Страница 8 из 18
Все эти странные и удивительные явления – лишь периферия истории современной космологии и поисков связи между гравитацией и квантовой физикой. Однако надо подчеркнуть, что все это не безумные идеи, не «просто теория», как говорим мы иногда, отмахиваясь от чего-то неправдоподобного. Для ученого теория – это гипотеза, прошедшая все экспериментальные проверки. СТО – не исключение. Все чудеса, которые следуют из СТО – постоянство скорости света, растяжение времени и сокращение длины у движущихся тел, увеличение массы движущегося тела – измерены и подтверждены с высокой точностью в ходе огромного количества экспериментов. Ускорители частиц, установки, где «сталкиваются атомы», например, в ЦЕРНе, Европейском центре ядерных исследований, в Женеве, – попросту не работали бы, если бы теория оказалась неверной, поскольку спроектированы и построены в соответствии с уравнениями Эйнштейна. СТО как описание мира высоких скоростей подтверждается такими же надежными экспериментальными фактами, как и ньютонова механика, как описание повседневной жизни, и единственная причина ее конфликта с нашим здравым смыслом – в том, что мы не каждый день сталкиваемся с перемещением на таких высоких скоростях, чтобы эффекты СТО стали заметны. Ведь скорость света c составляет ни много ни мало 300 000 километров в секунду, а релятивистскими эффектами можно смело пренебрегать при скоростях, составляющих менее 10 % от этой величины, то есть при скоростях меньше каких-то 30 000 километров в секунду.
В сущности, СТО – результат сочетания ньютоновых уравнений движения с максвелловыми уравнениями, описывающими излучение. СТО во многом дитя своего времени, и если бы Эйнштейн не выдвинул свою теорию в 1905 году, это наверняка сделал бы в ближайшие годы кто-нибудь из его современников. Однако без неповторимого гения Эйнштейна потребовалось бы, вероятно, целое поколение, прежде чем кто-нибудь оценил бы важность куда более глубоких соображений, заложенных в СТО.
Эта важнейшая составляющая, на которую мы уже намекали, была результатом другого сочетания – единства пространства и времени. В повседневной жизни пространство и время – совершенно разные вещи. Пространство окружает нас по трем измерениям (вверх-вниз, вправо-влево, вперед-назад). Мы видим, где расположены в пространстве предметы, и перемещаемся по нему более или менее так, как хотим. А время практически невозможно описать, хотя мы все представляем себе, что это такое. В каком-то смысле у времени есть направление (из прошлого в будущее), но мы не можем заглянуть ни в прошлое, ни в будущее и, конечно, не в силах перемещаться во времени по своему желанию. Однако великая универсальная постоянная c – это скорость, а скорость – величина, связывающая пространство и время. Скорость и измеряют соответственно – в километрах в час, сантиметрах в секунду, милях в год, словом, в единицах расстояния за единицу времени. Если говорить о скорости, одно без другого невозможно. Так что тот факт, что фундаментальная постоянная – это именно скорость, наверняка говорит нам что-то очень важное о Вселенной. Но что именно?
Если помножить скорость на время, получится длина. Если сделать это правильно (умножить промежуток времени на скорость света c), то можно сочетать меры длины (пространства) и меры времени в одном и том же наборе уравнений. Такой набор уравнений, сочетающий пространство и время, состоит из уравнений СТО, описывающих замедление времени и сокращение длины,[8] и позволяет предсказать, что масса m эквивалентна энергии E, что и описано формулой E = mc2. Эйнштейн еще в 1905 году объяснял физикам, что вместо того чтобы считать пространство и время независимыми величинами, их надо представлять себе как разные аспекты единого унифицированного целого – пространства-времени. Но это пространство-время, добавляет СТО, не зафиксировано раз и навсегда, как абсолютное пространство или абсолютное время ньютоновой физики, – его можно растягивать и сжимать. И здесь и заложена основа для следующего огромного шага вперед.
