Закрученные пассажи

II Достижения начала двадцатого века Глава 5 Относительность: эволюция теории тяготения Эйнштейна

Икар Рашмор III с нетерпением ждал, когда он сможет показать Дитеру свой новый порше. Но как бы он ни гордился новой машиной, еще больше его волновала GPS (Глобальная система позиционирования), которую он недавно самостоятельно разработал и установил.

Икар хотел поразить Дитера, поэтому он убедил своего друга поехать с ним за город. Они сели в машину, Икар запрограммировал конечный пункт маршрута, и друзья отправились в путь. Но, к огорчению Икара, они завершили свое путешествие в неправильном месте — система GPS сработала совсем не так хорошо, как он ожидал. Дитер сразу же предположил, что Икар, должно быть, сделал какую-то нелепую ошибку, например, перепутал метры с футами. Однако Икар не верил, что он мог совершить такую глупость, и поспорил с Дитером, что проблема не в этом.

На следующий день Икар и Дитер устранили некоторые неисправности. Но, к их разочарованию, когда они отправились в путь, GPS работала еще хуже, чем раньше. Икар и Дитер снова принялись искать неполадки, и, наконец, через неделю разочарований на Дитера снизошло озарение, он сделал быстрый расчет и обнаружил поразительную вещь, что без учета общей теории относительности GPS Икара будет накапливать ошибки со скоростью более 10 км в день. Икару казалось, что его порше не настолько быстр, чтобы требовались релятивистские вычисления, но Дитер объяснил ему, что не автомобиль, а сигналы CPS движутся со скоростью светя. Дитер изменил программу так, чтобы учесть изменение гравитационного поля, сквозь которое движутся сигналы GPS. После этого система Икара стала работать не хуже уже имеющихся в продаже коммерческих моделей. Удовлетворенные И кар и Дитер начали планировать новое автомобильное путешествие.

В начале прошлого века английский физик лорд Кельвин сказал: «В физике уже невозможно открыть что либо новое. Все, что осталось, — это все более и более точные измерения».[32] Лорд Кельвин здорово ошибся: очень скоро после того, как он произнес эти слова, в физике началась революция, связанная с теорией относительности и квантовой механикой, и расцвели различные области физики, над которыми люди работают до сих пор. Однако более глубокое утверждение лорда Кельвина о том, что «научное богатство растет согласно закону сложных процентов»[33], безусловно, правильно, и особенно подходит к этим революционным достижениям.

В этой главе рассматривается учение о гравитации и ее развитии от впечатляющего открытия законов Ньютона до революционных достижений теории относительности Эйнштейна. Законы движения Ньютона являются законами классической физики, и в течение столетий они использовались учеными для расчета механического движения, в том числе движения, обусловленного тяготением. Законы Ньютона великолепны, они позволяют нам предсказывать движение с очень большой точностью, достаточной для того, чтобы посылать людей на Луну и выводить спутники на орбиты, для того, чтобы удерживать на рельсах при поворотах сверхскоростные поезда в Европе, для того, чтобы побудить к поиску восьмой планеты, Нептуна, руководствуясь особенностями орбиты Урана. Но, увы, эти законы недостаточны для точной работы GPS.

Невероятно, но используемая сейчас GPS для достижения точности 1 м требует использования общей теории относительности Эйнштейна. Определение изменений глубины снежного покрова на Марсе с помощью лазерного дальномера, установленного на вращающемся по орбите космическом корабле, также требует использования этой теории и позволяет производить измерения с неправдоподобной точностью 10 см. Конечно, когда общая теория относительности была предложена, никто, даже Эйнштейн, не предполагал таких практических приложений столь абстрактной теории.

В этой главе будет рассматриваться теория тяготения Эйнштейна — необычайно точная теория, применимая к широкому кругу систем. Мы начнем с краткого обзора теории тяготения Ньютона, которая хорошо работает при энергиях и скоростях, характерных в повседневной жизни. Затем мы совершим пассаж к тем экстремальным пределам, при которых теория Ньютона терпит неудачу, а именно, к пределу очень большой скорости (близкой к скорости света) и очень большой массы или энергии. В этих предельных случаях ньютоновская теория тяготения заменяется общей теорией относительности Эйнштейна. В рамках этой теории пространство (и пространство-время) эволюционирует от статической стадии к динамической сущности, способной искривляться, двигаться и жить собственной богатой жизнью. Мы рассмотрим эту теорию, те идеи, которые привели к ее созданию, и некоторые экспериментальные тесты, убеждающие физиков в ее справедливости.

Тяготение — это сила, которая удерживает ваши ноги на поверхности и является источником ускорения, возвращающего на Землю брошенный вверх камень. В конце XVI века Галилей показал, что это ускорение одинаково для всех тел на поверхности Земли, независимо от их массы.

Однако это ускорение зависит от того, насколько далеко находится предмет от центра Земли. В более общей формулировке, напряженность поля тяготения зависит от расстояния между двумя массами, т. е. гравитационное притяжение становится слабее, когда тела становятся дальше друг от друга. Кроме того, если гравитационное притяжение создает не Земля, а какое-то другое тело, сила тяготения будет зависеть от массы этого тела.

Исаак Ньютон установил закон всемирного тяготения, который показывает, как гравитационная сила зависит от массы и расстояния. Закон Ньютона утверждает, что сила тяготения между двумя телами пропорциональна массе каждого тела. Тела могут быть любыми: Земля и мяч, Солнце и Юпитер, баскетбольный и футбольный мячи, или любые другие предметы. Чем массивнее тела, тем сильнее притягивающая их сила.

Закон тяготения Ньютона показывает также, как гравитационная сила зависит от расстояния между двумя телами. Как говорилось в гл. 2, закон тяготения утверждает, что сила притяжения между двумя телами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Именно в вопросе о законе обратных квадратов вступает в игру знаменитое яблоко[34]. Ньютон мог вывести ускорение яблока вблизи поверхности Земли, создаваемое силой притяжения Земли, и сравнить его с ускорением на поверхности Луны, которая находится в шестьдесят раз дальше от центра Земли, чем поверхность Земли. Ускорение Луны за счет притяжения Земли в 3600 (что равно 60²) раз меньше ускорения яблока. Это находится в соответствии с гравитационной силой, уменьшающейся как квадрат расстояния до центра Земли.

Однако, даже когда мы знаем зависимость гравитационной силы притяжения от массы и расстояния, нам все еще требуется дополнительная информация, прежде чем мы сможем определить общую силу гравитационного притяжения. Мы пропустили число, называемое ньютоновской гравитационной постоянной, которое входит в виде множителя при расчете любой классической гравитационной силы. Гравитация очень слаба, и это находит свое отражение в крохотной величине ньютоновской постоянной, которой пропорциональны все гравитационные эффекты.

Гравитационное притяжение Земли или притяжение между Солнцем и планетами может показаться очень большим. Однако это обусловлено только тем, что Земля, Солнце и планеты очень массивны. Ньютоновская постоянная очень мала, так что гравитационное притяжение между элементарными частицами является чрезвычайно малой силой. Эта слабость гравитации является сама по себе большой загадкой, к обсуждению которой мы еще вернемся.

Хотя теория Ньютона была правильной, Ньютон задержал ее публикацию на двадцать лет, до 1687 года, пытаясь все эти годы обосновать ключевое предположение своей теории о том, что гравитационное притяжение Земли было бы таким же, как если бы вся масса Земли была сосредоточена в ее центре. Пока Ньютон был поглощен разработкой дифференциального исчисления, необходимого для решения этой проблемы, Эдмунд Галлей, Кристофер Рен, Роберт Гук и сам Ньютон, анализируя движение планет, орбиты которых измерил Иоганнес Кеплер, установив, что они имеют форму эллипса, добились огромного успеха в определении закона силы тяготения.

