Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

Грин Брайан

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.

18

В классическом переводе «Начал» Ньютона на русский язык А. Н. Крыловым эта фраза отсутствует. Согласно переводу Крылова, Ньютон пишет о природе тяготения следующее (с. 661–662): «До сих пор я изъяснял небесные явления и приливы наших морей на основании силы тяготения, но я не указывал причины самого тяготения. ‹...› Причину же этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю. Всё же, что не выводится из явлений, должно называться гипотезою, гипотезам же метафизическим, физическим, механическим, скрытым свойствам, не место в экспериментальной философии». (Прим. ред.)

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 можетеощущать 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.

19

Барни Гамбл — ещё один персонаж мультсериала про семейку Симпсонов. Проживает также в Спрингфилде. (Прим. перев.)

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.)

20

Vomit Comet — непереводимая игра слов. Vomit — рвота, comet — комета. (Прим. ред.)

Аналогично, подходящим образом меняя движение, можно создавать силу, совершенно идентичную гравитации. Например, вообразим, что Барни попадает в космическую капсулу с космонавтами в состоянии невесомости, а от ног нашего бедолаги ещё не отлипли весы, так и показывающие «ноль». Если капсула включит двигатели и начнёт ускоряться, всё существенно изменится. Барни почувствует давление со стороны пола, такое же, как вы ощущаете в кабине ускоренно поднимающегося лифта. И поскольку ноги Барни теперь уже давят на весы, то их показания сдвинутся с «нуля». Если капитан запустит двигатель с подходящей мощностью, то показание весов Барни точно совпадёт с тем, что он видел, находясь в ванной комнате. За счёт подходящего ускорения Барни теперь ощущает силу, неотличимую от гравитации.

То же самое верно по отношению и к другим видам ускоренного движения. Например, если Барни присоединится к Гомеру, привязанному к внутренней стенки вращающегося в открытом космосе ведра, и встанет на внутреннюю стенку под прямым углом к Гомеру, то показания весов опять сдвинутся с «нуля», поскольку на весы будут давить ноги Барни. Можно подобрать такую скорость вращения ведра, что весы покажут тот же вес, что и в ванной комнате: ускорение вращающегося ведра может с успехом заменять гравитацию, не отличаясь от неё по своему действию.

Всё это привело Эйнштейна к заключению, что ощущаемая сила гравитации и сила, ощущаемая от ускорения, — это одна и та же сила. Они эквивалентны. Эйнштейна назвал это принципом эквивалентности.

Посмотрим, что это значит. Прямо сейчас вы чувствуете воздействие гравитации. Если вы стоите, то ваши ступни чувствуют, как пол поддерживает ваш вес. Если вы сидите, вы чувствуете поддержку где-то ещё. И, если только вы не читаете эти строки сидя в самолёте или в автомобиле, вы, вероятно, думаете, что вы неподвижны — что вы не ускоряетесь и даже вообще не двигаетесь. Но, согласно Эйнштейну, вы на самом деле ускоряетесь. Поскольку вы всё ещё сидите, то это звучит как-то глупо, но не забывайте задавать обычный вопрос: по отношению к чему вы ускоряетесь? Ускоряетесь с чьей точки зрения?

В специальной теории относительности абсолютное пространство-время давало критерий ускоренного движения, но эта теория не учитывала гравитацию. Теперь, с помощью принципа эквивалентности, Эйнштейн дал более общий взгляд на вещи, включающий воздействие гравитации. И это радикально изменило перспективу. Поскольку гравитация и ускорение эквивалентны, то если вы чувствуете воздействие гравитации, значит, вы ускоряетесь.Эйнштейн заключил, что только те наблюдатели, которые не чувствуют вообще никаких сил, включая и силу гравитации, могут с полным правом заявить, что они не ускоряются. Такие свободные от сил наблюдатели предоставляют истинную точку отсчёта для описания движения, и признание именно этого требует полного переворота в наших представлениях обо всех этих вещах. В примере с Барни, выпрыгивающим из окна в глубокую шахту, мы привычно считаем, что он начинает двигаться с ускорением по направлению к земной поверхности. Но Эйнштейн не согласится с таким утверждением. Согласно Эйнштейну, Барни неускоряется. Онне чувствует никакой силы. Онневесом. Онощущает себя словно парящим в глубокой тьме открытого космического пространства. Именно он служит системой отсчёта, по отношению к которой следует рассматривать движение. А с точки зрения Барни это вы в действительностиускоряетесь, когда спокойно сидите и читаете у себя дома. С точки зрения Барни, пролетающего в свободном падении мимо вашего окна (а его точка зрения, согласно Эйнштейну, служит истинным критерием движения), вы, Земля и всё прочее, что вы считаете неподвижным, — всё это ускоренно движется вверх. Эйнштейн скажет, что это голова Ньютона сама налетела на яблоко, а не яблоко упало на его неподвижную голову.