Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

К несчастью для тех, кто предпочитает простые объяснения непростых идей и не любит сложной математики, физики чаще всего не могут дать правильного объяснения, как и почему в условиях сильного притяжения время идет медленнее, либо вообще не могут объяснить это явление. Однако я попробую это сделать.

Согласно специальной теории относительности два человека, движущиеся относительно друг друга, будут фиксировать замедление тиканья часов на руке партнера; аналогичная ситуация происходит, когда два наблюдателя находятся на закрепленном расстоянии друг от друга, но на одного из них действует более мощное притяжение (например, один на Земле, а другой – в космосе). Опять же они будут по-разному воспринимать временной интервал между одними и теми же событиями. Как и в предыдущем случае, их часы тикают по-разному, поскольку тот, что на Земле, оказывается на большей глубине гравитационного колодца, где искривленность пространства-времени сильнее. То есть его часы идут медленнее. Однако, в отличие от специальной теории относительности, ситуация здесь больше не является симметричной, поскольку этот наблюдатель будет воспринимать часы в космосе как тикающие с большей скоростью. Можно сказать, что причина «падения» тела на Землю заключается в том, что оно всегда движется туда, где время идет медленнее, – оно старается замедлить процесс своего старения. Разве это не прекрасно?

Итак, мы обсудили воздействие притяжения на время. А как насчет пространства? Что говорит нам общая теория Эйнштейна относительно того, что притяжение «приводит к искривлению пространства»? Помните, Аристотель и Декарт утверждали, что если нет никакой материи, которая могла бы заполнить пространство, то последнее не может существовать? Эйнштейн развил эту идею. Согласно его общей теории материя и энергия создают гравитационное поле, а пространство-время – это не более чем «структурное свойство» этого поля. А без того, что «содержится» в пространстве-времени, не может быть никакого гравитационного поля, а следовательно, никакого пространства и времени.

Возможно, это звучит несколько философски, и я подозреваю, что даже некоторым физикам это не очень понравится. Проблема отчасти в том, как мы вообще преподаем физику. Обычно мы начинаем со специальной теории относительности и с «плоского» пространства-времени (поскольку эту теорию легче объяснить и поскольку именно она первой пришла Эйнштейну в голову), затем мы переходим к более трудной общей теории относительности, в которой «плоское» пространство-время заполняется материей и энергией, которые заставляют его искривляться. На самом деле концептуально следует делать наоборот – начинать с материи и энергии в рамках пространства-времени. В этом смысле специальная теория относительности – просто идеализированное приближение, которое работает только в случаях, когда притяжение столь мало, что пространство-время может считаться плоским.

То, что я хочу сказать, – штука достаточно тонкая, но, может быть, вас утешит, что и сам Эйнштейн не до конца понимал ее значение. Через два года после окончания работы над общей теорией относительности он написал научно-популярную книгу (или брошюру, как он сам ее называл) «Относительность: специальная и общая теории (в упрощенном изложении)», которая была впервые опубликована в Германии в 1916 году. В течение последующих 40 лет, по мере уточнения своей теории на основе новых математических данных, Эйнштейн дополнял свою «брошюру» приложениями. В 1954 году, за год до смерти, он написал пятое, последнее приложение: двадцать страниц самых глубоких мыслей, которые когда-либо рождались в человеческом мозгу.

Чтобы понять идеи Эйнштейна, нужно знать, что такое «поле» в физике. Самое простое определение – это область пространства, содержащая некую форму энергии или воздействия, где каждой точке можно приписать величину, которая отражает характер поля в этой точке. Это похоже на магнитное поле вокруг магнитного бруска. Поле наиболее сильно у полюсов магнита, а по мере удаления от магнита постепенно слабеет. Рисунок, который образуют железные опилки, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля, – это реакция опилок на поле, в котором они оказались. Однако то, что я хочу сказать, кажется слишком очевидным: для существования магнитного поля необходимо пространство.

И наоборот, гравитационное поле в понимании Эйнштейна создается просто при условии существования материи и является не более чем областью воздействия в рамках пространства и времени. Оно и представляет собой пространство-время.

В приложении 5 к своей «брошюре» Эйнштейн попытался разъяснить свое видение этой темы. В новом предисловии к изданию 1954 года он пишет: