Знание-сила, 2002 № 01 (895) - [20]

Впрочем, есть еще один тип сил, которые ведут себя подобно гравитационным, – силы инерции, которые мы испытываем при разгоне или торможении автомобиля. Эйнштейн выдвинул гипотезу: инерция и тяготение имеют одно и то же происхождение. Массивное тело продавливает, изгибает окружающее пространство, и соседние тела скатываются к центру воронки. Разгоняемое или теряющее свою скорость тело тоже изменяет кривизну пространства, и мы опять-таки скатываемся с невидимой пространственной «горки». При этом крутизна горки и ее положение зависят от того, с каким ускорением движется наблюдатель, и для разных наблюдателей они различны. Тела изменяют окружающее их пространство и влияют на темп времени.

Схожесть гравитации и инерции особенно наглядно проявляется в падающем лифте и в пикируюшем самолете: сила инерции противоположна вектору тяготения и человек испытывает ощущение свободного полета. На него как бы не действуют никакие силы – все падающие тела движутся одинаково.

В отличие от абстрактных математических искривленное физическое пространство Эйнштейна не остается неподвижно-застывшим, а само по себе, без всяких внешних сил, изгибается, деформируется. Как показал ленинградский физик А.А. Фридман, оно может, например, распухать в каждой своей точке, подобно поверхности мыльного пузыря, или, наоборот, сжиматься – схлопываться.

Гипотеза Эйнштейна необычайно остроумна, но за нее требуется дорого платить. Прежде всего, приходится отказаться от понятий массы и энергии: ведь если гравитационное поле – не распределенная в пространстве материальная сущность, а всего лишь проявление пространственного «ландшафта», различного с точки зрения разных наблюдателей, то какой смысл говорить о массе (количестве) и энергии такого поля? И вправду – если абсолютно пустое пространство рассматривать в прямоугольных декартовых координатах, то для энергии гравитационного поля получим нулевое значение, если же для этого использовать полярные координаты, то энергия оказывается бесконечной. Этот парадокс был обнаружен сразу же после создания ОТО, и Эйнштейн вынужден был признать, что у гравитационного поля нет ни массы, ни энергии. Нет и закона сохранения энергии.

Это – очень радикальный вывод, но сам по себе он не является бессмысленным. Философы давно обращают внимание физиков на то, что не только масса и энергия, но вообще ни одно конкретное свойство природы не может быть абсолютным, применимым всегда и всюду. Непременно найдутся условия, когда оно теряет смысл. Мне вывод Эйнштейна нравится. Он подталкивает мысль, открывает новые горизонты (например, при построении космологических моделей).

Правда, отказ от энергии трудно совместить с законом всемирною тяготения Ньютона – ведь из нашего повседневного опыта доподлинно известно, что, во всяком случае, земное гравитационное поле заведомо обладает энергией – стоит только вспомнить, скажем, о многочисленных мельницах и гидростанциях, использующих гравитационную энергию воды! Получается, что сильная гравитация – это проявление кривизны, а слабая – материальное, обладающее энергией поле. Пока концы с концами не сходятся…

Чем пожертвовать, кривизной пространства или энергией поля, – вот в нем вопрос!

Еще большее беспокойство вызывает трудность, связанная с силами инерции. Пространственный «ландшафт» описывается так называемым тензором кривизны Римана, и если этот тензор отличен от нуля, то никаким выбором ускоренных движений (систем координат наблюдателя) его нельзя сделать равным нулю (занулить, как выражаются физики) сразу во всех точках пространства. А вот силы инерции занулить можно. Простейший пример – они полностью исчезают в остановившемся автомобиле! Это означает, что полного тождества гравитации и инерции все же нет. В падающем лифте инерция компенсирует гравитацию подобно тому, как электрическое поле, притягивающее заряженное тело, компенсируется упругостью удерживающей его пружинки.

И еще одна фундаментальная трудность – решения уравнений Эйнштейна неоднозначны. Они содержат неопределенные функции, вид которых приходится определять из некоторых дополнительных условий. Другими словами, Общая теория относительности Эйнштейна не полна. Такое впечатление, что ей не хватает какого-то важного фрагмента. А пока дело обстоит так, что мы всякий раз должны задать, образно говоря, тип пространственного «лица» – плоское оно, выпуклое, вогнутое или какое-либо еще, а уравнения ОТО нужны лишь для того, чтобы узнать, какие на нем морщины и как они изменяются с течением времени. Сама по себе ОТО определить тип мира не в состоянии. В этом отношении теория Эйнштейна похожа на художника, который не знает, что нарисовать – мужчину, женщину или голову барана с рогами.

Неоднозначность решений ОТО еще пятьдесят лет назад подробно исследовал американский математик Н. Розен, однако в большинстве учебников по теории относительности и в монографиях по релятивистской космологии об этом нет ни слова [2 Этот принципиальный вопрос обсуждается в недавно изданной книге А. А. Логунова «Теория гравитационного поля» (М.: Наука, 2000).]. Похоже на то, как в респектабельных домах не принято вспоминать о неприглядных семейных тайнах.