Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Это предположение было особенно привлекательным для Эйнштейна, потому что в специальной теории относительности, чтобы сделать анализ обозримым, он полностью проигнорировал гравитацию. Возможно, рассуждал он, более общая теория, включающая как специальную теорию относительности, так и гравитацию, придёт к другому выводу относительно идей Маха. Возможно, предполагал он, обобщение специальной теории относительности, учитывающее гравитацию, покажет, что материя, как близкая, так и удалённая, определяет силу, ощущаемую нами при ускорении.

У Эйнштейна была и другая, в чём-то более веская, причина обратить своё внимание на гравитацию. Он понимал, что специальная теория относительности, базирующаяся на утверждении, что никакой материальный объект и никакое возмущение не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света, прямо конфликтует с ньютоновским универсальным законом гравитации — фундаментальным достижением, с помощью которого более двух столетий с фантастической точностью предсказывали движение Луны, планет, комет и всех прочих небесных тел. Невзирая на экспериментальные подтверждения закона Ньютона, Эйнштейн понимал, что, согласно Ньютону, гравитация мгновенно распространяется от точки к точке, от Солнца к Земле и т. д., т. е. гораздо быстрее света, а это прямо противоречит специальной теории относительности.

Для иллюстрации этого противоречия предположим, что у вас выдался действительно прескверный вечер (в вашем родном городе закрылся боулинг-клуб, все позабыли о вашем дне рождения, кто-то съел последний кусок сыра в холодильнике), так что вы захотели побыть наедине с собой, и потому решились на лодочную прогулку при Луне. Луна над головой, на море прилив (именно гравитация Луны притягивает воду, вызывая прилив), отражения лунного света пляшут на поверхности морских волн. Но затем, словно в продолжение вечерних кошмаров, враждебные инопланетяне хватают Луну и мгновенно перебрасывают её на другой конец галактики. Конечно, такое исчезновение Луны было бы очень странным, но если верен ньютоновский закон всемирного тяготения, то этот эпизод повлечёт за собой нечто ещё более странное. Закон Ньютона предсказывает, что вода начнёт спадать (вследствие исчезновения притяжения со стороны Луны) за полторы секунды до того, как вы увидите, что Луна исчезла с неба. Подобно спринтеру, допустившему фальстарт, вода начнёт спадать на полторы секунды раньше.

Причина здесь в том, что, согласно Ньютону, в тот самый момент, когда исчезает Луна, также мгновенно исчезает и её притяжение, так что приливные волны мгновенно начинают спадать. А поскольку на преодоление примерно 400 тыс. км между Луной и Землёй свету требуется примерно полторы секунды, то вы не сразу заметите, что Луна исчезла; в течение полутора секунд вы будете видеть, что волны вдруг начали спадать, тогда как Луна, как обычно, сияет на небосклоне. Таким образом, согласно Ньютону, гравитация может воздействовать на нас раньше света — гравитация может опережать свет — а это, как был уверен Эйнштейн, на самом деле это не так.{28}

Поэтому примерно в 1907 г. Эйнштейном завладела идея сформулировать новую теорию гравитации, которая была бы по крайней мере столь же точной, как ньютоновская, но не конфликтовала со специальной теорией относительности. Эта проблема оказалась не чета всем остальным. Гигантский интеллект Эйнштейна наконец-то столкнулся с подобающей ему проблемой. Его тетради того периода теснятся от наполовину сформулированных идей, промахов, когда маленькие ошибки приводили к долгим блужданиям по иллюзорным путям, и восклицаний, что ему удалось решить проблему, за которыми вскоре вновь обнаруживалась ошибка. Наконец, в 1915 г. Эйнштейн нашёл выход. Хотя Эйнштейн и получал помощь в критических ситуациях (особенно от математика Марселя Гроссмана), создание им общей теории относительности ознаменовало редкое героическое усилие одного ума, пытающегося постичь Вселенную. Результатом этих усилий явилась ярчайшая жемчужина доквантовой физики.

Путь Эйнштейна к созданию общей теории относительности начался с основного вопроса, который Ньютон скромно опустил два столетия ранее. Как гравитация действует через огромное пространство? За счёт чего страшно далёкое Солнце влияет на движение Земли? Солнце не прикасается к Земле, так как же оно воздействует на Землю? Короче говоря, как работает гравитация? Хотя Ньютон и открыл уравнение, которое с высокой точностью описывает силу гравитации, он вполне осознавал, что оставил без ответа этот важный вопрос. В своих «Началах» Ньютон честно написал:[18] «Я оставляю эту проблему на рассмотрение читателя»{29}. Как видно, есть аналогия между этой проблемой и той, которую Фарадей и Максвелл решили в начале XIX в., используя представление о магнитном поле, посредством которого магнит воздействует на объекты, не прикасаясь к ним. На основании этого можно предложить аналогичный ответ: гравитация передаёт воздействие посредством другого поля — гравитационного поля. И, вообще говоря, это правильное предположение. Но проще сказать, чем создать теорию, которая не конфликтовала бы со специальной теорией относительности.

