Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн

Наконец, важно понять, что происходит с парадоксом близнецов в пространстве-времени. Для понимания сути этого явления необходимо рассмотреть хроногеометрию пространственно-временного треугольника. Пусть это будет пространственно-временной треугольник ABC (рис. 5). Стороны треугольника представляют собой пространственно-временные линии, связанные с парой часов идентичного производства. Первые часы идут вдоль стороны AC (направленной «по времени», т. е. соответствующей отрицательному квадрату интервала), в то время как вторые часы идут изначально вдоль стороны AB, а затем вдоль стороны BC (обе эти стороны также направлены по времени). Тот факт, что стороны АВ и ВС наклонены по отношению к стороне AC, соответствует при разложении пространства-времени на обычное пространство и время утверждению, что вторые часы, положение которых совпадало с положением первых в начале (а именно в событии A), начинают удаляться, а затем приближаются с постоянной скоростью, пока не встретятся снова в пространственно-временной точке C.

Согласно теории относительности, длительность жизни часов{50} определяется исключительно суммарным интервалом вдоль пространственно-временной линии часов. Таким образом, первые часы будут отсчитывать длительность, равную длине (в смысле Минковского) стороны AC, а вторые – суммарную длину двух других сторон треугольника: AB + BC. Хроногеометрия пространства-времени, т. е. форма «песочных часов», определяющая мировую шахматную доску, говорит нам, что суммарный интервал сторон треугольника AB + BC короче интервала, соответствующего третьей стороне AC. Иначе говоря, количество тиков вторых часов, перемещающихся из A в В, а затем из B в С, меньше числа тиков первых часов, выбравших прямой маршрут в пространстве-времени из A в С. Данное «пространственно-временное неравенство треугольников»{51} имеет противоположенный эффект, нежели неравенство треугольников обычного евклидова пространства, согласно которому сумма сторон всегда длиннее третьей стороны. Это различие вызвано особенностью формы пространственно-временной хроногеометрии, в которой теорема Пифагора содержит один знак минус для квадратов сторон прямоугольного треугольника, направленных по времени.

Независимо от вопроса о том, длиннее прямой путь или короче, чем непрямой, принципиальным моментом является то, что само существование геометрической интерпретации продолжительности жизни часов указывает на отсутствие абсолютного универсального времени. Согласно Ньютону, абсолютное время имеет универсальный и равномерный темп во всем пространстве, для всех часов и всех живых организмов, чувствующих «течение времени». Согласно Эйнштейну, временного потока не существует и каждые часы «видят собственное время», которое просто измеряет «длину» их пространственно-временной линии. Поэтому сколько разных часов, столько же разных времен.

Трудно преодолимая иллюзия

В этой главе, так же как и в предыдущей, мы постоянно обращаем внимание на то, что теория относительности Эйнштейна лишает понятие времени своего прежнего смысла: в частности, мы продемонстрировали «эфемерный» характер (в кантовском понимании) временного потока{52}. Эта эфемерность (в смысле отсутствия объективной реальности) в течение долгого времени находилась в центре внимания Эйнштейна. Однако, несмотря на многочисленные статьи, в которых обсуждалась проблема реальности временного потока, довольно мало документальных материалов содержат высказывания самого Эйнштейна по этому поводу. О его отношении можно судить по разговору с философом Рудольфом Карнапом, приведенному в тексте «Относительность и проблема пространства», а также по многочисленным письмам, написанным Эйнштейном его ближайшему другу Микеле Бессо, тому самому, который так помог ему понять необходимость изменения концепции времени для удовлетворения принципа относительности. Приведем несколько выдержек из переписки Эйнштейна с Бессо, в которых он пытается изменить представления Бессо (по-видимому, не вполне понимавшего последствия теории относительности для понятия времени) или, возможно, просто разъяснить свою позицию:

«Понятие “сейчас” […] исключено из концептуальной конструкции объективного мира (именно это так огорчает Бергсона)».

«…Ты не принимаешь всерьез четырехмерность относительности, а рассматриваешь настоящее время как единственно реальное. То, что ты понимаешь под “мирами”, на физическом жаргоне является “пространственноподобными сечениями”, которым теория относительности (даже специальная) отказывает в объективной реальности».

«Ты не можешь свыкнуться с мыслью, что субъективное время с его “сейчас” не должно обладать никаким объективным смыслом. Смотри Бергсона!»

Но, пожалуй, фраза, наиболее полно отражающая отношение Эйнштейна к этой проблеме, содержится в письме с соболезнованиями, написанном сыну и сестре Бессо после смерти его друга (15 марта 1955 г.). Заметим, что это красивое письмо написано 21 марта 1955 г., т. е. меньше чем за месяц до смерти Эйнштейна:

«Он снова опередил меня, покинув этот странный мир. Но это ничего не значит. Для нас, физиков{53}, различие между прошлым, настоящим и будущим есть всего лишь иллюзия, хотя и очень трудно преодолимая, и смерть не более реальна, чем та жизнь, которую она завершает».

Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн, Минковский и специальная теория относительности

В последнее время появляется большое количество публикаций{54} с целью восстановления «заниженной роли» французского математика Анри Пуанкаре в развитии (специальной) теории относительности. Автор этой книги является безусловным поклонником математического гения Пуанкаре, а также ценителем его научно-популярных книг (в особенности «Ценности науки») и горячо рекомендует их для чтения, поскольку даже через 100 лет после написания они остаются образчиком идейного богатства, которому мало равных. Тем не менее, читая литературу, превозносящую вклад Пуанкаре (и зачастую абсурдно занижающую вклад Эйнштейна), а также подробно перечитывая тексты Пуанкаре, автор пришел к выводу, что стандартные представления научной историографии в конечном итоге справедливы: Пуанкаре пошел значительно дальше, чем Лоренц (и в физическом, и в математическом плане). Он открыл (в 1905 г.) значительную часть математической структуры, лежащей в основе теории относительности, однако ему не удалось преодолеть самую главную «ступень», касающуюся концепции природы времени – концепции, которую Эйнштейн заложил в основу этой теории в июне 1905 г. Кроме того, следует также признать, что Минковский, а не Пуанкаре, преодолел другую концептуальную ступень, имеющую большое значение, – осознание необходимости избавления от отдельных категорий пространства и времени и замены их новой категорией, определяющей иную физическую реальность, – категорией пространства-времени.

Подробное обсуждение всех этих вопросов заняло бы слишком много места, и мы ограничимся здесь лишь кратким рассмотрением некоторых основных моментов{55}. Но прежде чем вдаваться в детали, заметим, что критические замечания, сформулированные ниже, нисколько не принижают важности вклада Пуанкаре. Цель их заключается в том, чтобы попытаться охарактеризовать основные различия между идеями Пуанкаре и Эйнштейна. Если бы до 1912 г., т. е. даты преждевременной смерти Пуанкаре, встал вопрос о присуждении Нобелевской премии по физике за открытие теории относительности, то идея разделить эту премию между Лоренцом, Пуанкаре и Эйнштейном выглядела бы вполне уместной. Каждый из них сделал свой вклад в конечную формулировку теории.

Тремя основными аргументами тех, кто превозносит вклад Пуанкаре, являются: (i) метод синхронизации движущихся часов путем обмена электромагнитными сигналами (обсуждавшийся Пуанкаре в 1900 и 1904 гг.); (ii) тот факт, что (уже в сентябре 1904 г.) Пуанкаре говорил о некоем «принципе относительности» и ставил его в один ряд с другими основными принципами физики; и (iii) тот факт, что он ввел математическую структуру пространства-времени (в июле 1905 г.). Мы уже касались первого момента в предыдущей главе и пришли к выводу, что внимательное чтение текстов Пуанкаре показывает, что он никогда не обдумывал и даже не выводил формально эффект «замедления времени», представляющий основную концептуальную новизну эйнштейновской теории относительности. Что касается второго момента, то два следующих факта свидетельствуют о серьезном отличии подходов Пуанкаре и Эйнштейна к статусу допустимого «принципа относительности». Во-первых, в статье, опубликованной в 1908 г., при обсуждении последних экспериментов Кауфмана по динамике электронов на больших скоростях, опровергающих прогнозы релятивистской динамики Лоренца (и Эйнштейна), Пуанкаре неожиданно отказывается от своей уверенности в справедливости принципа относительности:

«[Эти опыты] подтверждают теорию Абрагама. Принцип относительности, таким образом, мог бы и не иметь того строгого значения, которое ему пытаются придать; у нас могло бы не остаться никаких оснований полагать, что положительные электроны лишены реальной массы, так же как и отрицательные электроны»[3].

