Таинственные явления природы и Вселенной

Общая теория относительности (ОТО) выросла из простого наблюдения: движение тел под действием гравитации не зависит от их массы, формы и любых других свойств. Эта идея не давала Эйнштейну покоя. И вот в один счастливый для всей науки день Эйнштейн понял: гравитация есть особая, единственная в своем роде сила. Она является физическим следствием природы самого пространства-времени! Соответственно, движение тела под действием гравитации не является свойством этого тела, а относится исключительно к пространству и времени.

Теперь вспомним снова о мировых линиях. Равномерное движение частиц в отсутствие гравитации представляется прямыми мировыми линиями в пространстве-времени. Но гравитация заставляет частицы отклоняться от этих простых траекторий, так что мировые линии перестают быть прямыми.

Гравитация — это не сила, которая действует внутри пространства-времени и делает прямые траектории искривленными. Гравитация — это в известном смысле само пространство-время, которое искривлено, и поэтому находящимся в нем массам некуда деваться — они вынуждены идти по кривым траекториям. Но в искривленном пространстве-времени эти мировые линии — самые что ни на есть короткие пути! Допустим, вы держите путь по горной тропе. Вы хотите найти самый короткий путь. Но будет ли он прямой линией? Конечно, нет! Он будет очень-очень кривой линией! А почему? Потому что вы в горах, и самый короткий путь пролегает по самому крутому склону. И далее. Если вы все-таки решились идти этим наикратчайшим путем, что заставляет вас двигаться по очень-очень крутой кривой? Разве траекторию вашего движения искривляет какая-то специальная сила? Да нет, это сама гора ведет вас так, и тут ничего нельзя сделать, ибо крыльев у вас нет!

Это привело Альберта Эйнштейна к поистине удивительной гипотезе. Пространство-время и физические тела не существуют отдельно друг от друга, сами по себе. Они составляют одно динамическое целое. Массы, находящиеся в пространстве-времени, искривляют его. Чем больше масса тела, тем сильнее искривление пространства-времени вблизи этого тела. А искривленное пространство-время, в свою очередь, принуждает массивные тела двигаться по кривым путям. Это принуждение и проявляется как гравитация. Такой вот космический круговорот имени Эйнштейна!

Получается, что гравитация — это как бы реакция пространства-времени на присутствие в нем массивных тел, а не таинственная сила, заключенная в самих телах. Когда пространство-время плоское, то и никакой гравитации нет. Но плоским оно может быть только в том случае, если внутри нет никаких объектов, обладающих массой. Если хотя бы один такой объект появляется, пространство-время искривляется, и при помещении в него еще какой-нибудь массы дело будет выглядеть так, как будто два массивных тела притягиваются друг к другу взаимным гравитационным притяжением.

Искажение геометрии пространства-времени массивным телом часто объясняют на одном классическом примере: представьте себе тяжелый предмет, лежащий на горизонтально натянутом мягком резиновом коврике. Поверхность резины искривляется вблизи предмета. Так и пространство-время искривляется вокруг массивного тела. Если вы попробуете сыграть в бильярд на этом резиновом поле, то обнаружите, что шары отклоняются на искривленной поверхности, особенно когда проходят вблизи больших масс. Важно заметить, что данная аналогия не идеальна: она иллюстрирует искривление только пространства, а не пространства-времени. Но суть идеи она передает хорошо.

Уравнения ОТО связывают геометрию пространства-времени и материальное наполнение Вселенной. В случае медленных движений и не очень сильных гравитационных полей эта теория повторяет закон тяготения Ньютона, который мы более или менее успешно изучаем в средней школе.

Из ОТО выводится много следствий, которые блестяще подтверждаются в ходе экспериментов. Однако, может быть, самая замечательная черта этой теории — то, как мало она требует экспериментальных предпосылок. Ключевой факт, который Эйнштейн положил в ее основу, — то, что движение тел под действием гравитации не зависит от их массы, — был известен уже Галилею. На этой скромной основе он построил теорию, которая в соответствующем предельном случае воспроизводила закон всемирного тяготения Ньютона и объясняла отклонения от этого закона. При этом ОТО не оставляет свободы выбора: представление гравитации как кривизны пространства-времени с неизбежностью ведет к уравнениям Эйнштейна. В этом смысле теория относительности не описывает, а объясняет гравитацию.

Логика теории была столь убедительна, а ее математическая структура столь изящна, что она просто обязана была оказаться верной. Выходило, что новая теория есть, по существу, самое убедительное доказательство самой себя. Обращаясь к своему старшему коллеге Арнольду Зоммерфельду, Эйнштейн писал: «Вы будете убеждены в правильности общей теории относительности, как только изучите ее. Так что я не собираюсь защищать ее ни единым словом».

Так что же такое Вселенная?