Все эти ученые внесли существенные вклады в решение задачи о движении планет, но именно Ньютону мы обязаны формулировкой закона обратных квадратов для тяготения. Дело в том, что именно Ньютон окончательно показал, что эллиптические орбиты возникают как результат действия центральной силы (от Солнца), только если выполняется закон обратных квадратов, и он же показал с помощью дифференциального исчисления, что масса шарообразного тела действует так, как будто она сосредоточена в центре этого тела. Однако Ньютон признавал значение вкладов других ученых, выразив это словами: «Если мне и удалось видеть дальше, то это потому, что я стоял на плечах гигантов» [35]. (Однако, по слухам, он сказал это только потому, что испытывал крайнюю неприязнь к Гуку, который был очень низкого роста.)

В курсе физики в средней школе мы изучали законы Ньютона и рассчитывали поведение интересных (хотя и несколько искусственных) систем. Я вспоминаю свое негодование, когда наш учитель г-н Баумел сообщил, что только что изученная нами теория тяготения неверна. Зачем же преподавать теорию, если известно, что она неверна? С точки зрения моего ученического взгляда на мир, вся ценность науки заключалась в том, что она могла быть правильной и заслуживать доверия, а также могла делать точные и обоснованные предсказания.

Но г-н Баумел слишком упростил проблему, возможно, для эффектности. Теория Ньютона не была неправильной, она всего лишь была неким приближением, которое в большинстве случаев работает исключительно хорошо. Для большой области изменения параметров (скорости, расстояния, массы и пр.) она достаточно точно предсказывает величину силы тяготения. Более точной фундаментальной теорией тяготения является теория относительности, которая приводит к измеримо отличающимся предсказаниям, только если вы имеете дело с чрезвычайно большими скоростями или огромными значениями масс. Закон Ньютона прекрасно предсказывает движение мяча, поскольку не выполнен ни один из указанных выше критериев. Поэтому использовать теорию относительности для предсказания движения мяча было бы чистейшей глупостью.

На самом деле сам Эйнштейн первоначально полагал, что специальная теория относительности является всего лишь уточнением ньютоновской физики, а не радикальным изменением парадигмы. Это, конечно, сильно преуменьшает окончательное значение его работы.

Весьма разумно ожидать от физических законов, что они должны быть одинаковы для каждого. Никто бы не осудил нас за сомнения в их справедливости и полезности, если бы люди в разных странах, в разных движущихся поездах или летящие в разных самолетах наблюдали бы разные физические законы. Физические законы должны быть фундаментальными и должны выполняться для любого наблюдателя. Любая разница в вычислениях должна объясняться отличиями в окружающей среде, а не в физических законах. Действительно, было бы очень странно иметь универсальные физические законы, требующие конкретной точки наблюдения. От вашей системы отсчета могут зависеть конкретные величины, которые вы можете измерить, но не законы, управляющие этими величинами. Эйнштейновская формулировка специальной теории относительности утверждает, что дело обстоит именно так.

На самом деле несколько удивительно, что работа Эйнштейна по теории тяготения называется «теорией относительности». Принципиальный момент, заложенный как в специальную, так и в общую теорию относительности, состоит в том, что физические законы должны выполняться для всех, независимо от их систем отсчета. В действительности Эйнштейн предпочитал термин Invariantentheorie (теория инвариантности)[36]. В письме, которое написал Эйнштейн в 1921 году в ответ корреспонденту, предлагавшему переделать название, он признал, что термин «относительность» неподходящий[37]. Но к тому времени термин слишком хорошо укоренился, чтобы пытаться его изменить.

Первая идея Эйнштейна о системах отсчета и относительности возникла из размышлений об электромагнетизме. Хорошо известная с середины XIX века теория электромагнетизма была основана на уравнениях Максвелла, описывающих явления электромагнетизма и электромагнитные волны. Эти уравнения приводили к правильным результатам, но с самого начала ученые ошибочно интерпретировали полученные предсказания в рамках движения эфира, гипотетической невидимой субстанции, колебаниями которой и считались электромагнитные волны. Эйнштейн понял, что если эфир существует, то должна существовать и выделенная точка или система отсчета для наблюдений, а именно, та, в которой эфир покоится. Он обосновал, что одни и те же физические законы должны быть применимы к людям, движущимся с постоянной скоростью[38] по отношению к друг другу, а также по отношению к покоящемуся человеку, т. е. в системах отсчета, которые физики называют инерциальными системами. Потребовав, чтобы все физические законы, включая электромагнетизм, выполнялись для наблюдателей во всех инерциальных системах отсчета, Эйнштейн пришел к отказу от идеи эфира и в конце концов создал специальную теорию относительности.

Главным скачком в эйнштейновской специальной теории относительности был радикальный пересмотр понятий пространства и времени. Питер Гейлсон[39], физик и историк науки, полагает, что не только теория эфира натолкнула Эйнштейна на верный путь, но и размышления Эйнштейна над понятием времени.

Гейлсон полагает, что Эйнштейн, выросший в Германии и работавший в патентном бюро в Берне, Швейцария, должен был постоянно думать о времени и его синхронизации. Всякий, кто путешествовал по Европе, знает, что в Германии и Швейцарии очень ценится точность, и замечательным следствием этого является то, что пассажиры всегда могут быть уверены, что поезда следуют строго по расписанию. Эйнштейн работал в патентном бюро с 1902 по 1905 год, в ту эпоху, когда железнодорожное сообщение приобретало все большую важность, а синхронизация времени было передним краем новой технологии. В начале 1900-х годов Эйнштейн очень любил думать о житейских проблемах, например, о том, как синхронизировать время на одной железнодорожной станции со временем на другой.

Конечно, Эйнштейну не требовалось развивать теорию относительности для того, чтобы решить проблему синхронизации движения реальных поездов. (Для тех из нас, кто привык к часто запаздывающим поездам в Америке, синхронизированное время в любом случае может звучать как экзотика[40].) Но синхронизация времени поднимает ряд интересных вопросов. Для релятивистски движущихся поездов синхронизация времени является непростой задачей. Если я хочу синхронизовать мои часы с часами пассажира на движущемся поезде, я должна учесть время запаздывания распространяющегося между нами сигнала, так как свет имеет конечную скорость. Синхронизация моих часов с часами рядом сидящего пассажира — не то же самое, что синхронизация удаленных друг от друга часов[41].

Решающим прозрением Эйнштейна, которое привело его к созданию специальной теории относительности, было понимание необходимости пересмотра представлений о времени. Согласно Эйнштейну, пространство и время не могут более рассматриваться независимо. Хотя они не одно и то же (очевидно, что время и пространство различаются), измеряемые вами величины зависят от скорости вашего движения. Специальная теория относительности стала результатом этого прозрения.

Сколь бы удивительными они ни казались, новые следствия специальной теории относительности Эйнштейна можно вывести из двух постулатов. Чтобы их сформулировать, нам нужно понять, что представляют собой инерциальные системы отсчета. Выберем сначала произвольную систему отсчета, которая движется с постоянной скоростью (имеется в виду, что постоянны и величина скорости и ее направление); часто подходящим примером является покоящаяся система отсчета. Инерциальными системами отсчета будут тогда те системы, которые двигаются с постоянной скоростью по отношению к первой. Например, кто-то бежит или едет с постоянной скоростью.

