Семь этюдов по физике

Ньютон попытался объяснить причину, по которой предметы падают, а планеты вращаются. Он вообразил, что существует сила, притягивающая все материальные тела друг к другу, и назвал ее силой тяготения. Как эта сила проявлялась по отношению к удаленным друг от друга объектам, между которыми не было ничего, оставалось неясно – и великий отец современной науки опасался выдвигать предположения. Ньютон также считал, что тела перемещаются по пространству и что пространство – вместительный пустой контейнер, большая коробка, содержащая в себе Вселенную, необъятная структура, по которой все объекты движутся прямо, пока сила не вынудит их траектории искривиться. Из чего сделано это пространство, этот контейнер для мира, изобретенный Ньютоном, он сказать не мог. Однако за несколько лет до рождения Эйнштейна два выдающихся английских физика, Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл, добавили в ньютоновский бесстрастный мир ключевой ингредиент: электромагнитное поле. Это поле – реальная сущность: распределенное повсюду, оно переносит радиоволны, наполняет пространство, колеблется, как поверхность озера, и «передает» электрическую силу. Еще с юности Эйнштейн был зачарован этим электромагнитным полем, вращающим роторы на электростанциях, построенных благодаря его отцу, и вскоре начал понимать, что гравитация, как и электричество, должна также переноситься полем: должно существовать «гравитационное поле», аналогичное электрическому. Он задался целью понять, как это гравитационное поле работает и как его можно описать уравнениями.

И тогда необычайная мысль посетила его, абсолютно гениальная идея: гравитационное поле не распределено по пространству, гравитационное поле и есть само это пространство. Вот в чем смысл общей теории относительности. Ньютоновское «пространство», в котором движутся предметы, и «гравитационное поле» – совершенно одно и то же.

Это был миг прозрения. Серьезное упрощение мира: пространство больше не было чем-то отличным от вещества, оно стало одной из «материальных» составляющих мира. Колеблющейся, изгибающейся, искривляющейся, закручивающейся. Мы не содержимся внутри невидимой жесткой структуры: мы погружены в гигантскую гибкую раковину улитки. Солнце искривляет пространство вокруг себя, и Земля вращается вокруг него не под действием загадочной силы, а потому, что несется по прямой в пространстве, которое изгибается, – как шарик, скатывающийся в воронку. Нет никаких таинственных сил, порождаемых в центре воронки; ее изогнутые стенки – вот что заставляет шарик скатываться. Планеты вращаются вокруг Солнца, а предметы падают, потому что пространство искривляется.

Как описать это искривление пространства? Самый выдающийся математик XIX столетия Карл Фридрих Гаусс – его называют королем математиков – вывел формулу для описания двумерных искривленных поверхностей, таких как поверхности холмов. Затем он попросил своего одаренного студента обобщить теорию, чтобы охватить пространства трех или более измерений. Упомянутый студент, Бернхард Риман, написал впечатляющую докторскую диссертацию на эту тему, которая кажется совершенно бесполезной. Вывод его работы состоял в том, что свойства искривленного пространства отражает определенное математическое понятие, которое мы знаем сегодня как риманову кривизну и обозначаем буквой R. Эйнштейн написал уравнение, гласящее, что R эквивалентна энергии материи. Иными словами, пространство искривляется там, где есть материя. Вот и все. Уравнение умещается на половине строчки, полностью. Предвидение – что пространство искривляется – стало уравнением.

Однако в этом уравнении – целая вселенная. И невероятное богатство теории раскрывается в фантасмагорической цепи предсказаний, которые напоминают исступленный бред безумца, но все до единого подтвердились.

Прежде всего, уравнение описывает, как пространство изгибается около звезды. Из-за этого искривления не только планеты действительно обращаются вокруг звезды, но свет перестает распространяться по прямой линии и отклоняется от нее. Эйнштейн предсказал, что Солнце вынуждает свет отклоняться от прямой. В 1919 году это отклонение было измерено – предсказание оправдалось. Но не только пространство искривляется, время тоже. Эйнштейн предсказал, что время бежит быстрее высоко наверху, чем внизу, ближе к Земле. Это было измерено и оказалось верным. Если человек, живший на уровне моря, встретится со своим близнецом, жившим в горах, он обнаружит, что родственник чуть старше его. И это лишь начало.

Когда большая звезда сжигает все свое сгораемое вещество (водород), она умирает. Остатки звезды больше не поддерживаются теплом сгорания и сжимаются под собственным весом в точку, где искривляют пространство настолько, что оно схлопывается в настоящую дыру. Это знаменитые черные дыры. Когда я учился в университете, их считали предсказаниями заумной теории, вызывающими мало доверия. Сегодня астрономы наблюдают их в небе сотнями и очень детально изучают.