Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - [24]

После того как Милева в гневе покинула Берлин в 1915 г., взяв с собой детей, Эйнштейн и Эльза сблизились еще сильнее. Однако внимание Эйнштейна в этот важный для него период было поглощено не любовью, а самой Вселенной.

Часть II Картина вторая Искривленное пространство-время

Глава 4 Общая теория относительности и «счастливейшая мысль моей жизни»

Эйнштейн не чувствовал себя удовлетворенным. Он уже был в рядах лучших физиков своего времени, но по-прежнему не находил себе покоя. Он понимал, что в теории относительности имеется по крайней мере две зияющие дыры. Во-первых, она основывалась исключительно на инерциальном движении. В природе, однако, не существует почти ничего инерциального. Все находится в состоянии постоянного ускорения: стучат по рельсам поезда, падают зигзагом осенние листья, обращается Земля вокруг Солнца, движутся небесные тела. А теория относительности не сумела объяснить природу даже самых обычных ускорений, которые можно наблюдать на Земле.

Во-вторых, теория ничего не говорила о гравитации. Она утверждала в самом общем плане, что это универсальная симметрия природы, действующая во всех уголках Вселенной, но само понятие гравитации, оставалось ей неподвластно, что было весьма неприятно, ведь гравитация присутствует везде. В общем, недостатки теории относительности были очевидны. Поскольку скорость света – абсолютный предел скорости во Вселенной, то, согласно теории относительности, любое возмущение на Солнце могло достичь Землю не раньше, чем через восемь минут. Однако это противоречило теории всемирного тяготения Ньютона, согласно которой гравитационные эффекты действуют мгновенно. (Скорость распространения гравитации, по Ньютону, бесконечна, а скорость света в ньютоновых уравнениях не фигурирует.) Таким образом, Эйнштейну нужно было полностью переписать уравнения Ньютона, чтобы включить в них скорость света.

Иначе говоря, Эйнштейн понимал масштаб проблемы обобщения теории относительности таким образом, чтобы она включала также ускорение и гравитацию. В 1905 г. он начал называть свою теорию «специальной теорией относительности», чтобы отличать ее от всеохватывающей «общей теории относительности», необходимой для описания гравитации. Когда он рассказал Максу Планку о своих амбициозных замыслах, Планк предостерег: «Как старший друг, я должен посоветовать вам не браться за это дело, потому что вы не добьетесь успеха, но даже если добьетесь, вам никто не поверит». Но Планк понимал и важность этой проблемы, когда добавил: «Если вы добьетесь успеха, вас назовут новым Коперником».

Озарение, связанное с новой теорией гравитации, снизошло на Эйнштейна еще в 1907 г., когда он, будучи мелким государственным служащим, корпел над патентными заявками. Позже он вспоминал: «Я сидел в кресле в патентном бюро в Берне, когда совершенно неожиданно у меня возникла мысль: человек в свободном падении не ощущает собственного веса. Я был поражен. Эта простая мысль произвела на меня глубокое впечатление. Она подтолкнула меня к теории гравитации».

В одно мгновение Эйнштейн осознал, что, случись ему упасть с кресла, он на мгновение потеряет вес. Например, если вы едете в лифте и трос внезапно обрывается, вы оказываетесь в свободном падении; вы падаете с той же скоростью, что и пол лифта. А поскольку и вы, и лифт падаете с одной и той же скоростью, то выглядеть все будет так, как будто вы лишились веса и свободно плаваете в воздухе. Аналогично Эйнштейн представил себе, что, упав с кресла, он на мгновение оказался бы в свободном падении и действие гравитации было бы полностью компенсировано ускорением, благодаря чему он стал бы невесомым.

Сама по себе эта концепция не нова. Она была знакома еще Галилею, который, согласно канонической истории, бросал с падающей Пизанской башни одновременно маленький камушек и тяжелое пушечное ядро. Он первым показал, что все объекты на Земле ускоряются под действием гравитации абсолютно одинаково (9,81 м/с2). Ньютону этот факт тоже был известен; кроме того, он понял, что планеты и Луна, двигаясь по орбите вокруг Солнца или Земли, на самом деле находятся в состоянии свободного падения. Любой космонавт также понимает, что гравитация может быть компенсирована ускорением. Все внутри космического корабля, включая пол, инструменты и вас самих, падает с одинаковой скоростью. Поэтому, оглянувшись вокруг, вы увидите, что все плавает в воздухе. Ваши ноги всплывают над полом, и возникает иллюзия того, что гравитация вообще исчезла, поскольку пол падает вместе с вашим телом. А если космонавт выходит из корабля в открытый космос, то он не падает внезапно на Землю, но плывет вместо этого спокойно рядом, так как и космический корабль и сам космонавт падают в унисон, огибая Землю. (Гравитация не исчезает в открытом космосе, как ошибочно утверждают многие научно-популярные книги. Тяготение Солнца обладает достаточной мощью, чтобы гонять Плутон по орбите за миллиарды километров от Земли. Гравитация никуда не делась; она просто компенсируется падением космического корабля под вашими ногами.)

Это называется «принципом эквивалентности», согласно которому все массы падают под действием гравитации с одинаковой скоростью (или, точнее, заявляется, что инерциальная масса эквивалентна гравитационной массе