Эйнштейн говорил, что на создание общей теории относительности (которая прежде всего представляет собой теорию гравитации) его вдохновила мысль, что если у лифта лопнет трос, то человек, падающий вместе с лифтом, не ощутит вообще никакой силы тяжести. Мы прекрасно представляем себе, что он имел в виду, потому что видели фильмы об астронавтах, которые вращаются вокруг Земли в космических кораблях. Космический корабль на орбите не «свободен» от воздействия гравитации Земли – напротив, именно гравитация и удерживает его. Однако космический корабль вместе со всем своим содержимым «падает» вокруг Земли с тем же ускорением свободного падения, что и гипотетический лифт, поэтому у астронавтов нет веса, и они плавают в воздухе в кабине. Для них гравитации словно бы не существует – это и называется свободным падением. Однако Эйнштейн ничего такого не видел, и ему приходилось воображать себе картину свободно падающего лифта. Получается, что ускорение падающего лифта, который с каждой секундой разгоняется, в точности обнуляет воздействие гравитации. А для этого гравитация и ускорение свободного падения должны быть в точности эквивалентны.
Ход рассуждений Эйнштейна, приведший к созданию теории гравитации, был основан на том, как все это влияет на луч света – универсальный измерительный прибор СТО. Представим себе, что сквозь падающий лифт от стены к стене горизонтально светит луч фонарика. В свободно падающем лифте тела подчиняются законам Ньютона: они двигаются по прямым с точки зрения наблюдателя в лифте и отскакивают друг от друга с равными по величине и противоположными по направлению силами действия и противодействия – и так далее. А главное, с точки зрения наблюдателя в лифте, свет распространяется по прямой. Но как все это выглядит с точки зрения наблюдателя, который стоит на земле и смотрит, как падает лифт? Ему покажется, что свет движется по траектории, расстояние от которой до потолка лифта всегда одинаково. Однако за время, пока свет пересекал кабину, лифт с ускорением продвинулся вниз, и свет луча, очевидно, должен был сделать то же самое. Чтобы свет, направленный поперек кабины лифта, всегда оставался на одном и том же расстоянии от потолка лифта, световой импульс должен пройти по кривой, если смотреть на него снаружи лифта. То есть световой луч под воздействием гравитации искривится.
Эйнштейн объяснил это искривлением пространства-времени. Он предположил, что присутствие вещества в пространстве искажает пространство-время вокруг, поэтому тела, двигающиеся в искривленном пространстве-времени, отклоняются от пути так, словно на них в обычном «плоском» пространстве воздействует сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния между телами. Обдумав эту мысль, Эйнштейн вывел набор уравнений, которые все это описывают. На это у него ушло десять лет. Когда работа была завершена, оказалось, что из новой теории гравитации Эйнштейна следует и знаменитый закон всемирного тяготения Ньютона, однако ОТО зашла гораздо дальше теории Ньютона, поскольку предлагала общую теорию всей Вселенной. ОТО описывает все пространство-время, а следовательно, все пространство и все время. (Есть удобный способ запомнить, как все устроено. Вещество диктует пространству-времени, как искривляться, а пространство-время диктует веществу, как двигаться. Однако из уравнений следует, что само пространство-время тоже способно двигаться на свой манер.)
ОТО была завершена в 1915 и опубликована в 1916 году. Среди прочего она предсказывала, что лучи света от далеких звезд, проходящие мимо Солнца, будут искривляться, двигаясь сквозь пространство-время, искаженное массой Солнца. Поэтому наблюдаемое местоположение звезд на небосклоне сдвинется, и этот сдвиг можно измерить и сфотографировать во время полного солнечного затмения, когда слепящий свет Солнца перекрыт. Такое затмение и произошло в 1919 году, и ученые сделали фотографии и обнаружили именно тот эффект, который предсказывал Эйнштейн. Искривленное пространство-время существует на самом деле; ОТО оказалась верной.
8
На привычном для нас языке замедление времени означает, что часы, движущиеся относительно наблюдателя, отстают, а сокращение длины – что предмет, движущийся относительно наблюдателя, сокращается вдоль направления движения.