Но сорок пять лет назад Эйнштейн шел не этим путем. Он разработал свое описание гравитации на основе нескольких довольно общих идей. Одна из них — это идея о том, что силы гравитации определяются материей и находят свое выражение в геометрии пространства — времени. Каковы же определяющие свойства материи? Конечно, не цвет, а те свойства, которые явно относятся к ее массе, энергии, импульсу или инерции, и другие, связанные с этими характеристики, дающие вместе целостное представление о материи. В данном случае я бы добавил, что электричество и магнетизм, поскольку они обладают энергией, также дают свой вклад в гравитационные поля. Другой важный момент заключается в том, что неотъемлемые свойства геометрии целиком определяют силы гравитации, которые действуют на тела. Мы употребили термин «неотъемлемые», чтобы подчеркнуть, что нас не интересует вопрос о геометрической интерпретации в терминах пространственных координат; нас интересует вопрос о тех свойствах, которые определяют структуру пространства — времени. Таким образом, с одной стороны, «неотъемлемая» геометрия определяется распределением материи, а с другой — реакция материи на тяготение целиком определяется геометрией.

В самом деле, материальное тело в пространстве — времени движется по наиболее «прямой» линии, определяемой характером геометрии.

Из этих двух основных моментов и исходил Эйнштейн, но они не привели его ни к чему определенному.

Кроме того, Эйнштейн рассмотрел те предельные случаи, для которых ему был известен правильный ответ. Один из них — теория тяготения Ньютона, которая, как я уже сказал, верна для не слишком сильных полей, если последние не подвергаются со временем слишком большим изменениям. Второй случай соответствует утверждению, что пространство и время в пределах достаточно малой области должны быть плоскими и в этой области справедливы преобразования Лоренца специальной теории относительности.

Это и есть четыре элемента, так называемые четыре постулата Эйнштейна. Пятый постулат, который никто никогда не сможет истолковать, состоит в том, что теория должна быть простой. В этом случае я бы сказал, мы стоим перед тем фактом, что лишь изобретя правильную систему обозначений и исходя из правильных математических идей, можно сделать вывод о простоте или сложности той или иной теории. После долгих мучений и многих лет безуспешных попыток, т. е. после многих лет, в течение которых изложенные мною идеи физики стали уже ясными, Эйнштейн наконец натолкнулся на раздел математики, созданный другими учеными, который явился идеальным средством для изложения на бумаге вопросов гравитации и общей теории относительности [Этим разделом математики является тензорный анализ. — Прим. ред.].

И все те, кто сегодня тщетно пытается придать этой теории более прозаический характер, не могут не восхищаться богатством воображения, смелостью и красотой того, что сделал Эйнштейн. Что же касается правильности или ошибочности его теории — это уже другой вопрос.

Она, безусловно, правильна во всех тех частностях, о которых я говорил. Но пока что имеется очень немного экспериментальных данных, подтверждающих специфические черты этой теории, черты, которые не имеют ничего общего ни с электромагнитной теорией, ни с плоской пространственно-временной структурой, ни с теорией Ньютона. Мы, быть может, долго ждали того, что мы уже узнали, но я не встречал ни одного физика, который бы не считал, что в действительности теория Эйнштейна родилась все-таки на основании замечательных догадок. Однако нет никаких данных, которые опровергли бы эту теорию. Таким образом, проблема пространства — времени еще не завершена. Я не беру на себя смелость говорить о том, что будет дальше, но ясно, что нерешенные вопросы есть еще в двух крайних областях.

Одна из них касается масштаба того огромного, что охватывает все, что мы видим в телескопы и слышим с помощью радиотелескопов. Имеются в виду расстояния, превышающие пять — десять миллиардов световых лет, которые сейчас являются пределом. Мы видим, что Вселенная стремительно расширяется; мы еще не установили в деталях ее пространственную структуру. Вопрос о том, является ли пространство (сейчас я не говорю о времени) конечным или бесконечным, полностью открыт, так как ответа на него сегодня нет, да и вряд ли будет в ближайшем будущем. Эйнштейн считал, что пространство конечно, но это было потому, что он считал все устойчивым и статичным. Изучая пространство, мы видим, что характерной особенностью является движение; чем глубже мы заглядываем, тем больше возникает новых вопросов, тем стремительнее удаляются от нас объекты; и мы не в состоянии ответить, прекратится ли этот процесс или будет длиться вечно, и есть ли предел тому расстоянию, которое мы можем наблюдать.

