Исаак Ньютон заменил эту теорию и ее многочисленные последующие уточнения законом гравитации, то есть правилом, согласно которому каждое тело во Вселенной притягивается ко всем остальным телам. Это объясняло и открытие Иоганном Кеплером того, что планеты движутся по эллиптическим орбитам, а по прошествии некоторого времени объяснило и множество других вещей.
Прошло несколько веков ошеломляющего успеха, и ньютоновская теория столкнулась с первым поражением: гипотеза об орбите Меркурия, сделанная на ее основе, не оправдалась. Точка на орбите в том месте, где Меркурий находится на максимальном приближении к Солнцу, движется не совсем так, как предсказывает закон Ньютона. И тут на помощь пришел Эйнштейн со своей теорией, основанной не на силах притяжения, а на принципах геометрии и форме пространства-времени. Это была знаменитая теория относительности. Теория Эйнштейна существует в двух вариантах: специальная теория относительности (СТО) и общая (ОТО). СТО посвящена вопросам пространства, времени и электромагнетизма; ОТО описывает, что получается, когда ко всему вышеперечисленному вы добавляете гравитацию.
Следует заметить, что «теория относительности» – не вполне неудачное название. Главная идея СТО не в том, что все на свете относительно, а в том, что одна-единственная вещь – скорость света – неожиданно оказывается абсолютной. Проведем хорошо известный вам мысленный эксперимент. Представьте, что вы едете в автомобиле со скоростью 50 миль в час (80 км/ч) и стреляете по направлению движения из ружья. Пуля летит со скоростью 500 миль в час (805 км/ч) относительно автомобиля и попадает в неподвижную мишень на скорости, равной сумме двух этих скоростей, то есть 550 миль в час (885 км/ч). Но если вы будете светить фонариком, «выстреливающим» свет со скоростью 670 000 000 миль в час (108 000 000 км/ч), то скорость света отнюдь не станет 670 000 050 миль в час. Она останется точь-в‑точь такой же, как если бы вы светили фонариком из неподвижной машины.
Практическая реализация подобного эксперимента несколько сложновата, но менее зрелищные и опасные опыты демонстрируют, что результат окажется именно таким.
Эйнштейн опубликовал СТО в 1905 году вместе с первыми обоснованиями квантовой механики и новаторской работой о диффузии. Множество людей, среди которых были голландский физик Хендрик Лоренц и французский математик Анри Пуанкаре, уже работали над схожей идеей, поскольку электромагнетизм иногда вступал в противоречие с ньютоновской механикой. Они сделали вывод, что Вселенная намного сложнее, чем диктует нам здравый смысл, хотя ученые наверняка выразили эту мысль как-то иначе. По мере достижения скорости света объекты сжимаются, время начинает ползти как улитка, а масса стремится к бесконечности. При этом ничто не может якобы обогнать свет. Другая ключевая идея заключалась в том, что пространство и время – взаимообратимы. Три традиционных пространственных измерения и время образуют единое четырехмерное пространство‑время, а точка в пространстве становится событием в пространстве-времени.
В привычном нам пространстве существует такое понятие, как расстояние. В СТО есть аналогичная величина, именуемая интервалом между событиями, обусловленным видимым течением времени. Чем быстрее движется объект, тем медленнее для наблюдателя, находящегося на этом объекте, течет время. Этот эффект назвали замедлением времени.
Если ваша скорость станет равной скорости света, время для вас остановится.
Одним из любопытных следствий из теории относительности является «парадокс близнецов», описанный Полем Ланжевином в 1911 году. Это, так сказать, классическая ее иллюстрация. Предположим, что Розенкранц и Гильденстерн родились в один и тот же день. Розенкранц – домосед, всю жизнь остающийся на Земле. Гильденстерн же путешествует со скоростью света и через год возвращается домой. Из-за замедления времени этот год превратится для Розенкранца в 40 лет. Получится, что Гильденстерн окажется моложе своего брата на 39 лет. Эксперименты с атомными часами, облетевшими вокруг Земли на реактивном самолете, вроде бы подтверждают подобный сценарий, однако по сравнению со скоростью света самолет движется слишком медленно, поэтому замеченная (и предсказанная) разница составила всего лишь доли секунды.
Пока все у нас идет отлично, однако гравитация сюда никак не вписывается. Несколько лет Эйнштейн ломал голову, пока не придумал, как это сделать: он допустил, что пространство‑время искривлено. Появившаяся в результате его трудов теория и стала общей теорией относительности, являющейся синтезом ньютоновской гравитации и СТО. По мнению Ньютона, гравитация – это сила, отклоняющая материальные частицы с идеально прямого пути, которым они иначе могли бы свободно следовать. Согласно же ОТО, гравитация – это никакая не сила, а искажение структуры пространства-времени. Принято говорить, что пространство‑время «искривляется», хотя этот термин зачастую вводит в заблуждение. В частности, это не означает, что пространство‑время искривляется вокруг чего-то еще. В физическом смысле искривление – это та же гравитация, под воздействием которой изгибаются световые лучи, и в результате появляются, к примеру, «гравитационные линзы». Иначе говоря, искривление света массивными объектами, которое Эйнштейн открыл в 1911 году и опубликовал свои результаты в 1915‑м. Впервые этот эффект был замечен во время солнечного затмения. Не так давно, наблюдая в телескоп за далекими квазарами, ученые обнаружили, что изображения некоторых из них мультиплицируются, так как их свет искривляется галактикой, находящейся на его пути.
Эйнштейновская теория гравитации вытеснила ньютоновскую потому, что лучше объясняла результаты некоторых наблюдений. Однако ньютоновская по-прежнему подходит для множества целей, к тому же она куда проще, поэтому списывать ее в утиль рановато. А теперь уже и эйнштейновскую теорию теснит другая, которую он когда-то отбросил, посчитав своей величайшей ошибкой.
В 1998 году два независимых наблюдения позволили усомниться в эйнштейновской концепции. Одно касалось крупномасштабной структуры Вселенной, другое имело место быть прямо у нас под боком. Первое наблюдение до сих пор изо всех сил сопротивляется любым попыткам его преодолеть, а вот второе любопытное явление, возможно, имеет какое-нибудь прозаическое объяснение. С него, пожалуй, и начнем.
В 1972 и 1973 годах для изучения Юпитера и Сатурна были запущены космические зонды «Пионер‑10» и «Пионер‑11». В конце 80‑х оба зонда находились в глубоком космосе, направляясь за пределы Солнечной системы. В научной среде с давних времен распространена была легенда, ничем, впрочем, не доказанная, что за Плутоном может находиться неоткрытая планета, Планета Х. Она должна была исказить траекторию движения зондов, поэтому все напряженно следили за их полетом в надежде заметить какие-нибудь отклонения. И действительно, команда Джона Андерсена обнаружила таковые. Все бы хорошо, однако не похоже было, что эти отклонения вызваны некой планетой. Более того, они не вписывались в общую теорию относительности. «Пионеры» двигались по инерции, без применения каких-либо двигателей, поэтому сила притяжения Солнца (и даже гораздо более слабая гравитация других объектов Солнечной системы) воздействовала на зонды, постепенно замедляя их движение. Однако они почему-то замедлились немного сильнее, чем ожидалось. В 1994 году Майкл Мартин предположил, что этого наблюдения вполне достаточно, чтобы поставить под сомнение постулаты Эйнштейна. К тому же в 1998 году та же команда Андерсена объявила, что наблюдаемые факты не могут быть объяснены ошибками измерения, газовыми облаками, давлением солнечного света или гравитационным воздействием отдаленных комет.