Обратим внимание, что курсив принадлежит Пуанкаре и что теория Абрагама представляла на тот момент альтернативу теории Лоренца, при этом не удовлетворяя принципу относительности. Мы также приводим последнюю часть этой фразы Пуанкаре, поскольку, несмотря на ее туманный смысл в глазах современного читателя, она показывает, что Пуанкаре находился в рамках определенного образа мысли, совершенно отличного от эйнштейновского. В том или ином виде этот образ мысли Пуанкаре разделяли и другие «оппоненты» Эйнштейна, такие как Лоренц, Абрагам, Кон и Ланжевен. Суть его состоит в попытке положить в основу электродинамики движущихся тел определенный набор предположений о микроскопическом устройстве материи (и, возможно, эфира). С этой точки зрения, любой «принцип относительности» мог бы возникнуть, скорее, не как базовый постулат, а как некоторый результат, подлежащий обоснованию исходя из каких-либо гипотез о структуре материи и действующих на нее сил.

Между тем образ мысли Эйнштейна был совершенно иным. Можно даже сказать, что он был противоположным выбранному его оппонентами. Фактически Эйнштейн исходил из «принципа относительности» вместо того, чтобы пытаться вывести его из каких-либо гипотез о материи, как это делали другие; он полагал его в качестве постулата, т. е. в качестве отправной точки и средства, из которого выводятся результаты общего порядка о структуре материи. В целом, как Эйнштейн сам замечал, его вклад состоял в том, что он «повернул» проблему другой стороной. Такой подход, основанный на признании принципа симметрии в качестве исходного постулата и на дальнейшем выводе с его помощью всевозможных результатов о структуре материи и ее взаимодействий, весьма современен; он также оказался весьма продуктивным в различных областях физики XX в. Однако, когда Эйнштейн ввел его, это выглядело совершенно по-новому и шокировало определенную часть физиков (в том числе Лоренца), считавших, что Эйнштейн «запутывает», принимая в качестве постулата то, что должно вытекать как следствие{56}.

Приведем два конкретных примера, демонстрирующих разницу между воззрениями Эйнштейна и Пуанкаре. В 1907 г., обсуждая все те же эксперименты Кауфмана, которые Пуанкаре интерпретировал как опровергающие принцип относительности, Эйнштейн предлагает абсолютно иную интерпретацию:

«Принимая во внимание трудность исследования, такое согласие [между результатами Кауфмана и предсказаниями теории относительности] можно считать удовлетворительным. Однако наблюдаемые отклонения являются систематическими и значительно превосходят экспериментальные ошибки измерений Кауфмана. […] Вопрос о том, являются ли причинами систематических отклонений еще не учтенные источники ошибок или несоответствие основ теории относительности экспериментальным фактам, можно с уверенностью решить лишь тогда, когда будут получены более разнообразные экспериментальные данные.

Необходимо также отметить, что теории движения электронов Абрагама и Бухерера дают кривые, согласующиеся с экспериментальной кривой значительно лучше, чем кривая, соответствующая теории относительности. Однако, по нашему мнению, эти теории вряд ли достоверны, поскольку их основные предположения о массе движущегося электрона не вытекают из теоретической системы, охватывающей более широкий круг явлений».

Второй пример, где мы видим «в действии» различие точек зрения Эйнштейна и Пуанкаре, дает то единственное взаимодействие между ними, когда-либо имевшее место в связи с теорией относительности. Эйнштейн и Пуанкаре встречались только один раз, в Брюсселе в 1911 г., на первом международном Сольвеевском конгрессе. Этот конгресс был посвящен не столько относительности, сколько начинавшей зарождаться квантовой теории. Между тем Морис де Бройль свидетельствует, что в один прекрасный день, «после того как Эйнштейн изложил свои идеи [о теории относительности]{57}, Пуанкаре спросил его: “Какую механику вы предполагаете в своих рассуждениях?” Эйнштейн ответил: “Никакой механики”, – что, как показалось, сильно удивило его собеседника»[4].

Наконец, отметим, что, хотя первоначально открытие математической структуры пространства-времени специальной теории относительности было сделано в знаменитой статье Пуанкаре в июле 1905 г., Пуанкаре (в отличие от Минковского) никогда не считал, что эта структура может быть действительно основополагающей для физики. Это становится ясно из последнего текста, написанного Пуанкаре по этому поводу за несколько месяцев до смерти. Текст содержит{58} утверждения, которые, взятые вне контекста, могли бы свидетельствовать о том, что Пуанкаре горячо разделял физический интерес в отношении концепции четырехмерного пространства-времени:

«Все происходит, как если бы время было четвертым измерением пространства […] необходимо отметить, что в новой концепции пространства и времени больше не существует двух совершенно отдельных составляющих, которые могли бы быть рассмотрены независимо, но две части, которые тесно переплетаются таким образом, что больше не могут быть разделены».

Однако, на самом деле, в этом тексте Пуанкаре представляет «новую концепцию», или, как он предпочитал говорить, «новое соглашение некоторых физиков» (никогда не упоминая явно ни Эйнштейна{59}, ни Минковского), лишь только для того, чтобы как можно дальше от нее дистанцироваться. В самом деле, последний абзац этого текста гласит:

«Какова будет наша позиция в отношении этих новых концепций? Будем ли мы вынуждены изменить свои выводы [относительно имеющейся у нас свободы для принятия тех или иных соглашений, которые нам кажутся приемлемыми]? Конечно, нет: мы приняли соглашение только потому, что оно казалось нам удобным, и мы сказали, что ничто не может заставить нас отказаться от него. Сегодня некоторые физики хотят принять новое соглашение. И не потому, что они вынуждены. Просто они считают это новое соглашение более удобным, вот и все; и те, кто не разделяет этого мнения, вправе сохранять старый порядок и не нарушать старые привычки. И, между нами, я думаю, это то, что они будут делать долго».

Мы видим здесь (в отличие от эффективного подхода Эйнштейна) бесплодность научной философии Пуанкаре{60}, сводящейся к абсолютной «условности». Возможно, этот слишком критический подход Пуанкаре в сочетании с его скептическим идеализмом, консерватизмом и математическим видением физической реальности помешал ему сначала серьезно отнестись, а затем физически развить понятие структуры пространства-времени, которое ему удалось первым обнаружить.

Эфемерная материя

Плодотворность «новой концепции» Эйнштейна, состоящей в применении принципа относительности в качестве симметрии, устанавливающей реальность, и выводе из него общих свойств материи и ее взаимодействий, стала очевидна очень скоро. Через несколько месяцев после выхода статьи в июне 1905 г. Эйнштейн понял, что из симметрии теории относительности следует замечательный вывод: «масса есть мера энергии, содержащейся в теле», в частности «свет несет массу». Речь идет о самом известном уравнении физики XX в.: E = mc². Здесь m – масса тела, и данное уравнение связывает эту массу с энергией E, которая представляет энергию, «содержащуюся» в теле{61}. Это уравнение потрясает своей простотой и глубиной. Безусловно, оно изменило все представления о материи, которые существовали ранее.