Постулаты Эйнштейна утверждают, что:

— законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета;

— скорость света с одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Эти два постулата говорят нам, что законы Ньютона неполны. Если только мы примем эйнштейновские постулаты, у нас не останется иного выбора, кроме как заменить законы Ньютона новыми физическими законами, совместимыми с этими правилами Следующие отсюда законы специальной теории относительности приводят ко всем тем удивительным следствиям, о которых вы могли уже слышать, таким как замедление времени, зависимость понятия одновременности от наблюдателя и лоренцовское сокращение длины движущегося тела. Если применять новые законы к телам, движущимся со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, эти законы должны сводиться к старым законам классической физики. Но если применять их к каким-то телам, движущимся очень быстро, со скоростью равной или близкой к скорости света, то разница между ньютоновскими законами и законами специальной теории относительности должна стать несомненной.

Например, в ньютоновской механике величины скоростей просто складываются. Автомобиль, мчащийся вам навстречу по шоссе, приближается к вам со скоростью, равной по величине сумме величин вашей и его скоростей. Аналогично, если кто-то, стоящий на платформе, бросает вам мяч, а вы в это время находитесь в приближающемся поезде, величина скорости мяча окажется равной сумме величин скорости самого мяча и скорости движущегося поезда. (Мой бывший студент Витек Скиба может подтвердить это. Он почти потерял сознание, когда в него попал мяч, брошенный кем-то в приближающийся поезд, в котором он ехал.)

Согласно ньютоновской физике, скорость светового луча, направленного на движущийся поезд, должна равняться сумме скорости света и скорости движущегося поезда. Но это не может быть верным, если величина скорости света постоянна, как того требует второй постулат Эйнштейна. Если величина скорости света всегда одна и та же, тогда скорость луча, направленного на движущийся поезд, будет такой же, как скорость луча, достигающего вас, когда вы неподвижно стоите на земле. Даже несмотря на то что это противоречит интуиции, дополненной повседневным опытом движения с малыми скоростями, величина скорости света постоянна, а скорости в специальной теории относительности не складываются так же просто, как в ньютоновской физике. На самом деле сложение скоростей происходит согласно релятивистской формуле, вытекающей из постулатов Эйнштейна.

Многие приложения специальной теории относительности не согласуются со знакомыми нам понятиями пространства и времени. Пространство и время в специальной теории относительности рассматриваются иначе, чем в ньютоновской механике, и это приводит ко многим противоречащим интуиции результатам. Измерения времени и пространства зависят от скорости, и сами эти понятия смешиваются в системах, движущихся относительно друг друга. Тем не менее, какими бы странными они ни казались, если вы принимаете два постулата, то изменение понятий пространства и времени есть их неизбежное следствие.

Приведем один аргумент в пользу этого. Представим себе два совершенно одинаковых корабля с одинаковыми мачтами. Один из кораблей стоит на якоре в порту, а другой удаляется от берега. Допустим далее, что капитаны двух кораблей сверили свои часы в момент отплытия одного корабля.

Представим теперь, что два капитана проделывают довольно странную процедуру: каждый из них решает измерить время на своем корабле, поместив одно зеркало на верхушке мачты, а другое — у ее основания, запуская луч света от нижнего зеркала к верхнему и измеряя, сколько раз свет отразится от верхнего зеркала и вернется к нижнему. Конечно, для практических целей такой способ абсурден, так как свет будет периодически двигаться вверх и вниз слишком часто, чтобы можно было успеть сосчитать число отражений. Но доверьтесь мне и представьте, что капитаны могут считать невероятно быстро. Я сейчас использую этот несколько искусственный пример для доказательства того, что на движущемся корабле время растягивается.

Если каждый капитан знает, сколько времени требуется на то, чтобы свет совершил один цикл, он может вычислить пройденный промежуток времени, умножая длительность одного цикла на число циклов, которые свет пробегает между зеркалами. Предположим, однако, что вместо того чтобы использовать свои собственные часы с неподвижными зеркалами, капитан стоящего на якоре корабля измеряет время по числу раз, которые свет на плывущем корабле отражается от зеркала на мачте и возвращается назад.

С точки зрения капитана на плывущем корабле, свет просто движется строго вверх — вниз. Однако, с точки зрения капитана стоящего на якоре корабля, свет должен пройти больший путь (чтобы пройти расстояние, пройденное движущимся кораблем, рис. 35). Однако, и в этом месте наши рассуждения противоречат интуиции, скорость света постоянна. Она одна и та же как для света, посланного к верхушке мачты стоящего на якоре корабля, так и для света, посланного к верхушке мачты движущегося корабля. Так как скорость равна пройденному расстоянию, деленному на время, за которое оно пройдено, а скорость света для движущегося и неподвижного кораблей одинакова, часы, связанные с движущимися зеркалами, должны «тикать» медленнее, чтобы компенсировать большее расстояние, которое должен пройти свет. Этот полностью противоречащий интуиции вывод, что движущиеся и неподвижные часы должны «тикать» с разными скоростями, вытекает из того факта, что скорость света в движущейся системе отсчета совпадает со скоростью света в неподвижной системе. И хотя предложенный способ измерения времени забавен, вывод о том, что движущиеся часы идут медленнее, будет верным независимо от того, как измеряется время. Если у капитанов есть часы, они будут наблюдать то же самое явление (с той оговоркой, что для обычных скоростей эффект будет ничтожно малым).

Хотя приведенный пример несколько искусственный, само описанное явление приводит к непосредственно наблюдаемым явлениям. Например, специальная теория относительности приводит к разным временам жизни быстро движущихся тел. Это явление называется замедлением времени.

Физики измеряют замедление времени, изучая элементарные частицы, рожденные на коллайдерах или в атмосфере, и движущиеся с релятивистскими скоростями, приближающимися к скорости света. Например, элементарная частица, называемая мюон, имеет тот же заряд, что и электрон, но тяжелее его и может распадаться (т. е. превращаться в другие, более легкие частицы). Время жизни мюона, т. е. промежуток времени до его распада, равно всего 2 мкс. Если движущийся мюон имел бы то же время жизни, что и неподвижный, он мог бы пролететь до распада всего около 600 м. Но мюоны ухитряются пролететь через всю нашу атмосферу, а в коллайдерах — до краев больших детекторов, так как благодаря их скорости, близкой к скорости света, нам они кажутся живущими намного дольше. В атмосфере мюоны пролетают расстояние, по крайней мере в десять раз большее, чем они пролетали бы в мире, основанном на ньютоновских принципах. Сам факт, что мы вообще наблюдаем мюоны, показывает, что замедление времени (и специальная теория относительности) приводит к правильным физическим явлениям.

Специальная теория относительности важна не только потому, что она привела к выводам, существенно отклоняющимся от классической физики, но и потому, что она оказалась существенной для развития общей теории относительности и квантовой теории поля, играющих важную роль в новейших исследованиях. Поскольку при дальнейшем обсуждении физики частиц и моделей с дополнительными измерениями я не хочу использовать конкретные предсказания специальной теории относительности, я не поддамся искушению заняться изучением всех поразительных следствий этой теории, например, почему одновременность зависит от того, движется ли наблюдатель или покоится, и как размеры движущихся тел отличаются от размеров покоящихся тел. Вместо этого мы погрузимся в другое интереснейшее исследование, а именно, общую теорию относительности, которая будет важна позднее, когда мы начнем рассматривать теорию струн и дополнительные измерения.

Специальная теория относительности была опубликована Эйнштейном в 1905 году. В 1907 году, работая над статьей, подводившей итог недавним исследованиям по теории относительности, Эйнштейн задался вопросом, применима ли теория ко всем ситуациям. Он обратил внимание на два главных упущения. С одной стороны, законы физики выглядели одинаково только в некоторых специальных инерциальных системах отсчета, которые двигались с постоянными скоростями относительно друг друга.

