Эйнштейн, Эддингтон, Шредингер и Дирак – четыре еретика физики
Данное исследование исторического толка проведено на основе анализа 147 научных статей Эйнштейна по теории относительности, нескольких сот его писем за период 1913-1920 годов, а также нескольких десятков основных монографий по теории гравитации. Труды и письма Эйнштейна цитируются по четырехтомному собранию сочинений Эйнштейна, изданном в СССР в 1964-1967 годах, «Эйнштейновским сборникам», а также томам Принстоновского полного собрания сочинений Эйнштейна (1987- по настоящее время).
В 1913 году Эйнштейн, вместе с математиком М.Гроссманом, публикует обширный, на 40 страниц, «Проект обобщенной теории относительности и теории тяготения» (Собр.соч. Эйнштейна, т.1). В этой статье Эйнштейн впервые вводит тензор энергии-импульса гравитационного поля и записывает уравнения гравитационного поля в виде
«тензор, характеризующий искривленность пространства = тензор энергии-импульса материи + тензор энергии-импульса гравитационного поля»
отмечая: «Эти уравнения удовлетворяют требованию, по нашему мнению, обязательному для релятивистской теории гравитации; именно, они показывают, что тензор гравитационного поля (...) является источником поля наравне с тензором материальных систем (...). Исключительное положение энергии гравитационного поля по сравнению со всеми другими видами энергии привело бы к недопустимым последствиям.»*) (Собр.соч. Эйнштейна, т.1, стр.242).
В статье 1914 года «Формальные основы общей теории относительности» Эйнштейн еще раз подчеркивает «...важен вывод, что тензор энергии гравитационного поля так же, как и тензор энергии материи, сам возбуждает поле.» (Собр.соч. Эйнштейна т.1, с.377). В своей обширной работе 1916 года он по-прежнему считает, что энергия гравитационного поля сама порождает дополнительное гравитационное поле:
“…выше мы исходили из требования, что энергия гравитационного поля должна действовать в смысле тяготения точно так же, как всякая энергия другого рода.» («Основы общей теории относительности», 1916, Собр.соч. Эйнштейна, т.1, с.490, которая была отправлена в печать 20 марта 1916 года и явилась наиболее полным изложением общей теории относительности).
Всего, в течение 1913-1916 годов, Эйнштейн повторил утверждение о том, что гравитационная энергия должна обладать гравитационной массой, 25 раз.
Многие считают 1916 год конечной датой создания общей теории относительности. На самом деле, период 1916-1918 годов характеризуется интенсивной работой по осмыслению полученных результатов – особенно свойств тензора энергии-импульса гравитационного поля, который, в отличие от тензора энергии-импульса электромагнитного поля, не является тензором. Тема гравитационной энергии постоянно дискутируется не только в печати, но и в частных письмах Эйнштейна.
Бессо в письме от 5 декабря 1916 года (Эйнштейновский сборник, 1974, стр.70) пишет: «...отрицательная гравитационная энергия поля уравновешена электрической энергией поля...? ...Я твердо и упрямо провозглашал, что совершенно непростительно допускать гравитационное воздействие энергии, даже то, которое численно уравнивает тяжелую и инертную массу». Здесь речь идет об энергии гравитационного поля, которая, по мнению Эйнштейна, нужна была для равенства гравитационной и инертной масс. Бессо адресует прямой вопрос Эйнштейну: «Гравитационное воздействие гравитационной энергии или соответственно последняя сама по себе является у тебя только вспомогательными понятиями? Ведь она не обладает свойствами тензора; она отрицательна и поэтому для нее нет места в твоем пустом пространстве?». Английский перевод этого письма можно найти в 8 томе собрания сочинений Эйнштейна, опубликованном издательством Принстонского университета, 1998 (Аlbert Einstein, The Berlin Years: Correspondence, 1914-1918). После многочисленных обменов мнений с Бессо, Эйнштейн пишет ему 20 августа 1918 года важные слова: «Твое высказывание показывает мне, что и ты придерживаешься того мнения, что можно отказаться от тензора энергии для гравитации. Но тогда закон сохранения теряет всякую ценность», и еще раз: «Если понятие энергия-импульс не может быть распространено и на [гравитационное] поле, то оно теряет всякую физическую ценность». Итак, в 1916-1918 годах Эйнштейн продолжает обдумывать вопрос о странных (и неожиданных даже для него) свойствах гравитационной энергии.
