На лужайке Эйнштейна

До того я читала обычные объяснения. Что постоянством скорости света пространство и время сшиты вместе в четырехмерный пространственно-временной континуум. Что массы или энергии в этом пространстве-времени вызывают деформацию его метрических свойств, определяют ландшафт склонов и долин, который мы называем гравитационным полем. Что то, что предстает перед нами как сила тяжести, в действительности является скрытой геометрией пространства.

Итак, гравитация – это не сила, это искривление пространства-времени. Все это говорят. Но я не вижу, в чем здесь суть. Конечно, «искривление пространства-времени» звучит загадочно и таинственно, как и «гравитационные силы». Это было как замена одного фантома на другой.

– Взгляни на это с другой стороны, – сказал отец, открыв чистый лист бумаги в одном из желтых блокнотов, которые всегда лежали у нас на письменном столе.

– Вот диаграмма Вселенной, – он начертил прямым углом систему координат, где вертикальной осью обозначалось время, а горизонтальной – пространство.

– Вот тут, – он провел рукой по чистому полю внутри нарисованного угла, обрамленного осями координат, – четырехмерный пространственно-временной континуум. Предположим, я двигаюсь сквозь пространство-время с постоянной скоростью. Это – я.

Он провел прямую линию по диагонали:

– А ты двигаешься с какой-то другой, но тоже постоянной скоростью, вот здесь.

Он провел вторую прямую линию немного под другим углом.

– Но мы оба наблюдаем один и тот же мир. Он может выглядеть по-разному для каждого из нас, мы каждый по-своему измеряем расстояния и время, и то, что выглядит пространством для тебя, может выглядеть как время для меня… но, в конечном счете, это же просто один мир, который описывается с двух различных точек зрения, верно? Так, специальная теория относительности дает уравнения, которые позволяют поворачивать мой путь в пространстве-времени, пока он не совпадет с твоим. Это преобразования Лоренца. Ты можешь вращать систему координат до тех пор, пока одна линия идеально не совпадет с другой. Это говорит о том, что мы наблюдаем один и тот же мир.

– Ладно, – сказала я.

Было любопытно посмотреть, к чему он клонит.

Он перевернул лист желтой бумаги и быстро начертил новые оси координат.

– Итак, я снова здесь, – сказал он, проводя прямую под углом. – Но ты на этот раз двигаешься с ускорением. Мировая линия ускоренного движения в координатах пространства-времени изогнута, потому что ты проходишь все бо́льшие расстояния за все меньшее время.

Он нарисовал кривую линию, которая устремилась вверх к правому углу страницы.

– Теперь представь себе, как повернуть кривую, чтобы она совпала с моей прямой линией.

Я на минуту задумалась:

– Это невозможно, – сказала я. – Кривая никогда не сможет совпасть с прямой линией.

– Но это возможно, – возразил он. – Эйнштейн знал, что должна существовать такая возможность, потому что есть только одна Вселенная. Если мы не можем получить из кривой прямую, это означает, что мы с тобой видим совершенно разные миры только потому, что я двигаюсь с постоянной скоростью, а ты с ускорением.

– Эйнштейн открыл, как можно кривую линию преобразовать в прямую?

– Ага. – Отец посмотрел на меня, ухмыляясь. – Сверни лист бумаги.

Вдруг все прояснилось. Это было как озарение. Где-то хор пел «Аллилуйя!» Согнуть бумагу! Если вы свернете лист бумаги так, как нужно, вы можете превратить кривую линию в прямую. Гравитация эквивалентна сворачиванию листа бумаги. Общая теория относительности одновременно чрезвычайно глубока и невероятно проста – классический случай нестандартного мышления.

– Этот Эйнштейн был какой-то дьявольский гений, да? – спросила я.

– Изгиб бумаги, то есть пространства-времени, называется диффеоморфным преобразованием, – сказал отец. – Мы должны уметь искривлять пространство-время, чтобы каждый видел одну и ту же реальность. В нашем четырехмерном пространстве-времени мы видим кривизну как гравитацию.

Общая теория относительности говорит, как склеить обратно реальность, разбитую различными точками зрения. Мы можем находить соответствие между наблюдениями, сделанными в инерциальных и ускоренных системах координат. Для этого нам просто нужна сила тяжести. Инерциальная система отсчета в гравитационном поле эквивалентна ускоренной системе без гравитационного поля. Это означает, что в самом ускорении нет ничего принципиально нового и что все наблюдатели, независимо от состояния их движения, равноправны. Вселенная выглядит по-разному в зависимости от той или иной точки зрения, но в конечном итоге есть только одна окончательная реальность.