Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
Шрифт:
Это называется «принципом эквивалентности», согласно которому все массы падают под действием гравитации с одинаковой скоростью (или, точнее, заявляется, что инерциальная масса эквивалентна гравитационной массе [10] ). Идея и правда не нова, но если для Галилея и Ньютона это было просто любопытным фактом, то в руках такого маститого физика, как Эйнштейн, ей суждено было стать фундаментом новой релятивистской теории гравитации. Эйнштейн продвинулся на один гигантский шаг дальше, чем Галилей или Ньютон. Он сформулировал следующий постулат, который затем лег в основу общей теории относительности: законы природы в ускоряющейся системе отсчета и в системе отсчета с гравитацией неразличимы. Удивительно, но это простое утверждение стало в руках Эйнштейна основой теории, которая позже подарила нам искривленное пространство, черные дыры и картину рождения Вселенной.
10
Напомним,
После блестящего озарения в патентном бюро в 1907 г. эйнштейновой теории гравитации потребовалось несколько лет, чтоб окончательно сформироваться. Новая картина тяготения постепенно вырастала из принципа эквивалентности, но только в 1911 г. Эйнштейн начал публиковать плоды своих размышлений. Первое следствие принципа эквивалентности – тот факт, что свет под действием силы тяготения должен искривляться. Мысль о том, что гравитация, возможно, действует на световые лучи, не нова и восходит по крайней мере ко временам Исаака Ньютона. Ньютон в своей книге «Оптика» задается вопросом: может ли гравитация оказывать влияние на свет звезд? «Действуют ли тела на свет на расстоянии и изгибают ли своим действием его лучи и не является ли это действие сильнейшим на самом малом расстоянии?» К несчастью, технологии XVII в. не позволяли получить ответ на этот вопрос.
Но теперь, через две с лишним сотни лет, Эйнштейн вернулся к этому вопросу. Представьте себе, что внутри космического корабля, поднимающегося с Земли с ускорением, зажигается фонарик. Свет его направляется горизонтально поверхности Земли. Поскольку ускорение ракеты направлено вверх, световой луч загибается книзу. А теперь применим принцип эквивалентности. Физика внутри корабля должна быть неотличима от физики на Земле; это означает, что сила тяготения, помимо всего прочего, должна отклонять свет и искривлять его лучи. В несколько коротких шагов Эйнштейн подошел к новому физическому явлению – изгибанию луча света под действием гравитации. Он сразу же понял, что такой эффект можно рассчитать.
Самое сильное гравитационное поле в Солнечной системе генерируется Солнцем, поэтому Эйнштейн задался вопросом: достаточно ли притяжения Солнца, чтобы отклонять лучи далеких звезд? В принципе, это можно было бы проверить, сняв одни и те же звезды в разные времена года. Первую фотографию нужно сделать ночью, когда свет звезд проходит без помех; вторую – через несколько месяцев, когда свет этих звезд будет проходить рядом с Солнцем. Сравнив две фотографии, можно, по идее, измерить, как изображения звезд слегка сдвинулись под действием тяготения Солнца. Конечно, Солнце своим светом подавляет свет звезд, поэтому любые эксперименты на тему искривления света необходимо проводить во время солнечного затмения, когда Луна заслоняет свет Солнца, а звезды становятся видимыми днем. Эйнштейн рассудил, что фотографии дневного неба, сделанные во время затмения, в сравнении с фотографиями того же участка неба, сделанными ночью, должны показать легкое искажение положения звезд вблизи Солнца. (Близость Луны тоже слегка искривляет свет звезд, но по сравнению с искажением, вызванным массой Солнца, это искажение очень и очень мало. Таким образом, присутствие Луны практически не влияет на искривление света звезд во время затмения.)
Принцип эквивалентности помог Эйнштейну вычислить приблизительный сдвиг лучей света под действием гравитации, но ничего не говорил о гравитации как таковой. Недоставало полевой теории гравитации. Вы помните, что уравнения Максвелла описывают теорию поля, в которой силовые линии напоминают паутину, способную колебаться и поддерживать волны, движущиеся вдоль этих линий. Эйнштейн же занимался поисками гравитационного поля, силовые линии которого способны поддерживать гравитационные колебания, движущиеся со скоростью света.
