В которой рассказывается об общей и специальной теории относительности Эйнштейна и об их влиянии на наше понимание пространства и времени

Седьмого ноября 1919 года лондонская газета Times вышла с сенсационным заголовком: «Революция в науке. Новая теория Вселенной. Ньютон повержен». Еще через три дня эстафету подхватила New York Times: «Искаженный свет в небесах. Ученые взбудоражены результатами наблюдений за солнечным затмением. Триумф теории Эйнштейна. Звезды не то, чем кажутся, но волноваться не о чем». Эти публикации быстро превратили Эйнштейна в знаменитость. В них говорилось о том, как две команды астрономов подтвердили правильность его блестящей общей теории относительности после наблюдения за солнечным затмением на западном берегу Африки и в городе Собрал в северо‑восточной Бразилии.

Эйнштейн предлагал новое видение природы гравитации. Он описывал ее не как загадочное ньютоновское «воздействие на расстоянии», а как эффект, возникающий в результате искривления пространства вокруг массивных объектов. Пространство эластично, а степень его искривления зависит от концентрации массы в том или ином регионе. Небольшие объекты слабо деформируют пространство вокруг себя, а большие вызывают более сильные изменения. Поэтому деформация вокруг человеческого тела незаметна (хотя она и существует), а вот деформация вокруг Солнца гораздо более выражена. В ходе опыта с затмением проводились измерения света дальних звезд в момент, когда они проходили рядом с Солнцем. Звезды были выбраны таким образом, чтобы Солнце находилось на пути между ними и Землей для их света. Затмение на время скрыло солнечный свет, позволив астрономам увидеть дальние звезды и сравнить их положение на небе с тем, которое наблюдалось при отсутствии Солнца как помехи. Если пространство вокруг Солнца действительно искривлено, то звездный свет отклонился бы от своего первоначального маршрута и звезды стали бы видны в других местах. Эйнштейн использовал свою теорию, чтобы рассчитать видимые глазу различия в положении звезд, возникающие в присутствии Солнца. Результаты эксперимента нельзя было назвать полностью ясными, но и их было достаточно для подтверждения его теории.

Уравнения, включенные в общую теорию относительности, можно использовать для расчета искривления пространства вокруг любого массивного объекта, а не только Солнца. По мере движения от далекого источника свет отклоняется то в ту, то в другую сторону, реагируя на пространственные неровности.

Еще в одном эксперименте Эйнштейн использовал искривление пространства для объяснения хорошо известных ученым аномалий в орбите Меркурия, перед которыми оказался бессилен закон всемирного тяготения Ньютона. Успех теории был закреплен, и очень скоро ее начали считать величайшим достижением человеческой мысли в истории.

Но на присутствие материи реагирует не только пространство, но и время. В своей специальной теории относительности, созданной в 1905 году, то есть за десять лет до выведения более общей версии, Эйнштейн показал, что время и пространство нельзя рассматривать как абсолютные величины, как было принято со времен Эйнштейна. Кроме того, нельзя и разделять их, так как они формируют единое целое – пространственно‑временной континуум, в котором время играет роль четвертого измерения. Соответственно, присутствие материи (или энергии в целом) искривляет и пространство, и время (или лучше сказать «пространство‑время»).

Идея пространственно‑временного континуума проще, чем кажется на первый взгляд. Представьте, что вы видите у себя в комнате муху и через пять секунд убиваете ее. Когда вы заметили муху впервые, она находилась в определенной точке в пространстве, а время на «мушиных часах» составляло 0 секунд. Когда вы ее прихлопнули, местоположение мухи в пространстве изменилось и прошло 5 секунд. Для того чтобы точно указать, где и когда погибла муха, вам нужно знать точку в пространстве и момент во времени. Для того чтобы связать время с расстоянием, оно умножается на скорость. Эйнштейн выбрал для этого скорость света, которую считал самой высокой в природе. Скорость света в вакууме составляет 186 282 мили в час и обычно обозначается буквой с (от латинского celeritas – «скорость»; тот же корень используется, например, в слове acceleration – «ускорение»). За время, необходимое нам на то, чтобы моргнуть, луч света успевает семь с половиной раз обойти вокруг Земли. Если умножить значение времени (t) на скорость света, мы получим ct, а к этому значению уже можно применять единицы расстояния. Точка в четырехмерном пространстве имеет координаты ct,x, y и z, где x, y и z задают ее местоположение в трех измерениях (с севера на юг, с запада на восток и сверху вниз). Последовательность точек в пространстве‑времени может рассказать нам целую историю – например, как двигалась муха между моментами, когда вы ее заметили и убили. Эта история, или путь в четырехмерном пространстве, называется мировой линией.

