Холодильник Эйнштейна

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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