Согласно Ньютону, масса тела считалась его «количеством материи». В то же время на протяжении веков материя представлялась некоторой сохраняющейся при любых трансформациях субстанцией, несмотря на то что ее внешний вид мог изменяться либо она могла трансформироваться в новые формы. Это тот самый знаменитый принцип Лавуазье «ничего не теряется, ничего не создается, все трансформируется», согласно которому масса остается неизменной при всех преобразованиях материи. Лавуазье экспериментально проверил этот закон сохранения массы с помощью различных химических реакций, рекомбинирующих материю в новые формы.

Согласно уравнению Эйнштейна, E = mc², или, скорее, в обратном виде m = E/c², масса и, следовательно, материя утрачивают свое постоянство. Если тело получает энергию, например при нагревании, его масса увеличивается. Тогда как, если тело теряет энергию, например в виде электромагнитного или другого излучения, его масса уменьшается. В своей статье в сентябре 1905 г., в которой он ввел уравнение E = mc², Эйнштейн упоминает возможность проверить эквивалентность между массой и энергией в случае радия, открытого семью годами ранее Пьером и Марией Кюри. Радий представлял определенную проблему для классической физики, поскольку, по всей видимости, нарушал принцип сохранения энергии. Он непрерывно испускал энергию, и Кюри показали при помощи калориметра, что количество тепла (и, таким образом, энергии), постоянно излучаемое радием, было весьма заметно. В то же время эта постоянная энергетическая активность абсолютно не влияла на радий, который, казалось, продолжал существовать без изменений в течение многих лет и, таким образом, представлялся неисчерпаемым источником энергии. Эйнштейн предсказывал, что данное излучение энергии, наоборот, должно происходить за счет массы излучающего тела и, следовательно, должно было заметно влиять на радий. Между тем в обычных единицах скорость света – весьма большая величина, поэтому ее квадрат имеет просто огромное значение, и уравнение Эйнштейна m = E/c² предсказывает, что потеря массы, соответствующая потере энергии радия, очень мала.

Через несколько лет Поль Ланжевен (который независимо от Эйнштейна предсказывал существование уравнения E = mc²) предположил, что, возможно, будет легче экспериментально проверить эквивалентность массы и энергии в случае ядерных реакций, в которых происходит рекомбинация или же трансмутация определенных атомных ядер. Первая экспериментальная проверка уравнения E = mc² была получена Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г. при бомбардировке протонами лития-7 и изучении событий, когда столкновения вызывали деление ядра мишени на два ядра гелия-4. Поскольку мы обсуждаем здесь ядерные реакции, уместно отметить, что, несмотря на устойчивый миф, уравнение E = mc² никое образом не влекло осознание возможности создания «атомной» (или, точнее, «ядерной») бомбы, ни тем более ее устройства или способа реализации. На самом деле, наиболее простое «объяснение» происхождения огромной энергии, высвобождаемой в результате деления ядер при взрыве бомбы либо в ядерном реакторе, состоит в том, что эта энергия, по сути, есть не что иное, как электроэнергия отталкивания положительно заряженных протонов делящегося ядра. Простой расчет, основанный на законе Кулона для силы взаимодействия между электрическими зарядами, известный с 1790-х гг., и на знании радиуса атомного ядра, дает хорошую оценку энергии, высвобождающейся при делении ядра, без какой-либо нужды апеллировать к эквивалентности между массой и энергией.

Помимо многочисленных научных результатов, вытекающих из утверждения об эквивалентности массы и энергии, E = mc², весьма любопытным его следствием стал процесс плавного переосмысления неизменности материи и осознания ее эфемерности. Со времен греков с их представлениями о неделимости атомов материя рассматривалась как парадигма некоторой постоянной субстанции, лежащей в основе всего реального. Благодаря Эйнштейну материя потеряла свою субстанциальную устойчивость или по крайней мере перестала быть привязанной к определенной форме вещества. Теперь материя может преобразовываться из одного вещества в другое и даже полностью распадаться в «световую энергию» или любое другое излучение, считавшееся ранее «нематериальным»{62}. Весьма ярким примером эфемерности материи является возможность, открытая благодаря эквивалентности массы и энергии, полного распада атома позитрония, состоящего из электрона и позитрона, и перехода в электромагнитное излучение. В начальном состоянии системы имеются две по отдельности абсолютно стабильные частицы материи: обычный отрицательно заряженный электрон (называемый также негатрон) и электрон с положительным зарядом (или позитрон). Начальное «материальное» состояние спонтанно распадается, когда негатрон слишком близко приближается (в классическом смысле) к позитрону, и превращается в конечное «нематериальное» состояние, в котором имеется исключительно электромагнитное излучение (а точнее, два кванта света, см. главу 5). Это явление было обнаружено и подробно изучено в конце 1940-х гг., и с его помощью можно было с большой точностью проверить выполнение уравнения E = mc². Еще более поразительным является обратный феномен, также имеющий многочисленные подтверждения: в качестве начального можно взять «нематериальное» состояние, в котором нет ничего, кроме электромагнитного излучения (например, два сталкивающихся кванта света, обладающих достаточным количеством энергии), и это начальное состояние приводит к появлению двух (или более) «материальных» частиц. Читатель, возможно, подумает, что речь здесь идет о каких-то исключительных ситуациях, практически не имеющих конкретных проявлений для обычной материи вокруг нас. Это далеко не так! Напротив, согласно современной космологии, вся окружающая нас «материя», а также материя, из которой состоим мы сами, не существовала на ранних стадиях расширения Вселенной и возникла из энергии, заключенной в непрерывном поле (подобном электромагнитному полю) и заполняющей все пространство.

Глубокое упрощение фундаментальных категорий реальности

Подводя итог концептуальных революций, сделанных Эйнштейном в двух работах 1905 г., можно сказать, что до 1905 г. физическая реальность описывалась с помощью четырех абсолютно независимых категорий: пространства, времени, силы и материи. Работа, опубликованная в июне 1905 г., привела к ликвидации двух отдельных категорий пространства и времени и их замене новой фундаментальной категорией реальности – пространством-временем. Тогда как работа, вышедшая в сентябре 1905 г., повлекла исчезновение традиционного различия между силой и материей. Действительно, с одной стороны, материя традиционно ассоциировалась с массой, поскольку последняя считалась определяющей «количество вещества». С другой стороны, любая сила обязательно соответствовала определенной энергии взаимодействия между материальными объектами. Например, электрическая сила связана с энергией притяжения или отталкивания между электрическими зарядами. Однако уравнение E = mc² ассоциирует любую энергию (и, в частности, энергию взаимодействия) с определенным вкладом в массу. Таким образом, на языке указанных категорий это уравнение приписывает любой силе (взаимодействия) определенное количество материи. В новой формулировке предлагалось отказаться от используемых ранее отдельных категорий силы и материи и заменить их новой фундаментальной категорией массы-энергии.

Заметим, наконец, что эта новая категория удовлетворяет фундаментальному требованию постоянства, которое Лавуазье предполагал выполняющимся только для массы. В «релятивистской» системе сумма масс материальных частиц не сохраняется отдельно, так же как не сохраняется отдельно энергия взаимодействия или, в более общем контексте, энергия, содержащаяся в различных полях (таких как электромагнитное поле). Но полная масса-энергия (т. е. сумма энергии, запасенной в виде масс материальных частиц, их кинетической энергии и энергии непрерывных полей) сохраняется в процессе любых изменений, в том числе и тех, в которых вся «материя» исчезает, превращаясь в энергию излучения различных полей.

Глава 3

Упругое пространство-время

Вероятно, это величайшее научное открытие, из когда-либо сделанных.

– П. Дирак, об общей теории относительности

Ньютон свергнут с престола

Лондон, Англия, четверг, 6 ноября 1919 г.

