Куда течет река времени

В 1915 году А. Эйнштейн завершил создание новой теории, объединяющей теории относительности и тяготения. Он назвал ее общей теорией относительности. После этого ту теорию, которую Эйнштейн создал в 1905 году и которая не рассматривала тяготение, стали называть специальной теорией относительности.

Математический аппарат новой теории оказался весьма сложным и непривычным для тогдашних физиков, и это послужило одной из причин того, что теория не сразу была понята и принята многими специалистами.

Несмотря на сложность математики, основные идеи теории просты (как и все по-настоящему важное), хотя они и необыкновенно смелы и еще кардинальнее меняют взгляды на пространство и время, чем это делала специальная теория относительности.

Сам И. Ньютон ясно понимал, что он лишь описал закон действия силы тяготения, но как конкретно передается тяготение от одного тела к другому, какова природа его и каков, так сказать, «механизм» работы тяготения, он не знал. Вот что он записал: «Причину же этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю… Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам, и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря».

Общая теория относительности А. Эйнштейна раскрывает «механизм» работы тяготения. Она утверждает, что тяготение сильно отличается от всех других сил в природе. Чтобы понять, в чем здесь дело, вспомним такую аналогию. Шар, катящийся по ровной плоскости, движется по прямой — кратчайшей линии между любыми двумя точками. Если заставить его катиться по искривленной поверхности, то он, конечно, будет двигаться не по прямой, а по искривленной линии, так как прямую нельзя уложить на искривленной поверхности. Так, если шар катится по поверхности Земли (считаем поверхность абсолютно ровной сферой без гор, долин и препятствий), то он будет двигаться по кратчайшей линии на сфере. В этом случае такие линии называют дугами больших кругов. Ясно, что это кривые линии, но они «прямейшие» (кратчайшие) на искривленной поверхности земного шара; кстати, такие линии на любой искривленной поверхности называются геодезическимилиниями.

Теория тяготения Эйнштейна утверждает, что тяготеющие тела искривляют вокруг себя четырехмерное пространство-время. Мы уже говорили, что трудно наглядно вообразить себе простое пространство-время, а тем более сложно это сделать, когда оно еще и искривленное. Но для математика или физика-теоретика и нет нужды в наглядных представлениях. Для него искривление означает изменение геометрических свойств фигур или тел. Так, если на плоскости отношение длины окружности к ее диаметру равно 2, то на искривленной поверхности или в «кривом» пространстве это не так. Геометрические соотношения там отличаются от соотношений в геометрии Евклида. И специалисту достаточно знать законы «кривой» геометрии, чтобы оперировать в таком необычном пространстве.

Тот факт, что трехмерное пространство может быть искривленным, теоретически было открыто в начале прошлого века русским математиком Н. Лобачевским и в то же время венгерским математиком Я. Больяи. В середине прошлого века немецкий геометр Г. Риман стал рассматривать в математике «искривленные» пространства не только с тремя измерениями, но и четырехмерные и вообще с любым числом измерений. С той поры геометрию искривленного пространства стали называть неевклидовой. Первооткрыватели неевклидовой геометрии не знали, в каких конкретно условиях может проявиться их геометрия, хотя отдельные догадки об этом высказывали. Созданный ими и их последователями математический аппарат был использован при формулировке общей теории относительности.

Итак, согласно основной идее А. Эйнштейна тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство-время. Рассмотрим теперь другие тела с очень маленькой массой (физики их называют «пробными»), которые движутся в этом искривленном пространстве-времени. Они по-прежнему движутся по геодезическим линиям. Но если в неискривленном пространстве-времени геодезические линии — это прямые, то здесь — в искривленном — они кривые. Вот это движение — движение по искривленным траекториям и с переменной скоростью — мы и воспринимаем как движение под действием сил тяготения. Таким образом, поле тяготения объясняется «искривленной» геометрией пространства-времени.

Известные американские физики Ч. Минзер, К. Торн и Дж. Уилер свою монографию об общей теории относительности, содержащую 1279 страниц большого формата, начинают со следующего шутливого рассказа. «Однажды в саду под яблоней лежал студент и размышлял о том, как по-разному понимали гравитацию Ньютон и Эйнштейн. Неожиданно он вздрогнул: рядом упало яблоко. Студент взглянул на него и заметил, как по его поверхности забегали муравьи. Ему стало любопытно, и он решил выяснить, по какому принципу муравьи выбирают свой путь.

Его взгляд упал на двух муравьев, отправившихся из одной и той же точки в направлениях, слегка отличающихся друг от друга. На этот раз их пути случайно пролегли вблизи углубления в верхней части яблока, причем по разные стороны от него. Каждый из муравьев добросовестно следовал вдоль своей геодезической. Каждый старался бежать по яблочной кожуре как можно прямее. Однако из-за собственной кривизны углубления их пути сначала пересеклись, а затем разошлись в совершенно разных направлениях.

«Можно ли придумать более удачную иллюстрацию для геометрической теории тяготения Эйнштейна? — задумчиво произнес студент. — Муравьи движутся так, будто их притягивает к яблочному черенку. Теперь я гораздо лучше понимаю, о чем говорится в этой книге».

И далее авторы заключают: «Пространство воздействует на материю, «указывая» ей, как двигаться. Материя, в свою очередь, оказывает обратное действие на пространство, «указывая» ему, как искривляться».

В этом объяснении все необычно — и неподдающееся наглядному представлению искривленное четырехмерное пространство-время, и необычность объяснения силы тяготения геометрическими причинами. Физика здесь впервые напрямую связывается с геометрией. И, знакомясь с успехами физики, чем ближе мы подходим к нашей эпохе, тем необычнее становятся ее открытия, а понятия все менее поддаются наглядным представлениям. И ничего не поделаешь! Природа сложна, и раз уж мы проникаем все глубже в ее тайны, то приходится мириться с тем, что это требует все больших усилий, в том числе и от нашего воображения. Наверное, слово «мириться» не очень здесь годится, скорее надо подчеркнуть, что становится все интереснее, хотя и труднее.

Сообщим читателю еще два факта из теории тяготения Эйнштейна.

В теории Ньютона поле тяготения определяется только массой создающего его тела. По теории Эйнштейна в создании тяготения участвуют все виды энергии — это и давление, и натяжение, если они имеются в теле, и электромагнитное поле. Второй важный факт — теория предсказывает, что при ускоренном движении тяготеющих масс должны излучаться волны тяготения подобно тому, как при ускоренном движении зарядов излучаются электромагнитные волны. (Жаль, но мы не будем здесь подробнее говорить о том, что такое волны тяготения.)

Оба эти предсказания теории Эйнштейна, отличающие ее от теории Ньютона, могут проявляться только в экзотических условиях, а в обычных ситуациях эффекты, связанные с этими предсказаниями, очень слабы и совершенно незаметны. Физики часто тяготение называют гравитацией, так иногда будем поступать и мы.

В обычных условиях теория Эйнштейна практически совпадает с теорией Ньютона. А в очень сильных гравитационных полях или же в полях, быстроменяющихся со временем, теория Эйнштейна приводит к выводам, существенно отличающимся от выводов ньютоновской Об этом мы еще поговорим.