Он обсудил его в 22 частных письмах (см. письма Нордстрёма от 22 сентября и 23 октября 1917 года, письмо Клейна от 20 марта 1918 года, письмо Коттлера от 30 марта 1918 года, письмо Вейля от 18 сентября 1918 года; письма к Лоренцу от 12 октября 1915 и 19 января 1916 гг.; к Эренфесту от 17 и 24 декабря 1916 г. и от 25 августа 1916 г.; к Дондеру от 8 и 23 июля 1916 года; к Леви-Чивита от 2 и 23 августа 1917 года; многочисленные письма 1918 года к Клейну от 13 и 24 марта, 3 и 9 июня, 22 июля, 8 ноября, 27 декабря; к Борну от 29 июня 1918 г., к Вейлю от 27 сентября 1918 года). Эйнштейн пишет Гильберту 12 апреля 1918 года: «Мой [тензор энергии гравитационного поля] отвергается всеми как некошерный» « My [tensor of energy of gravitational field] are being rejected by everyone as unkosher» (Принстоновское собрание сочинений, т.8, стр. 525).
Ключевой работой стала статья Эрвина Шредингера (1918) о нефизических свойствах гравитационной энергии. Шредингер (Erwin Schrodinger, Die Energiekomponenten des Gravitationsfeldes, Physikalische Zeitschrift, XIX, 1918, s. 4-7), показал, что величину, введенную Эйнштейном в качестве энергии гравитационного поля, можно превратить в нуль во всем пространстве вокруг гравитирующей точки простым выбором координатной системы. Бауэр в том же томе журнала Physikalische Zeitschrift (уже зная о работе Шредингера) показал обратное: введя в плоском пространстве сферическую систему координат, можно получить ненулевую и даже бесконечную величину эйнштейновского выражения для гравитационной энергии (Hans Bauer, Uber die Energiekomponenten des Gravitationsfeldes, Physikalische Zeitschrift, XIX, 1918, s.163-165). В том же, весьма содержательном, томе журнала (стр. 165) Эйнштейн обсуждает результат Шредингера («Замечание к работе Э.Шредингера «Компоненты энергии гравитационного поля»). Эйнштейн пишет: «Шредингер был, конечно, удивлен этим результатом, который сначала показался удивительным и нам» (Собр. соч., т.1, стр. 626) и, отмечает, что, ввиду нетензорности введенной Эйнштейном величины, Лоренц и Леви-Чивита «тоже не решились трактовать величины (...) как компоненты энергии гравитационного поля». Эйнштейн пишет в своей статье: «Хотя я разделяю эти соображения, убежден, что более целесообразное определение компонент энергии гравитационного поля невозможно» и отмечает, что «гравитационные поля можно задавать, не вводя напряжений и плотности энергии». Это важный пункт: Эйнштейн заявляет, что гравитационные поля полностью описываются метрическим тензором, что фактически означает, что энергетические характеристики для гравитации избыточны.
В статье «О гравитационных волнах» 1918 года (Собр.соч. Эйнштейна, т.1, с.645) Эйнштейн пишет: «Нет никаких оснований заставить понимать под [компонентой тензора энергии-импульса гравитационного поля] плотность энергии гравитационного поля…», но указывает, что она полезна для вычислений потерь энергии системой, излучающей гравитационные волны.
