Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

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.

Даже не вдаваясь в подробности общей теории относительности, разработка которой заняла почти десять дополнительных лет после специальной теории относительности, Эйнштейн уже представлял себе, как должен выглядеть ее окончательный вариант. Опираясь на принцип эквивалентности, Эйнштейн придумал сценарий, позволяющий связать искусственную и естественную гравитацию, и сейчас я этот сценарий беззастенчиво украду.

Представьте себе жизнь на огромном вращающемся диске. Она очень похожа на двумерные вселенные, с которыми мы познакомились в третьей главе — ну, те, жить в которых, как вы выяснили, в принципе невозможно. Уж поверьте, думать о двумерных вселенных гораздо проще, чем о трехмерных.

В этой вселенной живет множество сверхразумных муравьев, которые медленно ползают по ее поверхности. Их королева Мария Муравьетта (пардон) восседает в полной неподвижности в самом центре Муравляндии. Ее тесным кольцом окружает свита. На взгляд стороннего наблюдателя, то есть на ваш взгляд, придворные медленно вращаются вокруг королевы. Сами они, разумеется, ни о чем не подозревают. Просто держатся за диск изо всех сил, чтобы вращением их не отбросило к краю. По их представлениям «край» — это «низ». Наверное, вы помните, что это называется «центробежная сила» — та же самая, которая создает искусственную гравитацию на борту «Дискавери‑1» из «Космической одиссеи‑2001».

Муравляндия

Чем дальше муравьи от королевы Марии, тем быстрее они двигаются и тем сильнее их тянет к краю. С точки зрения муравьев их Муравляндия очень похожа на гору, на вершине которой сидит королева, а склоны чем ниже, тем круче. Муравей, ослабивший хватку, покатится вниз, к «подножию горы», причем с ускорением.

У этой аналогии есть по крайней мере один недостаток. Если на Земле упасть с горы, то просто покатишься по радиусу от ее вершины к подножию. А муравей, упавший в Муравляндии, покатится сначала вниз, но потом окажется, что он еще немного сдвигается по кругу. Это знаменитый эффект Кориолиса. Та же самая сила, которая вынуждает циклоны в северном полушарии крутиться против часовой стрелки, а в южном — по часовой [73] Несмотря на распространенное заблуждения, вращение Земли не имеет отношения к тому, в какую сторону закручивается вода, когда вы сливаете ее в туалете. Унитаз у вас слишком маленький. .

Поскольку наши муравьишки домоседы, эффектом Кориолиса можно безнаказанно пренебречь. Муравьи убеждены, что живут на горе и вообще не вращаются. Мы живем за пределами Муравляндии и лучше осведомлены о положении вещей. Королева неподвижна. Ближайшие к ней муравьи движутся медленно. Чем дальше муравьи, тем быстрее они движутся. Муравьи на окраине диска движутся быстрее всех. Вот тут-то мы начинаем понимать, ради чего так долго и усердно учили специальную теорию относительности. Мы кое-что знаем о том, как течет время у движущихся муравьев. Чем быстрее они движутся, тем медленнее течет их время по сравнению с королевским. Чем дальше муравей, тем медленнее он будет стареть на сторонний взгляд.