* СТО - специальная теория относительности, ОТО - общая
Более тысячи лет четыре книги по физике, написанные Аристотелем (в них время и пространство абсолютны с абсолютной структурой, а Земля изменчива), обеспечивали фундамент для естественных наук. Эти понятия лежали в основе истинного на то время восприятия и описания мира, которому в 1661-1665 годах в Кембридже обучался Исаак Ньютон. Двадцать лет спустя, он, опубликовав свое видение окружающего мира, обеспечил новое понимание Вселенной. Согласно его принципам, время по-прежнему являлось абсолютным и одинаковым для всех наблюдателей. Все одновременные события составили трехмерный пространственный континуум, но в его рассуждениях исчезла абсолютная структура пространства (что сильно его беспокоило, фактически он отказывался принимать отсутствие абсолютного пространства, хотя такое отсутствие вытекало из законов, открытых им самим). Ньютоновские принципы разрушили Аристотелеву ортодоксальность, отменяя различия между небесами и Землей – яблоко, падающее на землю, и планеты, движущиеся по своим орбитам вокруг Солнца, были теперь подчинены одним и тем же законам. Однако и Аристотель, и Ньютон верили в абсолютное время (считали, что временной интервал между двумя событиями можно измерить, а результат у каждого, кто производит измерения, будет одинаков). Эти, казалось бы, логичные представления в действительности относятся только к медленным объектам, но совершенно не уместны, когда скорости становятся близкими к скорости света.
То, что свет распространяется с конечной (и очень большой) скоростью, установил в 1676 году датский астроном Оле Христенсен Рёмер. Он обнаружил, что затмения лун Юпитера тем больше запаздывают, чем дальше мы находимся (объяснив это тем, что свет от спутников идет дольше, когда мы находимся дальше). Он не только доказал, что свет распространяется с конечной скоростью, но и смог измерить ее (хоть и не совсем точно на тот момент), причем все это за 11 лет до выхода в свет книги Ньютона «Математические начала».
Закон всемирного тяготения Ньютона – то, за что он стал прославленным ученым. И он, конечно, занимался всесторонней проверкой справедливости этого закона. Однако в этом вопросе масштаб играет важную роль – во времена Ньютона не было ни одного эксперимента, способного доказать неправильность его формулы или опровергнуть ее. Стрела, например, всегда падает на землю. И гора тоже, если бы кто-то ее уронил. А с бОльшими размерами больше проблем – так было с Меркурием, и именно это несоответствие изменило представления о пространстве и времени после выхода работ Ньютона. Согласно формуле Ньютона, траектории всех планет вокруг Солнца должны выглядеть как слегка сдавленный круг. Эти расчеты полностью совпали (и до сих пор совпадают) с наблюдениями. Если бы планеты могли оставлять за собой следы, то каждая из них описала вы в небе вытянутый эллипс, повторяя этот путь практически неизменно, как и описал Ньютон. Но орбита Меркурия «наматывается» сама на себя, Меркурий не повторяет один и тот же путь дважды – это происходит главным образом из-за других планет: они притягивают к себе крошечный Меркурий каждый раз, когда с ним сближаются, как уже догадался Ньютон. Однако эллиптическая орбита Меркурия отклонилась от расчетов Ньютона, но в то время не существовало способов предсказать и уж тем более объяснить это отклонение.
Уравнение Ньютона устанавливает, каким образом объекты притягивают друг друга, но ничего не говорит о том, чем является гравитация на самом деле. Ньютон умер в 1727 году, так и не найдя объяснения. Миновало 188 лет, прежде чем рассуждения Альберта Эйнштейна о гравитации «вылились» в специальную, а затем в общую теорию относительности.
Настоящей теории распространения света не существовало до 1865 года, когда английский физик Джеймс Кларк Максвелл сумел объединить две частные теории, с помощью которых тогда описывали электрические и магнитные силы. Теория Максвелла предсказывала, что радиоволны и свет должны распространяться с некоторой фиксированной скоростью, но было необходимо указать, относительно чего она измеряется. В связи с этим было постулировано существование некой субстанции, названной эфиром, которой наполнено все, даже «пустое» пространство. Световые волны распространяются в эфире, как звуковые в воздухе, следовательно, их скорость – это скорость относительно эфира. То есть наблюдатели, с разными скоростями движущиеся относительно эфира, должны видеть, что свет идет к ним с разной скоростью, которая при этом неизменна.
В 1887 году Альберт Майкельсон (позже ставший первым американцем, удостоенным Нобелевской премии по физике) и Эдвард Морли поставили в Кливлендской школе прикладных наук точный эксперимент: они сравнивали значение скорости света, измеренной в направлении движения Земли, с ее значением, измеренным в перпендикулярном направлении – оба значения оказались одинаковы. С 1887 по 1905 году был сделан ряд попыток (наиболее известная – датского физика Хендрика Лоренца) объяснить результат эксперимента Майкельсона и Морли тем, что все движущиеся в эфире объекты сокращаются в размерах, а все часы замедляют свой ход.
Но в 1905 году никому еще не известный служащий Швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн опубликовал ставшую потом знаменитой работу, в которой было показано, что никакого эфира не нужно, если отказаться от понятия абсолютного времени. Через несколько недель эту же точку зрения высказал один из ведущих французских математиков Анри Пуанкаре. Фундаментальный постулат теории относительности Эйнштейна (важная часть в разработке которой также принадлежит Пуанкаре (его работа «Об измерении времени»), хотя его обоснования были ближе к математике, нежели к физике) состоял в том, что законы науки должны быть одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости движения. Это было справедливо для законов движения Ньютона, но теперь стало распространяться на теорию Максвелла и на скорость света (скорость света, измеренная любым наблюдателем, должна быть одинакова, независимо от того, с какой скоростью движутся сами наблюдатели). Отсюда вытекает известное всем уравнение Эйнштейна E = mc2, говорящее об эквивалентности массы и энергии (Е – энергия, м – масса, с – скорость света) и закон, согласно которому ничего не может двигаться быстрее света (чем больше энергия, тем труднее увеличить скорость; по мере того, как скорость объекта приближается к скорости света, масса растет все быстрее, для дальнейшего ускорения требуется все больше энергии, т.е. скорость объекта никогда не может достичь скорости света, т.к. тогда его масса была бы бесконечно большой, а для достижения такой скорости требовалась бы бесконечно большая энергия).
