Маленькая книга о Большом взрыве

Система глобального позиционирования (GPS) полагается на повторяющиеся с определенной периодичностью сигналы, посылаемые созвездием спутников, расположенных на орбите Земли. Поскольку эти спутники движутся на большой скорости, их бортовые часы, согласно специальной теории относительности, идут медленнее, чем часы смартфонов на Земле; а общая теория относительности обуславливает их замедление слабым гравитационным воздействием на большом расстоянии от Земли. Расхождение, рассчитанное на основе общей теории относительности, вдвое больше, чем рассчитанное на основе специальной теории, однако оно в обоих случаях не превышает одной миллиардной доли секунды.

Свет на скорости 3×10⁸ м/с преодолевает около трети метра за одну миллиардную долю секунды. Это значит, что если GPS не будет делать поправку на относительные расхождения, то данные, которые он вам посылает, каждую секунду будут отставать от вашего реального местоположения примерно на 30 см. Из-за этого вы в течение всего нескольких минут полностью перестанете ориентироваться по GPS-навигатору и безнадежно заблудитесь.

Общая теория относительности гласит истину.

* * *

Кроме того, общая теория относительности описывает космос таким, каким Ньютон бы его никогда не узнал. Возможно, вы уже слышали о знаменитом законе инерции, который он позаимствовал у Галилея. Этот закон гласит, что каждому телу свойственно продолжать делать то, что оно уже делает. Выражаясь чуть более точно, если никакая сила не воздействует на объект, он продолжает двигаться равномерно по прямой. Гравитация же, напротив, заставляет объект двигаться по кривой траектории – например, когда вы бросаете мяч и он падает на землю. Мы только что видели, что гравитация исчезает в лифте, находящемся в свободном падении. В соответствии с законом инерции мячик, брошенный в таком лифте, продолжит двигаться по прямой в направлении броска, как на первой картинке на рис. 2.

Рис. 2

Эйнштейн установил, что свет ведет себя точно так же. Это значит, что, поскольку и в лифте, находящемся в свободном падении, и в лифте, движущемся с постоянной скоростью, никакие силы не действуют, свет в таких лифтах совершает движение по прямой, как на той же первой картинке. Но в случае лифта, поднимающегося вверх с ускорением g, или просто над планетой, обладающей g-гравитационным полем, принцип эквивалентности требует, чтобы свет отклонялся от прямой траектории, причем в обоих случаях величина отклонения будет одинаковой, как показано на картинке посередине и справа.

Получается довольно странная картина: траектория пути объекта (прямая или кривая) зависит от точки отсчета, если выражаться в терминах предыдущей главы. Не менее странно то, что само существование гравитации, как кажется, тоже зависит от точки отсчета. И это правда.

Представьте себе здание из будущего: пусть его длина будет ненамного меньше диаметра самой Земли. На самом верху этого здания показатель ускорения свободного падения, g, будет значительно меньше, чем у его подножия, ведь это уже не то «небольшое замкнутое пространство», о котором мы говорили ранее.

А теперь представьте, что будет, если в таком здании оборвутся два троса, поднимающие лифты: один – ближе к крыше, а другой – ближе к земле. Очевидно, что оба лифта будут падать с разным ускорением. Человек, бросивший мяч в лифте повыше, увидит, что он движется в направлении броска по прямой линии, и то же самое увидит человек, бросивший мяч в лифте, находящемся ближе к земле. Но тот, кто наблюдает за обоими мячами со стороны, скажет, что их траектория движения различается. Это различие отображено на центральной картинке на рис. 3. Сравните эти два броска с двумя другими, совершенными при таких же обстоятельствах, но в здании поменьше, где величина g сохраняется в обеих точках здания: оба мяча движутся по одинаковым траекториям, которые никогда не пересекутся. В то же время, если мы бросим два мяча в высоком здании, лежащем на боку, они оба будут падать в направлении центра Земли, так что в итоге их траектории сойдутся, как на картинке справа.

Рис. 3

Это явление, когда тела, находящиеся рядом друг с другом, следуют по одинаковым траекториям, а тела, разделенные большим расстоянием, – по разным, лежит в основе приливов. Та сторона Земли, что находится ближе к Солнцу, подвержена воздействию гравитационного поля в большей степени, чем обратная ее сторона. Эта разница в воздействии сил приводит к растяжению Земли, формирующему знаменитый приливной горб[9], а также к океанским приливам.

Как вы уже поняли, везде можно найти маленький лифт, внутри которого гравитация пропадает. Приливы возникают в поле нашего зрения, когда мы пытаемся рассмотреть ситуацию в глобальном масштабе, при этом на Земле они являются объективной реальностью. Выражаясь языком Ньютона, приливы – это очевидное и недвусмысленное проявление гравитации.