Физика времени

А если обратиться к пространству: неужели это только неизменное вместилище всех тел природы, пустая арена для разыгрывающихся на ней явлений? Существует ли оно вообще, если оно пусто, то есть если в нем ничего нет и ничего не происходит?

Специальная теория относительности решила много вопросов, но на эти она бессильна ответить. Здесь нужны были какие-то новые идеи, имеющие столь же глубокий смысл, как принцип относительности и постулат о постоянстве скорости света. Важнейшей из этих новых идей стало представление об особой роли тяготения в физическом мире. Рассуждения о свете привели к созданию специальной теории относительности, а идея тяготения — к общей теории относительности, в которой время лишилось своей странной неподатливости и — вместе с пространством — оказалось зависящим от физических процессов в мире, от распределения и движения в нем физических тел. «Передатчиком» их обратного влияния на время и пространство служит тяготение.

Всемирное тяготение

Новейшая физика и здесь отталкивается от классической физики, спорит с ней и вместе с тем основывается на ней. Ньютон был первым, кто разгадал всемирную роль тяготения. Он понял, что земное тяготение, наше притяжение к Земле и падение созревшего яблока представляют собой явления той же природы, что и движение Луны вокруг Земли и обращение планет вокруг Солнца.

Все тела природы притягиваются друг к другу. Сила притяжения, действующая между двумя телами, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Таков закон всемирного тяготения Ньютона. (Вместо слова «тяготение» говорят еще и «гравитация» — оно означает просто то же самое.)

В физике известны и другие примеры сил притяжения. Два разноименных электрических заряда притягиваются друг к другу с силой, которая, как мы знаем, прямо пропорциональна произведению зарядов и — как сила тяготения — обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Это действительно похоже на закон Ньютона. Однако электрические силы могут быть не только силами притяжения, но и силами отталкивания, когда заряды одноименны. Эти силы и вовсе отсутствуют, если у тел нет зарядов.

Силы же тяготения, гравитация — это всегда силы притяжения. И для их действия не требуется никаких особых зарядов, всякое тело имеет массу, и потому оно должно испытывать действие этих сил и создавать их. Можно сказать, что масса тела это и есть его неотъемлемый «гравитационный заряд».

Гравитационное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий, к которым сводится все разнообразие взаимных физических воздействий всех тел природы. Три других взаимодействия — это всем знакомое электромагнитное взаимодействие, а также сильное взаимодействие (скрепляющее, например, частицы в атомных ядрах) и слабое взаимодействие (ответственное, например, за радиоактивный распад ядер). Два последних взаимодействия проявляются только в микромире — мире атомных ядер и элементарных частиц. Электромагнетизм известен нам по многим явлениям природы, но разнообразным его применениям в технике, науке, в повседневной жизни. Действие электромагнитных сил проявляется и в мире элементарных частиц; оно заметно в мире звезд и галактик. Свет, столь многое давший теории относительности, — это тоже, конечно, проявление электромагнетизма. Но там, где нет зарядов, электрических и магнитных полей, — там нет и электромагнетизма.

Из четырех взаимодействий природы одна только гравитация обладает свойством неустранимости и всеобщей универсальности. Она действует всюду и везде — от микромира до всей Вселенной. Недаром со времен Ньютона тяготение называют всемирным. Но вся важность этого факта была впервые осознана только Эйнштейном.

Эйнштейн придавал исключительное значение и другому свойству тяготения, тоже давно уже известному. Силы тяготения сообщают разным телам одинаковое ускорение. Все тела в данной точке пространства падают в поле тяготения с одинаковым ускорением. Этот замечательный факт открыл еще Галилей. Согласно легенде, он наблюдал падение различных тел с наклонной Пизанской башни и установил, что все они, независимо от массы, размера, формы и вещества, из которого сделаны, достигали земли за одинаковое время. Историки науки не находят, кажется, подтверждения тому, что это было именно на Пизанской башне; но несомненно, что Галилей первым обратил внимание на эту особенность тяготения и исследовал ее в экспериментах со свойственным ему стремлением к точному знанию, полученному из опыта.

Позднее движение тел в поле тяготения изучал Ньютон с помощью тонких экспериментов, в которых он использовал маятники. В своих «Началах» он писал: «Но другими уже давно наблюдалось, что (с поправкой на слабое сопротивление воздуха) все тела спускаются на одинаковое расстояние за одинаковые промежутки времени, и с помощью маятников это свойство промежутков времени может быть установлено с большой точностью».

Ньютон исследовал «это свойство промежутков времени» в связи с той ролью, которую играет масса тел в их динамике.