Нереальная реальность-2 - Андрей Кананин

Эйнштейн открыл, что пространство и время, которые до него казались абсолютными и независимыми, на самом деле тесно взаимосвязаны между собой и являются относительными. Фундаментальные физические свойства Вселенной напрямую связаны друг с другом.

Самое знаменитое уравнение Эйнштейна – E=mc2 – наглядно демонстрирует эту связь.

Энергия (E) и масса (m) не являются независимыми. Зная массу, можно определить энергию объекта, умножив её на квадрат скорости света. Зная энергию, аналогично можно установить массу. Таким образом, энергия и масса взаимозаменяемы. А поскольку квадрат скорости света – огромное число, то в очень маленькой массе можно сосредоточить гигантский объём энергии. Это две стороны одной медали. Энергия – это освобождённая материя, а материя – это огромное сосредоточение энергии, дожидающейся своего часа.

К сожалению, человечество уже знает о мощи, скрытой в формуле E=mc2 не только теоретически, испытав последствия атомных взрывов, когда в сокрушительную энергию превращались всего-то граммы радиоактивного вещества. Внутри такого небольшого материального объекта как ваше тело, заключено 7х1018 джоулей энергии. Это очень много. Если одномоментно высвободить такую энергию, то взорвётся несколько десятков водородных бомб.

В специальной литературе пространство и время, как правило, неразделимы и формулируются термином «пространство-время» как единый континуум. Нам с вами достаточно понимать это в том смысле, что нечто, верное и применимое для пространства, таким же образом истинно для времени.

Грандиозность выводов Эйнштейна заключается в том, что великому физику удалось доказать: наше мировоззрение неполно, интуитивно мы не ощущаем всё многообразие окружающего нас мира. Мы слишком медлительны, чтобы постичь истинную суть пространства-времени. Теория относительности Эйнштейна разгадала загадку и раскрыла нам природу фундаментальных характеристик Вселенной.

Постулаты специальной теории относительности поначалу привели к «невозможным» для учёных начала XX века следствиям. Тот факт, что ничто не способно превысить скорость света вступал в прямое противоречие не просто с отдельными законами, а с основой основ физики – теорией всемирного тяготения Исаака Ньютона3. В чём суть возникшей коллизии?

Наш субъективный опыт уверенно подсказывает нам, что сила тяжести – явление повсеместное. Она удерживает нас с вами на Земле, а Землю на орбите вокруг Солнца. Закону всемирного тяготения беспрекословно подчиняются все материальные тела во Вселенной. В самых отдалённых галактиках планеты движутся вокруг звёзд точно также, как в нашей Солнечной системе.

Любая материя испытывает воздействие силы тяжести. Чем больше масса тела – тем больше сила взаимного притяжения. Однако, она уменьшается, если между массивными телами увеличивается расстояние. Соответственно, сила притяжения по теории Ньютона зависит исключительно от массы тел и расстояния между ними. В этом весь казус.

Теория всемирного тяготения предполагает, что если изменится масса объектов или дистанция между ними, то тела мгновенно отреагируют. Сила взаимного гравитационного притяжения возрастёт, либо ослабнет немедленно. Как же быть с тем фактом, что в соответствии со специальной теорией относительности абсолютным пределом является скорость света? Возникает нестыковка.

Если предположить, что Солнце внезапно исчезнет, то, согласно Ньютону, Земля мгновенно сойдет со своей орбиты, поскольку притяжение материнской звезды пропадёт. Но, согласно Эйнштейну, никакие данные, в том числе возмущения сил тяготения, не могут распространятся быстрее света. А свет достигает Земли от Солнца только через восемь минут.

Эйнштейн смог разрешить это противоречие. Он догадался, что в его теорию необходимо включить гравитацию. И что гравитация напрямую связана с движением.

Более того, он установил, что по своей сути они неотличимы. Сила, которая ощущается от гравитации – это та же самая сила, которая ощущается от ускорения. Поэтому, если вы ощущаете гравитацию, вы должны ускоряться.