В четверг, 6 ноября 1919 г., атмосфера в здании Королевского общества, самого известного британского научного общества, была наэлектризованной. Многие именитые ученые собрались в этот день в Берлингтон-Хауз, поскольку здесь должно было состояться совместное заседание Лондонского королевского общества и Королевского астрономического общества. Со вступительным словом выступил президент Лондонского королевского общества сэр Джозеф Джон Томсон, получивший известность за открытие первой элементарной частицы (электрона). Он напомнил, что на повестке общего собрания стоит обсуждение результатов, полученных во время двух британских астрономических экспедиций, организованных для изучения полного солнечного затмения 29 мая 1919 г. Задача экспедиций состояла в получении снимков звездного неба вблизи Cолнца днем в момент, когда затмение полное и позволяет видеть звезды, и в сравнении их с фотоснимками той же области звездного неба, сделанными ночью, когда Солнце далеко от нее. Цель этих наблюдений заключалась в том, чтобы подтвердить либо опровергнуть предсказание, сделанное Эйнштейном в ноябре 1915 г. на основе его новой теории гравитации, которая обобщала теорию относительности 1905 г.

Все присутствовавшие понимали исключительную важность этих результатов. По сути, это было сражение на высшем уровне между Ньютоном и Эйнштейном. В 1686 г. Ньютон создал математически точную теорию гравитации, базирующуюся на введенных им же понятиях абсолютного пространства и времени, а также силы тяготения, уменьшающейся обратно пропорционально квадрату расстояния. Априори эта теория не могла ничего сказать о том, как гравитация могла бы влиять на свет. Однако в соответствии с общепринятыми представлениями XX в. о свете как об электромагнитной волне ньютоновская теория, казалось, предсказывала, что гравитация никоим образом не может влиять на свет. В частности, лучи света, проходящие рядом с Солнцем (например, от звезд, видимых в непосредственной близости от Солнца во время затмения), не должны затрагиваться его гравитационным полем. В то же время на основе старых представлений, которые разделял и сам Ньютон, о свете как о мельчайших частицах материи можно было заключить, что Солнце должно отклонять в свою сторону лучи света, проходящие вблизи от его края, на угол, равный 0,875 угловой секунды. Что касается новой теории Эйнштейна, то она позволяла сделать еще более точную оценку{63}: Солнце должно отклонять световые лучи, проходящие вблизи его контура, на угол, равный 1,75 угловой секунды, т. е. давала в точности удвоенное ньютоновское значение (в приведенной выше второй интерпретации).

Портрет Ньютона на стене зала заседаний Королевского общества придавал этому важному событию еще большую торжественность. Помимо того, что Ньютон был величайшим ученым всей истории британской науки, он также в течение многих лет возглавлял Королевское общество. В этот день в зависимости от результатов, которые предстояло объявить, должна была подтвердиться или не подтвердиться вековая концепция ньютоновского абсолютного пространства и абсолютного времени. Последнее означало свержение Ньютона с престола и замену его на Эйнштейна с теорией искривленного пространства-времени, теорией, которая казалась весьма туманной для большинства собравшихся в этот день в Берлингтон-Хауз ученых. Отметим к тому же, что Эйнштейн был немецким ученым{64}, разработавшим свою теорию в Берлине во время Первой мировой войны. Умение принимать справедливые решения, продемонстрированное британским научным сообществом (которое смогло отказаться от самой известной британской научной теории в пользу теории, созданной во враждебной стране), вызывает истинное уважение.

Чтобы почувствовать исключительную атмосферу этого заседания, взгляните на свидетельство очевидца, математика и логика Альфреда Норта Уайтхеда:

«Атмосфера напряженного внимания была подобна той, что присуща греческой драме. Мы были хором, пытающимся истолковывать указания судьбы по мере их появления в процессе развития этого исключительного события. Сама обстановка имела весьма драматический характер: традиционный церемониал с портретом Ньютона на заднем плане, как будто призванный напоминать, что величайшая научная теория, позволившая описать такое количество физических явлений, после двух с лишним столетий вот-вот подвергнется своему первому изменению. К тому же в этой драме присутствовал важный человеческий фактор: героическое приключение мысли главного героя подходило к своему заключению».

Сэр Дж. Томсон предоставил слово первому оратору: представителю Королевского астрономического общества сэру Фрэнку Дайсону – человеку, нашедшему в себе достаточно смелости, чтобы в самый разгар кровопролитной войны принять решение (после предложения, сделанного физиком Артуром Эддингтоном) об организации двух необычных научных экспедиций. Дайсон описал цель экспедиций, использованное оборудование и весьма сложные методы анализа полученных экспериментальных данных. Он закончил свое выступление следующими словами:

«После тщательного изучения фотопластин я могу утверждать, что нет никаких сомнений в том, что эти данные полностью подтверждают предсказание Эйнштейна. Результаты наблюдений вполне однозначны – свет отклоняется в соответствии с законом гравитации Эйнштейна».

Далее он передал слово двум ученым, возглавлявшим экспедиции: первым выступил А. Кроммелин от экспедиции, наблюдавшей затмение в Собрале (Бразилия), а затем – Артур Эддингтон от экспедиции на остров Принсипи, расположенный к западу от африканского побережья. Оба результата наблюдения отклонения света, проходящего вблизи края солнечного диска (около 2 угловых секунд в случае Собрала и около 1,6 угловой секунды в случае Принсипи), подтвердили предсказание Эйнштейна, исключив два других варианта, имеющих объяснение в рамках ньютоновской физики. Несмотря на весьма большой диапазон погрешностей измерения – 6 % для Собрала и почти 20 % для Принсипи – и возможность недооценки даже этих значений, в справедливости предсказаний Эйнштейна и в несоответствии «предсказаний» Ньютона удалось убедить (почти) всех присутствующих в ходе обсуждения после представления результатов.

Физик Людвиг Зильберштейн, единственный настроенный критически, призвал собравшихся к благоразумию. С выразительным жестом в сторону портрета Ньютона, как бы призывая его в качестве свидетеля, он воскликнул: «Ради памяти этого великого человека мы должны действовать чрезвычайно осторожно, прежде чем изменять или пересматривать его закон всемирного тяготения». Но для подавляющего большинства участников дискуссия была уже закончена, и сэр Дж. Томсон, президент Королевского общества и преемник Ньютона в этом титуле, вызвал всеобщее одобрение, подведя итог: «Это самый важный результат, полученный с момента, когда Ньютон огласил свои принципы, и в высшей степени уместно, что он впервые объявлен именно на заседании Общества, так глубоко с ним связанного. Это действительно одно из величайших достижений человеческой мысли». Вместе с тем сэр Дж. Томсон выразил сожаление, что это «величайшее достижение человеческой мысли» было также одним из наиболее непостижимых, поскольку «никто не мог понять закон гравитации Эйнштейна, не имея углубленного знания теории инвариантов и вариационного исчисления».

В конце заседания публика расходилась, оживленно комментируя результаты и обсуждая новый слух о том, что во всем мире в действительности лишь три человека по-настоящему разбираются в общей теории относительности Эйнштейна. Зильберштейн, тот самый, кто призывал к осторожности, и между тем считавшийся одним из немногих специалистов по теории относительности, подошел на выходе к Эддингтону, тому самому, кто инициировал исследования затмения 1919 г., и также обладавшему глубокими познаниями в теории Эйнштейна, чтобы поздравить его с успехом и с тем, что, несомненно, именно Эддингтон – один из тех трех, которые действительно понимают общую теорию относительности. Эддингтон ничего не ответил. «Не будьте таким скромным, Эддингтон!» – продолжал Зильберштейн, по-видимому ожидая, что Эддингтон ответит ему взаимным комплиментом. «Ну что вы, – отвечал Эддингтон. – Мне просто интересно, кто же третий».

