Маленькая книга о Большом взрыве

С целью распространить специальную теорию относительности на движение с ускорением он и создал общую теорию относительности. Зачастую – и справедливо – общая теория относительности именуется самой красивой теорией, ведь, несмотря на сложные уравнения, ее общее построение и возможности прогнозирования берут начало в двух простых, но чрезвычайно глубоких тезисах.

* * *

Начнем с того, что Эйнштейн называл самой удачной мыслью в своей жизни. Еще со времен Галилея было известно, что при отсутствии значительного сопротивления воздуха все предметы падают на землю с одинаковым ускорением. Это и есть то самое ускорение свободного падения, обычно обозначаемое буквой g. Вблизи земной поверхности g составляет 9,8 м/с², но этот показатель важен скорее для инженеров. Для физиков же важнее, что g не зависит от массы и материала падающего объекта. Другими словами, в условиях вакуума золотые слитки, арбузы и птичьи перья будут падать с одинаковой скоростью.

Представьте, что мы оказались в лифте, у которого оборвался трос; поскольку и мы, и лифт будем падать с одинаковым ускорением (g), мы в момент падения будем чувствовать себя в невесомости: наши ноги перестанут упираться в пол или весы, которые мы случайно прихватили с собой как раз на такой случай.

В небольшом замкнутом пространстве состояние свободного падения неотличимо от отсутствия гравитации.

Именно такие условия можно наблюдать на Международной космической станции: астронавты и космонавты падают на Землю с той же скоростью[6], что и станция, и за счет этого чувствуют себя невесомыми. Приводя в пример более знакомую ситуацию, можно вспомнить, что происходит с нами в лифте, который набирает скорость, поднимаясь вверх: мы чувствуем, будто наш вес увеличивается, и поэтому нам кажется, что сила гравитации возрастает.

Эйнштейн обобщил все эти наблюдения в виде закона природы, который он назвал принципом эквивалентности.

Ни один эксперимент, если проводить его в достаточно маленьком замкнутом пространстве, не позволит отличить равномерное ускорение от однородного гравитационного поля.

Другими словами, если в лифте нет окон, вы не сможете определить, что именно ускоряет его движение: то ли это возросла сила, с которой его тянет трос, то ли это масса Земли, внезапно увеличившись, повлекла за собой рост гравитации. Точно так же, если трос лифта оборвется, вы не сможете понять: падаете ли вы на землю с ускорением, равным g, или Земля под вами просто внезапно исчезла. Получается, что в отдельно взятом пространстве ускорение и гравитационное поле[7] эквивалентны.

Подобные наблюдения и привели Эйнштейна к мысли, что расширение специальной теории относительности с учетом ускорения потребует разработки новой теории тяготения.

* * *

Теория гравитации Эйнштейна, обманчиво названная общей теорией относительности, изменила наше представление о пространстве и времени даже в большей степени, чем специальная теория относительности. Уже один принцип эквивалентности требует, чтобы на разных высотах от поверхности Земли в ее гравитационном поле часы тикали с разной скоростью. Этот принцип подтверждается миллионы раз каждый день, и без него жизнь современного человека во многих ее аспектах была бы попросту невозможна.

Чтобы слегка обновить эксперимент, предложенный Эйнштейном, представьте себе космический корабль, набирающий скорость в пустом пространстве космоса. Наташа, находящаяся в верхней части корабля, и Борис, находящийся в нижней, пользуются одинаковыми телефонами. Приложение «Эквивалентность» на телефоне Наташи посылает на телефон Бориса сигналы в виде маленьких вспышек света. По Наташиному времени сигналы посылаются на телефон Бориса ежесекундно, но поскольку Борис, пока вспышки летят к нему, все быстрее движется вверх, он получает сообщения Наташи быстрее, чем если бы двигался на постоянной скорости. Борис видит сигналы через более короткие интервалы, чем они посылаются с телефона Наташи, и это заставляет его думать, что его часы идут быстрее, чем часы Наташи[8]. Если ускорение и гравитационное поле эквивалентны в космосе, значит, они должны быть эквивалентны и на Земле.