Возвращение времени. От античной космогонии к космологии будущего
Шрифт:
В ОТО осталось положение о том, что не зависящая от наблюдателя информация сводится к причинно-следственной структуре Вселенной и собственному времени. Если история Вселенной описывается на языке ОТО, блочная картина сохраняется.
ОТО не только сохраняет элементы СТО, утверждая, что время нереально, но и вводит новые элементы, приводящие к следующим выводам. Во-первых, есть немало способов разделения пространства-времени на пространство и время (рис. 12). Вы можете определить время с помощью сети часов, распределенных по Вселенной, но часы в различных местах могут идти с разной скоростью. То есть получается, что в ОТО время может быть неоднородным. Во-вторых, геометрия пространства и пространства-времени перестает быть простой, или регулярной. Она становится более
Но что геометрия пространства и пространства-времени имеет общего с гравитацией? ОТО основана на самой простой из научных идей: падение тел – естественное их состояние.
Рис. 12. Мы противопоставляем привычное представление о времени более произвольному понятию времени в ОТО. Обычно мы думаем, что время везде идет с одной и той же скоростью. Так, поверхности одновременных событий расположены с равными интервалами (в верхней части рисунка). В ОТО время может измеряться в каждой точке разными часами, каждые из которых идут сколь угодно быстро по сравнению с другими до тех пор, пока поверхности равного времени причинно не связаны друг с другом. Мы называем это свободой для времени принимать складчатую структуру (в нижней части рисунка).
Великие революции в физике изменяют наши представления о том, что такое естественное движение (то есть такое, которое не нуждается в объяснении). Для Аристотеля естественным движением было состояние покоя по отношению к центру Земли. Любое другое движение было неестественным, насильственным, и его необходимо было объяснить, например, силой, действующей на тело и заставляющей его двигаться. Для Галилея и Ньютона естественным было движение по прямой с постоянной скоростью, и привлечение силы требовалось только тогда, когда скорость или направление движения менялось (ускорение). Вот почему вы не чувствуете движения в самолете или поезде, пока они движутся без ускорения.
Но если движение относительно, спросите вы, то разве важно, относительно чего ускоряются самолет или поезд? Да, это важно: другие наблюдатели тоже перемещаются без ускорения. Тавтология? Нет, если оговориться, что существует большой класс наблюдателей, которые не чувствуют движения, и объединяет их то, что все они движутся с постоянными скоростью и направлением один по отношению к другому. Такие наблюдатели называются инерциальными, и законы Ньютона определяются по отношению к ним. Первый закон Ньютона гласит: свободные частицы (то есть нет действующих на них сил) перемещаются относительно инерциальных наблюдателей с постоянной скоростью и в неизменном направлении.
Это, кстати, объясняет, почему важно, вращается Солнце вокруг Земли или наоборот. По отношению к любым инерциальным наблюдателям направление движения Земли постоянно меняется, так как она вращается вокруг Солнца. Это ускорение объясняется гравитационным влиянием Солнца.
Для Ньютона сила притяжения была такой же силой, как и другие. Эйнштейн, однако, понял, что есть нечто особенное в движении, вызванном силой притяжения: все тела падают с одинаковым ускорением независимо от их массы или других свойств. Это следствие из законов Ньютона. Ускорение тела обратно пропорционально его массе, но Ньютон утверждал, что сила притяжения, действующая на тело, пропорциональна массе тела. Поэтому эффект массы сокращается, ускорение, вызванное силой притяжения, не зависит от массы тела, и все тела падают с одинаковым ускорением.
Эйнштейн отразил естественность падения в самом красивом принципе своей теории (и физики вообще): принципе эквивалентности сил гравитации и инерции. Он гласит: когда вы падаете, вы не можете почувствовать движение. Ощущения, испытываемые обывателем в падающем лифте, не отличаются от ощущений космонавта, вышедшего в открытый космос. Сила, воздействие которой мы испытываем, когда сидим или стоим – не гравитация, тянущая нас вниз, а пол или стул, действующие снизу и удерживающие нас от падения. Когда я сижу за письменным столом, я двигаюсь неестественно.
Эйнштейн был гением не из-за математической сложности своей ОТО (с этой стороной его теории справится большинство нынешних математиков и физиков): ему удалось изменить наш взгляд на один из простейших аспектов бытия. Прежде, до Эйнштейна, мы думали, что ежедневно и круглосуточно испытываем действие гравитации. Эйнштейн указал, что это не так: мы ощущаем пол. Эйнштейн эту очень физическую идею с помощью своего друга, математика Марселя Гроссмана, превратил в гипотезу о геометрии мира. Гипотеза основывалась на одном из исходных геометрических понятий – прямой.
Прямая определяется в школьном курсе геометрии как путь, соединяющий две точки по кратчайшему расстоянию. Это определение применимо для маршрута самолета, но может быть распространено и на криволинейные поверхности. Представьте сферу, например, поверхность Земли. Можно подумать, что на поверхности сферы нет прямых линий, потому что поверхность искривлена, но это не так, когда мы подразумеваем под прямой путь, который ведет из одной точки в другую по кратчайшему расстоянию. Мы называем кривые, удовлетворяющие этому определению, геодезическими. На плоскости геодезическими являются прямые. Но когда мы имеем дело со сферой, геодезическими являются сегменты больших окружностей. Именно они являются маршрутами самолетов, совершающих полет между двумя городами по кратчайшему пути [42] .
42
В геодезии пространства-времени, в противоположность геометрии пространства, это пути, движение по которым занимает минимальное собственное время, а не кратчайшее расстояние. В такой геодезии свободно падающие часы идут быстрее, чем любые другие часы, перемещающиеся между двумя событиями. Отсюда следует: желаете оставаться молодым – ускоряйтесь.
Если траектория тел, падающих в гравитационном поле, является естественной, необходимо обобщить их на прямые линии, вдоль которых, согласно Ньютону, тела двигаются, если на них не действуют внешние силы. Но теперь у нас есть выбор: как свободные частицы движутся вдоль прямых в пространстве, так они движутся по прямой в пространстве-времени Минковского. Хотим ли мы представить гравитацию путем искривления пространства или искривления пространства-времени?
Исходя из блочной модели, ответ очевиден: изгибаться должно пространство-время. Из-за относительности одновременности различные наблюдатели расходятся во мнении о том, какие события происходят одновременно. Не существует простого, объективного, независимого от наблюдателя способа описать, как искривлено пространство.
Когда Эйнштейн выбрал для реализации своего принципа эквивалентности искривленное пространство-время, идея состояла в том, что кривизна будет передавать воздействие силы притяжения так, что объекты, падающие в гравитационном поле, будут двигаться вдоль геодезических линий. Свободно падающие тела упадут на Землю не потому, что на них действует сила, а потому, что пространство-время искривлено таким образом, что геодезические направлены к центру Земли. Планеты вращаются вокруг Солнца не потому, что Солнце их притягивает, а потому, что оно своей огромной массой искривило геометрию пространства-времени, и геодезические замкнулись в орбиты.