В специальной теории относительности эти инерциальные системы занимали привилегированное положение. Теория отбрасывала любую систему отсчета, которая двигалась с ускорением. Когда вы нажимаете педаль газа своего автомобиля, вы уже не находитесь в одной из специальных систем отсчета, в которых применимы законы специальной теории относительности. Отсюда и слово «специальная» в специальной теории относительности: «специальные» инерциальные системы являются лишь малым подмножеством всех возможных систем отсчета. Для человека, убежденного в том, что ни одна система отсчета ничем не лучше другой, тот факт, что теория выделяет инерциальные системы отсчета, представляет большую проблему.

Второе опасение Эйнштейна касалось гравитации. Хотя он представлял себе, как в некоторых ситуациях тела реагируют на тяготение, он еще не мог предложить формул для описания самого гравитационного поля. В некоторых простых случаях вид закона для силы тяготения был известен, однако Эйнштейн все еще не мог вывести выражение для поля в случае произвольного распределения материи.

В период между 1905 и 1915 годами, иногда доходя до полного изнеможения, Эйнштейн исследовал эти проблемы. Результатом явилась общая теория относительности. В основу новой теории он поместил принцип эквивалентности, утверждавший, что эффекты, вызванные ускорением, невозможно отличить от эффектов гравитации. Все законы физики должны выглядеть одинаково как для ускоренного наблюдателя, так и для неподвижного наблюдателя, помещенного в гравитационное поле, ускоряющее все тела в неподвижной системе отсчета с ускорением той же величины, но противоположного направления по сравнению с ускорением исходного наблюдателя. Иными словами, у вас нет способа отличить постоянное ускорение от состояния покоя в гравитационном поле. Согласно принципу эквивалентности, не существует измерения, которое могло бы отличить эти две ситуации. Наблюдатель никогда не узнает, в какой ситуации он находится. Принцип эквивалентности вытекает из эквивалентности инертной и гравитационной масс, двух величин, которые в принципе могли бы отличаться друг от друга. Инертная масса определяет, каким образом тело реагирует на любую силу, т. е. какое ускорение приобретет тело в результате приложения данной силы. Роль инертной массы следует из второго закона движения Ньютона F = mа, утверждающего, что если вы приложите силу величиной F к телу массой m, то оно приобретет ускорение а. Знаменитый второй закон Ньютона утверждает, что данная сила сообщает меньшее ускорение телу с большей инертной массой, что, вероятно, знакомо вам из повседневной жизни. (Если вы толкнете скамеечку для ног, она отлетит дальше и быстрее, чем если бы вы толкнули с той же силой большой рояль.) Обратим внимание на то, что этот закон применим для сил любого рода, например, для электромагнетизма. Он может применяться в ситуациях, не имеющих никакого отношения к гравитации.

С другой стороны, гравитационная масса есть та масса, которая входит в закон для силы тяготения и определяет интенсивность гравитационного притяжения. Как мы видели, интенсивность ньютоновской силы тяготения пропорциональна двум массам, которые притягиваются друг к другу. Эти массы и есть гравитационные массы. Оказывается, что гравитационные массы и инертные массы, входящие во второй закон Ньютона, равны друг другу, поэтому мы можем, не рискуя ошибиться, назвать их одинаковым словом масса. Но в принципе они могли бы быть разными, и одну нужно было бы называть «масса», а другую — «ассам». К счастью, этого делать не нужно.

Загадочный факт равенства этих двух масс имеет глубокие следствия, для установления и развития которых понадобился такой ум, как у Эйнштейна. Закон гравитационной силы утверждает, что сила тяготения пропорциональна массе, а закон Ньютона говорит нам, какое ускорение будет создано этой (или любой другой) силой. Так как сила тяготения пропорциональна той же массе, которая определяет величину ускорения, то два закона совместно утверждают, что несмотря на то, что сила зависит от массы в силу закона F = та, ускорение, вызванное тяготением, не зависит от ускоряемой массы.

Ускорение силы тяжести, которое испытывает любое тело, должно быть одинаковым для всего или всех, находящихся на одном и том же расстоянии от другого тела. Именно это утверждение якобы проверял Галилей, бросая тела с Пизанской башни[42] и демонстрируя, что Земля придает одинаковое ускорение всем телам независимо от их массы. Тот факт, что ускорение не зависит от массы ускоряемого тела, есть уникальное свойство силы тяготения, так как ни одна другая сила не обладает зависящей от массы интенсивностью. Поскольку масса одинаковым образом входит в закон для силы тяготения и ньютоновский закон движения, при расчете ускорения она сокращается. Таким образом, ускорение не зависит от массы.

Этот сравнительно простой вывод приводит к глубоким следствиям. Все тела имеют одинаковое ускорение в однородном гравитационном поле, поэтому если это единственное ускорение можно нейтрализовать, то исчезнут и все свидетельства наличия тяготения. Именно это происходит со свободно падающим телом: оно ускоряется точно так, чтобы уничтожить свидетельства о наличии тяготения.

Принцип эквивалентности утверждает, что если вы и все вокруг вас находятся в состоянии свободного падения, вы не будете сознавать наличие гравитационного поля. Ваше ускорение будет компенсировать то ускорение, которое в противном случае порождалось бы гравитационным полем. Подобное состояние невесомости знакомо по телевизионным передачам с борта спутников, где видно, что космонавты и окружающие их тела не испытывают тяготения.

В учебниках отсутствие эффектов тяготения (с выделенной точки зрения свободно падающего наблюдателя) часто иллюстрируется картинкой человека, выпускающего из рук мяч в свободно падающем лифте. На картинке вы видите, что человек и мяч падают вместе. Человек в лифте будет все время видеть мяч на одной и той же высоте над полом лифта. Он не будет видеть падения мяча (рис. 36).

В учебниках по физике свободно падающий лифт всегда представляется как самая естественная в мире вещь, в которой наблюдатель внутри может хладнокровно, с полной невозмутимостью наблюдать отсутствие падения мяча, совершенно не беспокоясь о своей собственной судьбе. Это находится в резком противоречии с охваченными ужасом лицами людей в кинокартинах, где обрываются тросы лифта и актеры с грохотом рушатся на пол. Почему же возникают столь разные реакции? Если все вокруг находится в состоянии свободного падения, то нет причин для тревоги. Ситуация будет неотличима от покоящегося тела, хотя и в отсутствии гравитационного поля. Однако, если кто-то, как в кино, падает, но пол под ним остается неподвижным, ему самое время остолбенеть от ужаса. Если кто-то находится в свободно падающем лифте, но его тихо поджидает твердый пол, можете быть уверены, что человек заметит последствия тяготения, когда его свободное падение закончится (см. рис. 36).

Заключение Эйнштейна кажется столь удивительным и странным, потому что наше воспитание здесь, на Земле, с неподвижной планетой под ногами, сбивает с толку нашу интуицию. Когда сила тяжести на Земле удерживает вас неподвижно на ее поверхности, вы наблюдаете эффекты тяготения, так как не падаете к центру Земли, куда влечет вас тяготение. На Земле мы привыкли к тому, что тяготение заставляет тела падать. Но «падение» на самом деле означает «падение относительно нас». Если бы мы падали вниз вместе с брошенным мячом, как это происходит в свободно падающем лифте, мяч не падал бы быстрее нас. Поэтому мы не видели бы этого падения.

В вашей свободно падающей системе отсчета все законы физики будут совпадать с законами физики, выполняющимися, если вы и все вокруг вас находится в состоянии покоя. Свободно падающий наблюдатель будет видеть, что движение описывается теми же уравнениями, согласующимися со специальной теорией относительности, которые применимы для наблюдателя в инерциальной неускоренной системе отсчета. В обзорной статье 1907 года, посвященной теории относительности, Эйнштейн объясняет, почему гравитационное поле имеет только относительное существование, «так как для свободно падающего с крыши дома наблюдателя, по крайней мере, в непосредственном окружении, отсутствует гравитационное поле»[43].

