Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - читать онлайн книгу. Автор: Пол Сен cтр.№ 68

Это нелепая мысль. И первым ее нелепость отметил сам Ньютон. В письме, написанном вскоре после публикации его теории земного тяготения, он сказал: “То, что тяготение должно быть врожденным, внутренне присущим материи и существенным для нее, дабы одно тело могло воздействовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства какого-либо агента <…> представляется мне столь вопиющей нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям ^[30]. Стоит отметить, что ни одна другая сила в природе не ведет себя подобно гравитации. Например, скрепка для бумаг и тело потяжелее, скажем болт, устремятся к магниту на разных скоростях. Однако, если уронить скрепку и болт, они полетят вниз с совершенно одинаковым ускорением.

Общая теория относительности стала взвешенным ответом Эйнштейна Ньютону. Она избавилась от нелепой мысли, что такие тела, как Земля, осуществляют сложные расчеты и мгновенно воздействуют на другие тела на расстоянии через пустоту. Согласно Эйнштейну, при падении тел происходит нечто совершенно иное. Массивное тело, такое как Земля, не знает о наличии тел в непосредственной близости и вообще ни к чему не прикладывает силу. Вместо этого своим присутствием такая масса, как Земля, искривляет пространство вокруг и замедляет ход времени вблизи себя.

Мысль о том, что пустота может искривляться, а гравитация способна влиять на время, возможно, стала самой радикальной во всей науке. Чтобы оценить ее, необходимо отбросить многие из представлений, основанных на здравом смысле. Доказательства этого математически настолько сложны, что Эйнштейну потребовалось восемь лет, чтобы их сформулировать. “Счастливейшая мысль”, что человек в свободном падении не чувствует гравитации, пришла к нему в 1907 году, а общую теорию он опубликовал лишь в ноябре 1915 года.

Вернемся к Алисе, заключенной в камеру, парящую в космосе. Фактически Алиса неподвижна в пространстве, но движется вперед во времени. Чтобы визуализировать это, как это делал Эйнштейн, представьте график, где по вертикальной оси отмеряется движение во времени, а по горизонтальной — движение в пространстве. Для простоты допустим, что существует лишь одно пространственное измерение — влево или вправо по горизонтальной оси. В таком виде Алиса не стоит на месте. Она движется вверх по прямой линии, параллельной вертикальной оси “времени”. Это просто значит, что ее положение в пространстве не меняется, но она движется в будущее.

Каким в сравнении с этим будет график, отражающий происходящее с Алисой, когда она находится в свободном падении над землей? Вспомним принцип эквивалентности, в соответствии с которым с точки зрения Алисы ничего не меняется: она продолжает полагать, что вместе с камерой движется по прямой линии сквозь время и пространство. (В камере, где заперта Алиса, нет окон, поэтому она не видит приближение земли.)

Массивное тело искривляет плоское время и пространство, и “прямые” траектории Алисы и Боба встречаются в точке N

Почему же Клео видит, как Алиса ускоряется и приближается к Бобу, который падает во второй камере? Ответ в том, что масса Земли искривляет пространство, сквозь которое они движутся, примерно как показано на рисунке.

Масса Земли искривляет плоское в прошлом пространство к точке N. Это значит, что Алиса, которая считает, что движется вперед во времени, но остается неподвижной в пространстве, на самом деле следует по изогнутой траектории из точки А в точку N. Хотя Боб, как и Алиса, полагает, что движется вперед во времени, но остается неподвижным в пространстве, на самом деле он тоже следует по изогнутой траектории из точки Б в точку N. Таким образом, Алиса и Боб неизбежно становятся ближе к точке N и друг к другу не потому, что их притягивает гравитация, а потому, что именно по такой траектории им приходится двигаться в изогнутом пространстве, если они пребывают в покое.

Ключевая идея общей теории относительности в том, что ньютонова гравитация иллюзорна. Мы полагаем, что Земля тянет нас вниз, прикладывая к нам силу. Это не так. Ее масса искривляет пространство таким образом, что прямая линия в этом искривленном пространстве ведет к центру Земли.

Эйнштейн представил математические уравнения общей теории относительности на заседании Прусской академии наук в Берлине в ноябре 1915 года. В последующие годы его теорию триумфально подтвердили наблюдения за космосом. Поскольку пространство возле такого массивного тела, как Солнце, искривлено, теория предсказывает, что возле Солнца луч света далекой звезды пойдет по изогнутой траектории. Так и происходит. Как показано на рисунке, луч света далекой звезды изгибается при прохождении возле Солнца. Наблюдателю на Земле кажется, что звезда сместилась, поскольку мы полагаем, что свет идет по прямой линии, хотя на самом деле это не так.

На этой гиперболизированной схеме показано, как из-за гравитации может казаться, что положение звезды изменилось

Этот эффект различим при солнечном затмении, когда звезды позади Солнца становятся видимыми. Днем свет этих звезд теряется в ярком свете Солнца. Во время затмения, когда Солнце заслоняет Луна, день сменяется ночью и звезды на несколько мгновений показываются на небе. Именно поэтому в 1919 году, всего через четыре года после того, как Эйнштейн представил свою теорию, группа британских ученых посетила Бразилию и Западную Африку, чтобы при затмении сфотографировать положение звезд, находящихся позади Солнца. Сравнив эти наблюдения с положением звезд, зафиксированным шестью месяцами ранее, они увидели небольшие различия. Это доказало, что лучи звездного света действительно искривились, когда прошли рядом с Солнцем полугодом ранее, но остались прямыми, когда не встретили Солнце на своем пути. Впоследствии было сделано множество наблюдений, подтверждающих, что вблизи массивных тел лучи света проходят по изогнутым траекториям.

И все же, хотя научное сообщество быстро приняло общую теорию относительности, в первой половине XX века ее изучали лишь немногие ученые, что объяснялось отчасти необходимостью масштабного переосмысления реальности, а отчасти — дьявольской сложностью содержащихся в ней математических формул. Предсказания этих формул в целом совпадали с предсказаниями гораздо более простых правил ньютоновой гравитации. Возможно, последние были “абсурдны” с философской точки зрения, но работать с ними было существенно легче.

Интерес к теории наконец усилился после Второй мировой войны, когда физики озаботились поведением чрезвычайно больших тел, которые во много раз тяжелее Солнца. Для них предсказания общей теории относительности сильно отличались от предсказаний ньютоновой гравитации, а потому изучение таких тел сулило открытие новых принципов работы Вселенной. Особенный интерес при этом представлял один аспект общей теории относительности, впервые замеченный всего через несколько недель после того, как Эйнштейн объявил о своем открытии.