Из опубликованных статей Эйнштейна и из его переписки с другими учеными, мы видим, что в результате многочисленных дискуссий он постепенно меняет свое мнение о реальности гравитационной энергии и об ее гравитационной массе. Это изменение прослеживается в 1916-1918 годах и впервые отчетливо отражено в 1919 году, как ключевой пункт интерпретации эйнштейновских уравнений поля. В статье «Играют ли гравитационные поля существенную роль в построении элементарных частиц материи?» 1919 (Собр.соч. Эйнштейна, т.1, с.664) он, записывая свои уравнения поля, указывает, что в правой части стоит тензор энергии материи. В пояснении к уравнению он пишет: «При этом развитие теории привело к допущению, что [компоненты тензора энергии материи] НЕ ЗАВИСЯТ от производных [метрического тензора]. Ибо эти величины являются компонентами энергии в духе специальной теории относительности, в которой не рассматриваются переменные по величине [компоненты метрического тензора]».
(выделено самим Эйнштейном).
В течение всех остальных почти 40 лет жизни, начиная с середины 1916 года, Эйнштейн уже больше никогда не говорит о гравитационной энергии как об источнике гравитационного поля. Наоборот – начиная с 1919 года, он 16 раз повторил утверждение (словами или уравнениями), что только обычная материя является источником гравитационного поля. Последний раз и совершенно недвусмысленно, Эйнштейн исключает энергию гравитационного поля из источников искривления пространства в 1953 году в четвертом издании книги «Сущность теорию относительности». Это издание снабжено Приложением II, в котором о правой части уравнений Эйнштейна сказано следующее: «Правая часть уравнения (1) феноменологически описывает все источники гравитационного поля. Тензор [источников гравитационного поля] представляет энергию, которая создает гравитационное поле, но сама не имеет гравитационного характера, как, например, энергия электромагнитного поля, энергия, связанная с плотностью вещества и т.д.» (Собр. соч. Эйнштейна, т.2, с.762).
Итак, после обсуждений 1916-1918 года Эйнштейн кардинально поменял свою точку зрения на гравитационную массу гравитационной энергии – или на то, включать ли гравитационную энергию в источники гравитационного поля.
Как восприняли остальные физики эту перемену?
Большая часть осталась на позиции 1915-1916 года, которая сохраняла реальность гравитационной энергии, невзирая на её нетензорность, и давала в предельных случаях закон сохранения совместной энергии. Эта точка зрения доминирует до сих пор.
Но некоторая часть физиков, вслед за Эйнштейном, приняла новую, более смелую, интерпретацию общей теории относительности. Почему она смелая? Потому что отрицает закон сохранения энергии, заменяя его на другой – более общий закон, которому подчиняется энергия материи. Среди этих физиков – такие гиганты, как Эддингтон, Шредингер и Дирак.
Эддингтон пишет (Математическая теория относительности, 1934, стр. 248-249):
«Законы сохранения материальной энергии и количества движения формально выражаются выражениями:
[дивергенция тензора энергии-импульса] = 0 (59.1)
…Мы обобщили это уравнение в соответствующее тензорное уравнение: [ковариантная дивергенция тензора энергии-импульса]= 0, которое уже не является математическим выражением сохранения чего-либо».
«Интересно сравнить этот путь с традиционным методом, в котором уравнение (59.1) обобщается таким образом, что форма закона сохранения явно остается.
В классической механике закон сохранения спасают введением нового вида энергии - потенциальной энергии, не содержащейся в [тензоре энергии-импульса материи]. При этом предполагается, что потенциальная энергия запасена в поле тяготения; количество движения и компоненты напряжения тоже могут иметь какие-то невидимые дополнения в поле тяготения. Поэтому к [тензору энергии-импульса материи] нужно добавить добавочное выражение [псевдотензор энергии-импульса гравитационного поля], объединяющее потенциальную энергию, количество движения и напряжение. Тогда закон сохранения должен иметь место только для всей суммы. … Разница между релятивистским и классическим пониманием заключается таким образом в следующем. В обеих теориях устанавливается, что хотя [тензор энергии-импульса материи] и сохраняется в некоторых случаях, но в общем случае это сохранение не имеет места. В теории относительности ищется более общий закон, которому подчиняется [тензор энергии-импульса материи], справедливый также и в том случае, когда [тензор энергии-импульса материи] не сохраняется точно; этим законом оказывается соотношение [ковариантная дивергенция тензора энергии-импульса]= 0. Классическая же теория вводит новый вид энергии таким образом, чтобы закон сохранения оставался верным, но для другой величины… Следовательно, релятивистская теория придерживается физической величины и видоизменяет закон. Классическая же теория придерживается закона и видоизменяет физическую величину». (стр.249).