Внезапно знаменитый

Встреча 6 ноября 1919 г. вызвала лавинообразный поток газетных статей по всему миру и неожиданно принесла Эйнштейну высокую популярность в средствах массовой информации, которая будет сопровождать Эйнштейна до конца жизни. На следующий день после совместного заседания Лондонского королевского общества и Королевского астрономического общества лондонская Times напечатала статью под заголовком: «Революция в науке. Новая теория Вселенной. Идеи Ньютона отвергнуты». Два дня спустя New York Times также подвела итог встречи в Лондоне и, немного приукрасив, процитировала заключительные слова сэра Дж. Томсона: «Это одно из наиболее важных – если не самое важное – достижение человеческой мысли». На следующий день опять же New York Times опубликовала серию статей, заголовки которых были выбраны таким образом, чтобы заинтриговать читателя: «Весь свет искажается в небе», «Ученые потрясены результатами наблюдений затмения», «Теория Эйнштейна торжествует» или «Теория, которую могут понять лишь 12 человек во всем мире».

Легенда о том, что лишь немногие люди в мире способны понять теорию Эйнштейна, стала, таким образом, распространяться в средствах массовой информации, как лесной пожар. Воспользуемся этим, чтобы прояснить два обстоятельства. Прежде всего отметим, что сегодня каждый студент технического вуза в конце второго курса способен за несколько часов выучить математический формализм общей теории относительности Эйнштейна. Технически это гораздо менее сложная теория, чем, скажем, квантовая теория поля или теория струн. В то же время она остается сравнительно трудной для понимания на концептуальном уровне. Каждый год появляются научные статьи, авторы которых демонстрируют ошибочное понимание основ теории. Более того, некоторые из самых актуальных вопросов в этой области (например, касающиеся изучения взаимодействия двух черных дыр и их гравитационного излучения) настолько сложны как с физической, так и с математической точки зрения, что во всем мире существует лишь небольшая группа специалистов, способных с ними разобраться. И, наконец, сочетание концептуальной тонкости и хитроумной математической формулировки приводит к тому, что даже сегодня (возможно, особенно сегодня) популяризация этой теории остается весьма непростой задачей, как только возникает желание выйти за рамки обычных упрощенных представлений и определенных приближений, которые между тем выхолащивают суть теории.

Как бы то ни было, уникальное сочетание обстоятельств и фактов, сложившихся вокруг теории Эйнштейна в 1919 г., гарантировало ей и ее автору прочную (и оправданную) международную известность. Напомним некоторые из них: свершившаяся широкомасштабная революция в области фундаментальных понятий реальности (пространства, времени, силы, материи); глубина и новизна теории Эйнштейна, благодаря которым большинство ученых было вынуждено признать неспособность в ней разобраться; яркая внешность и прекрасное чувство юмора автора; впечатляющее подтверждение английскими учеными теории, разработанной в Германии; и, наконец, первая возможность снова поднять голову к звездам после только что закончившейся страшной и кровопролитной войны.

«Самая счастливая мысль моей жизни»

Вернемся же к тому ключевому моменту, когда Эйнштейн осознал необходимость обобщения теории относительности, выдвинутой им в июньской статье 1905 г. (с тех пор называемой «специальной» теорией). Спустя два года после выхода статьи, специальная теория относительности привлекла интерес ряда известных (или ставших таковыми впоследствии) ученых. Выдающийся физик-экспериментатор Йоханнес Штарк предложил Эйнштейну написать обзорную статью с основным упором на идеи этой теории, которая прояснила бы ее основные принципы и следствия, а также выявила ее взаимоотношения с экспериментом. Именно в этой статье Эйнштейн прокомментировал полученные Кауфманом экспериментальные результаты в том духе, как было процитировано ранее. Эйнштейн потратил около двух месяцев на эту обзорную статью. Он по-прежнему зарабатывал на жизнь, выступая в качестве эксперта патентного бюро в Берне, и, таким образом, располагал весьма ограниченным свободным временем, которое мог посвятить этому занятию. Тем не менее он использовал все свободные моменты в течении рабочего дня, чтобы поразмышлять о физике. Именно так, в процессе глубокого размышления о значении принципа относительности, в один прекрасный день, проведенный в патентном бюро, в ноябре 1907 г. возникло то, что он назвал «самой счастливой мыслью своей жизни»:

«Я сидел в кресле в патентном бюро Берна, когда вдруг меня озарила следующая мысль: человек, находящийся в состоянии свободного падения, не может чувствовать своего веса. Я был просто поражен. Эта простая и настолько очевидная мысль произвела на меня огромное впечатление. Именно она привела меня к созданию новой теории гравитации».

Поясним физическую подоплеку этой идеи. Для начала вернемся в 1638 г., когда Галилей написал свой главный научный труд «Беседы и математические доказательства двух новых наук». Посредством удивительного сочетания логических рассуждений, мысленных и реальных экспериментов, проведенных на наклонной плоскости{65}, Галилей смог первым осознать тот принцип, который сегодня известен как свойство «универсальности свободного падения», или «слабый принцип эквивалентности». Приведем вывод, к которому приходит Галилей в результате цепочки рассуждений, [мысленно] меняя соотношение между плотностью рассматриваемых свободно падающих тел и сопротивлением окружающей среды: «Тогда, изучая эти факты, я пришел к выводу, что в среде, полностью лишенной сопротивления, все тела будут падать с одинаковой скоростью»{66}. Вспомним, что этот факт был непосредственно проверен первыми космонавтами, ступившими на Луну. Используя отсутствие атмосферы (и, следовательно, отсутствие сопротивления, обусловленного наличием среды), они рассмотрели одновременное падение молотка и пера и констатировали, что два объекта падают абсолютно синхронно.

Конечно же, физики не ждали 1969 г., чтобы с большой экспериментальной точностью проверить предположение Галилея о том, что в отсутствии сопротивления среды все тела падают одинаково (т. е. с одинаковым ускорением) во внешнем гравитационном поле. Первые точные экспериментальные подтверждения были получены еще великим Ньютоном, который сравнивал колебания двух маятников одинаковой внешней формы, но разного состава и веса. Ньютон был также первым, кто понял, что это свойство универсальности свободного падения говорит нам нечто важное о природе гравитации. Действительно, фундаментальный закон динамики, предложенный Ньютоном в 1686 г., гласит, что сила F, действующая на тело с массой m и придающая ему ускорение a, определяется простой формулой F = ma. Эта формула говорит нам, что заданная внешняя сила F не будет придавать одинаковое ускорение различным телам. Скажем, если тело A имеет массу в два раза большую, чем тело B, то сила F придаст телу A ускорение в два раза более слабое, нежели телу B. Таким образом, можно сказать, что тело A в два раза более инертно, чем тело B. В итоге фундаментальный закон динамики Ньютона показывает, что масса тела m (мыслимая Ньютоном как количество материи) измеряет инерцию данного тела, т. е. его способность сопротивляться изменению характера движения.

Мы также видим, что любое ускорение, сообщаемое внешним взаимодействием, не обладает свойством универсальности. Например, электрическое поле будет сообщать разные ускорения различным телам. При этом ускорение каждого тела будет зависеть как от величины его массы, так и от величины его электрического заряда. Аналогичным образом ускорение, сообщенное магнитным полем, также не имеет универсальных свойств. С этой точки зрения примечательно, что гравитационное поле, такое как поле земного (или лунного) притяжения, придает одинаковое ускорение всем телам, расположенным в одной и той же точке пространства. В случае гравитационного поля приложенная к телу сила называется его весом. Таким образом, Ньютон понял, что среди всех сил только вес обладает свойством быть в точности пропорциональным массе. Другими словами, гравитационная сила пропорциональна инерции тела, на которое она действует.

Эта глубокая и таинственная связь между тяготением и инерцией была математически включена Ньютоном в его теорию гравитации. По сути, он заявил, что масса играет три разные роли, выступая в качестве меры инерции тела, меры отклика тела на внешнее гравитационное поле и, наконец, в качестве меры самого гравитационного поля, создаваемого телом. За два с лишним века, прошедших со времен работы Ньютона, ученые перестали удивляться тому замечательному факту, что масса имеет заведомо несколько различных значений.

