Знание-сила, 2002 № 01 (895)

Как шутят физики, в любой проблеме есть три стадии понимания: сначала все непонятно, на следующей стадии все кажется кристально ясным, а затем снова возникают вопросы и проблема выглядит даже более темной и загадочной, чем вначале. Более полувека созданная Эйнштейном общая теория относительности или теория гравитации, как ее еще называют, считалась образцом физической теории. Еще недавно известный советский физик А. Компанеец писал о ней в своей книге: «Ни один вопрос, конечно, разумный, не остается без ответа, нигде нет трудностей или неясностей даже в мельчайших деталях». Однако сегодня мы знаем, что это – самая противоречивая и спорная из всех нам известных теорий. Академиком А.А. Логуновым (он научный руководитель подмосковного Института физики высоких энергий) и его сотрудниками создана альтернативная теория всемирного тяготения. Но и она, как доказывают некоторые физики, чревата противоречиями. Нет согласия в самом главном – что такое гравитация: чисто геометрический феномен, проявление кривизны пространства, как учит Эйнштейн, или «размазанное» по пространству материальное поле, в чем убеждены сторонники теории Логунова? На семинарах и конференциях идут жаркие споры, по темпераменту и остроте высказываний не уступающие тем, что бушуют в нашей Думе в Охотном ряду… А, может, дело просто в том, что мы имеем на руках пока лишь отдельные, еще плохо стыкующиеся, огрубленные фрагменты некой будущей теории? Фундаментальные идеи, ломающие привычные нам представления, всегда рождаются там, где проявляются парадоксы и противоречия. Это точки роста нашего знания, где исследования наиболее интересны, но и очень трудны. Тут, как говорится, голова идет кругом!

Четырехмерный мир

Люди всегда были уверены в том, что пространство и время не связаны между собой, что это – совершенно разные сущности. В геометрии Евклида, которая более двух тысячелетий была основой естествознания, нет ни слова о времени. Однако сто лет назад, в самом начале прошлого века, французский математик А. Пуанкаре пришел к выводу о том, что, на самом деле, пространство и время являются компонентами единого целого, которое за неимением лучшего термина стали называть пространственно-временным четырехмерием. Из формул Пуанкаре следовало, что при определенных условиях пространственные и временная компоненты могут, образно говоря, перемешиваться, когда пространство становится зависящим от времени, а время – от пространства, и тогда длины предметов изменяются, а ход часов ускоряется или замедляется. Коэффициенты в формулах зависят от скорости. При малых скоростях четырехмерная геометрия совпадает с евклидовой, а при больших, близких к скорости света размеры тел и темп происходящих с ними событий становятся зависящими от скорости их движения.

Вообще говоря, формулы, связывающие размеры и показания движущихся часов с неподвижными, несколько раньше были уже установлены голландским физиком X. Лоренцем на основе анализа опытов с распространением света, однако в глазах физиков они выглядели весьма искусственными и даже несколько сомнительными соотношениями, что-то вроде временных строительных лесов, придуманных для того, чтобы как-то связать концы с концами при объяснении экспериментов. Работы Пуанкаре и особенно появившаяся годом позже статья А. Эйнштейна, анализировавшая электродинамику движущихся сред, объяснили смысл формул Лоренца – это всего лишь фрагменты геометрии четырехмерного пространственно-временного мира. В этом мире, как и в трехмерном, можно поворачивать системы координат. Описывающие такие повороты соотношения как раз и есть преобразования Лоренца, а записанные в более абстрактной математической форме – это формулы Пуанкаре.

Оказалось, что в природе есть два типа величин: не зависящие от выбора системы координат, то есть от точки зрения наблюдателя, инварианты – и величины, в частности, длины предметов, зависящие от скорости их движения по отношению к наблюдателю. Неподвижный и движущийся наблюдатели видят их по-разному. Отсюда и название – «теория относительности», утвердившееся после появления в журнале получившей большую известность статьи Эйнштейна.

Вместе с тем в библиотеках можно найти книги, в которых геометрия пространственно-временного четырехмерья излагается чисто математически, на языке теории групп и координатных преобразований без упоминания каких-либо скоростей и других механических величин, имеющих в четырехмерном мире чисто геометрический смысл.

Сменившая наглядную трехмерную геометрию Евклида четырехмерная геометрия Пуанкаре, объединяющая воедино пространство и время, является исходной точкой современной релятивистской физики – физики высоких скоростей. Четырехмерный мир – одно из самых важных открытий XX века. В его справедливости у физиков нет сомнений, хотя с позиций обыденного житейского опыта оно настолько удивительно, что до сих пор предпринимаются попытки доказать его ошибочность [1 Подробнее об этом можно прочитать в статье автора «Кто опроверг теорию относительности?» в №7 нашего журнала за 1993 год.]

Эпицентр споров