«Величина [псевдотензора энергии-импульса гравитационного поля], представляет собой потенциальную энергию классической механики, мы же вообще не считаем ее каким-либо видом энергии. Она не является тензорной плотностью, и ее можно сделать равной нулю в любой точке, произведя соответствующее преобразование координат. Мы не рассматриваем [псевдотензор энергии-импульса гравитационного поля] как некоторое абсолютное свойство, характеризующее структуру мира». (стр. 251)
Эддингтон совершенно уверен в том, что классический закон сохранения энергии несовместим с общей теорией относительности (1919 года, точку зрения 1915 года он относит к «классике») и пишет: «Эта разница между классическим и релятивистским взглядом на энергию позволяет вспомнить замечание, сделанное нами во введении, об определении физических величин. После того как был найден принцип сохранения энергии, физики превратили его практически в определение энергии, так что энергия рассматривалась как нечто, подчиняющееся закону сохранения. При этом физик следовал приемам чистого математика, когда он, вместо того чтобы описать измерение энергии, определял ее посредством тех свойств, которыми он наделял ее по своему желанию. Подобный способ в свете новейших исследований оказался очень неудачным. Верно, конечно, что можно найти величину…, удовлетворяющую такому определению, но только она не представляет собой тензора и поэтому не может явиться непосредственной мерой какого-либо инвариантного мирового соотношения. Вместо того чтобы обременять себя подобной величиной, не представляющей сейчас существенного интереса, мы возвращаемся к первоначальной идее vis viva («живой силы») - правда обобщенной, поскольку в нее включена теплота или «живая сила» молекул, но зато не потенциальная энергия. При этом мы находим, что эта «живая сила» сохраняется формально не во всех случаях, но что она подчиняется закону, согласно которому ее расходимость равна нулю; это обстоятельство является с нашей новой точки зрения более простым и значительным, чем простое сохранение». (стр.251-252). Это ключевые слова – вслед за Эйнштейном, Эддингтон отказывается от закона сохранения энергии в пользу более простого и фундаментального закона изменения энергии. Сам Эйнштейн считал Эддингтона лучшим интерпретатором теории относительности. О его книге «Математическая теория относительности» Эйнштейн писал так: «Наилучшее изложение предмета на любом языке» «...the finest presentation of the subject in any languages».
Шредингер в своей книге «Структура пространства-времени» (1950) (эта книга опубликована в 1986 году на русском под названием "Пространственно-временная структура Вселенной", туда же вошла его книга «Расширяющаяся Вселенная» (1956)) пишет: «О компонентах псевдотензора иногда говорят как о гравитационных энергии-импульсе-натяжении. В некотором смысле они заменяют классическое понятие гравитационной потенциальной энергии, не имеющее другого двойника в теории Эйнштейна. Однако, они не являются совершенно подходящим двойником. Выдвигалось, к примеру, возражение, что в поле изолированной материальной точки с помощью надлежащего выбора системы координат можно заставить их всюду обращаться в нуль.»