Лифт Эйнштейна

Однако в ноябрьский день 1907 г. Эйнштейн вдруг понял, что связь между инерцией и гравитацией должна обладать важным скрытым значением, которое необходимо прояснить. Таким образом, он начал путь, который продлится восемь лет и на котором ему встретится огромное количество почти непреодолимых препятствий, прежде чем удастся подойти в ноябре 1915 г. к созданию новой теории пространства, времени и гравитации.

Первым этапом этого долгого пути к пониманию был любопытный мысленный эксперимент. Обобщая «подсознательную» интуитивную догадку о том, что человек в свободном падении не чувствует своего веса, Эйнштейн представил, что можно было бы наблюдать в свободно падающем лифте. Из-за универсальности свободного падения любые объекты внутри лифта будут «падать» с одинаковым ускорением во внешнем гравитационном поле. В частности, они будут падать с тем же ускорением, что и сам лифт. Таким образом, по отношению к стенкам лифта все эти объекты будут иметь нулевое относительное ускорение. Другими словами, они должны просто свободно плавать без ускорения, либо всегда оставаясь в покое (если изначально имели нулевую скорость по отношению к стенкам лифта), либо двигаясь прямолинейно с постоянной скоростью (если изначально им сообщалась определенная скорость). Такое поведение знакомо нам из образов, связанных с исследованием космического пространства. Это то, что называют невесомостью, царящей внутри космического корабля при свободном падении в гравитационном поле Земли. Выражаясь физическим языком, можно сказать, что внутренность лифта или космического корабля определяет некоторую систему координат или просто систему. Лифт, таким образом, определяет систему, находящуюся в свободном падении. Тогда можно резюмировать наблюдения, сделанные внутри такой свободно падающей системы, сказав, что внешнее гравитационное поле в ней исчезает.

Эйнштейн рассмотрел также другую ситуацию, когда внешнее гравитационное поле отсутствует. Скажем, вместо того чтобы находится вблизи поверхности Земли (там, где масса Земли создает сильное гравитационное поле), можно находится далеко от каких бы то ни было масс – далеко от Земли, от Солнца, от всей нашей галактики, а также от всех других галактик. [Имеется в виду мысленный эксперимент, в котором можно представить существование такой области.] Давайте снова рассмотрим «лифт», расположенный в области, где нет никакого «реального» гравитационного поля. Затем Эйнштейн представляет, что лифту придают ускорение, вытягивая его с некоторой силой в определенном направлении, которое мы будем называть направлением «вверх». Внутри такого лифта, получающего ускорение «вверх», будет происходить процесс, похожий на тот, что мы часто наблюдаем в различных транспортных средствах: например, в автомобиле, начинающем ускоряться вперед, пассажиров будет прижимать к сидениям, а любые незакрепленные предметы в результате этого ускорения будут перемещаться назад по отношению к корпусу автомобиля. Таким образом, внутри ускоряющегося «вверх» лифта все объекты будут ускоряться «вниз». Это ускорение является универсальным, т. е. одинаковым для всех тел независимо от их массы и состава. Иначе говоря, это ускорение в точности соответствует универсальному ускорению, которое придается лифту «истинным» внешним гравитационным полем. Эйнштейн заключает отсюда, что все происходит так, как если бы ускорение, сообщаемое лифту и воспринимаемое внутри этого лифта, создавалось кажущимся гравитационным полем. Эти мысленные эксперименты указали ему на глубокую связь, которая существует между гравитацией и инерцией: используя различные эффекты ускорения (и тем самым инерционные свойства тел), можно либо избавиться от реального гравитационного поля, либо создать кажущееся гравитационное поле.

В направлении обобщения теории относительности

Почему же Эйнштейн считал существенной эту возможность смены ролей инерции и гравитации в тот момент, когда он писал обзорную статью по специальной теории относительности в 1905 г.? Вспомним главное интуитивное утверждение принципа относительности в том виде, как его сформулировал Галилей: «движение неотличимо от покоя». Однако это утверждение относится только к движению по прямой и c постоянной скоростью. Все знали, что только на корабле, который плавно движется в неизменном направлении, невозможно обнаружить эффект этого движения. Когда корабль резко поворачивает или ускоряется, пассажиры в каюте могут это почувствовать. Таким образом, до Эйнштейна все думали, что принцип относительности применим лишь к прямолинейному и равномерному относительному движению. Между тем Эйнштейн понял, что он может распространить принцип относительности на случай ускоренного движения (как по прямой, так и на криволинейных участках в поворотах). Однако, чтобы разобраться с таким обобщением, необходимо было принять во внимание гравитацию. Он не мог более говорить, что «ускоренное движение неотличимо от покоя», но он мог сказать, что «ускоренное движение неотличимо от гравитационного поля». Другими словами, что существует эквивалентность между ускорением и гравитацией.

Как мы уже говорили, научная методология Эйнштейна состоит, по возможности, в принятии в качестве отправной точки некоторых общих принципов, позволяющих связывать законы физики. Таким образом, в 1907 г. он предложил новый физический принцип: принцип эквивалентности гравитации и ускорения (или гравитации и инерции, поскольку кажущиеся эффекты внешнего ускорения называются «силами инерции»). В руках Эйнштейна этот принцип стал уникальным инструментом для построения в 1907–1915 гг. обобщения теории относительности 1905 г. Эта теория получила название обобщенной теории относительности, или, проще говоря, общей теории относительности.

Теория Эйнштейна одной фразой и одним образом

Общую теорию относительности, или теорию гравитации, Эйнштейна можно резюмировать одной фразой: пространство-время имеет эластичную структуру, которая деформируется из-за присутствия внутри нее массы-энергии.

Мы постараемся помочь читателю понять смысл этой фразы шаг за шагом без использования уравнений или каких-либо математических формул. Возможно, вначале будет полезно предложить определенный образ эластичной структуры, деформированной наличием в ней материи. Этот образ будет, конечно, неполным и в некотором смысле вводящим в заблуждение, но мы постараемся сделать его как можно ближе к тому образу пространства-времени, который создает теория Эйнштейна.

Образ, который мы хотим предложить читателю, – это не упрощенный образ, нередко возникающий в статьях и популярной литературе, где массивный шар помещается на резиновый лист, деформирующийся под его весом. Хотя этот образ действительно содержит аспекты, аналогичные тем, что существуют в теории Эйнштейна, но он создает серьезное неудобство, поскольку содержит некоторые весьма обманчивые черты. Например, он предполагает, что деформация листа может рассматриваться только как искривление во внешнем по отношению к листу пространстве, а также что эта деформация возможна только благодаря внешнему гравитационному полю, действующему на шар. Что действительно отражает суть теории Эйнштейна, так это то, что деформация пространства-времени есть чисто внутреннее свойство, присущее пространству-времени, и нет необходимости в дополнительных измерениях, для того чтобы его представить.

Отметим также, что мы будем стараться, насколько это возможно, избегать использования слова «кривизна» применительно к пространству-времени или выражения «искривленное пространство-время». В самом деле, для большинства людей слово «искривленный» сразу вызывает образ линии или поверхности, которые имеют кривую форму в некотором большем внешнем пространстве, как, например, поверхность сферы в обычном (трехмерном) евклидовом пространстве. Кривизна, о которой говорится в теории Эйнштейна, не есть кривизна такого типа (даже если сфера действительно искривлена в том смысле, который использует Эйнштейн), а представляет собой внутреннюю деформацию, не нуждающуюся в дополнительных измерениях, чтобы существовать. Вот почему мы должны везде заменить слово «кривизна» на слово «деформация», а прилагательное «искривленный» – на «деформированный». Мы надеемся таким образом избежать сковывания воображения читателя вводящими в заблуждение ассоциациями.