Для того чтобы аргументировать свою теорию, Эйнштейн весьма умно сфокусировал ее на наблюдателе, то есть на человеке (или инструменте), замеряющем расстояния и временные интервалы. Он постулировал, что два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, получат разные результаты таких измерений. В своей специальной теории Эйнштейн рассматривал лишь относительное движение с постоянной скоростью, в общей же теории учитывалось и ускорение. Теория предлагала способ согласования несоответствующих измерений, полученных двумя такими наблюдателями. Несоответствия обычно являются минимальными и определяются относительной скоростью движения между наблюдателями (v) и скоростью света (с), то есть выражаются как v / c. Различия становятся существенными только в том случае, если скорости наблюдателей приближаются к скорости света. Тем не менее они все же существуют и представляют собой еще один уровень искажений в нашем восприятии мира. Движущиеся объекты кажутся короче по направлению движения, а движущиеся часы идут более медленно. Например, объект, движущийся со скоростью, равной 60 % от скорости света, будет выглядеть на 20 % короче, а часы, движущиеся с той же скоростью, окажутся на 20 % медленнее. Когда относительная скорость движения между двумя наблюдателями достигнет скорости света, время остановится, а объект исчезнет.

В реальности подобная странная ситуация никогда не происходит, так как относительное движение имеет и еще один эффект – возрастание массы по мере увеличения скорости. Пока движущийся объект стремится к скорости света, его масса бесконечно увеличивается. Поскольку для разгона объекта с постоянно растущей массой требуется все больше энергии, а к моменту, когда масса объекта приближается к бесконечной, такой разгон и вовсе становится невозможен, специальная теория Эйнштейна говорит нам, что ни один объект, обладающий массой, не может разогнаться до скорости света. Это доступно лишь чему‑то без массы, например самому свету. Кроме того, по непонятным причинам свет всегда движется в определенной среде (например, в вакууме, воздухе или воде) с постоянной скоростью относительно любого наблюдателя, какую бы скорость (ниже с) он ни развивал. Для отбивающего в бейсболе мяч летит медленнее, если подавать его против ветра, и быстрее, если ветер дует в направлении подачи. Если питчер во время броска бежит в направлении отбивающего, мяч будет лететь еще быстрее, так как скорости складываются. Однако скорость света совершенно не зависит от движения его источника – это абсолютная природная величина, не подвластная никаким изменениям. На самом деле теория относительности – это теория абсолютов, неизменных вещей в Природе, таких как законы физики и скорость света.[49]

Специальная теория относительности позволяет различным наблюдателям самостоятельно давать объяснения тому, как действует Природа, при условии, что скорость света всегда неизменна и является самой высокой скоростью передачи сигналов (и, соответственно, информации). В мире ньютоновской физики время и пространство были абсолютны, а значит, была возможна любая скорость. Предположив, что абсолютным лимитом является лишь скорость света, Эйнштейн опроверг эту теорию. Если вспомнить платоновскую аллегорию пещеры, то теория Ньютона окажется тенью на стене, видимой для существ, которые не подозревают о постоянстве скорости света и потому считают ее единственно верным описанием реальности. Разумеется, мы действительно живем в этой пещере, так как наше зрение не может делать поправку на скорость света. Специальная теория относительности – это еще одна проекция на стену пещеры, исправленная впоследствии общей теорией, в рамках которой учитывалось ускорение движения наблюдателей. После общей теории относительности Эйнштейна наше представление о мире снова изменилось и мы снова немного продвинулись к свету. У платоновской пещеры много стен. Возможно, это даже несколько пещер, расположенных одна в другой, как матрешки. Двигаясь от стены к стене, мы понимаем, что по мере расширения наших знаний о мире перед нами будут появляться все новые и новые уровни описания реальности. Все, что мы видим, – это тени на стенах. Платон мечтал о пещере, из которой есть выход к свету чистого знания, но кажется разумным предположить, что никакое знание не может быть чистым или окончательным.

Как что‑то может существовать без массы? Свет – это, пожалуй, одна из величайших загадок. Даже Эйнштейн, один из ключевых исследователей его физической природы, часто признавался, как его поражают потрясающие свойства света. Мы не знаем, почему свет может распространяться как волна в вакууме, в то время как другим волнам (например, звуковым или водным) для этого требуется физическая среда. Мы не знаем, почему свет движется именно с такой скоростью и почему ничто в Природе не может его обогнать. Все, что мы можем сказать, – это что пока мы не имеем оснований посмотреть на свет по‑другому. Если в уравнение добавляются свойства света, становятся возможными невероятные вещи: уменьшение расстояний, замедление времени, увеличение массы… Удивительно, но все они были подтверждены многочисленными экспериментами. GPS в вашем фитнес‑браслете или автомобиле работает так точно потому, что при его создании учитывались поправки общей и специальной теории относительности к ньютоновской теории. Они изменили наше представление о пространстве, времени и материи – о Вселенной в целом. И именно Эйнштейн сделал первый шаг.