Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман

Не менее важно и то, что гравитационная сила, очевидно, передается от одного объекта к другому мгновенно. Таким образом, если бы Солнце исчезло, планеты к нему больше бы ничто не привязывало и они бы в тот же миг отправились дрейфовать в космосе.

* * *

А теперь попробуйте представить тыквы не на грядке, а плавающими в пруду. Очевидно, что это уже совсем другая картина. Вода в пруду состоит из огромного количества молекул, но они настолько крохотные, что мы можем ими пренебречь. Это позволяет нам допустить, что в каждой отдельно взятой точке вода имеет определенные плотность и давление. Плотность и давление – «массовые» величины, не имеющие никакого отношения к отдельным частицам. Таковы характеристики так называемого поля. Воздух в комнате или эластичную поверхность батута можно рассматривать как «поле». Во многом оно также напоминает рой пчел.

Сравнение с полем отлично демонстрирует естественный механизм взаимодействия. Когда тыквы, плавая в пруду, сталкиваются друг с другом, от них расходятся небольшие волны. Эти волны представляют собой локальные возмущения поля, распространяющиеся с определенной скоростью. А ньютоновская гравитация кажется нам силой, каким-то образом практически мгновенно пронзающей безграничное пространство.

«Позвольте возразить! – скажете вы учтиво. – Но гравитация между Землей и Луной не сопровождается какими-то волнами!» Это правда. Все аналогии в один момент рушатся. Но когда мы говорим о постоянной гравитации, существующей между телами, совсем не важно, представляем мы себе силы или поля. Главное, что поля существуют, и если вы хоть раз пробовали рассыпать железную стружку по листу бумаги, положенному на магнит, то могли наблюдать форму магнитного поля достаточно непосредственно. Вообще, концепция поля настолько всеобъемлюща, что абсолютно любая современная теория фундаментальной физики является в конечном счете теорией поля. Без нее было бы практически невозможно описать электромагнитные и гравитационные волны.

Конечно, изучив законы, управляющие поведением электрических и магнитных полей, Максвелл показал, что эти поля могут распространяться в вакууме космоса в виде электромагнитной волны, движущейся со скоростью 3×108 м/с. Тогда, в 1865 году, его особенно поразило, что полученное число почти соответствовало скорости света, которая к тому времени уже была точно измерена. По его словам, последнее наблюдение заставляет нас сделать вывод, что сам свет также является электромагнитной волной, движущейся не бесконечно быстро, а с конечной скоростью 3×108 м/с. Спустя несколько десятилетий исследование Максвелла было подтверждено открытием радиоволн и стало величайшим триумфом в мире физики XIX века.

В начале XX века было выдвинуто несколько теорий гравитации, основанных на электромагнитной теории Максвелла, но все они были отвергнуты, поскольку поведение гравитации и электромагнетизма не полностью идентично. Эйнштейн был первым, кто понял разницу между ними, и, следовательно, первым, кто правильно понял гравитацию. Но чтобы оценить, как теория, которую сам он назвал общей теорией относительности, описывает гравитационное поле, нужно сперва разобраться в том, что ей предшествовало и служило отправной точкой – специальной теорией относительности.

Что относительно, а что нет?

2

Специальная теория относительности

Еще в 1820-х годах естествоиспытатели поняли, что электричество и магнетизм тесно связаны между собой: электрический ток создает магнитные поля, и наоборот. Этот процесс детально описывает электромагнитная теория Максвелла. Специальная теория относительности Эйнштейна, в свою очередь, показывает, что электричество и магнетизм не просто связаны, но еще и являются двумя сторонами одного и того же явления. Эти наблюдения привели Эйнштейна к выводу, что физика Ньютона должна быть преобразована.

Однако Эйнштейн никогда бы не согласился с распространенным выражением «все относительно». По сути, практически все направления физики изучают движение, а основной вопрос, который ставит перед нами идея относительности, звучит так: «Что меняется вместе с движением объекта, а что остается неизменным?» Что-то меняется, а что-то – нет, и мы вполне могли бы называть теорию относительности теорией абсолютов, что фактически и было предложено.

Главный абсолют в относительности – это скорость света. Когда Максвелл сделал открытие, что электромагнитные волны преодолевают пространство в вакууме со скоростью 3×108 м/с, всех поразило, что цифра, которую сегодня принято обозначать буквой c, буквально выпрыгнула из его уравнения.

Когда мы измеряем скорость поезда или бейсбольного мяча, мы всегда делаем это относительно какого-то другого объекта. Например, если мы стоим в поле и говорим, что поезд движется на восток со скоростью 100 км/ч, мы приводим эту цифру, учитывая положение поезда относительно Земли. Но если мы наблюдаем за поездом из машины, двигаясь, как и поезд, на восток, но со скоростью 75 км/ч, нам кажется, что поезд движется со скоростью всего 25 км/ч. Это происходит потому, что измеряемая скорость зависит от системы отсчета: грубо говоря, от местоположения точки, из которой мы наблюдаем за движением объекта, то есть непосредственно от места, где мы находимся.

Результаты исследований Максвелла оказались весьма странными: они показывали, что c = 3×108 м/с, но ничего не говорили о том, относительно какого объекта высчитана эта скорость. Сам Максвелл говорил, что его электромагнитные волны распространяются через светоносный эфир. Если водяные волны расходятся по воде, а звуковые – по воздуху, вполне естественно было предположить, что у световых волн тоже есть среда распространения. Светоносный эфир, каким его видел Максвелл, пронизывал весь космос и обеспечивал абсолютный стандарт покоя. Если вы сидите в поезде, вы пребываете в состоянии покоя относительно поезда, поезд же пребывает в движении относительно Земли, а Земля, в свою очередь, пребывает в движении относительно эфира. Меркурий тоже имеет свою скорость относительно эфира, и вы можете сравнить скорость Земли и Меркурия, сказав, что у каждой из этих планет есть своя скорость относительно эфира. Таким образом, Максвелл утверждал, что скорость света относительно эфира равна 3×108 м/с.

К сожалению, обычные вычисления наделили и без того загадочный эфир еще более странными свойствами. Получалось, например, что поскольку эфир должен быть в сто раз более разреженным, чем воздух, он в то же время в тысячу раз жестче алмаза. Кроме того, все попытки обнаружить его провалились.

* * *

В 1905 году Эйнштейн взял быка за рога и объявил эфир несуществующим. Впрочем, он согласился с выводом Максвелла, что скорость света, c, является постоянной и должна восприниматься как закон природы. Так родилась специальная теория относительности Эйнштейна. В ее основу легли два постулата.

Первый: абсолютного движения не существует. Эта аксиома, позаимствованная Эйнштейном у Галилея, гласит, что никакие эксперименты, проведенные над поездом, не помогут понять, находится ли он в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью. Любое измерение параметров движения производится относительно системы отсчета, и ни одна из них не