Это было самое глубокое прозрение Эйнштейна. Уравнения движения для свободно падающего наблюдателя являются уравнениями движения для наблюдателя в инерциальной системе отсчета. Свободно падающий наблюдатель не ощущает силы тяготения; влияние силы тяготения испытывают только тела, которые не находятся в свободном падении.

В нашей жизни мы в общем-то редко наблюдаем вещи или людей, находящихся в свободном падении. Если такое падение происходит, оно вызывает ужас. Но, как сказал один ирландец физику Рафаэлю Буссо, когда он осматривал Скалы Мохера в Ирландии: «Вас убивает не падение, а чертов удар при остановке». Когда я поломала несколько костей во время несчастного случая при восхождении и вынуждена была пропустить конференцию, которую сама же организовала, там ходило несколько шуток о том, как я проверяла теорию тяготения. Могу утверждать с полной уверенностью, что значение ускорения силы тяжести совпадает с предсказаниями.

Можно много говорить об общей теории относительности; скоро мы перейдем к рассмотрению остальных разделов, развитие которых потребовало значительно больше времени. Но уже один принцип эквивалентности объясняет многие результаты общей теории относительности. В тот момент, когда Эйнштейн заметил, что тяготение может быть устранено в ускоренной системе отсчета, он получил возможность вычислять влияние гравитации, представив ускоренную систему, эквивалентную системе с гравитацией. Это позволило ему вычислить гравитационные эффекты для ряда интересных систем, так что другие ученые смогли использовать их для проверки его выводов. Рассмотрим несколько наиболее важных экспериментальных тестов.

Во-первых, это гравитационное красное смещение света. В результате красного смещения мы принимаем световые волны меньшей частоты, чем та, с которой они были испущенны. (Вы, вероятно, встречались с аналогичным эффектом для звуковых волн, когда мотоцикл с ревом мчится мимо вас, и высота звука мотора нарастает, а затем падает.)

Есть несколько способов объяснить происхождение гравитационного красного смещения, но, вероятно, простейший — это объяснение по аналогии. Представьте, что вы подбросили вверх мяч. Поднимающийся мяч постепенно замедляется, двигаясь противоположно направлению силе тяжести. Но энергия мяча не потеряна, даже если он замедляется. Эта энергия превращается в потенциальную энергию, которая затем, когда мяч падает вниз, превращается в кинетическую энергию, или энергию движения.

Такое же объяснение применимо к частице света фотону. Точно так же, как мяч теряет импульс, если его подбросить вверх в воздухе, фотон теряет импульс, когда он пытается избавиться от влияния гравитационного поля. Как и в случае мяча, это означает, что фотон теряет кинетическую энергию, но приобретает потенциальную энергию, пробивая себе путь из гравитационного поля. Но фотон не может замедлиться, как это происходит с мячом, так как фотон всегда летит с постоянной скоростью света. Забегая вперед, мы увидим в следующей главе, что одно из следствий квантовой механики гласит: фотон уменьшает свою энергию, когда он уменьшает свою частоту. Именно это и происходит с фотоном, пролетающим сквозь область с переменным гравитационным потенциалом. Чтобы уменьшить свою энергию, фотон уменьшает свою частоту, и эта уменьшившаяся частота и представляет собой гравитационное красное смещение.

Наоборот, фотон, движущийся к источнику гравитационного поля, будет увеличивать свою частоту. В 1965 году физик канадского происхождения Роберт Паунд и один из его студентов Глен Ребка измерили этот эффект, изучив гамма-излучение, испущенное образцом радиоактивного железа, помещенным на верхушке «башни» в гарвардской лаборатории им. Джефферсона, — том здании, где я сейчас работаю. (Хотя приподнятый фронтон лаборатории им. Джефферсона и этажи под ним являются частью всего здания, их называют «башней».) Гравитационные поля на вершине и у основания башни несколько различаются, так как вершина находится чуть дальше от центра Земли. Высокая башня лучше всего подходит для такого эксперимента, так как при этом увеличивается разность высот между местом, откуда испускается гамма-излучение (вершина башни), и местом, где оно регистрируется (основание башни). Но даже несмотря на то, что вся башня состоит из трех этажей, фронтона и нескольких окон над ним, и вся ее высота равна около 22 м, Паунду и Ребке удалось с немыслимой точностью, равной пяти миллионным от миллиардной доли, измерить разность частот между испущенными и поглощенными фотонами. Таким образом, они установили, что предсказания общей теории относительности для гравитационного красного смещения были верны с точностью, равной по меньшей мере 1 %.

Второе экспериментально наблюдаемое следствие принципа эквивалентности — это отклонение луча света. Гравитация может притягивать не только массу, но и энергию. В конце концов, знаменитое соотношение E = mc² означает, что энергия и масса тесно связаны. Если масса испытывает тяготение, это же должно быть верно и для энергии. Тяготение Солнца влияет не только на массу, но и на траекторию луча света. Теория Эйнштейна точно предсказывает величину отклонения луча света под влиянием Солнца. Эти предсказания были впервые подтверждены во время солнечного затмения 1919 года.

Английский ученый Артур Эддингтон организовал экспедиции на остров Принсипе у берегов Западной Африки и в город Собрал в Бразилии, где можно было наилучшим образом наблюдать затмение. Цель ученых состояла в том, чтобы сфотографировать звезды в окрестности закрытого Луной Солнца и проверить, не сдвинулись ли изображения соседних к Солнцу звезд по отношению к своим обычным положениям. Если окажется, что звезды сдвинулись, это будет означать, что свет от них двигался по искривленной траектории. (Ученые должны производить измерения во время солнечного затмения, для того чтобы солнечный свет не подавлял намного более слабый свет звезд.) Было установлено, что звезды оказались на предсказанных «неправильных» местах. Измерение соответствующего угла отклонения дало сильное подтверждение в пользу общей теории относительности Эйнштейна.

Невероятно, но отклонение луча света сейчас настолько хорошо установлено и объяснено, что оно стало одним из инструментов, используемых для исследования распределения масс во Вселенной и поиска темной материи в форме маленьких выгоревших звезд, уже не испускающих свет. Такие объекты очень трудно увидеть, так же как черных кошек в безлунную ночь. Единственный способ наблюдать эти объекты — это воспользоваться создаваемыми ими гравитационными эффектами.

Одним из способов, которым астрономы могут изучать темные тела, является гравитационное линзирование. Темные тела, как и все другие, взаимодействуют за счет тяготения. Хотя выгоревшие звезды сами не испускают свет, за ними (с нашей точки зрения) могут находиться яркие тела, свет которых мы видим. Если на пути света от этих звезд нет никакой темной звезды, свет будет распространяться по прямым линиям. Но если свет яркой звезды проходит рядом с темной звездой, он отклонится. Свет, идущий слева от темной звезды, отклонится в противоположном направлении по сравнению со светом, идущим справа, а свет, идущий сверху, отклонится в противоположном направлении, чем свет, идущий снизу. Это создает многократные изображения ярких тел за темной звездой, и явление называется гравитационным линзированием. На рис. 37 показан пример многократного изображения звезды, возникающий в случае, когда находящийся на пути массивный объект отклоняет лучи света в разных направлениях.

