Понимание ткани пространства и времени

Альберт Эйнштейн, 26‑летний клерк патентного бюро в Берне, опроверг систему Ньютона. В 1905 г. Эйнштейн написал четыре статьи, которым суждено было изменить устоявшиеся представления о физике[12]. В одной из статей он рассмотрел фотоэлектрический эффект – высвобождение электронов под воздействием солнечного света на вещество. Он утверждал, что свет ведет себя как частица, перенося энергию дискретными порциями – квантами. Именно эта работа принесла Эйнштейну Нобелевскую премию, а не его более знаменитые теории относительности (илл. 2). Эксперименты Томаса Юнга и других ученых достоверно подтвердили, что для света характерны явления дифракции и интерференции, и физикам пришлось согласиться с тем, что свет одновременно подобен и волне, и частице.

В другой небольшой статье было предложено самое краткое уравнение физики: E = mc ². Это означает, что масса и энергия эквивалентны и взаимозаменяемы. Поскольку скорость света с очень велика, крохотная масса может быть превращена в колоссальную энергию. Масса представляет собой своего рода «замороженную» форму энергии – этим объясняется невероятная мощь ядерного оружия. И наоборот, энергии соответствует крохотная эквивалентная масса. Согласно этому уравнению, фотоны действительно могут испытывать влияние гравитации.

В третьей статье изложена специальная теория относительности. Теория строится на идее Галилея, гласящей, что законы природы должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью относительно друг друга. Эйнштейн добавляет второе положение: скорость света не зависит от движения наблюдателя. Второе положение является фундаментальным, в подтверждение его можно провести мысленный эксперимент[13]. Вы направляете свет фонарика в сторону человека, находящегося очень далеко от вас. Он отмечает, что фотоны движутся к нему со скоростью 300 000 км/с – скоростью света. Предположим, теперь вы мчитесь навстречу ассистенту со скоростью, равной половине скорости света. Он по‑прежнему будет наблюдать фотоны, движущиеся со скоростью света, а не со скоростью 450 000 км/с. Теперь предположим, что вы удаляетесь с той же огромной скоростью, – и снова наблюдаемые фотоны летят со скоростью света, а не со скоростью 150 000 км/с. Свет не подчиняется простой арифметике. Скорость света – универсальная постоянная, что подразумевает весьма важные выводы. Скорость есть расстояние, деленное на время; если скорость постоянна, то пространство и время должны изменяться. Когда объекты перемещаются очень быстро и приближаются к скорости света, они сжимаются в направлении движения и их время замедляется. Теория Эйнштейна утверждает, что свет – самое быстрое, что есть во Вселенной, и из этого следует, что объекты становятся массивнее, приближаясь к скорости света, что увеличивает их инерцию, вследствие чего они так и не смогут достичь или превзойти скорость света.

Но даже столь блестящая работа была для Эйнштейна лишь разминкой перед эпохальным трудом – общей теорией относительности. Общая теория позволила ученому перейти от идеи постоянного движения к движению с ускорением с учетом гравитации, отталкиваясь от другой догадки Галилея. Энциклопедист эпохи Возрождения доказал, что все объекты падают с одной и той же скоростью, независимо от массы. Это значит, что инертная масса (сопротивление объекта изменению его движения) равна гравитационной массе (тому, как объект реагирует на силу гравитации). Для Галилея это было случайным и необъяснимым совпадением, в котором Эйнштейн усмотрел ключ к новому пониманию гравитации.

Представьте, что находитесь в закрытом лифте, стоящем на первом этаже. Вы ощущаете свой нормальный вес; любой предмет, который вы уроните, ускорится до 9,8 м/с². Так работает гравитация. Теперь представьте себя в герметичном ящике в космосе (внутри он выглядит как кабина лифта), которому космический корабль придал ускорение в 9,8 м/с². В одной ситуации участвует гравитация, в другой – нет, но Эйнштейн понял, что никакой эксперимент не позволит их различить (илл. 3). Рассмотрим еще две ситуации. В одной вы заперты внутри лифта в глубоком космосе – вы парите в кабине в невесомости. В другой – лифт находится в высоком здании и после обрыва троса вертикально падает на дно лифтовой шахты. Эти две ситуации также невозможно отличить друг от друга. Гравитация неотличима от любой другой силы. Этот «принцип эквивалентности» является центральным в общей теории относительности Эйнштейна. Оказаться в оборвавшемся лифте, стремительно несущемся к земле, – катастрофа, но для Эйнштейна мысль о том, что падающий человек не почувствует своего веса, стала «счастливейшей».

