10.01.2017

Четыре крупнейших ошибки в научной жизни Эйнштейна

В науке, как и в жизни, обычно приходится ошибаться снова и снова, прежде чем вы найдете правду. Отчасти это проявляется когда вы пытаетесь сделать что-то впервые; никто ведь не рождается экспертом в определенном деле. Нам приходится нарабатывать мощное основание — инструментарий для решения проблем, если можно так выразиться, прежде чем станет возможно сделать что-то новенькое или сложное. И все равно всегда будут границы нашего возможного успеха. Не то чтобы мы были в этом виноваты - это жизнь такая. И это никоим образом не преуменьшает наш успех, это наше величайшее достижение как человеческого существа.

Когда мы распахиваем новую почву, постигаем что-то новенькое в науке и расширяем свой кругозор, это идет на пользу всему человечеству. И даже величайший гений всех времен Альберт Эйнштейн совершал колоссальные ошибки на пути к правде. Перед вами четыре примера его крупных научных ошибок.

1. Эйнштейн ошибся в «доказательстве» своего самого известного уравнения E = mc². В 1905 году, в его «год чудес», Эйнштейн опубликовал работы о фотоэлектрическом эффекте, броуновском движении, специальной теории относительности и эквивалентности массы и энергии, среди прочих. Над идеей «энергии покоя» работали многие люди, но так и не разобрались в числах. Многие предлагали E = Nmc², где N было числом вроде 4/3, 1, 3/8 или еще какой-то другой цифрой, но никто не доказал, какое число было верным. До Эйнштейна.

По крайней мере так звучит легенда. Правда может слегка расшатать ваше отношение к Эйнштейну, но она такова: Эйнштейн смог вывести E = mc² только для частицы в состоянии полного покоя. Несмотря на то, что он изобрел специальную теорию относительности — основанную на принципе того, что законы физики независимы от системы отсчета наблюдателя — формулировка Эйнштейна не учитывала, как энергия работает для частицы в движении. Другими словами, E = mc² в описании Эйнштейна была зависима от системы отсчета! И только спустя шесть лет Макс фон Лауэ внес важную поправку, показав ошибку в работе Эйнштейна: нужно избавиться от идеи кинетической энергии. Вместо этого теперь мы говорим об общей релятивистской энергии, где традиционная кинетическая энергия — KE = 1/2mv² — может возникать только в нерелятивистском пределе. Эйнштейн допускал подобные ошибки во всех семи своих дифференцированиях E = mc² на протяжении всей жизни, несмотря на то что фон Лауэ, Джозеф Лармор, Вольфганг Паули и Филипп Ленард — все успешно получали отношение массы/энергии без ошибки Эйнштейна.

2. Эйнштейн добавил космологическую постоянную Λ в общую теорию относительности, чтобы сохранить Вселенную неподвижной. Общая теория относительности — прекрасная, элегантная и мощная теория — изменила наше представление о Вселенной. Вместо Вселенной, в которой сила тяжести была мгновенной, притягивающей силой между двумя массами, расположенными в фиксированных точках пространства, присутствие материи и энергии во всех их формах влияет и определяет кривизну пространства-времени. Плотность и давление полной суммы всех форм энергии во Вселенной играет роль от частиц до излучения, от темной материи до энергии поля. Но это отношение не понравилось Эйнштейну, поэтому он его изменил.

Видите ли, Эйнштейн вдруг обнаружил, что Вселенная, полная вещества и излучения, была бы нестабильной. Ей пришлось бы либо расширяться, либо сжиматься, собственно, как это и происходит. Поэтому он «починил» это отношение путем ввода дополнительного термина — положительной космологической постоянной — чтобы точно уравновесить возможное сжатие Вселенной. Этот «ремонт» все равно оставил Вселенную нестабильной, поскольку чуть более плотные регионы все равно коллапсировали бы, а чуть менее плотные расширялись бы бесконечно. Если бы Эйнштейн смог устоять перед своим искушением, он бы предсказал расширение Вселенной еще до Фридмана и Леметра, а может, и доказал бы еще до Хаббла. И хотя мы на самом деле должны иметь космологическую постоянную в нашей Вселенной (которую мы назвали темной энергией), мотивы Эйнштейна ее привлечь были совершенно неверными и помешали нам додуматься до расширяющейся Вселенной. Ошибка была недопустимой.

3. Эйнштейн отверг неопределенную квантовую природу Вселенной. Этот пункт остается крайне спорным, прежде всего благодаря упорству Эйнштейна в этом вопросе. В классической физике, вроде ньютоновской гравитации, максвелловском электромагнетизме и даже общей теории относительности, теории являются детерминированными. Если вы назовете начальные позиции и импульсы всех частиц во Вселенной, ученый может, заручившись достаточной вычислительной мощью, сказать вам, как они будут развиваться, двигаться и где окажутся через определенное время. Но в квантовой механике не только существуют величины, которые нельзя узнать заранее, этой теории также присущ фундаментальный индетерминизм.

Чем лучше вы измеряете и определяете положение частицы, тем хуже вы знаете ее импульс. Чем короче срок жизни частицы, тем более неопределенной по своей сути является ее энергия покоя (то есть масса). А если измерить ее спин в одном направлении, вы таким образом уничтожите знание о других двух. Но вместо того, чтобы принять эти самоочевидные факты и попытаться переосмыслить, как мы в основном видим кванты, составляющие Вселенную, Эйнштейн настаивал на том, чтобы видеть их в детерминированном смысле и делать акцент на скрытых переменных. Возможно, благодаря упорству Эйнштейна многие физики долгое время не могли поверить в то, что нужно изменить наше отношение к кванту энергии.

4. Эйнштейн придерживался своего неверного подхода к унификации до самой смерти, несмотря на неопровержимые доказательства того, что это бесполезно. Унификация в науке как идея родилась задолго до Эйнштейна. В ее основе лежит мысль о том, что всю природу можно объяснить простым набором правил или параметров; сила такой теории в ее простоте. Закон Кулона, закон Гаусса, закон Фарадея и постоянные магниты можно объяснить в одних рамках: электромагнетизм Максвелла. Движение земных и небесных тел впервые объяснила гравитация Ньютона, а потом и общая теория относительности Эйнштейна. Но Эйнштейн хотел двигаться дальше и пытался объединить гравитацию и электромагнетизм. В 1920-х годах был достигнут определенный прогресс, и Эйнштейн хотел продолжать двигать его в следующие 30 лет.

Но эксперименты выявили некоторые существенно новые правила, которые Эйнштейш суммарно проигнорировал в своем упорном стремлении объединить эти две силы. Слабые и сильные взаимодействия подчиняются таким же квантовым правилам электромагнетизма, и перевод этих теорий на квантовый язык привел к объединению, известному как Стандартная модель. Но Эйнштейн никогда не шел этими тропинками и даже не пытался включить ядерные взаимодействия; он застрял в гравитации и электромагнетизме, даже если налицо были другие доказательства. Доказательств Эйнштейну было недостаточно. Как сказал Оппенгейер:

«Под конец своей жизни Эйнштейн не сделал ничего хорошего. Он повернулся спиной к экспериментам, чтобы… осознать единство знания».

Даже гении часто ошибаются. И это должно служить напоминанием нам всем, что ошибки это норма; нет ничего постыдного в том, чтобы учиться на своих ошибках, ведь только так и собираются знания.

Илья Хель

Источники:

1. hi-news.ru