Принцип эквивалентности утверждает, что сила тяготения неотличима от постоянного ускорения. Я рада, что вы добрались до этого места, так как должна покаяться, что переупростила задачу и на самом деле эти две вещи не являются полностью неразличимыми. Почему такое возможно? Если гравитация была бы эквивалентна ускорению, то людям в противоположных полушариях было бы невозможно одновременно падать на Землю. В конце концов, не может же Земля ускоряться одновременно в двух направлениях. Например, гравитационное притяжение в разных направлениях, ощущаемое в Америке и Китае, не может быть объяснено одним ускорением.

Разрешение этого парадокса состоит в том, что принцип эквивалентности утверждает всего лишь возможность локальной замены гравитации ускорением. В разных местах пространства ускорение, заменяющее гравитацию согласно принципу эквивалентности, будет в общем случае иметь разное направление. Ответ на вопрос о китайско-американских отношениях состоит в том, что американская гравитация эквивалентна ускорению в направлении, отличном от направления ускорения, эквивалентного китайской гравитации.

Эта решающая идея привела Эйнштейна к полной переформулировке теории тяготения. Он уже более не рассматривал гравитацию как силу, действующую непосредственно на тело. Вместо этого он описал ее как искажение геометрии пространства-времени, отражающее различные ускорения, необходимые для того, чтобы свести на нет гравитацию в разных местах. Пространство-время является уже не фоном события, а его активным участником. Благодаря общей теории относительности Эйнштейна сила тяготения понимается на языке кривизны пространства-времени, которая, в свою очередь, определяется имеющейся в наличии материей и энергией. Рассмотрим понятие кривизны пространства-времени, на котором основана революционная теория Эйнштейна.

Математическая теория должна быть внутренне самосогласованной, но, в отличие от научной теории, она не обязана соответствовать внешней физической реальности. Действительно, математики часто черпают вдохновение из того, что они видят в окружающем мире. Такие математические объекты, как кубы или натуральные числа, имеют свои аналоги в реальном мире. Однако математики расширяют предположения об этих знакомых понятиях на объекты, чья физическая реальность менее очевидна, например, на тессеракты (гиперкубы в четырехмерном пространстве) и кватернионы (экзотическая система чисел).

В третьем веке до н. э. Евклид сформулировал пять основных постулатов геометрии. Из этих предположений развилась красивая логическая структура, с которой вы, возможно, соприкоснулись в старших классах школы. Однако позднее математики стали проявлять беспокойство в отношении пятого постулата, известного как постулат о параллельных. Этот постулат утверждает, что если заданы прямая и точка вне этой прямой, то существует одна и только одна прямая, которую можно провести через заданную точку параллельно заданной прямой.

В течение двух тысячелетий после того, как Евклид сформулировал свои постулаты, математики спорили о том, является ли пятый постулат действительно независимым, или он может быть логическим следствием остальных четырех. Может ли существовать система геометрии, в которой были бы верны все постулаты, кроме последнего? Если такой системы геометрии не существует, пятый постулат не может быть независимым, и должен поэтому выводиться.

Только в девятнадцатом веке математики поставили пятый постулат на должное место. Великий немецкий математик Карл Фридрих Гаусс обнаружил, что пятый постулат Евклида был тем самым, что утверждал Евклид, — постулатом, который мог быть заменен другим. Гаусс продвинулся вперед и сделал эту замену, открыв другие системы геометрии и демонстрируя таким образом, что пятый постулат независим. Так родилась неевклидова геометрия.

Русский математик Николай Иванович Лобачевский также развивал неевклидову геометрию, но когда он послал свою работу Гауссу, ему пришлось испытать разочарование, узнав, что старый математик за пятьдесят лет до этого пришел к тем же идеям. Однако ни Лобачевский, ни кто-либо другой не знали о результатах Гаусса, которые немецкий ученый скрыл из опасения, что коллеги подвергнут его осмеянию.

Гауссу не следовало беспокоиться. Очевидно, что пятый постулат не всегда верен, так как все мы знаем альтернативные возможности. Например, линии долготы встречаются на Северном полюсе и на Южном полюсе, даже несмотря на то, что они параллельны на экваторе. Примером неевклидовой геометрии является геометрия на сфере. Если бы древние народы писали на сферах, а не на табличках, этот пример был бы для них совершенно очевиден.

Однако существует много примеров неевклидовых геометрий, которые в противоположность сфере не могут быть физически реализованы в трехмерном мире. Первые неевклидовы геометрии Гаусса, Лобачевского и венгерского математика Яноша Больяи[44] имели дело с такими не имеющими наглядного образа теориями, поэтому неудивительно, что для их открытия понадобилось столько времени.

Несколько примеров показывают, что делает искривленные геометрии отличными от плоской геометрии данной страницы. На рис. 38 показаны три двумерные поверхности. Первая, поверхность сферы, обладает постоянной положительной кривизной. Вторая, кусок плоскости, имеет нулевую кривизну. Третья, гиперболический параболоид, обладает постоянной отрицательной кривизной. Примерами поверхностей с отрицательной кривизной являются лошадиное седло, местность между двумя горными вершинами и картофельные чипсы «Прингле».

Существует много безошибочных показателей, с помощью которых можно узнать, каким из трех возможных типов кривизны обладает данное геометрическое пространство. Например, на каждой из трех поверхностей можно нарисовать треугольник. На плоской поверхности сумма углов треугольника всегда равна ровно 180°. Но что можно сказать о треугольнике на поверхности сферы, одна вершина которого находится на Северном полюсе, а две остальные — на экваторе, на четверти расстояния вдоль экватора друг от друга? Каждый из углов этого треугольника равен прямому углу 90°. Поэтому сумма углов треугольника равна 270°. Такого никогда не может быть на плоской поверхности, но на поверхности с положительной кривизной сумма углов треугольника может превышать 180°, так как сама поверхность выпятилась наружу.

Аналогично, сумма углов треугольника, нарисованного на гиперболическом параболоиде, всегда меньше 180°, что отражает отрицательность кривизны этой поверхности. Увидеть это несколько сложнее. Нарисуйте две вершины вблизи вершины седла и одну внизу, в той части гиперболического параболоида, где должна находиться ваша нога, когда вы сидите на лошади. Такой угол меньше того, который получился бы, если бы поверхность была плоской. Сумма углов оказывается меньше 180°.

Как только было установлено, что неевклидовы геометрии внутренне непротиворечивы, т. е. не приводят к парадоксам и противоречиям, немецкий математик Георг Фридрих Бернхард Риман развил богатую математическую теорию для их описания. Кусок бумаги нельзя свернуть в сферу, но можно свернуть в цилиндр. Вы не можете разгладить седло без разрывов или налезания частей друг на друга. Основываясь на работе Гаусса, Риман создал математический формализм, включающий подобные факты. В 1854 году он нашел общее решение задачи о характеристиках всех геометрий с помощью их внутренних свойств. Работы Римана заложили основу современной области математики — дифференциальной геометрии, ветви математики, изучающей поверхности и геометрию.

Так как с этого момента я буду почти всегда рассматривать пространство и время совместно, мы увидим, что, вообще говоря, понятие пространства-времени более полезно, чем понятие пространства. Пространство-время имеет на одно измерение больше, чем пространство: в дополнение к «вверх — вниз», «налево-направо» и «вперед — назад» имеется еще время. В 1908 году математик Герман Минковский использовал геометрические понятия для развития этой идеи об абсолютной пространственно-временной структуре. В то время как Эйнштейн изучал пространство-время, используя временную и пространственные координаты, зависевшие от системы отсчета, Минковский определил независящую от наблюдателя пространственно-временную структуру, которую можно использовать для характеристики данной физической ситуации.

