формируя воронку, а ее поверхность становится сильно вогнутой. Это происходит из-за того, что инерция вынуждает воду вырываться наружу. А так как боковая стенка ведра не позволяет ей вытечь, то внешняя граница воды поднимается. Если смотреть только внутрь самого ведра, игнорируя все, что его окружает, то возникает вопрос, почему вода приняла вогнутую форму. Относительно ведра вода находится в состоянии покоя. Лишь относительно внешнего мира, который Ньютон и назвал абсолютным пространством, вращение воды имеет смысл. Ньютон заключил, что именно вращение воды относительно абсолютного пространства изменяет ее поверхность.