Образ, который мы предлагаем в качестве аналога пространственно-временной структуры общей теории относительности Эйнштейна, является кулинарным – блюдо под названием телятина заливная! Более конкретно: представим желе, содержащее длинные волокнистые куски телятины и другие ингредиенты (например, кусочки овощей). Желе символизирует здесь пространственно-временную структуру. Читатель может представить, что если это желе не содержит ни мяса, ни овощей, то оно будет иметь однородную и изотропную структуру, т. е. будет иметь одни и те же свойства повсюду и в любом направлении. Это единообразное состояние желе является аналогом хроногеометрической структуры пространства-времени Минковского в том виде, как она была представлена на рис. 3, т. е. в виде регулярной и единообразной сетки пространственно-временных «песочных» часов. Мы будем называть это состояние «недеформированным» состоянием желе (или пространства-времени).

Затем мы можем рассмотреть несколько различных способов деформации этого единообразного состояния. Если периодично трясти один из краев желе, оно начнет колебаться, или, другими словами, в нем будут распространяться колебательные волны. Эти упругие колебания в желе имеют непосредственный аналог в пространстве-времени, которое также допускает возможность распространения деформационных волн своей структуры, имеющих название «гравитационные волны». Можно также ограничиться статическим сжатием желе, надавливая в противоположных направлениях с двух сторон. Это действие, конечно, деформирует внутреннюю часть желе и притом анизотропным образом: одни направления будут сжиматься, а другие – растягиваться. Наконец, длинные волокна мяса внутри желе являются аналогами мировых линий материальных частиц в пространстве-времени (см. рис. 3). Можно представить, что желе в непосредственной близости от волокон мяса более насыщенное или, проще говоря, содержит большее количество питательных веществ, нежели обычное желе. Это аналогично тому, что пространство-время становится тем больше деформированным, чем ближе оно находится к распределенной массе-энергии.

Деформированное пространство-время

Вернемся к общей теории относительности и определим понятие «деформированного» пространства-времени. Напомним сначала хроногеометрическую структуру «недеформированного» пространства-времени: ту, что имеет место в специальной теории относительности, в том виде, как она определена Пуанкаре и Минковским. Эта структура задается с помощью квадрата интервала между двумя точками пространства-времени, т. е. между двумя событиями. Квадрат интервала между любыми двумя точками получается как алгебраическая сумма четырех квадратов путем обобщения теоремы Пифагора: три из этих квадратов (разностей по длине, ширине и высоте между двумя событиями) входят в сумму со знаком плюс, а четвертый квадрат (разности временных показаний, умноженной на скорость света) – со знаком минус. Исходя из этого геометрическое место точек, удаленных от заданной точки на квадрат интервала, равный +1, формирует в пространстве-времени не (гипер)сферу, а (гипер)поверхность, которая напоминает песочные часы, т. е. два конуса, соединенных узкой горловиной{67}. Структура такого «недеформированного» пространства-времени является однородной, т. е. одной и той же повсюду в пространстве-времени. Какое бы событие мы ни выбрали для локального изучения пространства-времени, вокруг него мы увидим одинаковую структуру. Кроме того, эта структура является изотропной в том смысле, что в пространстве-времени не существует направления, которое играло бы выделенную роль. Здесь читатель, который смотрит на образ шахматной доски с набором песочных часов, представляющим эту структуру (см. рис. 3), возможно, подумает, что она имеет привилегированное направление в каждой точке пространства-времени. Действительно, каждые песочные часы, казалось бы, обладают осью симметрии: вертикальной осью, проходящей через центр песочных часов, вокруг которой можно вращать данные песочные часы, визуально не меняя их положения. Однако в действительности это кажущееся существование привилегированного направления является артефактом визуализации пространства-времени в трехмерном пространстве, которое зрительное восприятие человека интуитивно интерпретирует как евклидово пространство. В самом деле, вертикальная ось в этой визуализации представляет собой мировую линию наблюдателя, который находится «в состоянии покоя» в пространстве, но имеет непрерывное существование во времени. С другой стороны, принцип относительности говорит нам, что такой наблюдатель не определяет привилегированную систему отсчета. Любые другие наблюдатели, движущиеся с постоянной скоростью по отношению к данному, будут видеть идентичную структуру пространства-времени. Мировые линии этих наблюдателей «в движении» (но движущихся медленнее, чем свет) будут прямыми, наклоненными под углом менее 45° по отношению к «вертикали». Как следствие, если рассматривать конкретные песочные часы, все прямые, проходящие через их центр и остающиеся «внутри» этих песочных часов (т. е. не пересекающие их поверхность), будут осями симметрии для них, и, таким образом, ни одна из них не будет играть выделенную роль. Такова однородная и изотропная структура недеформированного «желе» пространства-времени.

Что же такое хроногеометрическая структура «деформированного» пространства-времени (которое обычно называют «искривленным»)? Это структура, в которой «расстояние-время» между двумя событиями по-прежнему дается определенным «квадратом интервала», но в которой, в отличие от случая пространства-времени Минковского, этот квадрат интервала имеет очень сложное математическое выражение для двух далеких событий. Зато, если рассмотреть очень близкие друг к другу события (как в пространстве, так и во времени), квадрат интервала будет определяться достаточно простой математической формулой, хотя и более сложной по сравнению с соответствующей формулой для пространства-времени Минковского. Как понял Эйнштейн в 1912 г., квадрат интервала между двумя событиями в деформированном пространстве-времени весьма напоминает квадрат расстояния между двумя точками искривленной поверхности, вложенной в обычное евклидово пространство.

В качестве примера искривленной поверхности возьмем поверхность Земли. Если рассмотреть небольшой участок земной поверхности, например участок в один квадратный метр, то, в принципе, его можно отождествить с небольшой частью плоскости (достаточно рассмотреть касательную плоскость к точке, расположенной недалеко от центра рассматриваемого участка). Таким образом, квадрат расстояния (т. е. расстояние, возведенное в квадрат) между двумя точками на этой небольшой поверхности будет в очень хорошем приближении равен квадрату расстояния между двумя точками на плоскости, который в свою очередь может быть получен с помощью теоремы Пифагора. Единственная сложность заключается в невозможности покрыть всю поверхность Земли с ее горами и долинами абсолютно регулярной сеткой координат (таких как длина и ширина).

На плоской поверхности, например на лежащем на столе листе бумаги, можно легко определить местоположение точки с помощью обычной прямоугольной сетки, какая используется в школьных тетрадках или на миллиметровой бумаге. Такую регулярную сетку уже невозможно реализовать на поверхности, имеющей всевозможные выпуклости и впадины. Чтобы зафиксировать любую точку на искривленной поверхности, мы, таким образом, используем два параметра, скажем x и y, которые больше не имеют простого смысла длины и ширины. Например, на поверхности Земли в качестве «первой координаты» x можно использовать долготу, а в качестве «второй координаты» y – широту. Следует отметить, что такие координаты можно использовать, даже когда земную поверхность невозможно аппроксимировать сферой: например, на возвышенности или в низине. При этом нет необходимости вводить третью координату (скажем, высоту над уровнем моря), поскольку двух первых координат (долготы и широты) будет достаточно, чтобы определить положение на Земле, а высота будет определяться некоторой функцией долготы и широты. Отсюда легко видеть, что если использовать сетку, определяемую долготой и широтой, на небольшой части поверхности Земли на склоне горы или ущелья, то эта сетка будет представлять собой деформацию привычной сетки из школьной тетрадки в клетку: поверхность по-прежнему будет разбиваться на ячейки двумя семействами линий, но каждая ячейка будет не квадратом, а чем-то вроде параллелограмма, точнее, ее стороны просто не будут равны друг другу и перестанут пересекаться под прямым углом.

