Принцип эквивалентности
Сэр Исаак Ньютон обнаружил, что между гравитацией и ускорением наличествует фундаментальная симметрия – отношения куда более загадочные, чем кажется на первый взгляд, и намекающие на то, что гравитация, возможно, занимает среди физических законов особое место. Ньютон понял, что масса означает две совершенно разные вещи, в зависимости от контекста.
Силы гравитации пропорциональны массе тела, на которую они воздействуют. Напольные весы сопротивляются силе гравитации, которая возникает между вами и Землей, и чем вы массивнее, тем больше они показывают.
А еще масса означает нечто другое, не имеющее никакого отношения к гравитации. Это мера того, насколько трудно ускорить или затормозить тело, если оно двигается.
Если вам кажется, что это не очень важно, вы крупно ошибаетесь. Несмотря на тот факт, что эти две величины так тесно связаны, нет никаких видимых причин, чтобы гравитационная и инерционная массы тела имели друг к другу хотя бы какое-то отношение.
И все же так и есть. Галилей прославился благодаря тому, что помимо всего прочего доказал, что гравитация ускоряет тела независимо от их массы – он сравнивал скорость, с которой катятся с холма колеса разного размера и плотности. Его примеру последовал Ньютон и показал, что масса маятника никак не влияет на период его колебаний – важна лишь длина стержня или нити маятника.
Чтобы понять, какая это странная штука – отношения между массой и гравитацией – задумаемся об электрической силе. Электроны и протоны обладают противоположным зарядом, из чего следует, что пара электронов, расположенных в метре друг от друга, будут отталкиваться с той же силой, что пара протонов, расположенных на том же расстоянии.
Однако ускорение частиц – это совсем другое дело. Помните, что протоны обладают массой примерно в 2000 раз больше массы электрона, а это значит, что их в 2000 раз труднее двигать. Два электрона на расстоянии в метр будут ускоряться в разные стороны примерно в 26 раз сильнее нормальной гравитации Земли. А протоны едва дернутся.
Иначе говоря, если бы мы были роботами, привязанными к своей планете исключительно электрическими полями, то мы, роботы, падали бы на Землю с разной скоростью. Те, у кого отношение заряда к массе больше всех, и падали бы быстрее всех.
Гравитация и масса связаны очень тесно. Это одна из множества черт, разительно отличающих гравитацию от остальных фундаментальных сил. Но пока не вмешался Эйнштейн, отношение между массой и гравитацией было скорее просто курьезом. Почему это так, никто не мог разобраться.
Эйнштейн выдвинул так называемый принцип эквивалентности и отталкивался от него. Принцип эквивалентности – это основная симметрия общей теории относительности и главная тема нашего разговора на протяжении почти всей этой главы. Эйнштейн разрабатывал теорию относительности в течение десяти лет и описал принцип эквивалентности множеством разных способов. В конце концов он придумал две версии – слабую и гораздо более впечатляющую сильную, которая и получила известность как «принцип эквивалентности Эйнштейна». Грубо говоря, слабая версия гласит:
Слабый принцип эквивалентности. Частицы в свободном падении локально неотличимы от инерциальных систем отсчета.
Это утверждение настолько бесспорное, что даже у Галилея с Ньютоном не возникло бы никаких трудностей. Оно всего-навсего гласит, что МКС находится в свободном падении, даже если на самом деле пребывает в гравитационном поле: внутри кажется, будто никакой гравитации и нет. Физик на борту станции может проводить любые эксперименты, и результаты будут такие же, как и в открытом космосе.
Или почти-почти совсем такие же. Гравитационная тяга Земли слабеет, чем дальше от нее отлетаешь, а значит, та сторона станции, которая обращена к Земле, ощущает гравитацию чуть-чуть сильнее, чем та, которая обращена в космос. В результате имеет место еле-еле заметный эффект прилива, едва ли в полкило на всю станцию весом 450 тонн, который «растягивает» станцию.
Эйнштейн обнаружил, что свободно падающие космические станции говорят нам нечто весьма фундаментальное об устройстве реальной гравитации. Уже к 1907 году, всего через два года после создания специальной теории относительности, он сформулировал куда более сильный вариант принципа эквивалентности:
Мы предполагаем полную физическую эквивалентность гравитационного поля и соответствующего ускорения системы отсчета.
На случай, если суть от вас ускользнула, поясню, что Эйнштейн доводит принцип эквивалентности до безумной, но в конечном итоге верной крайности. Он заявляет, что нет никакой измеримой разницы между настоящей гравитацией и ускорением, по крайней мере в местном масштабе. Принцип эквивалентности Эйнштейна дает ответ на множество вопросов об устройстве Вселенной.
Во-первых, если гравитация экспериментально эквивалентна ускорению, то сила гравитации не может меняться ни с возрастом вселенной, ни с положением в ней. Если бы она менялась, то отношение инертной и гравитационной масс не было бы постоянной величиной. Но дело даже не в этом. Дело в том, что во всех свободно падающих или находящихся в глубоком космосе системах все эксперименты должны проходить совершенно одинаково. Если Эйнштейн прав – не забывайте, это постулат, – то физика будет вести себя одинаково во всем пространстве и в любой момент времени.
Надежные свидетельства в пользу принципа эквивалентности мы наблюдали и в доисторическом ядерном реакторе в Окло в Габоне, и в наблюдаемой неизменности постоянной тонкой структуры. Принцип эквивалентности предсказывает те самые пространственные и временные симметрии, которые так занимали Нётер. Принцип эквивалентности в самом что ни на есть прикладном смысле не просто симметрия – это своего рода метасимметрия, которая говорит нам, как должны выглядеть многие симметрии, и в самом деле существующие во Вселенной.
В заключение я вынужден сделать одно признание. Общая теория относительности, а потому, весьма вероятно, и сам принцип эквивалентности обязательно должны в чем-то ошибаться или быть по крайней мере неполными. В таких высокоэнергичных случаях, как центры черных дыр или момент Большого взрыва, относительность и квантовая механика описывают устройство вселенной очень по-разному.
Чтобы увидеть, в чем трудность, нам даже не обязательно нырять в черную дыру. Знаменитый квантово-механический опыт Юнга предполагает, что пучок электронов пропускают через экран с двумя маленькими параллельными прорезями. Из-за квантовой неопределенности невозможно предсказать, через какую прорезь проскочит каждый конкретный электрон: он буквально проходит в обе щели одновременно. Это само по себе плохо укладывается в голову, а в контексте гравитации выглядит еще неправдоподобнее. Если электрон проходит через одну прорезь, то гравитационное поле, которое он создает, теоретически немного отличается о того, которое он создает, если проходит через другую прорезь.
В один прекрасный день – точно не сегодня – у нас появится теория квантовой гравитации, которая объяснит, как и где именно относительность перестает работать и как ее починить, но на данный момент нам придется ограничиться экспериментами. А эксперименты вроде бы подтверждают принцип эквивалентности.
