Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Гравитация воздействует на время, потому что она представляет собой не просто изогнутое пространство. Она — это искривлённое пространство-время, в котором искривление пространства отвечает за изменение пути движения света, а искривление времени — за отстающие часы.

Для того чтобы понять, что мы живём в искривлённом пространстве-времени, которое и является гравитацией, понадобился гений Эйнштейна. До него никто не выдвигал подобного предположения, потому что оно далеко не очевидно.

Вообразите себе расу разумных муравьёв, которые живут на поверхности батута и не могут вырваться из его двумерной плоскости. Муравьи могут двигаться на север, юг, запад и восток, но не имеют представления о третьем измерении, то есть вверх и вниз. Теперь предположите, что на батут кто-то положил шар для боулинга. Муравьи замечают, что, если попытаться перейти с одной стороны батута на другую, их пути искривятся и приведут их к шару. Ситуация требует объяснений, и они их находят. Всё дело в том, что шар их притягивает. Возможно, они даже назовут эту силу притяжения гравитацией.

Но, глядя на батут сверху, из третьего измерения, мы увидим иную картину. Очевидно, что шар для боулинга заставил батут прогнуться, и в поисках кратчайшего пути с одной стороны батута на другую муравьи естественным образом движутся вокруг шара, точно так же, как наш турист по пересечённой местности. [158] Аналогия с муравьями на батуте не совсем удачна. Её главная проблема в том, что она объясняет гравитацию через гравитацию. Ведь именно гравитация тянет шар для боулинга вниз, в результате чего на батуте возникает углубление. Разумеется, батут может находиться в космосе, где гравитация отсутствует, а шар может иметь электрический заряд и двигаться в результате толчка, приданного другим заряженным телом. Но так наша аналогия станет совсем запутанной. Лучше уж использовать первоначальную и закрыть глаза на её несовершенство.

Мы с вами находимся в той же ситуации, что и муравьи. Так как мы живём в трёхмерном мире, мы не в состоянии постичь четырёхмерную реальность, в которой он существует. Солнце создаёт углубление в ткани пространства-времени точно так же, как шар для боулинга — в полотне батута. Поскольку мы не можем этого увидеть, мы приписываем движение Земли вокруг (если быть более точным, по эллипсу) Солнца действию силы, которая направлена от Солнца к Земле. Но на самом деле никакой такой силы, привязывающей нашу планету к Солнцу невидимой резинкой, не существует, как и не существует силы, исходящей от шара для боулинга.

Естественным движением для любого тела является перемещение по самой прямой из возможных траекторий через искривлённое пространство-время. Соответственно, Земля вращается вокруг Солнца, как шарик в рулетке. Американский физик Митио Каку пишет, что «в каком-то смысле гравитации не существует. Планеты и звёзды движутся из-за искривления пространства и времени». [159] Kaku M. A theory of everything? ( http://p-i-a.com/Magazine/Issue6/MichioKaku.htm ).

Эта фраза передаёт самую суть теории гравитации Эйнштейна. Американский физик Джон Уилер описывает её так: «Материя указывает пространству-времени, как изогнуться, а изогнутое пространство-время говорит материи, как двигаться». Всё очень просто. На самом деле материю искривляет энергия, ведь масса-энергия — это лишь одна из её форм. Но это уже придирки. Фраза Уилера ёмко передаёт суть общей теории относительности.

Говоря простыми словами, вокруг Земли в пространстве-времени сформировалось углубление. Естественным движением для нас является падение на дно такого углубления, то есть к центру Земли. [160] Вы можете задаться вопросом, почему движение от краёв к центру углубления в пространстве-времени, окружающего Землю, является естественным для нас, в то время как для нашей планеты естественно вращаться по окружности такого же углубления с центром в Солнце. Дело в том, что Земля движется с большой скоростью и потому не может упасть на Солнце, в то время как мы по отношению к Земле никуда не летим. Но на нашем пути оказывается земная поверхность, которая препятствует этому активному движению. Мы чувствуем гравитацию как восходящую от земли силу.

Различия между ньютоновской и эйнштейновской теорией поражают. Согласно Ньютону, Земля стремится к равномерному движению по прямой, потому что именно это обычно делают тела, обладающие массой. Однако сила притяжения Солнца отклоняет Землю с траектории её естественного инерционного движения и заставляет вращаться по эллиптической орбите вокруг Солнца. Согласно Эйнштейну, Солнце искривляет ткань пространства-времени вокруг себя. Земля стремится двигаться по кратчайшему пути, потому что именно это обычно делают тела, обладающие массой. Однако в искривлённом пространстве-времени такое инерционное движение соответствует перемещению по эллипсу.

Ньютон не показал нам причину того, почему яблоко падает, а только доказал, что на яблоко и на Луну действует одна и та же сила. «Гипотез не измышляю», — писал Ньютон в своих «Началах». Эйнштейн же продемонстрировал нам, почему возникает гравитация. Земля искривляет пространство-время вокруг себя, а яблоко и Луна реагируют на это искривление.

«Предположение, что одно тело может воздействовать на другое на расстоянии, через вакуум и без какой-либо помощи и что таким образом действие силы может передаваться от одного предмета другому, кажется мне таким абсурдным, что ни один человек, который с философской точки зрения обладает способностью мыслить, не может считать его верным», — говорил Ньютон. [161] Newton I. The Principia / Edited by Florian. — 1687. — P. 643. И это действительно абсурдно. Согласно Эйнштейну, воздействие на расстоянии осуществляется через искривлённое пространство-время. Ньютону бы понравилось это решение.

Ещё сильнее контраст между Ньютоном и Эйнштейном подчёркивают их представления о пространстве и времени. Ньютон считал пространство лишь фоном, на котором разворачиваются события космического масштаба, а время — непрерывным тиканьем вселенских часов. Но если верить Эйнштейну, таких вещей, как абсолютное время и абсолютное пространство, не существует. Пространство и время могут растягиваться и сжиматься и составляют единое целое — пространство-время. Кроме того, материя определяет форму пространства-времени, которая, в свою очередь, задаёт движение материи, изменяющее форму пространства-времени, которая определяет движение материи... Это похоже на очень сложный танец. Вселенная больше не пассивный фон, ведь пространство-время действует само по себе.

Представления Ньютона о пространстве и времени почти наверняка были прагматическими. Он признавал, что пространство можно определить исключительно как расстояние между двумя телами, что оно обязано быть «относительным». Но он также понимал, что с помощью математических инструментов, которыми он располагал, он не смог бы развить эту теорию. Тот факт, что Ньютон считал абсолютное время и абсолютное пространство достаточно хорошими концепциями для объяснения многих явлений во Вселенной, ещё раз доказывает нам его гениальность.