Чтение онлайн

Почему же Эйнштейн считал существенной эту возможность смены ролей инерции и гравитации в тот момент, когда он писал обзорную статью по специальной теории относительности в 1905 г.? Вспомним главное интуитивное утверждение принципа относительности в том виде, как его сформулировал Галилей: «движение неотличимо от покоя». Однако это утверждение относится только к движению по прямой и c постоянной скоростью. Все знали, что только на корабле, который плавно движется в неизменном направлении, невозможно обнаружить эффект этого движения. Когда корабль резко поворачивает или ускоряется, пассажиры в каюте могут это почувствовать. Таким образом, до Эйнштейна все думали, что принцип относительности применим лишь к прямолинейному и равномерному относительному движению. Между тем Эйнштейн понял, что он может распространить принцип относительности на случай ускоренного движения (как по прямой, так и на криволинейных участках в поворотах). Однако, чтобы разобраться с таким обобщением, необходимо было принять во внимание гравитацию. Он не мог более говорить, что «ускоренное движение неотличимо от покоя», но он мог сказать, что «ускоренное движение неотличимо от гравитационного поля». Другими словами, что существует эквивалентность между ускорением и гравитацией.

Как мы уже говорили, научная методология Эйнштейна состоит, по возможности, в принятии в качестве отправной точки некоторых общих принципов, позволяющих связывать законы физики. Таким образом, в 1907 г. он предложил новый физический принцип: принцип эквивалентности гравитации и ускорения (или гравитации и инерции, поскольку кажущиеся эффекты внешнего ускорения называются «силами инерции»). В руках Эйнштейна этот принцип стал уникальным инструментом для построения в 1907–1915 гг. обобщения теории относительности 1905 г. Эта теория получила название обобщенной теории относительности, или, проще говоря, общей теории относительности.

Общую теорию относительности, или теорию гравитации, Эйнштейна можно резюмировать одной фразой: пространство-время имеет эластичную структуру, которая деформируется из-за присутствия внутри нее массы-энергии.

Мы постараемся помочь читателю понять смысл этой фразы шаг за шагом без использования уравнений или каких-либо математических формул. Возможно, вначале будет полезно предложить определенный образ эластичной структуры, деформированной наличием в ней материи. Этот образ будет, конечно, неполным и в некотором смысле вводящим в заблуждение, но мы постараемся сделать его как можно ближе к тому образу пространства-времени, который создает теория Эйнштейна.

Образ, который мы хотим предложить читателю, – это не упрощенный образ, нередко возникающий в статьях и популярной литературе, где массивный шар помещается на резиновый лист, деформирующийся под его весом. Хотя этот образ действительно содержит аспекты, аналогичные тем, что существуют в теории Эйнштейна, но он создает серьезное неудобство, поскольку содержит некоторые весьма обманчивые черты. Например, он предполагает, что деформация листа может рассматриваться только как искривление во внешнем по отношению к листу пространстве, а также что эта деформация возможна только благодаря внешнему гравитационному полю, действующему на шар. Что действительно отражает суть теории Эйнштейна, так это то, что деформация пространства-времени есть чисто внутреннее свойство, присущее пространству-времени, и нет необходимости в дополнительных измерениях, для того чтобы его представить.

Отметим также, что мы будем стараться, насколько это возможно, избегать использования слова «кривизна» применительно к пространству-времени или выражения «искривленное пространство-время». В самом деле, для большинства людей слово «искривленный» сразу вызывает образ линии или поверхности, которые имеют кривую форму в некотором большем внешнем пространстве, как, например, поверхность сферы в обычном (трехмерном) евклидовом пространстве. Кривизна, о которой говорится в теории Эйнштейна, не есть кривизна такого типа (даже если сфера действительно искривлена в том смысле, который использует Эйнштейн), а представляет собой внутреннюю деформацию, не нуждающуюся в дополнительных измерениях, чтобы существовать. Вот почему мы должны везде заменить слово «кривизна» на слово «деформация», а прилагательное «искривленный» – на «деформированный». Мы надеемся таким образом избежать сковывания воображения читателя вводящими в заблуждение ассоциациями.

