Большое, малое и человеческий разум

Рис. 1.11. Искривленное пространство-время.

Напомню вам основные положения эйнштейновской теории тяготения. Прежде всего, она основана на принципе эквивалентности Галилея. На рис. 1.12 я попытался изобразить Галилея, бросающего с вершины знаменитой Пизанской башни большой и маленький камни. Независимо от того, действительно ли Галилей проводил такие эксперименты, он совершенно ясно установил, понял и сформулировал правило, что оба камня долетят до поверхности Земли за одинаковое время, если не учитывать сопротивления воздуха при падении. Если бы вы находились на одном из этих камней, то второй казался бы вам неподвижно висящим в воздухе (для более наглядной демонстрации этого факта я пририсовал телекамеру к одному из камней). В наше время эффект свободного парения очень часто демонстрируют при репортажах с космических кораблей, и недавно я сам видел британского космонавта, свободно «плавающего» в пространстве рядом с огромным космическим аппаратом (полная аналогия с большим и маленьким камнями в опытах Галилея). Именно это явление и называют принципом эквивалентности.

Рис. 1.12.

а — Галилей бросает с наклонной Пизанской башни два камня (один с телекамерой); б — астронавт и космический корабль, плавающие в пространстве как бы без воздействия гравитации.

Рассматривая гравитацию в рамках опытов со свободным падением, мы вдруг понимаем, что в этих условиях она как бы полностью исчезает. Однако эйнштейновская теория вовсе не утверждает, что тяготение исчезает, она всего лишь говорит об исчезновении силы тяжести, что означает совершенно иное явление, которое можно назвать «приливным эффектом» гравитации.

Для дальнейшего изложения мне необходимо ввести еще несколько математических понятий. Мы говорим об искривлении пространства-времени, а процессы такого типа описываются тензором, который я для удобства назову Риманом и буду обозначать заглавной буквой R в простом уравнении, которое выпишу чуть ниже. Я не буду объяснять вам, в чем состоит физический смысл тензора кривизны Римана, обозначенного R, а только отмечу, что тензоры имеют некоторое число нижних индексов, вместо которых в уравнение поставлено соответствующее число точек (внизу справа от знака тензора). Тензор кривизны R можно разложить на две составляющие (одну из которых я назову кривизной Вейля, а вторую — кривизной Риччи), что позволяет мне выписать уравнение

Риман = Вейль + Риччи

R.... = C... +R'...g..,

где формально величины С и R' являются тензорами кривизны Вейля и Риччи, a g — так называемый метрический тензор.

Кривизна Вейля является объективным показателем упомянутого выше «приливного эффекта», физическую природу которого я поясню сейчас на простом примере. С точки зрения космонавта гравитация исчезает, однако мы понимаем, что это не так. Представьте себе, например, что космонавт окружен сферическим облаком неподвижных относительно него частиц. С течением времени это облако начнет «расплываться» и деформироваться, после чего в результате очень небольшого различия сил тяготения в различных участках сферы (мне хочется особо подчеркнуть, что я могу вполне адекватно описать эффект в рамках ньютоновской механики) сферическое облако через некоторое время превратится в эллипсоид, как показано на рис. 1.13, а.

Рис. 1.13.

а — приливный эффект. Широкие стрелки показывают направление относительного ускорения частиц; б — если сферическое облако окружает какой-либо массивный объект (например, Землю), то оно испытывает в целом ускорение, направленное «внутрь».

Как я уже говорил, искажение отчасти объясняется тем, что частицы, расположенные ближе к Земле, ускоряются сильнее, чем частицы на периферии облака. Кроме того, частицы по «бокам» сферы испытывают небольшие ускорения «внутрь», что также показано на рис. 1.13, а. Обе эти причины способствуют образованию эллипсоида из первоначально сферического облака частиц. Описываемый эффект очень удачно был назван «приливным», поскольку достаточно заменить Землю в наших рассуждениях Луной, а облако частиц — мировым океаном, как мы сразу поймем, почему поверхность морей на нашей планете не представляет собой правильную сферу! В соответствии с совершенно таким же механизмом морская толща на обращенной к Луне поверхности Земли притягивается Луной чуть сильнее, чем на обратной стороне, в результате чего вдоль морской поверхности дважды в день пробегает высокая приливная водна.

Гравитационный эффект по Эйнштейну представляет собой просто другую форму описанного приливного эффекта. Он определяется, как уже отмечалось, кривизной Вейля, т. е. составляющей С... выписанного выше уравнения. Эта часть тензора кривизны соответствует процессам с «сохранением объема» (т. е. объем эллипсоида, образовавшегося в результате деформации сферы из частиц, должен в точности равняться объему исходной сферы).

Вторая составляющая, называемая кривизной Риччи, относится к эффектам, связанным с «сокращением объема». Например, если Земля будет окружена сферическим облаком частиц (как показано на рис. 1.13, б), то объем сферы с течением времени должен несколько уменьшиться, поскольку все частицы притягиваются «внутрь». Степень такого сокращения объема и описывается составляющей R'. В соответствии с эйнштейновской теорией эта кривизна определяется количеством вещества в ближайшем окружении данной точки. Иными словами, определив правильным образом плотность вещества в некоторой точке пространства, мы можем найти и величину направленного «внутрь» ускорения. При таком подходе теория Эйнштейна полностью совпадает с ньютоновской теорией тяготения.

Именно так Эйнштейн и сформулировал свою теорию гравитации — он выразил тяготение посредством приливных эффектов, являющихся мерой локального искривления пространства-времени. Представление об искривлении четырехмерного пространства-времени является важнейшим в теории относительности. Я напомню вам рис. 1.11, где схематически были показаны мировые линии частиц и их искажения. Теория Эйнштейна представляет собой чисто геометрическую схему для четырехмерного пространства-времени, причем ее математическая формулировка отличается удивительной красотой.

История открытия общей теории относительности является весьма поучительной и интересной. Эйнштейн полностью сформулировал ее в 1915 г., исходя не из экспериментальных наблюдений, а лишь из некоторых эстетических, геометрических и физических принципов и пристрастий. Основой теории стали принцип эквивалентности Галилея (примером действия которого могут служить описанные выше эксперименты с бросанием камней различного веса, рис. 1.12) и общие идеи неевклидовой геометрии, естественным образом используемые для описания пространства-времени. Об экспериментальных доказательствах теории вначале никто не задумывался, однако после ее окончательной формулировки было предложено три разных варианта проверки. Первый из них связан с известной астрономической задачей (проблема смещения перигелия Меркурия), которую никак не удавалось решить в рамках классической механики Ньютона. Общая теория относительности позволила совершенно точно предсказать величину этого смещения. Далее, из теории следовало, что траектория световых лучей должна искривляться при прохождении через мощные гравитационные поля (например, вблизи Солнца). Для проверки этой гипотезы в 1919 г. под руководством Артура Эддингтона была организована астрономическая экспедиция для наблюдения полного солнечного затмения. Результаты, полученные этой знаменитой экспедицией, соответствовали предсказаниям эйнштейновской теории (рис. 1.14, а). И наконец, третья проверка была связана с предсказанием замедления хода часов в гравитационном поле (часы у поверхности Земли должны идти чуть медленнее, чем часы на вершине башни), что неоднократно проверялось в экспериментах. Следует отметить, что все эти проверки не оказались достаточно вескими (из-за того, что наблюдаемые эффекты всегда очень слабы), а также могут быть достаточно убедительно объяснены в рамках других теорий.