(Это возражение выдвинул сам Шредингер в своей работе 1918 года)
«...существует знаменитый и особенно поразительный пример: полное количество () (т.е. энергии или массы), заключенное в замкнутой расширяющейся Вселенной, УМЕНЬШАЕТСЯ. В простых моделях можно вычислить потерю энергии, и она оказывается равной количеству работы, которую должно было произвести ДАВЛЕНИЕ, чтобы увеличить объем, если бы при этом необходимо было выталкивать поршень, как в случае адиабатически расширяющегося объема газа. Тем не менее в данном примере нет ничего подобного ни поршню, ни вообще границе, через которую могла бы вытекать энергия. С дорелятивистской точки зрения (которая могла бы вполне одобрить идею замкнутой расширяющейся Вселенной, не предполагая никакой связи между (метрическим тензором) и гравитационным полем) энергия не теряется, а запасается в виде потенциальной энергии тяготеющих масс, удаляющихся друг от друга.
Другой пример заключается в том, что энергия – и угловой момент – «уносится» из системы через пустое пространство… с помощью гравитационных волн, излучаемых системой, когда она имеет внутреннее движение, приводящее к изменению со временем её моментов инерции, скажем, к осцилляциям. Излученная энергия не обязана где бы то ни было проявляться в качестве (нулевой компоненты тензора); но это может произойти и произойдет, когда эти волны натолкнутся на другую систему, способную частично поглотить их. Весь процесс имеет большое сходство с тем, что хорошо известно нам из классической теории испускания и поглощения электромагнитного излучения, за исключением того, что ИСТИННЫЙ тензор энергии () равен нулю внутри волн на всем протяжении их пути сквозь пустое пространство.»
Эту же точку зрения Шредингер высказывает в книге «Расширяющиеся Вселенные», 1956: «...вся вселенная теряет энергию, как если бы ее содержимое своим давлением работало на увеличение ее объема. ...куда девается энергия? В ньютоновой механике мы сказали бы, что она затрачивается на преодоление взаимного гравитационного притяжения и хранится в виде гравитационной потенциальной энергии. Из теории Эйнштейна понятия гравитационной силы тяги и потенциальной энергии исчезли, хотя они изредка используются в целях краткости речи. ...Закон сохранения не дает возможности утверждать, что объем энергии, заключенный в любой данной пространственной области, постоянен, при условии, что нет никакого движения энергии через ее границу... Хорошо известным трюком является приведение законов сохранения к обычной дивергенции... это достигается за счет введения необщековариантного (псевдо-) тензора энергии-импульса-натяжений... Величиной, не зависящей от времени, в нашем случае является интеграл по всему пространству от суммы плотности энергии материи и плотности гравитационной псевдоэнергии. И, конечно, последняя вносит тот вклад, который в ньютоновой механике был бы назван гравитационной потенциальной энергией. Таково решение кажущегося парадокса, нравится оно нам или нет.». Как и Эддингтон, Шредингер относит гравитационную потенциальную энергию к дорелятивистским понятиям и считает, что в эйнштейновской теории такой энергии не существует.
Дирак в своих лекциях по общей теории относительности присоединяется к точке зрения Эйнштейна (1919), Эддингтона и Шредингера, отмечая, что правую часть уравнений Эйнштейна «...следует интерпретировать как плотность и поток энергии и импульса (негравитационного происхождения)» и что «В искривленном пространстве энергия и импульс сохраняются лишь приближенно...» (П.А.М.Дирак, Общая теория относительности, 1978; стр. 45).
Итак, теория Эйнштейна 1915 года ввела в рассмотрение искривленное пространство, степень искривления которого зависит от тензора энергии-импульса. Эта революционная точка зрения с трудом, но нашла своих приверженцев. Теория Эйнштейна 1919 года пошла дальше – и отказалась от закона сохранения во имя ковариантности уравнений. Если записать уравнения Эйнштейна
«тензор, характеризующий искривленность пространства = тензор энергии-импульса материальных систем»
и взять от него ковариантную производную, то она будет равна нулю и для левой части, и для правой. Для правой части – это будет обобщение закона сохранения тензора энергии-импульса, который уже закон не сохранения, а изменения. Для левой части – это тоже некое ограничение, которое накладывается на структуру пространства-времени. Можно назвать это законом сохранения/изменения тензора пространства-времени.
