Эйнштейн (Жизнь, Смерть, Бессмертие)
Шрифт:
174
Эйнштейн иллюстрировал указанную эквивалентность примером кабины лифта, движущейся с ускорением в пространстве, свободном от поля тяготения, и неподвижной кабины, находящейся в поле тяготения. Эти кабины противостоят ньютоновому ведру, демонстрирующему абсолютный характер ускорений. Представим себе, говорит Эйнштейн, кабину лифта, неподвижную, подвешенную на канате в поле тяготения, например в поле тяготения Земли. В кабине стоят люди, они испытывают давление на свои подошвы и приписывают это давление своему весу. Теперь представим себе кабину, не испытывающую действия сил тяготения, но уносящуюся с ускорением, противоположным по направлению тем силам, которые действовали на кабину в первом случае. Ускорение кабины вызовет в пей процессы, не отличающиеся от процессов, вызванных
Никто не сможет сказать, что является причиной процессов, происходящих в кабине: ее ускоренное движение или действующие на нее силы тяготения. Этот пример иллюстрирует принцип эквивалентности. Так Эйнштейн назвал неразличимость динамических эффектов ускорения и тяготения. Из принципа эквивалентности следует, что ускоренное движение не имеет абсолютного критерия: внутренние эффекты, вызванные ускорением, можно приписать тяготению.
Чтобы распространить на ускоренные движения найденную в 1905 г. специальную теорию относительности, нужно было показать, что за счет тяготения могут быть отнесены не только динамические эффекты движения, но и оптические явления. Речь идет о следующем. Представим себе, что кабину лифта пересекает поперечный луч света. Он входит в одно окошечко и выходит в другое. Если кабина движется с ускорением, луч сдвинется в сторону, обратную движению кабины. Если же кабина неподвижна и находится в поле тяготения, то свет не сдвинется и продемонстрирует различие между физическими эффектами ускорения и тяготения и абсолютный характер ускоренного движения. Это произойдет, если свет не обла
175
дает гравитационной массой. Но если свет обладает гравитационной массой, иными словами, если он подвержен действию поля тяготения, то под действием этих сил он испытывает ускорение. Чтобы допустить такое ускорение, нужно отказаться от основной посылки специальной теории относительности - постоянства скорости света Эйнштейн сделал это. Он ограничил специальную теорию относительности - принцип постоянства скорости света - областями, где гравитационными силами можно пренебречь. Зато он распространил принцип относительности, лежащий в основе специальной теории, на все движущиеся системы. Вывод о тяжести света, о наличии у света гравитационной массы можно было проверить наблюдением. Мы вскоре увидим, как это было сделано. Сейчас коснемся другого - соотношения "внешнего оправдания" и "внутреннего совершенства" общей теории относительности.
Исходные идеи этой теории были выведены из очень общих посылок - из пропорциональности инертной и тяжелой масс. В классической механике эта пропорциональность была необъяснимой особенностью гравитационных полей ведь в случае других полей, например электрических, такой пропорциональности нет. Общая теория относительности включила указанную пропорциональность в систему связанных друг с другом закономерностей, в единую каузальную схему мироздания. Тем самым картина мира приблизилась к "внутреннему совершенству". Такую же роль сыграла ликвидация произвольного для "классического идеала" ограничения относительности инерциальными системами. В части "внешнего оправдания" она столкнулась, сначала теоретически, а потом и реально, с новым фактом - тяжестью света. Этот факт означал, что не только механические, но и оптические процессы в движущихся с ускорением системах подчиняются принципу относительности. Отсюда следует, что обобщению подвергается не классический принцип относительности, а теория, найденная Эйнштейном в 1905 г., что на все движения распространяются парадоксальные пространственно-временные соотношения.