Образ, который мы предлагаем в качестве аналога пространственно-временной структуры общей теории относительности Эйнштейна, является кулинарным – блюдо под названием телятина заливная! Более конкретно: представим желе, содержащее длинные волокнистые куски телятины и другие ингредиенты (например, кусочки овощей). Желе символизирует здесь пространственно-временную структуру. Читатель может представить, что если это желе не содержит ни мяса, ни овощей, то оно будет иметь однородную и изотропную структуру, т. е. будет иметь одни и те же свойства повсюду и в любом направлении. Это единообразное состояние желе является аналогом хроногеометрической структуры пространства-времени Минковского в том виде, как она была представлена на рис. 3, т. е. в виде регулярной и единообразной сетки пространственно-временных «песочных» часов. Мы будем называть это состояние «недеформированным» состоянием желе (или пространства-времени).

Затем мы можем рассмотреть несколько различных способов деформации этого единообразного состояния. Если периодично трясти один из краев желе, оно начнет колебаться, или, другими словами, в нем будут распространяться колебательные волны. Эти упругие колебания в желе имеют непосредственный аналог в пространстве-времени, которое также допускает возможность распространения деформационных волн своей структуры, имеющих название «гравитационные волны». Можно также ограничиться статическим сжатием желе, надавливая в противоположных направлениях с двух сторон. Это действие, конечно, деформирует внутреннюю часть желе и притом анизотропным образом: одни направления будут сжиматься, а другие – растягиваться. Наконец, длинные волокна мяса внутри желе являются аналогами мировых линий материальных частиц в пространстве-времени (см. рис. 3). Можно представить, что желе в непосредственной близости от волокон мяса более насыщенное или, проще говоря, содержит большее количество питательных веществ, нежели обычное желе. Это аналогично тому, что пространство-время становится тем больше деформированным, чем ближе оно находится к распределенной массе-энергии.

Вернемся к общей теории относительности и определим понятие «деформированного» пространства-времени. Напомним сначала хроногеометрическую структуру «недеформированного» пространства-времени: ту, что имеет место в специальной теории относительности, в том виде, как она определена Пуанкаре и Минковским. Эта структура задается с помощью квадрата интервала между двумя точками пространства-времени, т. е. между двумя событиями. Квадрат интервала между любыми двумя точками получается как алгебраическая сумма четырех квадратов путем обобщения теоремы Пифагора: три из этих квадратов (разностей по длине, ширине и высоте между двумя событиями) входят в сумму со знаком плюс, а четвертый квадрат (разности временных показаний, умноженной на скорость света) – со знаком минус. Исходя из этого геометрическое место точек, удаленных от заданной точки на квадрат интервала, равный +1, формирует в пространстве-времени не (гипер)сферу, а (гипер)поверхность, которая напоминает песочные часы, т. е. два конуса, соединенных узкой горловиной {67} . Структура такого «недеформированного» пространства-времени является однородной, т. е. одной и той же повсюду в пространстве-времени. Какое бы событие мы ни выбрали для локального изучения пространства-времени, вокруг него мы увидим одинаковую структуру. Кроме того, эта структура является изотропной в том смысле, что в пространстве-времени не существует направления, которое играло бы выделенную роль. Здесь читатель, который смотрит на образ шахматной доски с набором песочных часов, представляющим эту структуру (см. рис. 3), возможно, подумает, что она имеет привилегированное направление в каждой точке пространства-времени. Действительно, каждые песочные часы, казалось бы, обладают осью симметрии: вертикальной осью, проходящей через центр песочных часов, вокруг которой можно вращать данные песочные часы, визуально не меняя их положения. Однако в действительности это кажущееся существование привилегированного направления является артефактом визуализации пространства-времени в трехмерном пространстве, которое зрительное восприятие человека интуитивно интерпретирует как евклидово пространство. В самом деле, вертикальная ось в этой визуализации представляет собой мировую линию наблюдателя, который находится «в состоянии покоя» в пространстве, но имеет непрерывное существование во времени. С другой стороны, принцип относительности говорит нам, что такой наблюдатель не определяет привилегированную систему отсчета. Любые другие наблюдатели, движущиеся с постоянной скоростью по отношению к данному, будут видеть идентичную структуру пространства-времени. Мировые линии этих наблюдателей «в движении» (но движущихся медленнее, чем свет) будут прямыми, наклоненными под углом менее 45° по отношению к «вертикали». Как следствие, если рассматривать конкретные песочные часы, все прямые, проходящие через их центр и остающиеся «внутри» этих песочных часов (т. е. не пересекающие их поверхность), будут осями симметрии для них, и, таким образом, ни одна из них не будет играть выделенную роль. Такова однородная и изотропная структура недеформированного «желе» пространства-времени.

