Вселенная по Эйнштейну: почему время перестало быть абсолютным

ПРОДОЛЖЕНИЕ. ПРЕДЫДУЩЕЕ ЗДЕСЬ. НАЧАЛО ЗДЕСЬ

В 1905 году двадцатишестилетний служащий швейцарского патентного бюро опубликовал несколько работ, каждая из которых могла бы обеспечить физику место в истории. Он объяснил фотоэффект, дал теоретическое описание броуновского движения, сформулировал специальную теорию относительности и показал связь массы и энергии...

Казалось бы, после такого научный мир должен был немедленно распахнуть перед Альбертом Эйнштейном все двери. Но наука устроена несколько сложнее... Революции в физике редко начинаются с фанфар. Чаще новая идея сначала появляется в журнале, затем несколько специалистов недоверчиво перечитывают формулы, кто-то пожимает плечами, кто-то пишет письмо коллеге — и лишь спустя годы становится понятно, что привычная картина мира уже изменилась. В то время как Эйнштейн продолжал ходить на службу…

Физик, которого ещё почти никто не знал: временны́е странности

В 1905 году Эйнштейн работал техническим экспертом третьего класса в Федеральном бюро интеллектуальной собственности в Берне. Его обязанностью было изучать заявки на изобретения — прежде всего устройства, связанные с электричеством и передачей сигналов. Работа эта, как ни странно, имела свои преимущества. Эйнштейну постоянно приходилось мысленно разбирать механизмы на части: 

Что именно здесь измеряется? 
Как синхронизируются часы? 
Каким образом передаётся сигнал? 
Что происходит в действительности, а что лишь предполагает автор заявки?

Для будущего создателя теории относительности это было почти идеальным интеллектуальным тренажёром. Однако университетского положения у него по-прежнему не было. Его статьи читали. О них спорили. Но сам автор оставался человеком, который по утрам отправлялся не в физическую лабораторию, а в учреждение, где рассматривались патенты. Ситуация начала меняться после того, как на работы Эйнштейна обратили внимание известные физики. Особенно важным оказался интерес Макса Планка. Того самого Планка, который несколькими годами ранее ввёл в физику идею квантов энергии. Планк быстро понял, что статья Эйнштейна о движущихся телах — это не очередная попытка слегка поправить механику Ньютона. Перед ним находилась новая система представлений о пространстве и времени. Именно признание со стороны учёных такого масштаба постепенно превращало неизвестного патентного эксперта в заметную фигуру европейской физики.
Главная странность специальной теории относительности (о ней в след. главах) заключалась даже не в формулах. Формулы можно было проверить. Гораздо труднее было принять их смысл. На протяжении столетий физика исходила из почти очевидной мысли: существует единое время, одинаковое для всех. Часы могут идти неточно. Наблюдатели могут ошибаться. Сигнал может запаздывать. Но где-то за всеми этими техническими несовершенствами будто бы существует настоящее — абсолютное! — время. Исаак Ньютон прямо говорил об абсолютном времени, которое течёт равномерно само по себе. У Эйнштейна такого времени больше не было…
Представим два события, происходящих далеко друг от друга. Для одного наблюдателя они могут оказаться одновременными. Для другого, движущегося относительно первого, — уже нет. Причём дело не в неисправных часах. И не в том, что кому-то неправильно сообщили время. Различие возникает в самой структуре измерений пространства и времени. Это было чрезвычайно трудно представить. Даже сегодня, когда теория относительности входит в учебники, человеческая интуиция продолжает сопротивляться ей.
Мы живём при скоростях, ничтожных по сравнению со скоростью света, поэтому в повседневной жизни релятивистские эффекты практически незаметны. Самолёт, поезд и автомобиль движутся для физика почти одинаково медленно. Но если приблизиться к скорости света, привычная ньютоновская картина начинает разрушаться. 

Движущиеся часы идут иначе.
Расстояния зависят от системы отсчёта.
Одновременность перестаёт быть абсолютной.
Пространство и время оказываются связаны значительно теснее, чем представляли раньше.

Четвёртое измерение

Сам Эйнштейн в своей статье 1905 года ещё не говорил о знаменитом четырёхмерном пространстве-времени в том виде, в каком мы привыкли слышать сегодня. Этот следующий шаг сделал Герман Минковский. И здесь история приготовила небольшую иронию. Минковский когда-то преподавал молодому Эйнштейну математику в Цюрихском политехникуме и не считал его особенно прилежным студентом. Эйнштейн действительно относился к занятиям избирательно. Лекции, которые казались ему скучными, он мог пропускать, предпочитая самостоятельно читать труды великих физиков.
Спустя несколько лет бывший преподаватель увидел, что теория его бывшего студента открывает совершенно новый математический мир. В 1908 г. Минковский представил геометрическую интерпретацию специальной теории относительности. Пространство и время теперь можно было рассматривать как части единой четырёхмерной конструкции. Три координаты описывали положение объекта в пространстве. Четвёртая — время.
Сегодня выражение «пространство-время» звучит почти привычно. Оно перекочевало из физики в фантастику, кино и массовую культуру. Но тогда сама мысль была радикальной. Минковский сформулировал её эффектно: пространство само по себе и время само по себе должны превратиться лишь в тени, а самостоятельную реальность сохраняет их единство. Эйнштейн сначала отнёсся к новой математической форме без особого энтузиазма. Ему казалось, что физическую идею теперь окружили слишком сложным математическим аппаратом. Позже он изменит своё мнение... Ведь именно язык геометрии пространства-времени окажется необходим ему для следующего гигантского шага — общей теории относительности. (О чём в следующих главах.)

