Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

под действием гравитации волшебное свойство «выключать» эту гравитацию, когда и ускорения, и скорости возрастут? Мы видели на прогулке 5, сколь многое из того, что кажется истинным при малых скоростях, на самом деле работает совсем по-другому. А все, что связано с гравитацией, приобретает дополнительную остроту: мгновенная передача гравитационного воздействия на сколь угодно большие расстояния, тревожившая уже Ньютона в 1692 г. (см. главу «прогулка 1»), после 1905 г. вступила в открытое противоречие с пониманием, что никакой физический агент не может распространяться быстрее света. В законе гравитации Ньютона скорость ее распространения не предусмотрена, а значит, этот закон в любом случае следует как-то модифицировать. Но как же узнать, остается ли «правильное» тяготение в том же сговоре с движением, из-за которого свободное падение происходит всегда одинаково для всех? Каким принципам доверять? Увы, от эксперимента реальной помощи тут нет: наши возможности разгонять что-то массивное до больших скоростей и ставить опыты с по-настоящему сильной гравитацией сильно ограничены, если выражаться оптимистически. Сверхточные измерения, позволяющие «ухватывать» крохи эффектов, в полной мере разворачивающихся где-то во Вселенной, но у нас проявляющих себя совершенно пренебрежимым образом, – это уже главным образом XXI век[101]. Тем не менее еще в начале XX в. удалось понять, как связаны движение, гравитация и материя, опираясь при этом на логические построения, примененные к удачно выбранному принципу и подкрепляемые необходимой математикой.

Достигнутое понимание двух вещей сразу – движения с любыми скоростями при наличии гравитации и самой гравитации, включая ее «производство», – известно как общая теория относительности, или теория гравитации Эйнштейна. Слово «относительность» указывает на равноправие различных (вообще-то всех) видов движения: законы природы никак не выделяют одни перед другими. Одинаковое действие законов природы для различных наблюдателей было в фокусе внимания на предыдущей прогулке, но только для наблюдателей из специального класса – движущихся равномерно и прямолинейно. Свободно падающие, или ускоряющиеся в ракете, или тормозимые трением, или разгоняемые солнечным ветром оставались дискриминированными по признаку наличия ускорения по отношению ко всему сонму «равномерных и прямолинейных» наблюдателей. Общая теория относительности – это полная победа демократии в отношении всех видов движения, но она потребовала вовлечения гравитации, а саму гравитацию пришлось для этого перепридумать. Из «теории всеобщего тяготения» гравитация в одной своей части превратилась в «теорию всеобщего свободного падения», а в другой – во взаимоотношения материи и пространства-времени. В результате мы научились понимать устройство Вселенной далеко за пределами курортного мирка Солнечной системы, но такая отдача потребовала серьезных инвестиций: полная теория достаточно сложна. К знакомству с ней приглашает тезис, принадлежащий Уилеру (он появлялся в главе «прогулка 5» и появится еще):

Это тизер общей теории относительности

Пространство-время говорит материи, как ей двигаться; материя говорит пространству-времени, как ему искривляться.

Оба слова «говорит» тут – это указания на законы природы. Если говорить чуть более развернуто, эти законы утверждают, что гравитация, материя и движение связаны через геометрию пространства-времени. В присутствии материи пространство-время становится искривленным – в том смысле, что параллельные линии ведут себя не так, как мы привыкли, а сумма углов треугольника не равна 180°. Слово «геометрия» понимается в этом контексте в первую очередь как отличие от неискривленной геометрии – той привычной, где сумма углов треугольника все-таки 180°. Про неискривленную геометрию еще говорят, что она плоская[102]. Искривленная геометрия, в свою очередь, определяет движение всех чашек, снарядов, спутников и вообще любых пробных тел, которые мы пожелаем разбрасывать, – и даже не только тел, но и света.

Гравитация выражает отличия геометрии от плоской

Дорога к новому – геометрическому – пониманию движения при наличии гравитации, как и к пониманию самой гравитации, начинается с признания, что для каждого куска материи одна и та же величина под названием «масса» всегда исполняет две функции: служит мерой инерции и мерой участия в гравитационном взаимодействии. Отсюда буквально полшага до провозглашения общего принципа, который затем становится частью «техзадания» для построения теории гравитации и движения при наличии гравитации. Этот принцип гласит, что любое движение невозможно зафиксировать внутренними средствами при наблюдении «в малом». В отсутствие других сил, кроме гравитации, никакие действия, которые вы пожелаете осуществить в изоляции от внешнего мира на борту достаточно малой ракеты, не позволят вам определить, движется ли ракета относительно чего бы то ни было и испытывает ли она действие гравитации. Требование, чтобы ракета (железнодорожный вагон, автомобиль, каюта…), в которой вы или другой упрямый наблюдатель проводит опыты, была достаточно малой, определяется тем, с чем мы встретились на прогулке 4: приливными силами. Длинный железнодорожный вагон (рис. 6.3) будет испытывать на околоземной орбите сжатие или растяжение, потому что гравитация Земли действует на разные его части по-разному, и тогда помещенный в него наблюдатель догадается, что поблизости есть источник гравитации. Но уменьшая «каюту», доступную наблюдателю, можно сделать такие перекосы сколь угодно малыми (вместе с пространственным охватом надо, кстати, ограничить и временной). Фактически мы оставляем наблюдателю небольшой кусок пространства-времени и предлагаем ему ставить опыты с целью удостовериться, что все законы природы у него в точности те же, какие были установлены в пределах элитного клуба «равномерных и прямолинейных» наблюдателей. А раз отличий нет, то у наблюдателя нет способа убедиться ни в присутствии гравитации, ни в собственном движении с ускорением относительно «равномерных и прямолинейных» наблюдателей.

Рис. 6.3. Почему требуется, чтобы «каюта», в пределах которой наблюдатель изучает мир, была малой. Слева: направления к центру Земли различаются в двух концах вагона-лаборатории. Справа: расстояния до центра Земли различаются в двух концах лаборатории. В обоих случаях разницу между силами притяжения можно зафиксировать внутренними средствами

Отсюда вовсе не следует, что «никакой гравитации нет»; и гравитация есть, и порождаемые ею эффекты (как, например, черные дыры) есть. Но «все интересное» возникает как результат соединения воедино простых локальных картин. Сложное в том, как соединяется простое. Так строится и искривленная геометрия.

*****

Склейка простого в сложное. Транссибирская магистраль – это железная дорога длиной 9288 км. Если бы (скажем, для развлечения) жители населенных пунктов, расположенных вдоль дороги[103], отобрали картографов, каждый из которых снабжен картой своего района и близких окрестностей, но по стечению обстоятельств вызывающе