В 1860-е годы Джеймс Клерк Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию. Но как бы он ни преобразовывал уравнения, они имели смысл только при том условии, что свет распространяется в пространстве с одной и той же постоянной скоростью, независимо от скорости источника света.

Это выглядело странным. Действительно, если стрелять на ходу из автомобиля, то стороннему наблюдателю будет казаться, что пуля летит с суммарной скоростью пули и автомобиля. Но когда 20 лет спустя американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли занялись поисками светоносного эфира – среды, предположительно переносящей свет, – они пришли к такому же выводу: как бы ни смотреть на свет, скорость его остается постоянной.

Скорость света также является и предельной космической скоростью. Ничто – ни вещество, ни информация, ни гравитация, и никакое другое воздействие – не могут распространяться быстрее света. Сообщения о нарушителях космических правил дорожного движения, таких как «сверхсветовые нейтрино», появившиеся в 2011 году, в конечном итоге не подтвердились. Эйнштейн провозгласил, что постоянство скорости света – основополагающий принцип природы, и начал перестраивать физику в соответствии с этим принципом, сделав его отправной точкой в своих двух теориях относительности.

В XVI столетии Галилей заметил, что тела при падении обладают одинаковым ускорением независимо от их массы. И перо, и молоток, сброшенные с Пизанской башни, упадут на землю в одно и то же время, если отбросить сопротивление воздуха. Этот принцип был подтвержден астронавтом Дэвидом Скоттом на Луне, где нет атмосферы, во время экспедиции «Аполлон-15».

Ньютон показал, что это может быть справедливо только при соблюдении одного странного совпадения: инертная масса, которая определяет количественную меру сопротивления тела ускорению, всегда должна быть равна гравитационной массе, которая определяет количественную меру реакции тела на действие гравитации. Нет очевидной причины, почему это должно быть именно так, хотя ни один эксперимент еще этого не опроверг. Так же, как в случае с постоянной скоростью света, именно Эйнштейн провозгласил эквивалентность масс основополагающим принципом природы.

За несколько десятков лет до Галилея Николай Коперник отважился высказать идею о том, что Земля не является уникальным местом во Вселенной. Примерно через сто лет Ньютон в своем знаменитом трактате «Математические начала натуральной философии» предположил, что солнечная система погружена в однородное пространство, простирающееся на большие расстояния во всех направлениях.

Эти идеи явились истоком того, что в современной космологии сформировалось в космологический принцип: вглядитесь во Вселенную и везде вы увидите примерно одно и то же, независимо от того, в каком направлении вы смотрите. Локальные сгустки материи существуют в виде звездных систем, галактик и скоплений галактик, но в большом масштабе все это сводится к однородности.

Подобное упрощение облегчает использовании математики при построении рабочей модели космоса. Но наш ограниченный горизонт не дает с полной уверенностью сказать, что это действительно универсальный и достоверный принцип. Открытие более крупных структур, таких как Великая стена «Геркулес – Северная Корона», которая представляет собой огромную суперструктуру из галактик в виде арки размером более 10 млрд световых лет (обнаружена в 2013 году), подвергает сомнению этот принцип.

Как выяснил Эйнштейн, принцип постоянства скорости света имеет некоторые странные следствия. Повседневный опыт подсказывает нам, что если два автомобиля сближаются со скоростью 100 км/час, в момент столкновения их скорости суммируются до 200 км/час. А теперь представьте себе, что вы сидите в одном из двух космических кораблей, каждый из которых летит со скоростью, составляющей 90 % от скорости света c. Корабли летят навстречу друг другу. С какой скоростью к вам будет приближаться второй корабль с вашей точки зрения?

Точная цифра в данном случае не имеет значения, но она не может быть больше c. В специальной теории относительности Эйнштейна, разработанной им в 1905 году, пространство и время пришлось деформировать, чтобы примирить теорию с постулатом о предельной скорости света. Движущиеся часы тикают медленнее, и движущиеся линейки становятся короче – исчезает объективное мерило времени и пространства, и вы действительно будете стареть медленнее в летящем с большой скоростью космическом корабле. В нашей обычной жизни с ее обычными скоростями этими эффектами деформации можно пренебречь. Но при скоростях, близких к скорости света, они становятся весьма значительными и делают неизбежным тот факт, что никакое тело не может преодолеть некоторое пространство быстрее, чем луч света.

Если движение деформирует пространство и время (см. выше «Специальная теория относительности»), то же самое делает ускорение, а ускорение может возникать вследствие гравитации. Таков урок, преподнесенный Эйнштейном в его общей теории относительности 1916 года, задавшей магистральное направление современной физике и совмещающей специальную теорию относительности с принципом эквивалентности в одну рабочую теорию гравитации. Массивные тела изгибают пространство и время вокруг себя, заставляя объекты ускоряться по направлению к ним. Общая теория относительности предлагает концептуальную схему для объяснения вселенского «закулисья» большого масштаба, а космологическая модель требует дополнительной информации о распределении материи.

Эти морщины в пространстве-времени оставались последним неподтвержденным предсказанием общей теории относительности, пока их не обнаружили в сентябре 2015 года. Обнаружение сигнала от слияния двух массивных черных дыр явилось триумфальным аккордом в кропотливой работе, проведенной в рамках усовершенствованного эксперимента LIGO.

Это самое знаменитое уравнение физики проистекает из специальной теории относительности и утверждает, что масса является концентрированной формой энергии и связана с ней посредством постоянной скорости света. Поэтому, если столкнуть частицы с очень высокими энергиями, как это происходит в Большом адронном коллайдере, то можно создать другие, более массивные частицы. Это тот путь открытий, который в конце концов привел к рождению стандартной модели элементарных частиц.

Когда Эйнштейн впервые применил общую теорию относительности для построения модели космоса, он следовал традиционным представлениям своего времени, предполагая, что Вселенная является стационарной, т. е. она не расширяется и не сжимается. Однако наблюдения, проведенные в 1920-е годы, показали наличие красного смещения в спектрах далеких галактик, что свидетельствовало о том, что эти галактики удаляются от нас. Затем к теории Эйнштейна был добавлен упрощающий космологический принцип, предполагающий, что вещество во Вселенной распределено однородно, и построены модели расширяющейся Вселенной. Так было положено начало сегодняшней стандартной космологической модели. Она описывает Вселенную, которая возникла в горячем, плотном, бесконечно малом всплеске Большого взрыва около 13,8 миллиарда лет назад и преподносит нам сюрпризы, до сих пор не поддающиеся объяснению.

Открытое случайно в 1964 году в виде фонового шипения в гигантском радиометре, это холодное море излучения рассматривается теперь как решающее доказательство Большого взрыва. Самый древний свет во Вселенной, он отправился в путь через 380 тысяч лет после Большого взрыва. К этому времени космос уже достаточно остыл и сформировались первые атомы, а фотоны начали летать свободно. Различные космические зонды, исследующие это излучение, в том числе запущенная в 2009 году обсерватория «Планк», составили подробную карту вариаций КМФ и предоставили нам информацию о самых ранних годах жизни Вселенной и о ее сегодняшнем состоянии.