"Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности" - читать интересную книгу автора (Грин Брайан)

Гравитация и старинный вопрос

В этом месте можно было бы подумать, что мы дошли до конца нашей истории с ведром, так что идеи Маха оказались неверны, и одержала победу радикально модернизированная Эйнштейном ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени. Но истина тоньше и интереснее. Однако если изложенные до сих пор идеи вам в новинку, то стоит сделать перерыв, прежде чем штурмовать последние разделы этой главы. Чтобы освежить свою память, мы привели краткую сводку позиций в табл. 3.1.

Раз вы читаете эти строки, то я надеюсь, что вы готовы сделать следующий крупный шаг в истории пространства-времени — шаг, подготовленный по большей части не кем иным, как Эрнстом Махом. Хотя специальная теория относительности, в отличие от теории Маха, приводит к выводу, что даже в совершенно пустой Вселенной вы почувствуете, что вдавливаетесь во внутреннюю стенку вращающегося ведра и что натягивается верёвка, связывающая два вращающихся камня, однако Эйнштейн оставался под глубоким впечатлением от идей Маха. Но Эйнштейн понял, что серьёзное отношение к этим идеям требует значительного их расширения. Мах никогда по-настоящему не определял механизм, посредством которого удалённые звёзды и прочая материя Вселенной могла бы влиять на то, как сильно растягивает в стороны руки при вашем вращении или насколько сильно вас вдавливает во внутреннюю стенку вращающегося ведра. Эйнштейн начал подозревать, что если такой механизм действительно существует, то он должен иметь какое-то отношение к гравитации.

Это предположение было особенно привлекательным для Эйнштейна, потому что в специальной теории относительности, чтобы сделать анализ обозримым, он полностью проигнорировал гравитацию. Возможно, рассуждал он, более общая теория, включающая как специальную теорию относительности, так и гравитацию, придёт к другому выводу относительно идей Маха. Возможно, предполагал он, обобщение специальной теории относительности, учитывающее гравитацию, покажет, что материя, как близкая, так и удалённая, определяет силу, ощущаемую нами при ускорении.

У Эйнштейна была и другая, в чём-то более веская, причина обратить своё внимание на гравитацию. Он понимал, что специальная теория относительности, базирующаяся на утверждении, что никакой материальный объект и никакое возмущение не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света, прямо конфликтует с ньютоновским универсальным законом гравитации — фундаментальным достижением, с помощью которого более двух столетий с фантастической точностью предсказывали движение Луны, планет, комет и всех прочих небесных тел. Невзирая на экспериментальные подтверждения закона Ньютона, Эйнштейн понимал, что, согласно Ньютону, гравитация мгновенно распространяется от точки к точке, от Солнца к Земле и т. д., т. е. гораздо быстрее света, а это прямо противоречит специальной теории относительности.

Для иллюстрации этого противоречия предположим, что у вас выдался действительно прескверный вечер (в вашем родном городе закрылся боулинг-клуб, все позабыли о вашем дне рождения, кто-то съел последний кусок сыра в холодильнике), так что вы захотели побыть наедине с собой, и потому решились на лодочную прогулку при Луне. Луна над головой, на море прилив (именно гравитация Луны притягивает воду, вызывая прилив), отражения лунного света пляшут на поверхности морских волн. Но затем, словно в продолжение вечерних кошмаров, враждебные инопланетяне хватают Луну и мгновенно перебрасывают её на другой конец галактики. Конечно, такое исчезновение Луны было бы очень странным, но если верен ньютоновский закон всемирного тяготения, то этот эпизод повлечёт за собой нечто ещё более странное. Закон Ньютона предсказывает, что вода начнёт спадать (вследствие исчезновения притяжения со стороны Луны) за полторы секунды до того, как вы увидите, что Луна исчезла с неба. Подобно спринтеру, допустившему фальстарт, вода начнёт спадать на полторы секунды раньше.

Причина здесь в том, что, согласно Ньютону, в тот самый момент, когда исчезает Луна, также мгновенно исчезает и её притяжение, так что приливные волны мгновенно начинают спадать. А поскольку на преодоление примерно 400 тыс. км между Луной и Землёй свету требуется примерно полторы секунды, то вы не сразу заметите, что Луна исчезла; в течение полутора секунд вы будете видеть, что волны вдруг начали спадать, тогда как Луна, как обычно, сияет на небосклоне. Таким образом, согласно Ньютону, гравитация может воздействовать на нас раньше света — гравитация может опережать свет — а это, как был уверен Эйнштейн, на самом деле это не так{45}.

Поэтому примерно в 1907 г. Эйнштейном завладела идея сформулировать новую теорию гравитации, которая была бы по крайней мере столь же точной, как ньютоновская, но не конфликтовала со специальной теорией относительности. Эта проблема оказалась не чета всем остальным. Гигантский интеллект Эйнштейна наконец-то столкнулся с подобающей ему проблемой. Его тетради того периода теснятся от наполовину сформулированных идей, промахов, когда маленькие ошибки приводили к долгим блужданиям по иллюзорным путям, и восклицаний, что ему удалось решить проблему, за которыми вскоре вновь обнаруживалась ошибка. Наконец, в 1915 г. Эйнштейн нашёл выход. Хотя Эйнштейн и получал помощь в критических ситуациях (особенно от математика Марселя Гроссмана), создание им общей теории относительности ознаменовало редкое героическое усилие одного ума, пытающегося постичь Вселенную. Результатом этих усилий явилась ярчайшая жемчужина доквантовой физики.

Путь Эйнштейна к созданию общей теории относительности начался с основного вопроса, который Ньютон скромно опустил два столетия ранее. Как гравитация действует через огромное пространство? За счёт чего страшно далёкое Солнце влияет на движение Земли? Солнце не прикасается к Земле, так как же оно воздействует на Землю? Короче говоря, как работает гравитация? Хотя Ньютон и открыл уравнение, которое с высокой точностью описывает силу гравитации, он вполне осознавал, что оставил без ответа этот важный вопрос. В своих «Началах» Ньютон честно написал[46]: «Я оставляю эту проблему на рассмотрение читателя»{47}. Как видно, есть аналогия между этой проблемой и той, которую Фарадей и Максвелл решили в начале XIX в., используя представление о магнитном поле, посредством которого магнит воздействует на объекты, не прикасаясь к ним. На основании этого можно предложить аналогичный ответ: гравитация передаёт воздействие посредством другого поля — гравитационного поля. И, вообще говоря, это правильное предположение. Но проще сказать, чем создать теорию, которая не конфликтовала бы со специальной теорией относительности.

Да, гораздо проще. Эйнштейн отважно взялся за решение этой задачи, и с помощью поразительной схемы, разработанной им спустя десятия поисков во тьме, ниспроверг устоявшуюся ньютоновскую теорию гравитации. Равным образом поражает то, что история вернулась к своему началу, поскольку ключевой прорыв Эйнштейна был тесно связан с той самой проблемой, которую Ньютон поднял в примере с ведром: какова истинная природа ускоренного движения?