Эйнштейн назвал этот постулат принципом эквивалентности. Он лёг в основу общей теории относительности, которая смогла объединить гравитацию и движение. Объединение базируется на ещё одном удивительном свойстве природы – кривизне пространства-времени. К искривлению приводит именно ускоренное движение.

Когда Эйнштейн установил, что ускоренное движение связано с искривлением пространства-времени, он понял каким образом работает сила притяжения. Учёный догадался, что гравитация есть ничто иное, как искривление пространства и времени. В результате, специальная теория относительности не только не отменила классическую механику Ньютона, а значительно усовершенствовала и расширила её.

В отсутствии материи или энергии пространство-время гладкое, не имеющее деформаций, «впадин» и «бугров». Но такие массивные объекты, как звёзды и планеты, искривляют вокруг себя саму его структуру. Пространство деформируется. Как будто твёрдый шар положили на упругое и тонкое резиновое полотно. Поэтому пространство во Вселенной – это не пустота. Это динамичная структура, форма которой меняется под воздействием находящихся в ней материальных тел.

Действительно, может создаться впечатление, что гравитация распространяется быстрее скорости света. Но это не так. Эйнштейн рассчитал насколько быстро «рябь» от деформаций переносится в пространстве от одного места к другому. Выяснилось, что кривизна пространства уменьшается при увеличении расстояния до массивного тела точно со скоростью света. Поэтому, если Солнце внезапно исчезнет, то мы некоторое время не почувствуем никаких изменений. После исчезновения звезды Земля будет оставаться на своем месте в структуре пространства-времени те же самые восемь минут, пока волна деформированного пространства не отбросит нашу планету с привычной орбиты.

Гравитация – это искажение пространства одним телом, что направляет движение других. Любой объект искривляет пространство. Это универсальный принцип. Вы тоже его постоянно искривляете вокруг собственного тела. Но ваша масса ничтожна по сравнению с планетой или звездой, поэтому никаких аномальных гравитационных искажений вы лично не производите.

Гравитация проявляется как деформация пространства-времени под воздействием массы. Сила тяжести только кажется нам силой. А по сути она является внешним проявлением искривления пространства-времени. Мы «умышленно» прижаты к Земле, потому что наши тела постоянно стремятся «соскользнуть» в пространственно-временное углубление, созданное планетой.

Таким образом, гравитация – это кривизна.

Электромагнитные и звуковые волны движутся по пространству, а гравитационные волны – внутри самого пространства. Они являются искажениями в геометрии пространства. Гравитация не является силой, действующей на наши тела. Она является следствием геометрии пространства-времени. Материя направляет искривление пространства-времени, а пространство-время направляет движение материи.

Чем сильнее гравитация, тем сильнее искривляется время. Кривизна времени означает, что скорость его течения зависит от положения наблюдателя. Вообще, описание любого физического события зависит от системы отсчёта, в которой находится наблюдатель. Пространственно-временные флуктуации проявляют себя как колебания гравитационного поля. Образно можно назвать это пространственно-временной рябью в океане Мироздания.

Теория относительности проверена в многочисленных экспериментах. Она раскрыла тайны гравитации в классическом мире. Однако, не объясняет процессы, происходящих в сильных гравитационных полях. То есть тогда, когда образуются сингулярности в начале и конце эволюции Космоса, а также в чёрных дырах. В этих экстремальных условиях величины, характеризующие пространство-время, становятся бесконечными. А это противоречит классической физике. Видимо, теория относительности неполная, если речь идёт об описании сильных гравитационных полей, где её уравнения перестают работать. Она как бы сама подсказывает, что граница её применимости находится вблизи точки сингулярности. А учёным всегда хочется преодолевать границы. Поэтому теория относительности наверняка не является последним словом в физике.

Завершая разговор о великом открытии Эйнштейна, хочу рассказать ещё об одном потрясающем и строго научном факте.

Он заключается в том, что в эту самую секунду вы движетесь со скоростью света. Кажется, что это совершенно невозможно, но это так, и прямо следует из специальной теории относительности: общая скорость движения через пространство и движения через время всегда равна скорости света.