Общая теория относительности

Общая теория относительности

По сравнению с этой задачей исходная теория относительности – детская забава.

Альберт Эйнштейн, 1912

Когда очередной журналист попросил Эйнштейна выразить суть Общей теории в одном-единственном предложении (а подобной просьбой журналисты донимали его практически везде), он ответил: «Всю свою жизнь я пытаюсь сделать это в одной книге. А он хочет, чтобы я сделал это в одном предложении!» Однако его продолжали упрашивать, и он сформулировал это так: «С точки зрения физики, это теория пространства и времени, приводящая к теории гравитации». Неплохое, надо сказать, обобщение в столь вынужденных обстоятельствах.

К 1907 году Эйнштейн начал всерьез задумываться о недостатках Специальной теории. И теперь фокусировал все внимание на законных общих и универсальных, а не на тех, что применимы только при специальных условиях. Как уже упомянуто выше, он размышлял над ситуацией с человеком, который находится в свободно падающем лифте. И озарение наконец посетило его. Вот как он рассказал об этом на лекции в Японии в 1922 году:

Я сидел в патентном бюро в Берне и вдруг подумал: «Если человек находится в состоянии свободного падения, он не чувствует собственного веса». Я изумился. Эта простая мысль произвела на меня глубокое впечатление. И подтолкнула к разработке теории гравитации.

Представим человека в лифте, падающем на землю. Внутри лифта он должен парить свободно, и если снимет с руки часы – те точно так же воспарят рядом с ним. Человеку будет казаться, что он находится в невесомости. И наоборот: если бы лифт несся в космосе безо всякой земной гравитации, но с ускорением – человека внутри него прижимало бы к полу так, словно на него действует гравитация. Традиционно гравитация и ускорение считались не связанными друг с другом явлениями, хотя оба рассматривались относительно массы тела. Но гений Эйнштейна смог осознать, что гравитационная масса эквивалентна инертной массе – и эта идея получила название «принцип эквивалентности». Благодаря этому выводу Эйнштейн получил в распоряжение все инструменты для расширения своей Специальной теории таким образом, чтобы она распространялась и на системы ускорения, а не только на ситуации с постоянной скоростью.

Второе открытие, которым увенчался этот умозрительный эксперимент, заключалось в осознании того, что гравитация может искривлять свет. Если в стенке падающего лифта просверлить дырочку, луч света ударит в противоположную стенку – но несколько выше, чем была дырка, из которой он исходил. То есть его траектория будет искривлена. Следовательно, догадался Эйнштейн, свет не всегда распространяется прямыми лучами, как считалось ранее. Но для вычисления этой кривой траектории понадобится принципиально новая геометрическая система, поскольку геометрия Эвклида создана для измерения плоских поверхностей, но неприменима для искривленных.

Общая теория последовательно описывает, как гравитация искривляет пространство и время. Величайшей сложностью для Эйнштейна – почему он и потратил на это столько времени – было найти математические способы объяснения того, как гравитация ведет себя в царстве пространства-времени. Чтобы это понять, достаточно представить шар для боулинга, катящийся от края к центру батута. Ткань батута будет прогибаться под ним до тех пор, пока шар не придет в состояние покоя. Теперь покатим от края батута еще один шар. Он докатится до первого шара в центре и остановится. Разве первый шар какой-то особой силой притягивает к себе второй? Никак нет – оба шара лягут рядом друг с другом, искривив ткань батута еще сильнее. Для объяснения того же явления в искривленном пространстве-времени Общая теория и выводит уравнение поля. Проще простого, не так ли?

Выражаться совсем коротко – если Ньютон рассматривал вселенную, в которой яблоко падает с дерева на землю под действием земной гравитации, то Эйнштейн доработал понятие гравитации до искривленного пространства-времени. И вот как он объяснял успех «труда своей жизни» сыну Эдуарду: «Когда слепой жук ползет по поверхности шара, он не замечает, что пройденный им путь изогнут. Мне же посчастливилось заметить то, чего не заметил жук».

В работе, вышедшей в 1917 году под названием «Космологические соображения к Общей теории относительности», Эйнштейн описал вселенную, которая однородна и изотропна (безгранична по всем направлениям) – условие, которое стало возможным благодаря представлению о том, как она бесконечно искривляется внутрь самой себя. Среди бесчисленного множества прочих выводов Общая теория позволила нам приблизиться к пониманию феномена черных дыр (хотя Эйнштейн в свое время даже не представлял об их существовании), пространственно-временных туннелей (т. н. «червоточин») – и даже строить предположения о механизме Большого взрыва.

Однако размышления подобного уровня иногда бывают весьма болезненны. «Природа прячет свои секреты в силу своего величия, а не хитрости», – заявил Эйнштейн в одной из своих самых философских дискуссий, но чем дальше, тем чаще стал замечать, что его высказывания вызывают всеобщее неприятие. Например, уже в 1911 году он предсказал, что притяжение солнца может искривлять лучи других звезд. Проблема заключалась в том, что доказать это или опровергнуть можно было только в условиях солнечного затмения. Будто по заказу, такое затмение случилось 21 августа 1914 года – но удача тут же отвернулась от него, так как началась Первая мировая война. Редчайший шанс проверить его гипотезу был отложен на целые пять лет. И только в 1919 году группа исследователей под началом британского астронома Артура Эддингтона отправилась на остров Принсипи в Западной Африке, чтобы в условиях очередного солнечного затмения доказать, что Эйнштейн был прав.

Свой титанический труд Эйнштейн продолжал, даже когда война уже бушевала вокруг него по всей Европе. В 1944 году, ломая голову над принципом эквивалентности, он признался Генриху Зангеру: «Природа показывает нам только хвост льва. Но я нисколько не сомневаюсь, что лев у нее тоже имеется, просто из-за своих огромных размеров он не может явить нам себя сразу весь целиком. Мы созерцаем его примерно настолько же, насколько его видит сидящая на нем блоха».

И вот наконец в 1915 году он разгадал все тайны Общей теории, распутав клубок взаимоотношений пространства, времени, энергии и материи. И сам назвал свое детище «теорией несравненной красоты». В ньютоновском мире пространство и время были неизменными, а сила гравитации неким мистическим образом существовала отдельно от них. В эйнштейновском мире, однако, и пространство, и время изменялись под действием гравитации и сами же влияли как на нее, так и на все объекты и события в пределах ее господства. Как писал Макс Борн, эта теория – «величайший подвиг человеческого мышления перед лицом природы, самое удивительное сочетание философского постижения, физической интуиции и математического мастерства».