Вселенная внутри вас

Находясь на орбите, станция стремится улететь от Земли по прямой линии, но падает, повинуясь силе притяжения. Оба движения компенсируют друг друга, благодаря чему станция продолжает оставаться на прежней высоте, но при этом все же падает. Когда Эйнштейн размышлял над своей теорией, его посетила еще одна замечательная мысль: луч света, который пересекает внутри движущийся с ускорением космический корабль, будет отставать от его движения и, как следствие, изгибаться. Но если гравитацию невозможно отличить от ускорения, то и гравитационное поле тоже должно отклонять свет.

Разум меньшего масштаба, чем у Эйнштейна, мог бы, пожалуй, прийти к выводу, что свет притягивается гравитационным полем, как и все прочие предметы. Но у ученого родилась по этому поводу совершенно немыслимая идея: а что, если массивный объект типа Земли вовсе не притягивает другие объекты, а просто искривляет пространство и время? В этом случае луч света тоже будет отклоняться.

Чтобы продемонстрировать общую теорию относительности в действии, часто пользуются наглядным образом тяжелого шара для боулинга, положенного на натянутую резиновую пленку, которая символизирует пространство и время. Мяч давит на пленку и прогибает ее поверхность. Если вы представите себе луч света, движущийся внутри пленки, то в месте прогиба он пойдет по дуге. Масса искривила пространство и время и изменила направление луча. С точки же зрения света он продолжает двигаться по прямой линии. Просто пространство и время, в котором он движется, искривлены.

Отсутствие взаимодействия на расстоянии

Самое замечательное в подходе общей теории относительности к гравитации – это то, что она исключает не дававшую всем покоя концепцию взаимодействия между двумя телами на расстоянии. Все, что имеет массу, искривляет пространство и время вокруг себя. Даже ваше тело создает определенные, хотя и крошечные искажения пространства и времени. Поэтому, если другое тело попадает в искривленную часть пространства и времени, оно испытывает на себе действие гравитации.

Модель с резиновой пленкой довольно удачна, но все же не дает полного представления об этом явлении. Во-первых, пространство и время представлены в ней в двухмерном виде, а реальный мир имеет три пространственных измерения и одно временн бе. Кроме того, эта модель не позволяет понять, почему тело (например, знаменитое яблоко Ньютона) начинает двигаться, испытывая на себе гравитационное воздействие другого тела.

Чтобы это объяснить, обычно кладут маленький шарик на край резиновой пленки, который скатывается в образовавшийся прогиб. Но почему шарик начинает двигаться? Что приводит его в движение? Ну, в общем… гравитация. Такое объяснение гравитации через гравитацию является так называемым логическим кругом, при котором утверждение выводится из самого себя, а следовательно, не имеет никакого смысла.

В действительности же все еще удивительнее. Возьмите яблоко и выпустите его из руки. Яблоко притягивается к Земле, а Земля – к яблоку. Однако Земля обладает несравнимо большей массой, поэтому притягивает сильнее. Как только вы отпустите яблоко, оно тут же начнет падать, двигаясь все быстрее и быстрее.

Почему это происходит с точки зрения общей теории относительности? Дело в том, что масса Земли искривляет не просто пространство, а пространство и время. Хотя до этого яблоко было неподвижным в пространстве, оно перемещалось во времени. При искривлении пространства и времени движение во времени частично переносится в другое измерение. Но поскольку у времени существует только одно измерение, значит, движение во времени превращается в движение в пространстве. Яблоко испытывает на себе ускорение и падает на землю из-за искривления времени. От подобных объяснений голова идет кругом, но это действительно так.

Замедлите свои часы

Вы, должно быть, подумали, что если тело теряет часть своего движения во времени, то время в гравитационном поле течет медленнее. Вы правы. Спутники системы ОР8 постоянно сверяют время с очень точными часами на Земле. Эта корректировка необходима из-за временных смещений, вызванных следствиями другой великой теории Эйнштейна – специальной теории относительности. В соответствии с ней время в движущемся объекте течет медленнее. Поэтому часы на спутниках должны слегка запаздывать по сравнению с часами, находящимися на Земле. Но, помимо этого, спутники испытывают на себе меньшее гравитационное воздействие, так как находятся достаточно далеко от Земли. Если сложить оба фактора, то оказывается, что часы на них в общем итоге идут быстрее, чем на Земле. Именно это забегание вперед и приходится корректировать, чтобы обеспечить точность работы системы ОР8.

Эксперимент с принципом эквивалентности