Принцип эквивалентности сам по себе еще не приводит к относительности ускоренных движений в значительных пространственных областях. Вернемся к двум кабинам, из которых одна находится в поле тяготения и не
176
подвижна, а другая движется с ускорением. Подвесим два груза на нитях к потолку первой кабины. Силы тяготения направлены к центру Земли; эти направления пересекаются в центре Земли, и поэтому грузы натягивают нити, строго говоря, не параллельно.
Все же Эйнштейну удалось доказать относительность ускоренных движений. Для этого он отождествлял тяготение с искривлением пространства-времени. Представим себе график, на котором по одной оси отложены пройденные телом расстояния в сантиметрах, а по другой, перпендикулярной первой, отложено прошедшее время в секундах. Если тело движется по инерции, то его движение будет на таком пространственно-временном графике изображаться прямой линией; если тело движется с ускорением - движение будет изображено кривой. Если все тела, включая световые кванты, искривляют в поле тяготения свои мировые линии, если искривляются все мировые линии, мы можем говорить об искривлении пространства-времени в целом.
Что это значит, выяснится после того, как мы приведем пример искривления двумерного пространства - некой поверхности.
Начертим на плоскости прямые, образующие треугольники. Измеряя суммы углов в этих треугольниках, мы неожиданно обнаруживаем, что в одной области эти суммы не равны двум прямым углам. Нам приходит в голову, что в этих областях пространство стало неевклидовым. Такое предположение нетрудно сделать наглядным; в указанных областях плоскость искривилась, стала кривой поверхностью, а на кривых поверхностях сумма углов треугольника не равна двум прямым углам. Гораздо труднее представить себе искривление трехмерного пространства или четырехмерного пространства-времени. Но мы можем это сделать, не связывая с кривизной пространства-времени ничего другого, кроме искривления всех мировых липий. Поскольку тяготение искривляет четырехмерные мировые линии всех без исключения тел, мы можем считать тяготение искривлением самого пространства-вре
177
мени. В такой теории тяготения, или, что то же самое, в общей теории относительности Эйнштейна, определить, какая сила тяготения воздействует в данной точке пространства, в данный момент времени на единичную массу, это значит определить, какова кривизна пространства-времени в данной мировой точке, т.е. в данной пространственной точке, в данный момент времени. Если пространство-время в данной области не искривлено (поле тяготения пренебрежимо мало), мировая линия частицы будет прямой, т.е. частица движется прямолинейно и равномерно. Если действует гравитационное ноле (пространство-время искривлено), частица будет иметь здесь искривленную мировую линию.
Из общей теории относительности вытекает новое представление о Вселенной, новая космология. Эйнштейн рассматривал гравитационные поля различных тел как искривления пространства-времени в областях, окружающих эти тела. Тела, находящиеся на земной поверхности, вызывают небольшие искривления. Земля, искривляя пространство-время, заставляет Луну двигаться с ускорением. Солнце искривляет пространство-время, так что мировые линии планет кривые. Но помимо этого, быть может, пространство в целом, все мировое пространство отличается определенной кривизной?
Смысл понятия общей кривизны пространства можно пояснить аналогией с общей кривизной некоторого двумерного пространства, например с поверхностью нашей Земли. Путешествуя по этой поверхности, мы встречаем отдельные искривления - пригорки, холмы, горы; но наряду с ними мы знаем о кривизне поверхности Земли в целом, о том, что все это двумерное пространство является сферической поверхностью. Теперь возьмем четырехмерное пространство-время, т.е. совокупность мировых линий всех тел природы. Эти мировые линии сильнее искривляются вблизи центров тяготения. Но не обладают ли они в целом некоторой общей кривизной? Предпримем, по аналогии с путешествием по поверхности земного шара, путешествие по всему мировому пространству. Мировая линия, изображающая наше путешествие, будет кривой на некоторых участках, там, где мы пересекаем гравитационные поля планет, звезд и т.д. Планета вызывает небольшое искривление мировой линии, звезда большее. Путешествуя в мировом пространстве, мы попадаем в