Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн - Тибо Дамур

Первым этапом этого долгого пути к пониманию был любопытный мысленный эксперимент. Обобщая «подсознательную» интуитивную догадку о том, что человек в свободном падении не чувствует своего веса, Эйнштейн представил, что можно было бы наблюдать в свободно падающем лифте. Из-за универсальности свободного падения любые объекты внутри лифта будут «падать» с одинаковым ускорением во внешнем гравитационном поле. В частности, они будут падать с тем же ускорением, что и сам лифт. Таким образом, по отношению к стенкам лифта все эти объекты будут иметь нулевое относительное ускорение. Другими словами, они должны просто свободно плавать без ускорения, либо всегда оставаясь в покое (если изначально имели нулевую скорость по отношению к стенкам лифта), либо двигаясь прямолинейно с постоянной скоростью (если изначально им сообщалась определенная скорость). Такое поведение знакомо нам из образов, связанных с исследованием космического пространства. Это то, что называют невесомостью, царящей внутри космического корабля при свободном падении в гравитационном поле Земли. Выражаясь физическим языком, можно сказать, что внутренность лифта или космического корабля определяет некоторую систему координат или просто систему. Лифт, таким образом, определяет систему, находящуюся в свободном падении. Тогда можно резюмировать наблюдения, сделанные внутри такой свободно падающей системы, сказав, что внешнее гравитационное поле в ней исчезает.

Эйнштейн рассмотрел также другую ситуацию, когда внешнее гравитационное поле отсутствует. Скажем, вместо того чтобы находится вблизи поверхности Земли (там, где масса Земли создает сильное гравитационное поле), можно находится далеко от каких бы то ни было масс – далеко от Земли, от Солнца, от всей нашей галактики, а также от всех других галактик. [Имеется в виду мысленный эксперимент, в котором можно представить существование такой области.] Давайте снова рассмотрим «лифт», расположенный в области, где нет никакого «реального» гравитационного поля. Затем Эйнштейн представляет, что лифту придают ускорение, вытягивая его с некоторой силой в определенном направлении, которое мы будем называть направлением «вверх». Внутри такого лифта, получающего ускорение «вверх», будет происходить процесс, похожий на тот, что мы часто наблюдаем в различных транспортных средствах: например, в автомобиле, начинающем ускоряться вперед, пассажиров будет прижимать к сидениям, а любые незакрепленные предметы в результате этого ускорения будут перемещаться назад по отношению к корпусу автомобиля. Таким образом, внутри ускоряющегося «вверх» лифта все объекты будут ускоряться «вниз». Это ускорение является универсальным, т. е. одинаковым для всех тел независимо от их массы и состава. Иначе говоря, это ускорение в точности соответствует универсальному ускорению, которое придается лифту «истинным» внешним гравитационным полем. Эйнштейн заключает отсюда, что все происходит так, как если бы ускорение, сообщаемое лифту и воспринимаемое внутри этого лифта, создавалось кажущимся гравитационным полем. Эти мысленные эксперименты указали ему на глубокую связь, которая существует между гравитацией и инерцией: используя различные эффекты ускорения (и тем самым инерционные свойства тел), можно либо избавиться от реального гравитационного поля, либо создать кажущееся гравитационное поле.

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.