Суть новой трактовки Эйнштейна-Эддингтона-Шредингера-Дирака (ЭЭШД) в том, что в мире существует два активных начала, способных производить работу: пространство-время и энергия-импульс. Они по отдельности подчиняются строгим и ковариантным законам сохранения/изменения, но могут и перетекать друг в друга по не менее четким законам. И это не менее революционное изменение физической парадигмы оказались способны воспринять только несколько человек нобелевского уровня: Эйнштейн-Эддингтон-Шредингер-Дирак (в этой четверке три нобелевских лауреата).
Что можно ответить на распространенное утверждение/убеждение, что если гравитационная волна налетает на бусину на палочке и заставляет бусину елозить, а палочку – нагреваться, то это означает, что грав.волна обладает энергией? Можно отметить, что эти люди не смогли воспринять суть ЭЭШД-версии ОТО. Представим себе симпатичных, но отсталых аборигенов, который уже узнали ценность денег, но деньги для них – это непременно золотые блестящие кружочки. Эти аборигены твердо уверены в законе сохранения таких кружочков – и если хоть один из них пропадает из общей кассы, то надо поискать по карманам приятелей – и потерянный золотой обязательно найдется. Теперь представим, что в город аборигенов приезжает человек с чековой книжкой. Он идет в банк, выписывает чек и покупает сотню золотых монет. Если он покажет аборигенам эту сотню, то они будут совершенно уверены, что он привез их с собой, потому что до концепции чековой книжки они еще не дозрели. Так вот – гравитационная волна, обладая нулевой энергией (золотыми монетами), но заметной кривизной пространства времени (чековой книжкой), заставляет гравитационный детектор производить энергию – не из ничего, а из волнообразного пространства и времени. Это не я придумал – перечитайте слова Шредингера, приведенные выше.
Конечно, можно придумать некий «золотой эквивалент» чековой книжке – и создать более общий закон сохранения, но он будет неточный, и будет радовать только аборигенов, привыкших к единому закону сохранения.
Именно неприятие нарушения привычного закона сохранения привело к тому, что ЭЭШД-версия ОТО не получила распространения.
Эйнштейн, Эддингтон, Шредингер и Дирак оказались еретиками в науке. Их мнение отвергли, как некую неприличность. В гравитационной физике есть бесполезная деятельность – берется одна из многочисленных неэйнштейновских теорий и получаются решения Шварцшильда, гравволн и т.д. Теорией, в которой гравитационные поля и волны не входят в правую часть источников, вообще никто не занимается. Конечно, каждый отдельно взятый гравитационист в глубине души уверен, что он умнее Эйнштейна, Эддингтона, Шредингера и Дирака вместе взятых, но если рассудить честно, то он гораздо глупее их - даже каждого в отдельности.
ЭЭШД-версия ОТО может привести к совершенно другому пониманию космологии. Например, теоремы Пенроуза-Хокинга о неизбежности сингулярности доказаны для случаев сохранения энергии. А если сохранения нет, значит нет и теорем, и неизбежности сингулярности – и можно попробовать найти решения, в которых их не будет. А ведь эти сингулярности считаются величайшим кризисом в физике. «Как ни велик был кризис в физике, разразившийся в 1911 году, сегодня гравитационный коллапс поставил физику перед лицом еще более грандиозного кризиса. Стоит вопрос не только о судьбе вещества, но и о судьбе самой Вселенной».
(Мизнер, Торн и Уилер, Гравитация, 1977. т.3, с.463)
Я уже приводил в «Астровитянке» пример Вселенной, состоящей из 10
73 черных дыр, которые при попарном сливании (в ходе коллапса Вселенной) дают последнюю дыру, ничтожную по массе по сравнению с первоначальной массой Вселенной, и облако гравитационных волн, куда ушла остальная энергия. Включать или нет в правую часть уравнений Эйнштейна это облако гравволн – это вопрос жизни или смерти для Вселенной. Пока все выбирают смерть (=сингулярность). Во имя святого духа и спасения закона сохранения энергии. Аминь!