Другая область — это еще один нерешенный вопрос, о котором я уже упоминал. Дело в том, что когда мы переходим к весьма малым размерам (я имею в виду не размеры атомов и даже ядер, а размеры тех объектов, из которых они состоят), то нельзя с точностью установить, до какого предела возможно различать близлежащие точки в пространстве и времени и в какой мере разделение таких точек имеет смысл. Но скажу одно. Здесь дело не в искривлении пространства, ибо в этом случае гравитация представляет силу, которой вполне можно пренебречь; кроме того, предполагается, что скорость света и в этом случае является конечным пределом, ограничивающим скорость распространения всех физических возмущений или сигналов. Исходя из этого предположения, можно сделать далеко идущие выводы, и по сей день ни один из этих выводов не был опровергнут опытом, являющимся одним из могучих орудий современной физики.

Атом и поле

Моя сегодняшняя лекция посвящена квантовой теории, которая берет начало от двух параллельных и даже взаимно дополняющих друг друга исторических источников. Первый из них — это свойства электромагнитного излучения (но не те, которые имеют значение для теории относительности), второй — стремление познать структуру атома. Говоря о структуре атома, я имею в виду атомы, с которыми имеет дело химик или специалист в области спектроскопии, а не атомы, с которыми имеет дело физик, работающий на гигантском ускорителе. Второе направление также представляет интерес, но фактически оно возникло в течение последних десятилетий и как следует не разработано, тогда как квантовая теория приобрела почти законченный вид еще тридцать пять лет назад.

Касаясь вопроса об электромагнитном излучении, следует прежде всего еще раз несколько подробнее остановиться на том, что переменное магнитное поле создает электрическое поле, переменное же электрическое поле генерирует магнитное, и этот процесс перекачки порождает электромагнитные волны. Эти волны обладают весьма важными, глубокими, хотя и несколько абстрактными свойствами, которые являются общими для всех других явлений, именуемых физиками волновыми процессами. Всякая электромагнитная волна характеризуется векторами электрической и магнитной напряженности, которые колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях; в частности, они могут совершать периодические во времени колебания, принимая то положительное, то отрицательное направление и обращаясь в нуль при переходе от одного к другому; эти векторы могут колебаться в противоположных фазах, так что когда напряженность электрического поля равна нулю, напряженность магнитного поля максимальна, и наоборот; и все это движется со скоростью света в направлении, перпендикулярном к напряженности как электрического, так и магнитного полей. Это один из видов электромагнитных волн, рассмотрением которых мы и ограничимся.

Рис. 1

Волна характеризуется тремя параметрами: длиной волны λ, частотой колебаний v и скоростью распространения c. Длина волны измеряется расстоянием между двумя соседними максимумами вектора электрической напряженности. Частота определяется скоростью изменения электрического поля в данной точке со временем. Произведение этих двух величин есть скорость распространения волны, равная для электромагнитной волны скорости света, так что c = λv. Можно определить длину и частоту любой волны, например звуковой волны или волны, образующейся на поверхности воды. Произведение этих величин тоже определяет скорость волны, т. е. соответственно скорость звука и скорость движения гребня волны, распространяющейся в воде.

Важное свойство любого волнового процесса, будь то распространение электромагнитных волн, распространение звука, колебание водной поверхности (в последнем случае особенно легко наблюдать явление, о котором идет речь ниже), заключается в следующем. Если две волны перекрываются в некоторой области пространства и времени, то они взаимодействуют и соответствующие возмущения складываются. Например, напряженность электрического поля, обусловленного двумя электромагнитными волнами, равна сумме напряженностей электрических полей каждой волны в отдельности. То же относится и к напряженности магнитного поля.

Это означает, что при наложении двух волн электрические поля могут либо складываться (рис. 2, б), либо гасить друг друга (рис. 2, а) в зависимости от взаимного расположения волн.