Занимательно о космологии

Следующий шаг исследований был теперь неизбежен. Эйнштейн должен был узнать, какие эффекты мог обнаружить наблюдатель, если пространство само по себе не описывается геометрией Эвклида. Следующий шаг был шагом в новую область, в теорию тяготения. Правда, чтобы сделать его, Эйнштейну понадобилось десять лет напряженной работы. Результатом этого труда явились уравнения, описывающие поле тяготения, и пояснения к ним, занявшие четыре страницы статьи, опубликованной 2 декабря 1915 года.

Всю последующую жизнь, за небольшим исключением вроде работы, напечатанной в 1924 году и обобщающей идею индийского физика Бозе, Эйнштейн занимался разработкой принципов, открытых им в 1915 году.

Середина второго десятилетия XX века выдалась трудной. Догорал третий год мировой войны. По улицам стучали костыли. Слепые солдаты, прикрыв синими очками глаза, выжженные ядовитыми газами, молчаливо стояли в длинных очередях за пайком. Хлеб — по карточкам, уголь — по карточкам. В кайзеровской Германии табак не выдавали вовсе. В Берлине на улице Габерландштрассе на седьмом этаже дома номер пять в холодной, нетопленной комнате работал профессор Эйнштейн, держа погасшую трубку в зубах. Он писал работу об общей теории относительности. Она внесла еще более радикальные изменения в представления людей о пространстве и времени, чем специальная теория относительности. Главной целью, которую ставил перед собой автор теории, являлась попытка примирения учения Ньютона о тяготении, согласно которому сила тяготения распространяется мгновенно, с противоречащими этому взгляду выводами частной теории относительности, о постоянстве скорости света и принципе относительности.

Важнейшим фактом, положенным в основание общей теории относительности (ОТО), было равенство гравитационной массы любого тела (иначе массы, создающей поле тяготения этого тела) его инертной массе, то есть сопротивлению, которое оказывает это тело, находясь в состоянии равномерного прямолинейного движения, изменению этого состояния под воздействием какой-нибудь посторонней силы.

Основываясь на этом факте, Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, согласно которому отличить силу тяжести от силы инерции невозможно. А движение в поле тяготения всегда равносильно свободному движению по инерции. Короче говоря, никакой силы тяжести в ньютоновском понимании в теории Эйнштейна нет. И все привычные нам процессы, например падение камня на Землю или движение планет вокруг Солнца, а спутников вокруг планет, происходят благодаря инерции.

На первый взгляд сказанное звучит абсурдным парадоксом. Мы со школьной скамьи твердо знаем, что свободное движение равномерно и прямолинейно. А движение спутников и планет происходит по эллипсам. Камень же в поле тяготения падает ускоренно… Где же может происходить свободное движение? Очевидно, только в пространстве, полностью очищенном от гравитирующих масс, в пустом пространстве.

Действительно, чем дальше мы удаляемся от Солнца, тем меньше его влияние, тем радиус планетных орбит становится больше, а их движение как бы выпрямляется. Точно так же, чем выше мы поднимемся над Землей, тем меньше будет ускорение свободно падающего тела. Недоразумение исчезает, если принять во внимание, что движение по инерции согласно общей теории относительности происходит в искривленном пространстве-времени.

Свойства физического пространства вблизи тяготеющих масс отличаются от свойств пространства вдали от них. «Структура ОТО, — пишут Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков в статье „Общая теория относительности и астрофизика“, — такова, что уравнения гравитационного поля… совместимы только с таким движением масс… которое удовлетворяет уравнениям сохранения энергии и импульса». Это значит, что если в классической теории уравнения поля существовали отдельно от уравнений движения, то в общей теории относительности — ОТО — уравнения гравитационного поля содержат в себе уравнения движения. Принципиально этот важный вопрос был решен Эйнштейном совместно с сотрудниками Инфельдом и Гофманом. Советские теоретики В. А. Фок и Н. И. Петрова получили сходные результаты для обычного вещества.

Разрабатывая общую теорию относительности, Эйнштейн создал для нее и своеобразный математический аппарат, называемый в силу нашей любви к аналогиям псевдоримановой геометрией.

Если представить себе, что мы с вами, уважаемый читатель, равномерно плывем в «пустом» четырехмерном пространстве-времени, то линии наших с вами жизней выразятся некими прямыми. Вспомните мировую линию Минковского. Но стоит на нашем пути встретиться какой-нибудь массе, обладающей тяготением, как наши мировые линии искривятся. Так, если отправиться в дальнее космическое путешествие и задаться целью зарегистрировать мировую линию своего полета, то мы вправе ожидать, что, проходя мимо планет, эта линия будет слегка искривляться (поле тяготения планет сравнительно невелико), пролегая мимо звезд, искривление будет значительно большим, а в межгалактических просторах мировая линия будет почти выпрямляться, так как там поля тяготения чрезвычайно слабы.