В оставшейся части книги, когда я буду говорить о размерности, я буду указывать число пространственно-временных измерений, если явно не указано иное. Например, когда мы глядим вокруг себя, мы видим то, что с этого момента я буду называть четырехмерной Вселенной. Иногда я буду выделять время и говорить о «3+ 1»-мерной Вселенной или о трех пространственных измерениях. Имейте в виду, что все эти термины относятся к одной и той же системе, имеющей три пространственных и одно временное измерения.

Структура пространства-времени — очень важное понятие. Оно сжато характеризует геометрию, соответствующую гравитационному полю, порожденному заданным распределением энергии и вещества. Но Эйнштейн с самого начала отвергал эту идею, которая казалась ему похожей на излишний надуманный способ переформулировать физику, которую он только что объяснил. Однако в конце концов он заметил, что пространственно-временная структура оказалась существенной для полного описания общей теории относительности и расчета гравитационных эффектов. (Для протокола, Минковский тоже не был слишком поражен Эйнштейном при первом знакомстве. На основании поведения Эйнштейна, когда тот был студентом в классе Минковского по дифференциальному исчислению, Минковский заключил, что Эйнштейн был «лентяем».)

Эйнштейн не был одинок в своем отрицании неевклидовой геометрии. Его друг, шведский математик Марсель Гроссман также считал ее чрезмерно сложной и пытался отговорить Эйнштейна от ее использования. Однако они в конце концов согласились, что единственный поддающийся анализу способ объяснения гравитации должен заключаться в использовании неевклидовой геометрии для описания пространственно-временной структуры. Только после этого Эйнштейн сумел интерпретировать и рассчитать эквивалентное гравитации искривление пространства-времени, что оказалось ключом к завершению общей теории относительности. После того как Гроссман признал поражение, он вместе с Эйнштейном вступил в борьбу с тонкостями дифференциальной геометрии, для того чтобы упростить очень сложные ранние формулировки теории тяготения. В конце концов они завершили общую теорию относительности и достигли более глубокого понимания самой гравитации.

Общая теория относительности представляет собой радикальный пересмотр понятия гравитации. Сейчас мы понимаем гравитацию — силу, которая удерживает ваши ноги на земле и связывает воедино нашу Галактику со Вселенной, — не как силу, непосредственно действующую на тела, а как следствие геометрии пространства-времени. Эта идея довела взгляды Эйнштейна на единство пространства и времени до своего логического завершения. Общая теория относительности использует глубокую связь между инертной и гравитационной массами, чтобы сформулировать эффекты гравитации только в терминах геометрии пространства-времени. Любое распределение вещества или энергии искривляет или закручивает пространство-время. Изогнутые траектории в пространстве-времени определяют движение под действием гравитации, а наличие вещества и энергии во Вселенной заставляет само пространство-время расширяться, волнообразно изгибаться или сжиматься.

Наикратчайшее расстояние между двумя точками называется геодезической. В плоском пространстве геодезическая представляет собой прямую линию. В искривленном пространстве мы можем определить геодезическую как кратчайший путь между двумя точками, но этот путь уже не обязательно будет прямой линией. Например, маршруты самолетов, летящих по окружностям большого круга на Земле, являются геодезическими. (Окружность большого круга есть любая окружность, представляющая собой границу сечения шара плоскостью, проходящей через его центр, например, линия экватора или линия долготы.) Хотя эти траектории не являются прямыми, они есть кратчайшие пути между двумя точками из тех, которые не проходят сквозь поверхность Земли.

В искривленном четырехмерном пространстве-времени также можно определить геодезические. Для двух событий, разделенных во времени, геодезическая является естественным путем, по которому движутся тела в пространстве-времени, чтобы связать одно событие с другим. Эйнштейн понял, что свободное падение, представляющее путь наименьшего сопротивления, есть движение по пространственно-временной геодезической. Он сделал вывод, что при отсутствии внешних сил брошенные тела будут падать по геодезической, как это происходит с человеком в падающем лифте, не чувствующим своего веса и не видящим, как падает мяч.

Однако, даже когда тела движутся по своим геодезическим сквозь пространство-время и отсутствуют внешние силы, тяготение приводит к заметным эффектам. Мы уже видели, что локальная эквивалентность тяготения и ускорения была одной из решающих идей, заставивших Эйнштейна развить совершенно новый подход к размышлениям о гравитации. Он пришел к выводу, что поскольку вызванное гравитационной силой ускорение локально одинаково для всех масс, гравитация должна быть свойством самого пространства-времени. Это следует из того, что «свободное падение» означает разные вещи в разных местах, и гравитация только локально может быть заменена на простое ускорение. Мой китайский антипод и я падаем в разных направлениях, даже если каждый из нас находится в локальном варианте лифта Эйнштейна. Тот факт, что направление свободного падения неодинаково во всех местах, есть отражение кривизны пространства-времени. Не существует единого ускорения, способного всюду свести к нулю эффекты гравитации. В искривленном пространстве геодезические разных наблюдателей в общем случае различны. Таким образом, глобально гравитация обладает наблюдаемыми следствиями.

Общая теория относительности идет в своих выводах намного дальше ньютоновской гравитации, так как она позволяет нам вычислить релятивистское гравитационное поле любого распределения энергии и вещества. Кроме того, убеждение, что геометрия пространства-времени содержит в себе эффекты тяготения, позволило Эйнштейну закрыть главную брешь в исходной формулировке теории тяготения. Хотя физики того времени знали, как тела должны реагировать на гравитационное поле, они не знали, что такое гравитация. Теперь они поняли, что гравитационное поле есть искажение пространственно-временной структуры, вызванное веществом и энергией. Это искажение распространяется по всему космосу или, как мы вскоре увидим, по многомерному пространству-времени, которое может включать браны. Все гравитационные эффекты, обусловленные такими более сложными ситуациями, могут быть связаны с рябью и искривлением поверхности пространства-времени.

Пожалуй, с помощью картинки лучше всего можно описать, как вещество и энергия искажают структуру пространства-времени, создавая гравитационное поле. На рис. 39 показан находящийся в пространстве массивный шар. Окружающее шар пространство искажено: шар приводит к прогибу пространственной поверхности, глубина которого зависит от массы или энергии шара. Пролетающий вблизи другой шар скатывается к центру прогиба, где сосредоточена масса первого шара. Согласно общей теории относительности, пространственно-временная структура искажается аналогичным образом. Другой пролетающий мимо шар будет ускоряться к центру первого шара. В этом случае результат будет согласовываться с тем, что предсказывает закон Ньютона, но интерпретация движения и его вычисление будут совершенно иными. Согласно общей теории относительности шар следует за неровностями пространственно-временной поверхности и таким образом осуществляет движение, вызванное гравитационным полем.

Рис. 39 может ввести читателя в заблуждение, поэтому следует сделать несколько замечаний. Прежде всего, пространство, окружающее шар, показано двумерным. В действительности, искажены полные трехмерное пространство и четырехмерное пространство-время. Время искажено, потому что с точки зрения специальной и общей теории относительности оно также является измерением. Например, как утверждает специальная теория относительности, искажение времени означает, что часы в разных местах идут с разной скоростью. Следующее замечание состоит в том, что второй мяч, катящийся в искривленной геометрии рядом с первым, будет также влиять на геометрию пространства-времени; мы предположили, что его масса много меньше массы большего шара, и пренебрегли этим малым эффектом. Третье обстоятельство, которое следует иметь в виду, состоит в том, что тело, искажающее пространство-время, может иметь любое количество измерений. Позднее мы увидим, что роль шара в этой картине будет играть брана.

