Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили
Рис. 1. События в пространстве-времени: два наблюдателя, А и В, движущиеся с большой скоростью относительно друг друга, видят два события (вспышки света), которые разделены в пространстве и времени. Наблюдатели будут по-разному оценивать расстояние и временной интервал между этими событиями. Это объясняется тем, что они по-разному воспринимают пространство и время. Однако в четырехмерном пространстве-времени (для простоты мы здесь пренебрегли двумя пространственными измерениями) пространственно-временной интервал в обеих системах одинаков: два прямоугольных треугольника имеют общую гипотенузу, хотя катеты – расстояние и интервал времени – у них разные.
Общая теория Эйнштейна
Специальная теория Эйнштейна объединяет пространство и время, а его общая теория – пространство-время с материей и энергией; этому и посвящена следующая глава. В ней я расскажу о притяжении. Согласно теории Ньютона сила притяжения действует как резиновая лента, натянутая между телами. Она тянет их друг к другу, сколь далеко друг от друга они бы ни располагались. Эйнштейн дает более глубокое и точное объяснение: сила притяжения, ощущаемая телом, – это мера искривления пространства-времени вокруг этого тела.
Это искривление не поддается визуализации. Невозможно представить себе даже пространственно-временное «плоское» 4D-пространство-время, не говоря уже о его кривизне. В большинстве ситуаций ньютоновское описание притяжения как силы достаточно точно соответствует наблюдаемым фактам, однако его недостатки становятся тем очевиднее, чем сильнее гравитация, например, когда мы приближаемся к черной дыре или когда нам нужно очень точно измерить расстояние и время, скажем, на борту спутника GPS. В таких ситуациях нам придется отказаться от ньютоновского представления и полностью признать эйнштейновское понимание искривленного пространства-времени.
Поскольку притяжение определяется искривлением пространства-времени, оно оказывает влияние на ход времени, а также на форму пространства. Для нас, существующих в рамках пространства-времени, этот эффект проявляется в замедлении течения времени, подобном тому, что мы наблюдаем, когда тела движутся со скоростью, близкой к скорости света. Чем ближе к источнику поля часы, тем сильнее притяжение и тем медленнее они будут тикать по сравнению с часами, удаленными от источника поля в более «плоском» пространстве-времени.
К несчастью для тех, кто предпочитает простые объяснения непростых идей и не любит сложной математики, физики чаще всего не могут дать правильного объяснения, как и почему в условиях сильного притяжения время идет медленнее, либо вообще не могут объяснить это явление. Однако я попробую это сделать.
Согласно специальной теории относительности два человека, движущиеся относительно друг друга, будут фиксировать замедление тиканья часов на руке партнера; аналогичная ситуация происходит, когда два наблюдателя находятся на закрепленном расстоянии друг от друга, но на одного из них действует более мощное притяжение (например, один на Земле, а другой – в космосе). Опять же они будут по-разному воспринимать временной интервал между одними и теми же событиями. Как и в предыдущем случае, их часы тикают по-разному, поскольку тот, что на Земле, оказывается на большей глубине гравитационного колодца, где искривленность пространства-времени сильнее. То есть его часы идут медленнее. Однако, в отличие от специальной теории относительности, ситуация здесь больше не является симметричной, поскольку этот наблюдатель будет воспринимать часы в космосе как тикающие с большей скоростью. Можно сказать, что причина «падения» тела на Землю заключается в том, что оно всегда движется туда, где время идет медленнее, – оно старается замедлить процесс своего старения. Разве это не прекрасно?
Итак, мы обсудили воздействие притяжения на время. А как насчет пространства? Что говорит нам общая теория Эйнштейна относительно того, что притяжение «приводит к искривлению пространства»? Помните, Аристотель и Декарт утверждали, что если нет никакой материи, которая могла бы заполнить пространство, то последнее не может существовать? Эйнштейн развил эту идею. Согласно его общей теории материя и энергия создают гравитационное поле, а пространство-время – это не более чем «структурное свойство» этого поля. А без того, что «содержится» в пространстве-времени, не может быть никакого гравитационного поля, а следовательно, никакого пространства и времени.
Возможно, это звучит несколько философски, и я подозреваю, что даже некоторым физикам это не очень понравится. Проблема отчасти в том, как мы вообще преподаем физику. Обычно мы начинаем со специальной теории относительности и с «плоского» пространства-времени (поскольку эту теорию легче объяснить и поскольку именно она первой пришла Эйнштейну в голову), затем мы переходим к более трудной общей теории относительности, в которой «плоское» пространство-время заполняется материей и энергией, которые заставляют его искривляться. На самом деле концептуально следует делать наоборот – начинать с материи и энергии в рамках пространства-времени. В этом смысле специальная теория относительности – просто идеализированное приближение, которое работает только в случаях, когда притяжение столь мало, что пространство-время может считаться плоским.
То, что я хочу сказать, – штука достаточно тонкая, но, может быть, вас утешит, что и сам Эйнштейн не до конца понимал ее значение. Через два года после окончания работы над общей теорией относительности он написал научно-популярную книгу (или брошюру, как он сам ее называл) «Относительность: специальная и общая теории (в упрощенном изложении)», которая была впервые опубликована в Германии в 1916 году. В течение последующих 40 лет, по мере уточнения своей теории на основе новых математических данных, Эйнштейн дополнял свою «брошюру» приложениями. В 1954 году, за год до смерти, он написал пятое, последнее приложение: двадцать страниц самых глубоких мыслей, которые когда-либо рождались в человеческом мозгу.
Чтобы понять идеи Эйнштейна, нужно знать, что такое «поле» в физике. Самое простое определение – это область пространства, содержащая некую форму энергии или воздействия, где каждой точке можно приписать величину, которая отражает характер поля в этой точке. Это похоже на магнитное поле вокруг магнитного бруска. Поле наиболее сильно у полюсов магнита, а по мере удаления от магнита постепенно слабеет. Рисунок, который образуют железные опилки, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля, – это реакция опилок на поле, в котором они