Что же такое хроногеометрическая структура «деформированного» пространства-времени (которое обычно называют «искривленным»)? Это структура, в которой «расстояние-время» между двумя событиями по-прежнему дается определенным «квадратом интервала», но в которой, в отличие от случая пространства-времени Минковского, этот квадрат интервала имеет очень сложное математическое выражение для двух далеких событий. Зато, если рассмотреть очень близкие друг к другу события (как в пространстве, так и во времени), квадрат интервала будет определяться достаточно простой математической формулой, хотя и более сложной по сравнению с соответствующей формулой для пространства-времени Минковского. Как понял Эйнштейн в 1912 г., квадрат интервала между двумя событиями в деформированном пространстве-времени весьма напоминает квадрат расстояния между двумя точками искривленной поверхности, вложенной в обычное евклидово пространство.

В качестве примера искривленной поверхности возьмем поверхность Земли. Если рассмотреть небольшой участок земной поверхности, например участок в один квадратный метр, то, в принципе, его можно отождествить с небольшой частью плоскости (достаточно рассмотреть касательную плоскость к точке, расположенной недалеко от центра рассматриваемого участка). Таким образом, квадрат расстояния (т. е. расстояние, возведенное в квадрат) между двумя точками на этой небольшой поверхности будет в очень хорошем приближении равен квадрату расстояния между двумя точками на плоскости, который в свою очередь может быть получен с помощью теоремы Пифагора. Единственная сложность заключается в невозможности покрыть всю поверхность Земли с ее горами и долинами абсолютно регулярной сеткой координат (таких как длина и ширина).

На плоской поверхности, например на лежащем на столе листе бумаги, можно легко определить местоположение точки с помощью обычной прямоугольной сетки, какая используется в школьных тетрадках или на миллиметровой бумаге. Такую регулярную сетку уже невозможно реализовать на поверхности, имеющей всевозможные выпуклости и впадины. Чтобы зафиксировать любую точку на искривленной поверхности, мы, таким образом, используем два параметра, скажем x и y, которые больше не имеют простого смысла длины и ширины. Например, на поверхности Земли в качестве «первой координаты» x можно использовать долготу, а в качестве «второй координаты» y – широту. Следует отметить, что такие координаты можно использовать, даже когда земную поверхность невозможно аппроксимировать сферой: например, на возвышенности или в низине. При этом нет необходимости вводить третью координату (скажем, высоту над уровнем моря), поскольку двух первых координат (долготы и широты) будет достаточно, чтобы определить положение на Земле, а высота будет определяться некоторой функцией долготы и широты. Отсюда легко видеть, что если использовать сетку, определяемую долготой и широтой, на небольшой части поверхности Земли на склоне горы или ущелья, то эта сетка будет представлять собой деформацию привычной сетки из школьной тетрадки в клетку: поверхность по-прежнему будет разбиваться на ячейки двумя семействами линий, но каждая ячейка будет не квадратом, а чем-то вроде параллелограмма, точнее, ее стороны просто не будут равны друг другу и перестанут пересекаться под прямым углом.