Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Впрочем, атмосфера была благоприятная, и творческие силы учёного расцветали. Его идеи постепенно обретали форму и наконец в 1905 году появилась теория относительности, «золотое яичко». Правда, достоинства теории оценили не сразу, прошло много лет, прежде чем она получила всеобщее признание.

В своей теории Эйнштейн по-прежнему рассматривал пространство и время по отдельности. Объединил их Г. Минковский, один из цюрихских преподавателей Эйнштейна, тот самый, который назвал его лентяем. Минковский показал, что понятие о четырёхмерном пространстве-времени очень глубоко и плодотворно.

Чтобы понять, насколько важно правильно определить понятия пространства и времени, рассмотрим пример с двумя космонавтами. Оба видят в космосе какой-то взрыв, но поскольку находятся от места взрыва на разных расстояниях, момент взрыва фиксируют по-разному. Один уверяет, что взрыв произошёл в три часа, а другой, что в шесть. Оба по-своему правы, хотя мы-то знаем, что данное событие произошло только однажды. А вот если рассматривать событие не просто во времени, а в пространстве-времени, то его «координаты» будут одинаковы для обоих наблюдателей.

Проще всего представить себе пространство-время в виде так называемой пространственно-временной диаграммы.

Пространственно-временная диаграмма

Так как у листа бумаги только два измерения, давайте договоримся, что одно из них будет соответствовать обычным трём пространственным измерениям, а второе – времени. Каждая точка на пространственно-временной диаграмме соответствует какому-то событию. Примером может служить световой сигнал, подаваемый одним из космонавтов; он посылается в определённой точке пространства в фиксированный момент времени. Если через несколько минут космонавт снова подаст сигнал лучом света, на диаграмме появится другая точка, соответствующая и этому событию. Более того, даже сам факт пребывания в определённой точке пространства в определённый момент времени также является событием. Последовательность таких событий носит название мировой линии.

Интервалы в пространстве-времени одинаковы для всех наблюдателей, и такие величины называют инвариантами. Как мы позже увидим, инварианты играют в теории относительности особую роль. Эйнштейн даже предпочитал называть свою теорию теорией инвариантов, но был вынужден смириться с общепринятым названием, хотя его недовольство становилось очевидным, когда он говорил «так называемая теория относительности».

Вскоре после создания специальной теории относительности Эйнштейн понял, что она нуждается в обобщении. Эта теория относится к объектам, движущимся прямолинейно и равномерно, т.е. без ускорения. Ускоренное движение отличается от равномерного. При равномерном движении нельзя определить, движешься ли вообще, до тех пор, пока не увидишь какой-нибудь другой объект; при ускоренном же движении на тело действует ощутимая сила. Например, при разгоне автомобиля вас прижимает к спинке сиденья, а при торможении – бросает вперёд.

Эйнштейн решил повнимательней изучить, чем отличается равномерное движение от ускоренного. Он начал с рассмотрения силы, возникающей при ускорении, которую называют силой инерции. Для более близкого знакомства с этой силой представим себе, что на столе лежит несколько шариков различной массы, от маленьких пластмассовых до больших металлических. Толкая поочерёдно каждый из них, ощущаешь, что для приведения в движение большого шара нужно затратить большее усилие, чем для малого. Кроме того, если толкать каждый из них с одинаковой силой, легко заметить, что маленькие шары приобретают гораздо большее ускорение, чем большие; чем массивнее шар, тем меньше его ускорение. Но вот если собрать все шары и одновременно уронить, все они будут при падении ускоряться одинаково. Этот неочевидный факт объясняется тем, что хотя большая масса притягивается к Земле с большей силой, между гравитационным притяжением и силой инерции существует строгое равенство. Это открытие принадлежит не Эйнштейну, о нём знал ещё Ньютон. Он понял, что две эти силы равны, а так как с каждой из них связана соответствующая масса – инертная и гравитационная – то эти массы также равны. Ньютон и его современники считали, что никакой механический эксперимент не позволит отличить инертную массу от гравитационной.

Эйнштейн развил идеи Ньютона и придал им форму принципа эквивалентности. Он заявил, что никакой эксперимент – ни механический, ни какой-либо иной – не даёт возможности отличить одну массу от другой. Теперь учёные называют это утверждение Эйнштейна сильным принципом эквивалентности, а формулировку Ньютона – слабым принципом эквивалентности.