Пространство-время и природа тяготения

Примерно до 1910 года тяготение было просто концепцией; никто не знал, как оно действует. Даже сегодня оно все еще остается загадкой, и необходимы его дальнейшие исследования. Но в то время люди знали лишь то, что тяготение – это присущая все материи универсальная сила, которая заставляет массы притягиваться друг к другу1.

В действительности, тяготение – самая «демократичная» из всех сил. Она не зависит от природы материи, ее цвета, электрического заряда, магнитной полярности, от того, твердая она или мягкая, большая или маленькая. Все другие силы в природе зависят от точной природы материи, на которую они действуют. Например, магнитные силы действуют только на магнитные материалы. Но тяготение – это общее свойство всей Вселенной, действующее на все виды материи. Но что оно собой представляет?

Ученым известно, что вся материя обладает своего рода «упрямством», именуемым массой. Свойство части материи, называемое массой, обращаясь ко всей остальной Вселенной, говорит что-то вроде: «Позвольте мне двигаться по прямой, или я буду сопротивляться. Я сопротивляюсь, когда меня толкают или ускоряют. Коль скоро я двигаюсь посвоему пути, я буду оставаться на нем, пока вы не принуждаете меня поступать иначе!»

Вот так примерно говорила бы масса, если бы могла разговаривать. Иными словами, вся материя обладает массой: чем больше масса, тем больше сопротивление ускорению и изменению. Что же касается природы массы, то мы можем лишь говорить, что она упряма и противится изменению^[32]. Масса обладает инерцией, и для ускорения массы необходима сила. Большие планеты обладают большой массой, что означает сильное тяготение или эквивалентную ему большую кривизну пространства вокруг них.

Чтобы лучше понимать связь между массой и кривизной, вернемся к нашим рисункам эксперимента с лифтом. На этот раз сделаем в стенке лифта отверстие, через которое могут пролетать пули, выпущенные из пистолета.

Рис. 30.3. Что заставляет пули падать?

Когда мы стреляем из пистолета, оказывается, что пули не летят прямо, а падают. Поскольку имеется сила, тянущая лифт вверх, человек в лифте увидит, что пули падают на пол. Для человека в лифте, если бы лифт не ускорялся под действием крана или если бы на него не действовало тяготение, пули двигались бы прямо и попадали в стенку на противоположной стороне. Но поскольку лифт ускоряется, человек в нем видит, что пули падают.

С точки зрения Эйнштейна, весь лифт и, разумеется, его пол, движутся вверх навстречу пулям, но человеку в лифте кажется, что пули движутся вниз. Из прошлого опыта этот человек знает, что мяч или пуля падают под действием силы тяготения. Но его прошлый опыт не абсолютная истина!

С точки зрения Эйнштейна, пули стараются двигаться по прямой вследствие своей массы, а пол поднимается навстречу пулям в результате действия ускоряющей силы крана.

Свет, обладающей и волновыми, и корпускулярными свойствами, можно представлять себе как поток частиц, подобных пулям. Свет будет вести себя более или менее так же, как пули, несмотря на то что свет, в отличие от пуль, не имеет никакой массы.

Эйнштейн рассуждал, что поскольку свет будет стараться идти по прямой, то, если лифт ускоряется, свет, при прохождении через ускоряющийся ящик, будет выглядеть «падающим», как это было бы вблизи огромной планеты, воздействующей на него силой тяготения. Даже хотя свет не имеет массы, его путь выглядел бы искривляющимся. Поскольку об ускорении можно говорить как об изменениях в пространстве и времени (или искривлении пространства-времени), мы с тем же успехом можем сказать, что свет искривляется потому, что пространство вокруг этого лифта и внутри него искривлено. Основанием для этого служит то, что, согласно принципу эквивалентности, тяготение действует так же, как кривые в пространстве и времени.

Тяготение – или эквивалентное ему искривленное пространство-время – изгибает лучи света. Принцип эквивалентности утверждает, что поскольку тяготение эквивалентно ускорению (то есть кривым в пространстве-времени), то для достижения эффекта тяготения должно быть искривлено само пространство вблизи большой планеты. Иными словами, Эйнштейн понял: то, что Ньютон считал тяготением, представляет собой искривленное пространство-время.

При таком понимании тяготение перестает быть главной силой; вместо этого, оно становится проявлением искривленного пространства-времени. Кривизна – свойство подобное массе. Пространства вокруг нас искривляются в определенные времена и в определенных местах, и само пространство, в котором мы живем, действует на нас подобно субстанции!

Вывод, к которому пришел Эйнштейн, состоял в том, что свет искривляется из-за тяготения, то есть из-за искривления пространства.

Вам может показаться, что вся эта концепция слишком далека от повседневного опыта, чтобы быть правдоподобной. Но вы можете доверять своему чувству сновидения больше, чем повседневному опыту. Вы знаете, что когда вещи «становятся тяжелыми», кажется, что они искажают все вокруг. Но прежде чем углубляться далее в измененные состояния, давайте вернемся к физике.

Оказывается, что когда ученые действительно измеряли свет вблизи тяжелых планет, лучи света на самом деле изгибались под действием тяготения. Астрономы дожидались солнечного затмения и измеряли, как свет от других звезд изгибается в пространстве вблизи больших планет. Они обнаружили, что вычисления Эйнштейна были верны. Когда эти астрономы подтвердили, что пространство-время искривляется, это наделало много шума в научном сообществе.

Рис. 30.4. Искривление света и пространства-времени вблизи массивной планеты

Поскольку пространство вокруг тяжелой планеты искривлено, если свет, излучаемый яркой звездой в верхнем левом углу (рис. 30.4), проходит вблизи Солнца, то он будет казаться наблюдателю на Земле приходящим от звезды справа, а не оттуда, где действительно находится звезда. Эксперименты показали, что луч света от таких звезд изгибается, когда поблизости есть тяжелая планета или звезда, наподобие Солнца. Чем больше тяготение, тем больше искривляется путь света.

Вы вспомните, что черная дыра – это звезда, которая становится такой плотной, что втягивает в себя лучи света, пытающиеся пройти мимо нее. Таким образом, если тяжелая планета – это не Солнце, а самая плотная из всех планет, а именно черная дыра, то тяготение настолько искривляет пространство, что оно замыкает свет внутри себя.

Рис. 30.5. Из-за черной дыры наблюдатель вообще не видит звезды!

Свет старается следовать пространству; если пространство не искривлено, он движется по прямой линии. Но если лучи света искривляются, то, исходя из принципа эквивалентности, можно предполагать, что либо искривлено само пространство-время, либо поблизости есть большая планета, обладающая сильным тяготением. Что касается Эйнштейна, то он просто считал, что тяготение искривляет пространство-время.