Новая концепция гравитации Эйнштейна является геометрической. Уравнения общей теории относительности в определенной области соотносят массу и энергию с искривлением пространства. Плоское линейное пространство Ньютона с находящимися в нем объектами заменяется пространством, которое искривлено находящимися в нем объектами (илл. 4)[14]. Пространство и время связаны, следовательно, гравитация может искажать и время, и пространство. Физик Джон Уилер, который, как мы в дальнейшем узнаем, ввел термин «черная дыра», нашел лаконичную формулировку: «Материя указывает пространству, как искривляться. Пространство указывает материи, как двигаться». Эта идея отражена и в словах поэта Роберта Фроста, который неоднозначно воспринял открытия теории относительности. В сонете «Нам по сердцу любая геометрия» он приходит в ужас при мысли о бесконечности космоса, но искривление, характеризующее черную дыру, видится ему утешением:

Там мрак и холод – настоящий ад,

особенно рукам, пока раздельны.

Будь эта даль хоть чуть искривлена,

так руки – вместе – грелись бы, как братья.

Упрямая теория вредна

и не велит схватить себя в объятья [15][16].

Три эффекта общей теории относительности напрямую соотносятся с ситуациями, когда речь идет о плотной материи, то есть о черных дырах. Первый эффект – отклонение света в соответствии с волнистой структурой пространства‑времени, что обусловлено концентрацией массы. Это стало первой и классической проверкой общей теории относительности Эйнштейна в 1919 г., через три года после публикации. Группа под руководством великого английского астрофизика Артура Эддингтона измерила слабое искривление света звезды, проходящего вблизи края диска Солнца. Измерение не было особенно точным, но подтверждение теории относительности сделало Эйнштейна знаменитым и вознесло его на вершины науки. В 1995 г. более точное измерение дало результат, совпавший с предсказанием Эйнштейна с точностью до 0,01 %[17].

Второй эффект – потеря энергии по мере того, как свет покидает массивный объект, так называемое гравитационное красное смещение. Это выглядит так, как если бы фотоны боролись с гравитацией. Эффект был впервые измерен экспериментальным путем в 1960 г. Непосредственное отношение ко второму имеет и третий эффект – замедление времени. Предполагается, что при более сильной гравитации часы идут медленнее. Замедление времени было впервые зарегистрировано в 1971 г.: выяснилось, что атомные часы, перемещаемые на самолете с высокой скоростью, идут чуть быстрее точно таких же атомных часов, оставленных на земле. В 2010 г. замедление времени было зарегистрировано при разнице положения по вертикали всего один метр, для чего потребовались часы исключительной точности, с погрешностью в одну секунду за 4 млрд лет[18]. Измерения эффекта замедления времени также согласуются с предсказаниями теории с точностью 0,01 %. Общая теория относительности блестяще выдержала все экспериментальные проверки.

Общая теория относительности кажется тайным знанием, оторванным от повседневной жизни, но, если бы расчеты не учитывали замедление времени, мы вряд ли могли пользоваться системами GPS. Для установления местонахождения телефона на Земле в пределах метра нужны предельно точные данные орбитальных спутников, на борту которых установлены атомные часы[19]. Релятивистские расчеты выполняются компьютерными чипами в мобильном телефоне, без таких корректировок отклонения систем GPS достигали бы 10 км за день. Эффекты относительности малозаметны в Солнечной системе и везде, где гравитация слаба, но, как мы скоро узнаем, невероятно усиливаются при коллапсе звезд и сильной гравитации.