Человек в падающем и ускоряющемся лифте…

​

Научная известность Эйнштейна постепенно росла. В 1908 году он получил право преподавать в Бернском университете в качестве приват-доцента. Поначалу его лекции собирали буквально несколько слушателей. Контраст был почти комическим. Человек, который уже начал менять фундаментальные представления физики, преподавал аудитории, которую иногда можно было пересчитать по пальцам. Но ситуация быстро менялась.
В 1909 году Эйнштейн получил должность в Цюрихском университете и наконец покинул патентное бюро. Ему было тридцать лет. Почти десятилетие борьбы за нормальную академическую карьеру закончилось. Теперь он становился профессиональным учёным. В последующие годы последовала целая череда приглашений.

Прага.
Снова Цюрих.
Затем Берлин.

Имя Эйнштейна всё чаще звучало на международных научных конференциях. Но вместе с признанием возникала новая проблема. Специальная теория относительности работала лишь для систем, движущихся равномерно и прямолинейно. А что делать с ускорением? И главное — что делать с гравитацией? Однажды Эйнштейну пришла мысль, которую позднее он назовёт одной из самых счастливых в своей жизни. Представим человека, падающего с крыши. Во время свободного падения он почти не ощущает собственного веса. Конечно, пример звучит несколько мрачно, но для физики он оказался исключительно плодотворным. Позже его стали объяснять более спокойным образом — через мысленный эксперимент с лифтом.
Представим закрытую кабину лифта где-нибудь в глубоком космосе. Никакой планеты рядом нет. Гравитации практически нет. Но к кабине прикреплён двигатель, который заставляет её ускоряться вверх. Человек внутри почувствует, будто его прижимает к полу. Если он выпустит из рук яблоко, пол кабины поднимется ему навстречу. Почему? — Ответим в скобках:

[Потому что яблоко после того, как его отпустили, перестаёт разгоняться вместе с лифтом. Представим лифт в далёком космосе. Двигатель постоянно разгоняет кабину вверх. Пока человек держит яблоко, рука заставляет его двигаться вместе с лифтом с тем же ускорением. Но как только он разжимает пальцы, на яблоко почти ничего не действует — оно продолжает двигаться по инерции с той скоростью, которую имело в момент отпускания. А лифт тем временем продолжает ускоряться вверх. Поэтому пол всё быстрее приближается к свободно летящему яблоку и в конце концов его «догоняет». Для человека внутри это выглядит так, будто яблоко упало на пол. Например: в момент отпускания и лифт, и яблоко летят вверх со скоростью 100 м/с. Через секунду яблоко по-прежнему летит примерно со скоростью 100 м/с, а лифт из-за работы двигателя — уже, скажем, 110 м/с. Вот пол и приближается к яблоку снизу. Именно поэтому Эйнштейн заметил удивительное сходство: в закрытой кабине невозможно простым локальным опытом отличить постоянное ускорение кабины от действия однородного гравитационного поля. Это и есть основа принципа эквивалентности. Утверждающего, что в небольшой области пространства невозможно отличить действие однородного гравитационного поля от действия соответствующего ускорения системы отсчёта. Именно сия идея стала мостом от специальной теории относительности — к общей.]

Ещё раз повторимся… Для наблюдателя внутри всё будет выглядеть почти так же, как если бы лифт неподвижно стоял на поверхности планеты. А теперь наоборот. Пусть кабина падает в гравитационном поле. Человек и все находящиеся рядом предметы падают с одинаковым ускорением. Внутри кабины они словно становятся невесомыми. Отсюда родилась чрезвычайно глубокая идея: ускорение и действие гравитации в определённых условиях физически неразличимы. Так и появился вышеупомянутый принцип эквивалентности. Перед Эйнштейном открывалась дорога к совершенно новой теории тяготения. Ньютон был неправ?
Подобная формулировка всегда требует осторожности. Ньютоновская теория тяготения вовсе не стала бесполезной после Эйнштейна. Более того, ею пользуются до сих пор. Если требуется рассчитать падение тела, движение спутника или множество инженерных задач, ньютоновские уравнения дают великолепный результат. Проблема обнаруживается там, где гравитация очень сильна или требуется чрезвычайно высокая точность. Ньютон представлял тяготение как силу, действующую между массами. Солнце притягивает Землю. Земля притягивает Луну. Но каким образом эта сила передаётся через пустое пространство? Сам Ньютон избегал окончательного ответа. Эйнштейн подошёл к вопросу иначе…
Возможно, рассуждал он, гравитация вообще не является силой в обычном смысле слова. Возможно, масса изменяет само пространство-время. И тела просто движутся внутри этой изменённой геометрии. Представить такую картину намного труднее, чем произнести. Популярное объяснение обычно использует натянутую ткань: если положить на неё тяжёлый шар, поверхность прогнётся, а маленькие шарики будут двигаться по искривлённой поверхности. Аналогия удобная, хотя и весьма приблизительная. Настоящее пространство-время четырёхмерно, и никакой внешней «ямы», куда оно прогибается, физике не требуется. Но общий смысл остаётся верным: материя влияет на геометрию пространства-времени, а геометрия определяет движение материи. До окончательной формулы оставалось несколько лет…

И они оказались, вероятно, самыми тяжёлыми в научной жизни Эйнштейна. Чудесный 1905 год был временем стремительных озарений. Теперь требовалось другое — построить математическую теорию Вселенной, в которой пространство и время сами становились участниками физических событий. Впереди были ошибки, тупики, споры с математиками, гонка с конкурентами и наконец уравнения, которые изменят представление человечества о гравитации. В 1915 году Эйнштейн завершит общую теорию относительности. Но прежде ему придётся заново научиться математике, которую когда-то студент Эйнштейн считал слишком отвлечённой. Да-с, господа… История иногда обладает весьма своеобразным чувством юмора.

​