Итак, локально можно сопоставить каждый небольшой фрагмент получившегося разбиения на ячейки с обычным разбиением на параллелограммы, сделанном на касательной плоскости. Обобщение теоремы Пифагора применительно к непрямоугольным треугольникам говорит нам, что квадрат расстояния между двумя узлами такой (плоской) сетки дается суммой квадратов разностей координат между двумя узлами и их удвоенным произведением. Чтобы определить квадрат расстояния между близкими точками вообще любой искривленной поверхности, точки которой фиксируются двумя координатами x и y, необходимо, таким образом, задать в каждой точке три величины: коэффициент перед квадратом dx² разности dx между первыми координатами двух точек, коэффициент перед квадратом dy² разности dy между вторыми координатами и коэффициент перед удвоенным произведением 2dxdy. [Мы рассматриваем математический предел, в котором точки бесконечно близки, отсюда символ d, обозначающий бесконечно малую разность.] Эти три коэффициента определяют геометрию (geometry) рассматриваемой поверхности и по этой причине обозначаются соответственно как g_xx, g_yy и g_xy, где буква g напоминает нам, что речь идет о геометрии.

Во времена обучения в Цюрихском политехническом Эйнштейн высоко ценил курс Карла Фридриха Гёйзера, посвященный «инфинитезимальной геометрии» поверхностей. Гёйзер читал лекции по теории, разработанной знаменитым математиком Карлом Фридрихом Гауссом и фактически изучающей тот самый квадрат расстояния между бесконечно близкими точками, про который мы только что говорили. В связи с этим в 1912 г. Эйнштейн вспомнил, что геометрия «деформированной» (или неплоской) поверхности определяется с помощью трех величин g_xx, g_yy, g_xy, заданных в каждой точке поверхности. Этот набор данных, определяющий для каждой точки поверхности значения трех величин g_xx, g_yy, g_xy, называется «геометрическим тензором», а точнее, «метрическим тензором» g. Эйнштейн понял, что ему требуется обобщение этого понятия на случай, когда (двумерная) поверхность заменяется на (четырехмерное) пространство-время. Математик Бернхард Риман, студент Гаусса, уже обобщил теорию Гаусса для деформированных пространств произвольных размерностей. Однако Риман рассматривал исключительно случай пространств, которые локально, т. е. в окрестности каждой точки, напоминают обычное евклидово пространство. Другими словами, он изучал пространства, в которых геометрическое место точек, разделенных с данной центральной точкой малым значением квадрата расстояния ε², имеет форму деформированной (гипер)сферы, т. е. представляет своего рода «мяч для регби»{68}. Эйнштейн понял, что ему требуется обобщить теорию Римана на случай, когда геометрическое место точек, разделенных с данной центральной точкой малым (положительным) значением квадрата интервала ε², имеет форму деформированных песочных часов{69}.

Деформированное пространство-время, таким образом, определяется заданием для каждой точки такого рода деформированных песочных часов. На рис. 8 можно увидеть графическое представление этой идеи, а также сравнить ее с недеформированным случаем пространства-времени специальной теории относительности (см. рис. 3). Затем Эйнштейн понял, что такое деформированное пространство не может быть покрыто обычной квадратной сеткой, подобной той, что мы видим в школьных тетрадях, т. е. с помощью четырех обычных координат (длины, ширины, высоты и времени), использованных им в специальной теории относительности. Как и в случае поверхности Земли, нужно было использовать более общие координаты (аналогичные долготе и широте для деформированной сферы, см. рис. 7). Поскольку пространство-время является четырехмерным, необходимо иметь четыре координаты, чтобы точно определить какое-либо событие. Можно обозначить эти координаты различными способами, из которых наиболее распространенные: (x, y, z, t), (x₁, x₂, x₃, x₄) или (x₀, x₁, x₂, x₃).

Эйнштейн обнаружил (хотя и после долгих лет блужданий, колебаний и сомнений), что в выборе этих четырех координат имеется полная математическая свобода или, другими словами, что никакой конкретный способ фиксации точек пространства-времени не является заведомо предпочтительным. Исходя из этого он пришел к следующему выводу: законы физики должны иметь одинаковый вид в любой системе координат. Эйнштейн назвал этот постулат принципом общей относительности, так как изначально думал, что он является обобщением принципа относительности 1905 г., который ограничивался рассмотрением систем координат, используемых наблюдателями при равномерном относительном движении{70}. Введение этого постулата позволило очень сильно ограничить допустимую форму законов «релятивистской гравитации» и, таким образом, приблизило Эйнштейна к его самому замечательному открытию, которое Дж. Томсон, Дирак и многие другие физики считали «величайшим достижением в истории человеческой мысли», а именно к созданию общей теории относительности или теории гравитации Эйнштейна.

Итак, первый этап создания общей теории относительности привел к утверждению, что хроногеометрия деформированного пространства-времени задается структурой, представленной на рис. 8: набор событий, удаленных от заданного на бесконечно малый (положительный) квадрат интервала ε², суть деформированные песочные часы (или на математическом языке – обобщенный гиперболоид). Для явного описания этой структуры необходимо в каждой точке пространства-времени определить математический объект, обозначаемый g и называемый хроногеометрическим или метрическим тензором. Этот тензор представляет собой набор из 10 коэффициентов, которые определяют форму теоремы Пифагора – Эйнштейна в произвольной системе координат{71}. Отметим, что по счастливому стечению обстоятельств символ g может одинаково подразумевать как геометрию пространства-времени, так и гравитацию.

Закон упругости пространства-времени Эйнштейна

Чтобы более наглядно понять смысл теории гравитации Эйнштейна, вспомним теорию упругости, созданную британским ученым Робертом Гуком. Гук был одним из самых плодотворных научных деятелей XVII в. Он внес существенный вклад во впечатляющее количество научных областей и, кроме того, в течение долгого времени был секретарем Лондонского королевского общества. Его работы предвосхитили некоторые открытия Ньютона (касательно общих законов динамики и поведения 1 / r² закона тяготения). К сожалению для него, Ньютон, который был гением, но отличался весьма подозрительным и вспыльчивым нравом, игнорировал его достижения и делал все, чтобы принизить важность его работ. Наверное, Ньютон был бы в ярости, увидев такую интерпретацию теории гравитации Эйнштейна (вытеснившую его собственную), которую мы собираемся сделать, используя обобщение закона упругости Гука!

Отправная точка теории Гука довольно проста для понимания. Рассмотрим произвольную упругую структуру, т. е. такую, которая возвращается к своей первоначальной форме после деформирования воздействующей на нее силой. Простой пример упругой структуры – пружина. Рассмотрим пружину, верхний конец которой прикреплен к жесткому массивному телу, а нижний – свободен. Если потянуть вниз за нижний конец пружины или прикрепить к нему груз, то пружина деформируется и растянется. Если прикрепить не слишком тяжелый груз, то можно заметить, что растяжение пружины прямо пропорционально его весу: в два раза больший вес будет давать в два раза большее растяжение. Другими словами, деформация упругой структуры пропорциональна напряжению, действующему на эту структуру. Если обозначить «деформацию» буквой D, а «напряжение» буквой T, то закон упругости Гука сводится к простому утверждению D = κT, где κ – коэффициент пропорциональности, характеризующий «упругость» рассматриваемой структуры. Чем больше κ, тем более упругой является структура, т. е. тем больше она деформируется под действием заданного напряжения. Можно также сказать, что обратная коэффициенту κ величина 1 / κ измеряет жесткость рассматриваемой структуры. Чем меньше κ, тем больше жесткость (и тем меньше упругость). Этот универсальный закон упругости справедлив только в ограниченном диапазоне прикладываемого напряжения (не сильно отличным от нуля). Обратите внимание, что напряжения и соответствующие деформации могут прикладываться как в одном, так и в другом направлении, т. е. могут быть положительными или отрицательными. Независимо от знака приложенного напряжения, деформация будет возвращаться к нулю, если напряжение постепенно уменьшается до нуля. Это и есть основное свойство упругой структуры – стремление возвращаться в исходное «недеформированное» состояние, когда деформирующая сила перестает действовать.

В то же время если перейти определенный порог (так называемый «предел упругости»), другими словами, если приложить слишком большое напряжение, то в общем случае мы покинем область упругости для данной структуры. И тогда мы переходим в область «пластичности», где структура приобретает постоянную деформацию, остающуюся после того, как напряжение перестает действовать, и затем в область «разрыва», где структура рвется.