Тем не менее во всех случаях вещество указывает пространству-времени, как изгибаться, а пространство-время указывает веществу, как двигаться. Искривленное пространство-время устанавливает геодезические траектории, вдоль которых в отсутствие других сил перемещаются тела. Гравитация закодирована в геометрии пространства-времени. Эйнштейну потребовалось почти десять лет, чтобы вывести эту точную связь между пространством-временем и тяготением и включить эффекты самого гравитационного поля; помимо всего, гравитационное поле несет энергию и поэтому изгибает пространство-время[45]. На это потребовались героические усилия.

В своих знаменитых уравнениях Эйнштейн показал, как найти гравитационное поле Вселенной, если задано ее содержимое. Хотя самым известным уравнением Эйнштейна является E = mc²[46], физики используют термин «уравнения Эйнштейна» по отношению к уравнениям, определяющим гравитационное поле. Эти уравнения завершают гигантскую задачу, показывая, как определить метрику пространства-времени, зная распределение материи. Вычисляемая метрика определяет геометрию пространства-времени, сообщая нам, как перевести заданные в произвольных единицах числа в физические расстояния и формы, определяющие геометрию.

После окончательной формулировки общей теории относительности физики получили возможность определить гравитационное поле и вычислить его влияние. Как и в предыдущих формулировках гравитации, физики использовали эти уравнения для того, чтобы вычислить, каким образом вещество движется в заданном гравитационном поле. Например, они могут вставить в уравнения массу и положение большого сферического тела вроде Солнца или Земли, и вычислить хорошо известную ньютоновскую силу гравитационного притяжения. В этом конкретном случае результаты не будут новыми, однако новым будет их значение. Вещество и энергия искривляют пространство-время, и это искривление порождает тяготение. Но общая теория относительности имеет дополнительное преимущество, состоящее в том, что она включает в распределение вещества и энергии любой тип энергии, в том числе энергию самого гравитационного поля. Теория становится полезной даже в тех ситуациях, когда сама гравитация вносит значительный вклад в энергию.

Так как уравнения Эйнштейна применимы к любому распределению энергии, они привели к изменению взглядов космологов — историков космоса. Теперь, если бы ученые знали содержащиеся во Вселенной вещество и энергию, они могли бы рассчитать ее эволюцию. В пустой Вселенной пространство будет совершенно пустым, без всякой ряби и неровностей, т. е. имеющим нулевую кривизну. Но когда Вселенную заполняет вещество и энергия, они искажают пространство-время, что влечет за собой интересные возможности для структуры Вселенной и ее изменения во времени.

Почти наверняка, мы не живем в статической Вселенной; как вскоре будет ясно, мы на самом деле должны жить в скрученной пятимерной вселенной. К счастью, общая теория относительности говорит нам, как рассчитать следствия этих гипотез. Так же как существуют примеры двумерных геометрий с положительной, нулевой и отрицательной кривизной, существуют и четырехмерные геометрические конфигурации пространства-времени с положительной, нулевой и отрицательной кривизной, которые могут возникать из соответствующих распределений вещества и энергии. В дальнейшем, когда мы будем обсуждать космологию и браны в дополнительных измерениях, критически важными будут искажения пространства-времени, возникающие от вещества и энергии, как в нашей видимой Вселенной, так и на бранах и в балке. Мы увидим, что три типа пространственно-временной кривизны (положительная, отрицательная и нулевая) могут также реализовываться в высших измерениях.

Общая теория относительности приводит к ряду следствий, которые нельзя рассчитать с помощью ньютоновской теории тяготения. Одним из многих преимуществ общей теории относительности является возможность устранить раздражающее понятие о действии на расстоянии ньютоновской теории, утверждающее, что гравитационное влияние тела будет ощущаться везде, как только это тело возникнет или начнет двигаться. Как мы знаем, согласно общей теории относительности, прежде чем гравитация может подействовать, пространство-время должно деформироваться. Этот процесс не происходит мгновенно. Он занимает время. Гравитационные волны распространяются со скоростью света. Гравитационные явления могут проявиться в данном месте только через промежуток времени, который нужен сигналу, чтобы дойти до этого места и исказить пространство-время. Этот интервал времени никогда не может быть меньше того интервала времени, который затрачивает свет, распространяющийся быстрее всего, что мы знаем, чтобы попасть в это место. Например, вы никогда не примете сигнал радио или мобильного телефона быстрее, чем через промежуток времени, который затрачивает световой пучок, чтобы долететь до вас.

Кроме того, физики сумели применить уравнения Эйнштейна для описания других типов гравитационного поля. С помощью общей теории относительности ученые смогли описать и изучить черные дыры. Эти поразительные таинственные объекты образуются тогда, когда вещество сильно сконцентрировано в очень малом объеме. Геометрия пространства-времени в черных дырах в высшей степени искажена, так что все, что попадает на черную дыру, захватывается внутрь. Даже свет не может вырваться наружу. Почти сразу после создания общей теории относительности Карл Шварцшильд обнаружил[47], что черные дыры являются следствием уравнений Эйнштейна. Однако лишь в 1960-е годы физики всерьез восприняли идею, что черные дыры могут реально существовать в нашей Вселенной. В наши дни черные дыры полностью признаются астрофизическим сообществом. На самом деле есть мнение, что в центре каждой галактики, включая нашу собственную, существует сверхмассивная черная дыра. Кроме того, если существуют скрытые измерения, то существуют и многомерные черные дыры, и если они велики, то выглядят как четырехмерные черные дыры, наблюдаемые астрономами.

Чтобы завершить историю с GPS, заметим, что для вычисления положения с точностью до 1 м необходимо измерять время с относительной точностью 10^-13. Единственный возможный способ достичь такой точности — воспользоваться атомными часами.

Но даже если наши часы окажутся идеальными, благодаря эффекту замедления времени их ход будет замедляться на 10^-10 в относительных единицах. Если такая ошибка не будет исправлена, она окажется в тысячу раз больше той, которая допустима для GPS. Кроме того, следует принять во внимание гравитационное голубое смещение — эффект общей теории относительности, связанный с тем, что фотон движется в изменяющемся гравитационном поле, и приводящий к ошибке по меньшей мере того же порядка. Эти и другие отклонения, связанные с общей теорией относительности, будут приводить к ошибкам, которые, если ими пренебречь, будут суммироваться, приводя к общей ошибке больше 10 км/день[48]. Икар (и современные GPS) должны вносить поправки, обусловленные этими релятивистскими эффектами.

Хотя к настоящему времени теория относительности хорошо проверена и даже предсказывает эффекты, которые необходимо учитывать в практических устройствах, мне кажется любопытным, что поначалу никто не услышал Эйнштейна. Он был совершенно неизвестным ученым, работавшим в патентном бюро Берна, так как не мог найти лучшей работы. Находясь в этом малопривлекательном месте, он предложил теорию, противоречившую взглядам всех остальных физиков того времени.

Джеральд Холтон, историк науки из Гарварда, рассказывал мне, что первым сторонником Эйнштейна стал немецкий физик Макс Планк. Если бы не Планк, немедленно отметивший блистательность работы Эйнштейна, могло бы потребоваться значительно больше времени на то, чтобы теория была замечена и принята. Вслед за Планком несколько других известных физиков оказались достаточно знающими, чтобы выслушать и обратить внимание на работу Эйнштейна. Вскоре это сделал весь мир.

Что стоит запомнить

• Скорость света постоянна. Она не зависит от скорости наблюдателя.

• Теория относительности изменяет наши представления о пространстве и времени и утверждает, что мы можем рассматривать их совместно как единую структуру пространство-время.

• Специальная теория относительности связывает значения энергии, импульса (указывающего нам, как тело откликается на действие силы) и массы. Например, E = mc², где Е — энергия, m — масса и с — скорость света.

• Масса и энергия заставляют пространство-время искривляться, и можно понимать это искривленное пространство-время как источник гравитационного поля.