Гравитация

В 1905 году Эйнштейн открыл, что все формы энергии имеют эффективную массу. А значит, все они должны порождать силу тяготения. При этом одной из форм энергии является гравитационная энергия, то есть энергия самого искривлённого пространства-времени. Удивительно, но искривлённое пространство-время не только само по себе является гравитацией, но и выступает как источник дополнительной гравитации. Гравитация порождает саму себя!

Соответственно, рядом с Солнцем гравитация окажется сильнее, чем предсказывал Ньютон, и на неё не будет распространяться закон обратных квадратов.

Величайшим триумфом Ньютона было доказательство того, что тело, подчиняющееся закону обратных квадратов, движется по эллиптической орбите. Из этого можно сделать вывод, что если закон обратных квадратов не распространяется на тело, то и его орбита не является эллиптической. Вместо этого она имеет форму эллипса, который постоянно осуществляет прецессию, то есть постоянно меняет свою ориентацию в пространстве, придавая орбите розетковидную форму.

Эйнштейн рассчитал орбиту Меркурия. Согласно его теории прецессия орбиты происходит из-за воздействия искривлённого пространства-времени вблизи Солнца. Значение этой прецессии составляет 43 секунды дуги каждые 100 лет.

Именно эта необычная прецессия уже полвека занимала умы астрономов, и именно она натолкнула Леверье на мысли о существовании планеты Вулкан.

Разумеется, никакого Вулкана на самом деле нет. Аномальное движение Меркурия вовсе не указывало астрономам на существование ещё одной планеты, скрытой за светом Солнца, а подтверждало нечто невообразимое. Оказывается, Исаак Ньютон ошибался.

«Теория полностью соответствует результатам наблюдений», — заключил Эйнштейн в конце лекции, на которой он представил Прусской академии результаты расчётов орбиты Меркурия. Ему удалось перевернуть с ног на голову всю физику последних 200 лет и доказать, что величайший из когда-либо живших учёных был не прав, но он смог не выказать своих истинных чувств. Его переполняли эмоции, он был вне себя от восторга,[175] а его сердце было готово выскочить из груди.[176]

Физики могут исписывать доски бесчисленными формулами, но нужно приложить усилия, чтобы поверить, что природа действительно живёт по открытым ими законам. Когда это подтверждается, учёные часто оказываются шокированы.

После восьми лет упорного труда Эйнштейн наконец добрался до вершины, а туман, окутывавший каждый его шаг, рассеялся. Перед ним открылся залитый солнечным светом пейзаж, который не видел ещё ни один человек до него. Эйнштейн говорил: «Много лет ты ищешь истину во мраке, истину, которую чувствуешь, но не можешь объяснить. Ты стремишься к ней всеми силами, переживаешь бесконечные периоды уверенности и разочарования, и наконец наступает ясность. Подобное ощущение может понять лишь тот, кто пережил всё это».[177]

На самом деле Эйнштейн был не единственным учёным, предположившим, что необычное движение Меркурия можно объяснить тем, что рядом с Солнцем сила притяжения несколько выше, чем предполагает закон Ньютона. В конце XIX века американский астроном Саймон Ньюком,[178] отмечал, что эта аномалия могла бы быть устранена, если бы сила притяжения ослабевала не в соответствии с законом обратных квадратов, то есть не во второй степени, а в степени 2,0000001612.[179]

Такое изменение испортило бы элегантную простоту закона Ньютона, но даже если Природа выбирает не самый красивый вариант, нам остаётся лишь согласиться с ним. Идея Ньюкома потерпела неудачу лишь потому, что, хотя его запутанный закон притяжения и объяснял движение Меркурия, он не мог описать движение Луны.

Объяснение Эйнштейна было применимо и к Меркурию, и к Луне. Вблизи Солнца, обладающего огромной массой, пространство-время было достаточно искривлено, чтобы вызвать заметную аномалию движения. Ближе к Земле пространство-время искривляется меньше, так что мы не видим ничего необычного в движении Луны.

История повторялась. Хендрик Лоренц и Джордж Фицджеральд предполагали, что длина тела укорачивается, когда оно движется со скоростью, близкой к световой, но не смогли это фундаментально обосновать. А Эйнштейну это удалось. Точно так же и Ньюком предположил, что сила гравитации вблизи Солнца должна быть немного выше той, что предполагал Ньютон, но не сумел дать этому факту фундаментальное (а в данном случае даже верное) обоснование. В отличие от Эйнштейна.

Уравнения поля Эйнштейна

Давление со стороны Гилберта, постоянно дышавшего Эйнштейну в затылок, дало положительный эффект. В течение недели, предшествовавшей его последней, четвёртой лекции, после восьми лет упорного труда практически в последнюю секунду Эйнштейн достиг своей цели. Двадцать пятого ноября 1915 года, застегнув пальто на все пуговицы, чтобы не чувствовать холода, он прошёл по улице Унтер-ден-Линден до Прусской академии и написал на доске перед аудиторией уравнение:

G_μν = 8πGT_μν / c⁴.