Около 1912 г., после нескольких лет усиленных размышлений, Эйнштейн постепенно начал понимать, что наши представления о пространстве и времени придется перетряхивать; для этого требовалась новая геометрия, помимо той, что современная наука унаследовала от древних греков. Основным фактором, подтолкнувшим его к мысли об искривлении пространства-времени, стал парадокс, иногда называемый «парадоксом Эренфеста», с которым Эйнштейна познакомил его друг Пауль Эренфест. Представьте себе простую карусель на вращающемся диске. Известно, что длина окружности этого диска в покое равняется его диаметру, взятому раз. Однако, когда карусель кружится, ее внешний край движется быстрее, чем внутренние части, следовательно, согласно теории относительности, и сжимается он сильнее, чем внутренность диска, искажая форму карусели. Это означает, что окружность диска съежилась и теперь меньше, чем диаметров; то есть
Стоит только понять, что пространство может быть искривлено, как на свет появляется поразительная картина. Представьте себе тяжелый камень, лежащий на упругой кровати. Естественно, этот камень продавит кровать под собой. А теперь киньте на кровать маленький шарик. Он будет катиться не по прямой, а по кривой линии вокруг большого камня. Существует два способа проанализировать этот эффект. Глядя со стороны, сторонник теории Ньютона мог бы сказать, что существует загадочная «сила», которая исходит от камня и действует на шарик, заставляя его менять направление движения. Однако релятивист увидел бы совершенно иную картину. Посмотрев на кровать внимательно, релятивист заметил бы, что никакой силы, которая действовала бы на шарик, нет. А есть только вмятина в кровати, которая и задает движение шарика. Сама поверхность кровати «подталкивает» шарик и заставляет его катиться вокруг камня.
Теперь заменим камень на Солнце, шарик на Землю, а кровать – на пространство и время. Ньютон сказал бы, что Землю к Солнцу притягивает невидимая сила, именуемая тяготением. Эйнштейн ответил бы, что гравитационного притяжения не существует. Земля обращается вокруг Солнца, потому что ее толкает кривизна самого пространства. В определенном смысле можно сказать, что не гравитация притягивает, а пространство подталкивает.
В этой картине Эйнштейн вполне мог объяснить, почему любое возмущение на Солнце доходит до Земли за восемь минут. Если внезапно убрать с кровати камень, то ее поверхность начнет возвращаться к нормальной плоской форме, породив при этом круговые волны, которые разойдутся по поверхности кровати с определенной скоростью. Точно так же, если бы Солнце вдруг исчезло, возникла бы ударная волна искривленного пространства, которая двигалась бы со скоростью света. Эта картина была настолько проста и элегантна, что суть ее Эйнштейн смог объяснить даже своему второму сыну Эдуарду, спросившему отца, почему тот так знаменит. Эйнштейн ответил: «Когда слепой жук ползет по изогнутой ветке, он не замечает, что путь, по которому он движется, в самом деле искривлен. Мне повезло заметить то, чего не замечал этот жук».
Ньютон в своей эпохальной книге «Математические начала натуральной философии» [11] признавался, что не в состоянии объяснить происхождение этого загадочного притяжения, которое действует мгновенно во всей Вселенной. Он пустил в обращение знаменитую фразу «hypotheses non fingo» («гипотез не измышляю») именно потому, что был не в состоянии объяснить, откуда берется гравитация. У Эйнштейна, как мы видим, гравитацию вызывает искривление пространства и времени. Выясняется, что «сила» – всего лишь иллюзия, побочный продукт геометрии. Согласно этой картине, причина того, что мы стоим на поверхности Земли, заключается не в том, что тяготение Земли притягивает нас. По Эйнштейну, гравитационного притяжения не существует. Земля искривляет пространственно-временной континуум вокруг наших тел, так что само пространство толкает нас вниз, к полу. Таким образом, все дело в присутствии вещества, которое искривляет пространство вокруг него и дает нам иллюзию существования некоей гравитационной силы, притягивающей близлежащие объекты друг к другу.
11
Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: ЛКИ, 2014.
Искривление пространства, разумеется, невидимо, и с некоторого расстояния ньютонова картина представляется вполне корректной. Представьте себе муравьев, прогуливающихся по смятому листу бумаги. Пытаясь идти по прямой, они замечают, что их то и дело тянет то влево, то вправо, когда они преодолевают складки бумаги. Муравьям кажется, что существует какая-то загадочная сила, тянущая их в обоих направлениях. Однако человеку, наблюдающему за муравьями со стороны, очевидно, что никакой силы нет, что все дело в складках бумаги, которые, собственно, и порождают иллюзию силы. Вспомните, кстати, что Ньютон считал пространство и время абсолютной системой отсчета для любого движения. Однако, по Эйнштейну, пространство и время могут играть и динамическую роль. Если пространство искривлено, любому, кто движется по этой сцене, покажется, что на его тело действует загадочная сила, толкающая его то туда, то сюда.