Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Масса выполняет две различные функции

Полное подчинение гравитации выключает ее

Невесомость – особый вид взаимной гармонии падающих свободно. И для каждого участника это способ устранить гравитацию лично для себя. Стоит только полностью подчинить движение гравитации, как она, гравитация, как будто бы выключается: ни одна чашка не разобьется, как если бы никакой гравитации не было вовсе. Этот фокус неизменно удается безо всяких специальных приготовлений (кроме устранения других, негравитационных сил) именно потому, что масса тела делает два дела сразу: выражает его нежелание изменять свое движение (инерцию) и одновременно степень его участия в гравитационном взаимодействии. Ньютон, наблюдая за маятниками, смог установить, что эти две разные вещи действительно выражаются одним и тем же числом, с точностью около 10^–3 (одной тысячной). В 1908 г. опыты Этвёша дали результат около 10^–8 (одной стомиллионной). Неплохо, но, имея за плечами опыт предыдущей прогулки, уместно спросить, не может ли быть так, что это верно только при малых скоростях и/или для достаточно слабой гравитации? Ускорение свободного падения вблизи Земли невелико; сохранит ли движение под действием гравитации волшебное свойство «выключать» эту гравитацию, когда и ускорения, и скорости возрастут? Мы видели на прогулке 5, сколь многое из того, что кажется истинным при малых скоростях, на самом деле работает совсем по-другому. А все, что связано с гравитацией, приобретает дополнительную остроту: мгновенная передача гравитационного воздействия на сколь угодно большие расстояния, тревожившая уже Ньютона в 1692 г. (см. главу «прогулка 1»), после 1905 г. вступила в открытое противоречие с пониманием, что никакой физический агент не может распространяться быстрее света. В законе гравитации Ньютона скорость ее распространения не предусмотрена, а значит, этот закон в любом случае следует как-то модифицировать. Но как же узнать, остается ли «правильное» тяготение в том же сговоре с движением, из-за которого свободное падение происходит всегда одинаково для всех? Каким принципам доверять? Увы, от эксперимента реальной помощи тут нет: наши возможности разгонять что-то массивное до больших скоростей и ставить опыты с по-настоящему сильной гравитацией сильно ограничены, если выражаться оптимистически. Сверхточные измерения, позволяющие «ухватывать» крохи эффектов, в полной мере разворачивающихся где-то во Вселенной, но у нас проявляющих себя совершенно пренебрежимым образом, – это уже главным образом XXI век[101]. Тем не менее еще в начале XX в. удалось понять, как связаны движение, гравитация и материя, опираясь при этом на логические построения, примененные к удачно выбранному принципу и подкрепляемые необходимой математикой.

Достигнутое понимание двух вещей сразу – движения с любыми скоростями при наличии гравитации и самой гравитации, включая ее «производство», – известно как общая теория относительности, или теория гравитации Эйнштейна. Слово «относительность» указывает на равноправие различных (вообще-то всех) видов движения: законы природы никак не выделяют одни перед другими. Одинаковое действие законов природы для различных наблюдателей было в фокусе внимания на предыдущей прогулке, но только для наблюдателей из специального класса – движущихся равномерно и прямолинейно. Свободно падающие, или ускоряющиеся в ракете, или тормозимые трением, или разгоняемые солнечным ветром оставались дискриминированными по признаку наличия ускорения по отношению ко всему сонму «равномерных и прямолинейных» наблюдателей. Общая теория относительности – это полная победа демократии в отношении всех видов движения, но она потребовала вовлечения гравитации, а саму гравитацию пришлось для этого перепридумать. Из «теории всеобщего тяготения» гравитация в одной своей части превратилась в «теорию всеобщего свободного падения», а в другой – во взаимоотношения материи и пространства-времени. В результате мы научились понимать устройство Вселенной далеко за пределами курортного мирка Солнечной системы, но такая отдача потребовала серьезных инвестиций: полная теория достаточно сложна. К знакомству с ней приглашает тезис, принадлежащий Уилеру (он появлялся в главе «прогулка 5» и появится еще):

Это тизер общей теории относительности

Пространство-время говорит материи, как ей двигаться; материя говорит пространству-времени, как ему искривляться.