Вселенная внутри вас

Когда вы сидите и читаете эту книгу, на вас действует сила гравитации. Притяжение Земли – одна из четырех природных сил (о трех остальных мы поговорим чуть позже). Она действует на расстоянии, и это не дает покоя ученым уже на протяжении сотен лет. Когда Ньютон в своем фундаментальном (и, честно говоря, трудночитаемом) сочинении «Математические начала натуральной философии» описал, каким образом гравитация удерживает планеты на орбитах, многие современники подняли его на смех, потому что понятие притяжения, существующего на расстоянии между двумя телами, было непонятным. Его идеи назвали «оккультными» и «абсурдными».

Проблема в том, что для того, чтобы воздействовать на что-то на расстоянии, нужно что-то направить от А к Б. Если вы хотите, чтобы ваза упала с подоконника, надо в нее что-нибудь бросить. Одной только силы мысли для этого недостаточно. Если вы хотите, чтобы я вас услышал, то должны послать мне по воздуху звуковые волны. Но гравитация, как мы видим, действует на тела без всяких посредников. Ньютону оставалось только пожать плечами и признаться: «У меня на этот счет нет гипотез». Он не понимал, как действует гравитация, но сумел описать в математических формулах последствия этого действия – от падения яблока до вращения планет по своим орбитам.

Искривление пространства и времени

Человека, который устранил эту проблему и понял, каким образом гравитация удерживает наше тело на земле, звали Альберт Эйнштейн. Если вы спросите прохожих на улице, чем он знаменит, то, скорее всего, услышите в ответ его знаменитую формулу Е = mc², описывающую соотношение массы и энергии (и это действительно важно). Но если спросить ученых, то они ответят, что самым впечатляющим его достижением было создание общей теории относительности, объясняющей принцип действия гравитации.

Данная теория неимоверно сложна, особенно ее математическое обоснование. Даже сам Эйнштейн испытывал с этим большие трудности и обращался за помощью к лучшим математикам. Однако базовые принципы, лежащие в ее основе, очень просты и даже тривиальны. Они пришли Эйнштейну в голову в 1907 году, когда у него на работе выдалось свободное время. Вот как он это описывал: «Я сидел в кресле в Бернском патентном бюро, как вдруг мне в голову пришла мысль: «В свободном падении человек не ощущает своего веса». Я был поражен. Эта простая мысль произвела на меня огромное впечатление. Развив ее, я пришел к теории тяготения». Позднее он писал, что это была «самая счастливая идея» в его жизни.

Эйнштейн исходил из принципа эквивалентности, который гласит, что гравитация и ускорение идентичны. Если вы, допустим, сидите в ракете, не имеющей иллюминаторов, и чувствуете, что вас прижимает к полу, то никакие эксперименты не помогут вам точно определить, какая сила на вас действует – сила гравитации или сила ускорения космического корабля. Различить эти две силы невозможно.

Конечно, вы можете попробовать схитрить и воспользоваться прибором GPS, который подскажет, где вы находитесь и с какой скоростью движетесь. Можно также попробовать провести измерения в различных частях корабля. Если речь идет о гравитации, то она должна быть чуть слабее в той его части, которая наиболее удалена от Земли. Но Эйнштейн имел в виду другое: если вы произведете измерение в данной конкретной точке и не будете использовать приспособления, позволяющие каким-то образом увидеть, что происходит вокруг корабля, то определить, что является источником силы – гравитация или ускорение, будет невозможно.

Поскольку обе силы эквивалентны, вы можете использовать ускорение, чтобы противодействовать гравитации и таким образом полностью устранить ее действие. Именно это происходит при свободном падении. Вы наверняка видели тренировки астронавтов в условиях невесомости, проводящиеся в самолете, который движется по параболической траектории (его еще называют «рвотной кометой»). Самолет набирает высоту, а затем с ускорением летит к земле по определенной траектории и с определенной скоростью, что полностью устраняет эффект гравитации. Все находящиеся внутри в течение примерно 20 секунд могут свободно летать по салону, пока самолет не выйдет из пике.

Падение без столкновения с землей

То же самое произойдет с вами, если вы попадете на Международную космическую станцию. Астронавты практически не испытывают там силы тяжести, и вовсе не потому, что находятся далеко от Земли. На высоте орбиты МКС сила притяжения Земли все равно составляет около 90 процентов от той, которую мы испытываем на ее поверхности. Дело в том, что орбита станции (и всех ее обитателей) представляет собой траекторию постоянного падения с равномерной скоростью, которое компенсирует гравитацию. Единственная причина, по которой это падение не завершается ударом о землю и взрывом, заключается в том, что станция постоянно «промахивается» мимо Земли.

Луч света, пересекающий внутреннее пространство космического корабля