Кроме того, теория относительности покончила с пониманием абсолютного времени. Оказалось, что у каждого наблюдателя должен быть свой масштаб времени, измеряющегося с помощью имеющихся у него часов, а показания одинаковых часов, находящихся у разных наблюдателей, не обязательно совпадают.
Всякий наблюдатель может определить, где и когда произошло какое-либо событие, методом радиолокации, послав световой импульс или импульс радиоизлучения. Часть посланного сигнала в конце пути отразится назад, и наблюдатель измерит время возврата эхо-сигнала. Временем события будет середина интервала между посылкой сигнала и его возвращением. В таком случае наблюдатели, перемещающиеся относительно друг друга, припишут одному и тому же событию разное время и положение в пространстве. Ни одно из измерений, проведенных разными наблюдателями, не будет правильнее других, но все они будут связаны между собой.
СТО позволила объяснить постоянство скорости света для всех наблюдателей (установленное в опыте Майкельсона и Морли) и правильно описывала, что именно происходит при движении с близкими к скорости света скоростями. Но эта теория противоречила ньютоновской теории гравитации, согласно которой объекты притягиваются друг к другу с силой, зависящей от расстояния между ними (это означает, что если сдвинуть один из объектов, сила, действующая на другой, изменится мгновенно). Эйнштейн предпринял ряд безуспешных попыток построить модель гравитации, которая согласовывалась бы с СТО. Наконец в 1915 году он опубликовал теорию, которая сейчас называется ОТО. Он предположил, что гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время искривлено (а не плоское, как считалось раньше) распределенными в ним массой и энергией. Согласно ОТО, в четырехмерном пространстве-времени тела всегда перемещаются по прямым, но мы видим, что в нашем трехмерном пространстве они движутся по искривленным траекториям.
Самолет, который летит над холмистой местностью, летит по прямой в трехмерном пространстве, а его тень перемещается по кривой на двухмерной поверхности Земли.
Масса Солнца так искривляет пространство-время, что, хотя Земля в четырехмерном пространстве движется по прямой, в нашем трехмерном пространстве она движется по круговой орбите. Орбиты планет, предсказываемые ОТО, почти совпадают с предсказываемыми ньютоновской теорией тяготения. Меркурий, будучи ближайшей к Солнцу планетой, испытывает самое сильное действие гравитации и имеет довольно вытянутую орбиту, ОТО предсказывает, что большая ось эллипса должна поворачиваться вокруг Солнца примерно на один градус в 10 тыс. лет – этот эффект был замечен еще до 1915 года и рассматривался как одно из подтверждений теории Эйнштейна. Стоит, однако, сказать, что мысли о том, что эвклидова геометрия – одна из возможных, появились еще в середине 19 века. Например, Рихард Риман еще в 1854 году говорил, что геометрия физического пространства, возможно, не подчиняется аксиомам Эвклида, а может быть искривлена из-за присутствия материи во Вселенной. В его идеях пространство перестало быть пассивным и изменялось материей. Но востребована эта идея стала только после публикации ОТО.
Пространство-время перестало быть инертным. Оно действует на материю, и материя действует на него. Как говорил известный американский физик Джон Уиллер: «Материя говорит пространству-времени, как искривляться и пространство-время говорит материи как двигаться».
Доказанная искривленность пространства означает, что и свет уже не распространяется прямолинейно. Это значит, что луч света, приходящий с далекой звезды, проходящий рядом с Солнцем, должен отклониться на небольшой угол, и наблюдатель на Земле увидит эту звезду в другой точке.
В нормальных условиях этот эффект труден для наблюдения, т.к. яркий солнечный свет не позволяет наблюдать звезды, находящиеся рядом с Солнцем, но такая возможность появляется во время затмения. В 1915 году никто не смог сразу проверить предсказанной Эйнштейном отклонение света из-за Первой мировой войны, в 1919 году английская экспедиция в Западной Африке, наблюдавшая солнечное затмение, показала, что свет действительно отклоняется так, как это предсказывала теория. Забавно, что проведенный позднее анализ фотографий из этой экспедиции показал ошибки измерения – результат англичан был скорее везением. Правда, отклонение света Солнцем впоследствии было точно подтверждено целым рядом наблюдений.
Еще одно предсказание ОТО говорит о том, что вблизи массивного тела типа Земли время должно течь медленнее. Это было точно проверено в 1962 году с помощью очень точных часов, одни из которых были расположены на верху водонапорной башни, а вторые – у ее подножия. Нижние часы были ближе к Земле и шли медленнее, в точном соответствии с ОТО.
Законы движения Ньютона покончили с абсолютным положением в пространстве. Теория относительности избавила нас от абсолютного времени. До 1915 года пространство и время воспринимались как некая арена для событий, на которую все происходящее никак не влияет – так обстояло дело даже в СТО: тела двигались, силы притягивали и отталкивали, но время и пространство оставались сами собой, это их не касалось. Естественными были мысли, что пространство и время бесконечны и вечны. В ОТО пространство и время – динамичные величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структура пространства-времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуют силы. Пространство и время не только влияют на все происходящее во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего происходящего в ней.
