Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Тяготение – организующая сила космоса. В главе 7 мы увидим, насколько оно было важно для того, чтобы позволить различным структурам, среди которых первоначально не было резко выраженных неоднородностей, развернуться после Большого взрыва. Но это произошло только потому, что тяготение является слабым по сравнению с другими силами, что позволяет существовать большим и долгоживущим структурам. Парадоксально, но чем слабее притяжение (при условии, что оно не равно нулю), тем значительнее и сложнее может быть его влияние. У нас нет никакой теории, которая бы давала нам значение числа N. Все, что мы знаем, – это то, что такое сложное образование, как человечество, не могло развиться, если бы N было куда меньше 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

Спустя более двух столетий после Ньютона Эйнштейн предложил свою теорию тяготения, получившую название «общая теория относительности» (ОТО). Согласно этой теории, планеты на самом деле следуют прямым путем в «пространстве-времени», но этот путь искривляется из-за присутствия Солнца. Иногда говорят, что Эйнштейн «сверг с пьедестала» ньютоновскую физику, но это заблуждение. Законы Ньютона по-прежнему с высокой точностью описывают движение объектов в Солнечной системе (самым известным противоречием теории Ньютона является небольшая аномалия орбиты Меркурия, объяснимая с помощью теории Эйнштейна). Этот закон вполне отвечает требованиям, необходимым для программирования траекторий автоматических аппаратов, отправляющихся на Луну и другие планеты. Тем не менее теория Эйнштейна, в отличие от теории Ньютона, объясняет явления, происходящие с объектами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, в условиях огромной силы тяготения, которая может быть причиной таких громадных скоростей, и с эффектом гравитационного отклонения самого света. Куда важнее то, что Эйнштейн углубил понимание самого явления гравитации. Для Ньютона оставалось тайной, почему все предметы падают одинаково и следуют по схожим орбитам – почему сила тяготения и инерция для любых веществ имеют одно и то же соотношение (в отличие от электрических сил, где «заряд» и «масса» непропорциональны), но Эйнштейн доказал, что это естественное следствие того, что все тела следуют прямым путем в пространстве-времени, но этот путь искривляется из-за массы и энергии. ОТО, таким образом, стала понятийным прорывом – особенно значительным, поскольку этот прорыв стал следствием озарения Эйнштейна, а не появился в результате какого-либо отдельного эксперимента или наблюдения.

Эйнштейн не доказывал, что Ньютон ошибался, он вышел за рамки теории Ньютона, включив ее в нечто более глубокое и более широко применимое. На самом деле было бы куда лучше (и помогло бы избежать неправильного понимания ее культурного значения), если бы теория Эйнштейна получила другое название. Ее бы стоило назвать не «теорией относительности», а «теорией инвариантности». Достижение Эйнштейна состояло в том, что он разработал систему уравнений, которые можно применить для любого наблюдателя, и выявил феноменальное обстоятельство: скорость света, измеренная в любом месте, является одной и той же, несмотря на то что наблюдатель движется.

Вехами в развитии любой науки является создание все более обобщенных теорий, которые сосредотачивают в себе прежде не связанные факты и расширяют широту охвата тех теорий, которые существовали до них. Физик и историк Джулиан Барбур использует метафору о восхождении в горы {4} 4 Имеется в виду книга Джулиана Барбура «Конец времени» (The End of Time, Weidenfeld & Nicolson, 1999). На русский язык не переводилась. , которая, как мне кажется, выглядит очень правдоподобно:

Чем выше мы поднимаемся, тем более всеохватывающий перед нами открывается вид. Каждая новая точка обзора дает лучшее понимание взаимосвязи вещей. Более того, постепенное накопление понимания перемежается неожиданным и ошеломляющим расширением горизонта, когда мы добираемся до перевала и видим нечто, что и вообразить себе не могли во время подъема. Стоит лишь найти направление в открывшемся пейзаже, наш путь к недавно покоренной вершине становится очевидным и занимает почетное место в новом мире.

Опыт формирует наше восприятие и здравый смысл: мы усваиваем те физические законы, которые напрямую влияют на нас. Законы Ньютона в какой-то мере были усвоены обезьянами, перепрыгивающими с дерева на дерево. Но на далеких просторах космического пространства среда очень отличается от нашей. Мы не должны удивляться тому, что знания, основанные на здравом смысле, не приложимы к огромным космическим расстояниям, высоким скоростям или к очень большой силе тяготения.

Разумное существо, способное быстро перемещаться по Вселенной, но ограниченное основными физическими законами (а не уровнем развития техники), развило бы свое интуитивное восприятие пространства и времени, соединив характерные и кажущиеся невероятными следствия из ОТО. Особое значение, как оказалось, имеет скорость света: к ней можно приблизиться, но ее невозможно превысить. Но это «космическое ограничение скорости» не ограничивает вас в том, куда вы можете добраться за время вашей жизни, потому что, когда космический корабль разгоняется почти до скорости света, часы идут медленнее и время на его борту «растягивается». Тем не менее если вы совершите путешествие до звезды, находящейся в 200 св. годах, а потом вернетесь на Землю, здесь пройдет больше 200 лет, каким бы молодым вы ни оставались. Ваш космический корабль не может лететь со скоростью большей, чем свет (с точки зрения оставшегося дома наблюдателя), но чем ближе ваша скорость приближается к световой, тем меньше вы состаритесь.

Эти явления находятся за пределами интуитивного восприятия только потому, что наш опыт ограничен низкими скоростями. Авиалайнер развивает всего миллионные доли скорости света и недостаточно быстр, чтобы заметить замедление времени: даже для самых активных воздушных путешественников эта задержка составит меньше миллисекунды за всю жизнь. В наше время это крошечное воздействие, тем не менее измерено с помощью экспериментов, где использовались атомные часы, отмеряющие миллиардные доли секунды, и оказалось, что полученные результаты согласуются со значением, предсказанным Эйнштейном.

Относительное замедление времени вызывает сила тяготения: около больших масс часы идут медленнее. Это также практически невозможно ощутить на Земле, поскольку точно так же, как мы привыкли только к «маленьким» скоростям, мы испытываем только «слабое» притяжение. Тем не менее это замедление необходимо учитывать, наряду с явлениями орбитального движения, в программировании потрясающе точной системы глобального позиционирования (GPS).