Известно из теории Ньютона что значение гравитации представляет силу тяготения. Основатель современной теоретической физики Эйнштейн дополнил связав геометрические свойства пространства и течение времени с силами гравитации.
Итак, что же такое теория гравитации Эйнштейна? Объяснение лежит в восхитительно простой теории Эйнштейна: гравитация — это кривизна пространства-времени.
Что такое пространство-время? Пространство-время — это ткань самой Вселенной.
Кривизна чего-либо приводит к силе
Хороший способ представить пространство-время и его кривизну — просто подумать о поверхности Земли. Наша планета имеет двумерную поверхность, которая может объяснить вам, что нужно всего лишь два числа, чтобы определить любую точку на ней: широта и долгота. Поверхность Земли изогнута в сферу, но вам не нужно знать, как передвигаться по ней и переходить с места на место. Мы можем представить кривизну, поскольку мы, к счастью, думаем в трех измерениях, так что мы можем реально увидеть, что поверхность Земли искривляется. Но представьте себе, что мы — двумерные существа, ограниченно двигающиеся по поверхности Земли и абсолютно без какого-либо представления о третьем измерении. Мы ничего не знаем о верхе и низе, только о широте и долготе. Тогда нам было бы весьма трудно представить кривизну поверхности нашей планеты.
Теперь давайте расширим нашу аналогию, чтобы увидеть, как кривизна чего-либо может привести к силе.
Представьте себе, что пара двумерных друзей стоят на экваторе и решают отправиться в путешествие на север. Они решают идти параллельно друг другу с намерением никогда не натыкаться друг на друга. Если они оба продолжат идти вперед по параллельным линиям долготы, то чем ближе они подойдут к Северному полюсу, тем они будут ближе друг к другу. В конце концов, когда они достигнут Северного полюса, они столкнуться друг с другом!
Как трехмерные существа, мы можем понять, что произошло: поверхность Земли изогнута, поэтому все линии долготы встречаются на полюсах. Тем не менее, с точки зрения наших двумерных друзей, хотя они и продолжали усердно идти по своим параллельным линиям, они все же таинственно сблизились.
Они могут, конечно, заключить, что сила, действующая между ними, привлекала их друг к другу.
В теории Эйнштейна это сила гравитации.
Пространство искривляется
Небольшая сложность в общей теории относительности Эйнштейна лежит на поверхности: нам приходится думать о том, что пространство-время не двумерное, а четырехмерное. Оно представляет собой соединение знакомых нам трех измерений пространства плюс дополнительно прибавленное к ним измерение времени.
Достаточно сказать, что поверхность нашей Вселенной, на которой мы все живем,— четырехмерна. Эйнштейн доказал, что наличие материи и энергии — в виде звезд, планет и лун — искривляет поверхность пространства-времени, искажая его в «холмы» и «долины». Его уравнения описывают, какой именно форма пространства-времени должна быть около какого-либо конкретного объекта, например, около Солнца.
Уравнение описывает, как все вокруг него движется по искривленной поверхности. Как и двумерные друзья, предметы движутся по прямой линии, но точно так же, как и в примере с нашими двумерными друзьями, все будет выглядеть совсем не так, если вы не знаете, что пространство искривляется. Когда выдвигаетесь по искривленной поверхности, кажется, что сила, действующая на вас, искажает ваш путь. Первое, что сделал Эйнштейн с помощью своей новой геометрической теории гравитации, — вычислил, каким прямолинейный путь Меркурия сквозь искривленное пространство-время вокруг Солнца будет виден нам, оказавшимся на поверхности этого пространства-времени. К своей радости, он обнаружил, что Меркурий будет вращаться вокруг Солнца именно так, как он был виден на протяжении веков наблюдений. Там, где не справился Ньютон, теория гравитации Эйнштейна доказала это.
Эйнштейн нашел совершенно геометрический способ описания силы гравитации, и он, на удивление, весьма элегантен. Он не только сумел предсказать орбиту Меркурия, но и предоставил нам весьма увлекательное объяснение принципа эквивалентности. Почему все предметы падают с одинаковой скоростью в гравитационном поле независимо от их массы или состава? Потому что путь, который они проделывают, не имеет вообще ничего общего с ними — они просто следуют прямолинейному пути через искривленное пространство-время.
Искривление света
Возможно, самое поразительное проявление этого — искривление света под действием силы гравитации. Но солнечная энергия огромна. Свет не имеет массы, и поэтому в теории Ньютона он вообще не должен зависеть от гравитации. Однако, согласно теории Эйнштейна, то, что он не имеет массы, совершенно не важно, он все равно будет следовать через искривленное пространство-время по тому же пути, что и все остальные предметы. Давайте сделаем мысленный эксперимент, чтобы увидеть, насколько это странно. Встаньте на земле с камнем в одной руке и лазером в другой. Направьте лазер горизонтально, бросьте камень и стреляйте из лазера. Что упадет на землю первым? Они упадут одновременно, потому что оба пройдут через одно и то же искривленное пространство.
Свет в гравитационном поле падает с той же скоростью, что и все остальное.
Подумайте ради интереса, что произойдет, если вы выстрелите из лазера прямо в землю? Свет может передвигаться только с одной и той же скоростью, он не может ускориться, поэтому он будет двигаться по отношению к земле со скоростью ровно 299 792 458 метров в секунду. Но разве он не должен ускориться, падая со скоростью 9,81 м/с за секунду? Нет, не должен, потому что он всегда движется со скоростью ровно 299 792 458 метров в секунду.
Так что же происходит? Очевидно, энергия света может меняться, хотя скорость его меняться не может. Свет смещается в сторону синей части спектра, когда летит к земле, и получает энергию от падения на нее. То есть длина его волны становится короче с увеличением его частоты. Экспериментальный факт, который вызвал все эти рассуждения, заключается в том, что гравитационная и инертная массы объектов одинаковы.
Эйнштейн дает этому такое объяснение: гравитация — это результат искривления пространства-времени. Теория Эйнштейна может служить точной моделью мира, как и теория Ньютона.