Искривленное пространство-время

В своей специальной теории относительности Эйнштейн отходит от ньютонова представления об абсолютном универсальном времени – том самом, которое отмеряют все часы на свете. Ньютон поставил себе цель представить абсолютное пространство и абсолютное время симметрично. Именно поэтому он утверждал: «Абсолютное, подлинное, математическое время само по себе, по природе своей течет равномерно, невзирая ни на какие внешние обстоятельства». А Эйнштейн сделал центральной темой специальной теории относительности постулат, согласно которому все наблюдатели измерят одинаковое значение скорости света независимо от того, в каком направлении двигаются, и за это пришлось заплатить: навеки связать пространство и время в одну неразрывную сущность под названием пространство-время. После этого было проведено множество экспериментов, которые подтвердили, что если два наблюдателя движутся друг относительно друга, то замеренные ими промежутки времени не совпадают. Уже совсем недавно, в 2010 году, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) сопоставили показания двух оптических атомных часов, соединенных оптоволокном, и пронаблюдали явление «замедления времени» при относительной скорости всего в 35 км/ч!

Учитывая центральную роль света (в более широком смысле – электромагнитного излучения), специальная теория относительности была создана в точном соответствии с законами, описывающими электричество и магнетизм. И в самом деле, свою статью 1905 года, где излагалась эта теория, Эйнштейн озаглавил «Об электродинамике движущихся тел». Однако уже в 1907 году Эйнштейн обнаружил, что специальная теория относительности противоречит Ньютоновому всемирному тяготению. Сила тяготения по Ньютону действует мгновенно во всем пространстве. Из этого, в частности, следует, что когда наша галактика Млечный Путь столкнется с галактикой Андромеда (это случится через несколько миллиардов лет), изменение гравитационного поля из-за перераспределения массы почувствуется во всей Вселенной одновременно. Это будет явным противоречием специальной теории относительности, поскольку тогда получится, что информация способна перемещаться со скоростью больше скорости света, что специальная теория относительности категорически запрещает. Более того, само представление об одновременности во вселенском масштабе требует того самого универсального времени, которое специальная теория относительности старательно дезавуирует. Конечно, в 1907 году Эйнштейн не мог привести именно этот пример, однако принцип он понимал прекрасно. Чтобы преодолеть эти трудности, а в частности – добиться, чтобы его теория была применима к движению с ускорением, Эйнштейн ступил на довольно-таки извилистый путь, на котором его ждало много скользких мест – однако этот путь впоследствии привел его к общей теории относительности.

Многие и сейчас считают, что общая теория относительности – это самая изобретательная физическая теория за всю историю человечества. Знаменитый физик Ричард Фейнман как-то признался: «Никак не могу понять, как он до этого додумался». В основе теории лежит две тончайшие догадки: (1) эквивалентность гравитации и ускорения и (2) новая роль пространства-времени, которое перестало быть пассивным зрителем и превратилось в главного героя в драме вселенской динамики. Прежде всего Эйнштейн задумался о том, какие ощущения испытывает человек в свободном падении в гравитационном поле Земли, и понял, что ускорение и гравитация, в сущности, неотличимы друг от друга. Если человек живет в закрытом лифте на Земле и этот лифт движется вверх с постоянным ускорением, человек может подумать, будто он живет в месте, где гравитация сильнее: напольные весы наверняка покажут больше его нормального веса. Подобным же образом астронавты в космическом корабле переживают состояние невесомости просто потому, что и они, и корабль движутся относительно Земли с одинаковым ускорением. В своей лекции, прочитанной в Киото в 1922 году, Эйнштейн рассказал, как ему в голову пришла эта мысль: «Я сидел на стуле в патентном бюро в Берне, и вдруг меня осенило: “В свободном падении человек не чувствует собственного веса”. Я даже вздрогнул. Эта простая идея произвела на меня сильное впечатление. И подтолкнула к созданию теории гравитации». Вторая идея Эйнштейна состояла в том, чтобы взять Ньютонову гравитацию и перевернуть ее с ног на голову. Эйнштейн утверждал, что гравитация – это не какая-то загадочная сила, которая действует по всему пространству. Напротив, масса и энергия свертывают пространство-время так же, как человек, стоящий на трамплине, заставляет его провисать. Гравитацию Эйнштейн определял как искривление пространства-времени. То есть планеты движутся по самым коротким путям в пространстве-времени, искривленном под воздействием Солнца, точно так же как мячик для гольфа следует неровностям лужайки, а джип лавирует в дюнах пустыни Сахары. Свет тоже распространяется не прямолинейно, а изгибается в искривленных окрестностях крупных масс.

На илл. 32 приведено письмо, которое Эйнштейн написал в 1913 году, когда разрабатывал свою теорию. В этом письме, адресованном американскому астроному Джорджу Эллери Хейлу, Эйнштейн объясняет искривление света в гравитационном поле и то, как Солнце искажает свет далекой звезды. Этот важный прогноз был впервые проверен в 1919 году во время солнечного затмения. Организовал наблюдения (в Бразилии и на острове Принсипи в Гвинейском заливе) Артур Эддингтон, а отклонения, которые зафиксировала его группа и экспедиция во главе с Артуром Громмелином (примерно 1,98 и 1,61 угловой секунды) с учетом погрешности наблюдения соответствовали предсказанию Эйнштейна в 1,74 угловой секунды (Ньютонова теория гравитации предсказывала половину этого значения). Время, согласно общей теории относительности, также «искривлено»: часы вблизи массивных тел тикают медленнее, чем часы вдалеке от них. Это явление подтверждено экспериментально и уже учитывается в повседневной работе спутников GPS.

Главным принципом, лежащим в основе общей теории относительности, стала идея подлинно революционная: то, что мы воспринимаем как силу тяжести, есть всего-навсего проявление того факта, что масса и энергия искривляют пространство-время. В этом смысле Эйнштейн, по крайней мере, по духу, был ближе к геометрическим (а не динамическим) представлениям древнегреческих астрономов, чем к Ньютону, который делал упор на силы. Пространство-время перестало быть фиксированным, неизменным фоном, оно способно изгибаться, искривляться, растягиваться в ответ на присутствие материи и энергии, и эти искривления, в свою очередь, заставляют вещество двигаться, что мы и наблюдаем. Как однажды выразился авторитетный физик Джон Арчибальд Уилер, «Вещество диктует пространству-времени, как искривляться, а пространство-время диктует веществу, как двигаться». Вещество и энергия становятся вечными партнерами пространства и времени.

Своей общей теорией относительности Эйнштейн блистательно решил проблему распространения силы гравитации быстрее света – условие, которое не давало покоя теории Ньютона. В общей теории относительности скорость передачи сводится к тому, насколько быстро рябь ткани пространства-времени распространяется от одной точки до другой. Эйнштейн показал, что подобные складки и вздутия – геометрическое проявление гравитации – перемещаются в точности со скоростью света. Иначе говоря, изменения гравитационного поля не могут передаваться мгновенно.