Искривление пространства и времени

Человека, который устранил эту проблему и понял, каким образом гравитация удерживает наше тело на земле, звали Альберт Эйнштейн. Если вы спросите прохожих на улице, чем он знаменит, то, скорее всего, услышите в ответ его знаменитую формулу Е = mc², описывающую соотношение массы и энергии (и это действительно важно). Но если спросить ученых, то они ответят, что самым впечатляющим его достижением было создание общей теории относительности, объясняющей принцип действия гравитации.

Данная теория неимоверно сложна, особенно ее математическое обоснование. Даже сам Эйнштейн испытывал с этим большие трудности и обращался за помощью к лучшим математикам. Однако базовые принципы, лежащие в ее основе, очень просты и даже тривиальны. Они пришли Эйнштейну в голову в 1907 году, когда у него на работе выдалось свободное время. Вот как он это описывал: «Я сидел в кресле в Бернском патентном бюро, как вдруг мне в голову пришла мысль: «В свободном падении человек не ощущает своего веса». Я был поражен. Эта простая мысль произвела на меня огромное впечатление. Развив ее, я пришел к теории тяготения». Позднее он писал, что это была «самая счастливая идея» в его жизни.

Эйнштейн исходил из принципа эквивалентности, который гласит, что гравитация и ускорение идентичны. Если вы, допустим, сидите в ракете, не имеющей иллюминаторов, и чувствуете, что вас прижимает к полу, то никакие эксперименты не помогут вам точно определить, какая сила на вас действует – сила гравитации или сила ускорения космического корабля. Различить эти две силы невозможно.

Конечно, вы можете попробовать схитрить и воспользоваться прибором GPS, который подскажет, где вы находитесь и с какой скоростью движетесь. Можно также попробовать провести измерения в различных частях корабля. Если речь идет о гравитации, то она должна быть чуть слабее в той его части, которая наиболее удалена от Земли. Но Эйнштейн имел в виду другое: если вы произведете измерение в данной конкретной точке и не будете использовать приспособления, позволяющие каким-то образом увидеть, что происходит вокруг корабля, то определить, что является источником силы – гравитация или ускорение, будет невозможно.

Поскольку обе силы эквивалентны, вы можете использовать ускорение, чтобы противодействовать гравитации и таким образом полностью устранить ее действие. Именно это происходит при свободном падении. Вы наверняка видели тренировки астронавтов в условиях невесомости, проводящиеся в самолете, который движется по параболической траектории (его еще называют «рвотной кометой»). Самолет набирает высоту, а затем с ускорением летит к земле по определенной траектории и с определенной скоростью, что полностью устраняет эффект гравитации. Все находящиеся внутри в течение примерно 20 секунд могут свободно летать по салону, пока самолет не выйдет из пике.

Падение без столкновения с землей

То же самое произойдет с вами, если вы попадете на Международную космическую станцию. Астронавты практически не испытывают там силы тяжести, и вовсе не потому, что находятся далеко от Земли. На высоте орбиты МКС сила притяжения Земли все равно составляет около 90 процентов от той, которую мы испытываем на ее поверхности. Дело в том, что орбита станции (и всех ее обитателей) представляет собой траекторию постоянного падения с равномерной скоростью, которое компенсирует гравитацию. Единственная причина, по которой это падение не завершается ударом о землю и взрывом, заключается в том, что станция постоянно «промахивается» мимо Земли.

Луч света, пересекающий внутреннее пространство космического корабля

Находясь на орбите, станция стремится улететь от Земли по прямой линии, но падает, повинуясь силе притяжения. Оба движения компенсируют друг друга, благодаря чему станция продолжает оставаться на прежней высоте, но при этом все же падает. Когда Эйнштейн размышлял над своей теорией, его посетила еще одна замечательная мысль: луч света, который пересекает внутри движущийся с ускорением космический корабль, будет отставать от его движения и, как следствие, изгибаться. Но если гравитацию невозможно отличить от ускорения, то и гравитационное поле тоже должно отклонять свет.

Разум меньшего масштаба, чем у Эйнштейна, мог бы, пожалуй, прийти к выводу, что свет притягивается гравитационным полем, как и все прочие предметы. Но у ученого родилась по этому поводу совершенно немыслимая идея: а что, если массивный объект типа Земли вовсе не притягивает другие объекты, а просто искривляет пространство и время? В этом случае луч света тоже будет отклоняться.

Чтобы продемонстрировать общую теорию относительности в действии, часто пользуются наглядным образом тяжелого шара для боулинга, положенного на натянутую резиновую пленку, которая символизирует пространство и время. Мяч давит на пленку и прогибает ее поверхность. Если вы представите себе луч света, движущийся внутри пленки, то в месте прогиба он пойдет по дуге. Масса искривила пространство и время и изменила направление луча. С точки же зрения света он продолжает двигаться по прямой линии. Просто пространство и время, в котором он движется, искривлены.

Отсутствие взаимодействия на расстоянии

Самое замечательное в подходе общей теории относительности к гравитации – это то, что она исключает не дававшую всем покоя концепцию взаимодействия между двумя телами на расстоянии. Все, что имеет массу, искривляет пространство и время вокруг себя. Даже ваше тело создает определенные, хотя и крошечные искажения пространства и времени. Поэтому, если другое тело попадает в искривленную часть пространства и времени, оно испытывает на себе действие гравитации.

Модель с резиновой пленкой довольно удачна, но все же не дает полного представления об этом явлении. Во-первых, пространство и время представлены в ней в двухмерном виде, а реальный мир имеет три пространственных измерения и одно временн бе. Кроме того, эта модель не позволяет понять, почему тело (например, знаменитое яблоко Ньютона) начинает двигаться, испытывая на себе гравитационное воздействие другого тела.

Чтобы это объяснить, обычно кладут маленький шарик на край резиновой пленки, который скатывается в образовавшийся прогиб. Но почему шарик начинает двигаться? Что приводит его в движение? Ну, в общем… гравитация. Такое объяснение гравитации через гравитацию является так называемым логическим кругом, при котором утверждение выводится из самого себя, а следовательно, не имеет никакого смысла.

В действительности же все еще удивительнее. Возьмите яблоко и выпустите его из руки. Яблоко притягивается к Земле, а Земля – к яблоку. Однако Земля обладает несравнимо большей массой, поэтому притягивает сильнее. Как только вы отпустите яблоко, оно тут же начнет падать, двигаясь все быстрее и быстрее.

Почему это происходит с точки зрения общей теории относительности? Дело в том, что масса Земли искривляет не просто пространство, а пространство и время. Хотя до этого яблоко было неподвижным в пространстве, оно перемещалось во времени. При искривлении пространства и времени движение во времени частично переносится в другое измерение. Но поскольку у времени существует только одно измерение, значит, движение во времени превращается в движение в пространстве. Яблоко испытывает на себе ускорение и падает на землю из-за искривления времени. От подобных объяснений голова идет кругом, но это действительно так.