Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Оба слова «говорит» тут – это указания на законы природы. Если говорить чуть более развернуто, эти законы утверждают, что гравитация, материя и движение связаны через геометрию пространства-времени. В присутствии материи пространство-время становится искривленным – в том смысле, что параллельные линии ведут себя не так, как мы привыкли, а сумма углов треугольника не равна 180°. Слово «геометрия» понимается в этом контексте в первую очередь как отличие от неискривленной геометрии – той привычной, где сумма углов треугольника все-таки 180°. Про неискривленную геометрию еще говорят, что она плоская[102]. Искривленная геометрия, в свою очередь, определяет движение всех чашек, снарядов, спутников и вообще любых пробных тел, которые мы пожелаем разбрасывать, – и даже не только тел, но и света.

Гравитация выражает отличия геометрии от плоской

Дорога к новому – геометрическому – пониманию движения при наличии гравитации, как и к пониманию самой гравитации, начинается с признания, что для каждого куска материи одна и та же величина под названием «масса» всегда исполняет две функции: служит мерой инерции и мерой участия в гравитационном взаимодействии. Отсюда буквально полшага до провозглашения общего принципа, который затем становится частью «техзадания» для построения теории гравитации и движения при наличии гравитации. Этот принцип гласит, что любое движение невозможно зафиксировать внутренними средствами при наблюдении «в малом». В отсутствие других сил, кроме гравитации, никакие действия, которые вы пожелаете осуществить в изоляции от внешнего мира на борту достаточно малой ракеты, не позволят вам определить, движется ли ракета относительно чего бы то ни было и испытывает ли она действие гравитации. Требование, чтобы ракета (железнодорожный вагон, автомобиль, каюта…), в которой вы или другой упрямый наблюдатель проводит опыты, была достаточно малой, определяется тем, с чем мы встретились на прогулке 4: приливными силами. Длинный железнодорожный вагон (рис. 6.3) будет испытывать на околоземной орбите сжатие или растяжение, потому что гравитация Земли действует на разные его части по-разному, и тогда помещенный в него наблюдатель догадается, что поблизости есть источник гравитации. Но уменьшая «каюту», доступную наблюдателю, можно сделать такие перекосы сколь угодно малыми (вместе с пространственным охватом надо, кстати, ограничить и временной). Фактически мы оставляем наблюдателю небольшой кусок пространства-времени и предлагаем ему ставить опыты с целью удостовериться, что все законы природы у него в точности те же, какие были установлены в пределах элитного клуба «равномерных и прямолинейных» наблюдателей. А раз отличий нет, то у наблюдателя нет способа убедиться ни в присутствии гравитации, ни в собственном движении с ускорением относительно «равномерных и прямолинейных» наблюдателей.

Рис. 6.3. Почему требуется, чтобы «каюта», в пределах которой наблюдатель изучает мир, была малой. Слева: направления к центру Земли различаются в двух концах вагона-лаборатории. Справа: расстояния до центра Земли различаются в двух концах лаборатории. В обоих случаях разницу между силами притяжения можно зафиксировать внутренними средствами

Отсюда вовсе не следует, что «никакой гравитации нет»; и гравитация есть, и порождаемые ею эффекты (как, например, черные дыры) есть. Но «все интересное» возникает как результат соединения воедино простых локальных картин. Сложное в том, как соединяется простое. Так строится и искривленная геометрия.

*****

Склейка простого в сложное. Транссибирская магистраль – это железная дорога длиной 9288 км. Если бы (скажем, для развлечения) жители населенных пунктов, расположенных вдоль дороги[103], отобрали картографов, каждый из которых снабжен картой своего района и близких окрестностей, но по стечению обстоятельств вызывающе необразован во всем остальном, и поручили им составить единую карту, то картографы столкнулись бы с проблемами. Все они привезли бы с собой карты, выполненные в близких масштабах, а кроме того, перекрывающиеся по краям: скажем, село Танга присутствует и на карте, привезенной из Петровска-Забайкальского (станция Петровский Завод), и на карте, привезенной из Читы. Но при попытке соединения локальных карт в одну большую возникли бы разногласия о том, где, собственно, север. В некотором роде направления на север различаются тем сильнее, чем дальше друг от друга находятся две области. Решение, к которому картографы могли бы прийти, чтобы не рассориться, – забыть про общий для всех север, а вместо этого договориться только попарно между соседями о том, как сопоставлять правый край карты, скажем, из Анжерска с левым краем карты из Мариинска, и точно так же – правый край карты из Мариинска с левым краем карты из Боготола и т. д. Буквальное наложение карт друг на друга по краям оказывается при этом неточным и требует некоторых усилий для установления соответствия в области перекрытия.