Да, гораздо проще. Эйнштейн отважно взялся за решение этой задачи, и с помощью поразительной схемы, разработанной им спустя десятия поисков во тьме, ниспроверг устоявшуюся ньютоновскую теорию гравитации. Равным образом поражает то, что история вернулась к своему началу, поскольку ключевой прорыв Эйнштейна был тесно связан с той самой проблемой, которую Ньютон поднял в примере с ведром: какова истинная природа ускоренного движения?

Эквивалентность гравитации и ускорения

В специальной теории относительности Эйнштейн рассматривал наблюдателей, двигающихся только с постоянной скоростью, — такие наблюдатели никак не ощущают своего движения, и поэтому с полным правом могут заявлять, что это они неподвижны, а двигается весь остальной мир. Щекотка, Царапка и Апу, едущие в поезде, не ощущают своего движения. С их точки зрения двигается Мартин и все, стоящие на платформе. Мартин тоже не чувствует движения. С его точки зрения двигается поезд с пассажирами. Ни одна из точек зрения не является более правильной, чем другая. Но с ускоренным движением всё по-другому, так как вы можете ощущать его. Вы чувствуете, как вас вдавливает в спинку кресла, когда автомобиль начинает ускоряться; вы чувствуете, как вас толкает вбок, когда поезд делает резкий поворот; вы чувствуете усиление давления со стороны пола, когда лифт поднимается с ускорением.

Тем не менее эти силы, которые вы всегда должны чувствовать, привлекли внимание Эйнштейна как самые обыкновенные. Когда вы приближаетесь к резкому повороту, ваше тело по привычке напрягается, поскольку предстоящий толчок в сторону неизбежен. И нет способа укрыться от такого воздействия. Единственный способ избежать такого толчка — это поменять свои планы и не поворачивать. Для Эйнштейна это прозвучало ударом колокола. Он подметил, что то же самое характеризует и силу гравитации. Если вы находитесь на планете Земля, то подвергаетесь силе земного гравитационного притяжения. Это неизбежно. Нет способа избежать её. В то время как от электромагнитных и ядерных сил вы можете каким-либо способом укрыться (экранироваться), нет способа защитить себя от гравитации. И в один из дней 1907 г. Эйнштейн осознал, что это не просто аналогия. В одной из тех вспышек прозрения, в стремлении к которым учёные проводят жизнь, Эйнштейн понял, что гравитация и ускоренное движение — две стороны одной медали.

Эйнштейн понял, что подобно тому как изменив свои планы, чтобы избежать ускорения, вы можете избежать вдавливания в автомобильное кресло или толчка в сторону при повороте, так можно избежать и обычных ощущений, связанный с гравитационным притяжением. Идея чудесно проста. Чтобы понять её, представим, что Барни[19] отчаянно пытается выиграть Кубок Спрингфилда — соревнование толстяков: кто сбросит за месяц больший вес? Но после двухнедельной «жидкой диеты» (на пиве «Дафф»), встав на весы в своей ванной комнате, Барни теряет всякую надежду. В приступе отчаяния он выбрасывается из окна ванной прямо с прилипшими к его ногам весами. И прежде чем угодить прямиком в бассейн соседа, Барни бросает взгляд на показание весов и что же он видит? Да, Эйнштейн первым осознал, и осознал полностью, что Барни видит, как стрелка весов встала на «ноль». Весы падают точно с той же скоростью, что и Барни, так что его ноги совсем не давят на них. В свободном падении Барни ощущает ту же невесомость, что и космонавты в открытом космосе.

Фактически, если мы вообразим, что Барни, выпрыгнув из окна, попадает в глубокую шахту, из которой откачан весь воздух, тогда на его пути вниз не только сопротивление воздуха будет устранено, но будут устранены и все обычные напряжения тела, возникающие из-за давления ступней на лодыжки, оттягивания руками плеч и т. д. — поскольку каждый атом его тела будет падать с совершенно одинаковой скоростью.{30} Закрыв глаза во время падения, Барни почувствует точно то же самое, что он почувствовал бы в открытом космосе. (Или, в случае, если вам больше нравятся примеры неодушевлённые: если в ту же шахту сбросить пару камней, связанных верёвкой, то верёвка останется ненатянутой, как в открытом космосе.) Таким образом, меняя своё состояние движения — полностью «отдаваясь гравитации», — Барни может имитировать отсутствие гравитации. (На самом деле так и тренируются астронавты в НАСА, привыкая к невесомости на модифицированном Боинге 707, прозванном ими Vomit Comet[20], который периодически входит в состояние свободного падения.)