Кратчайшая история времени - Стивен Хокинг

Между 1908 и 1914 гг. Эйнштейн предпринял множество неудачных попыток примирить теорию тяготения со специальной теорией относительности. Наконец, в 1915 г ., он предложил еще более революционную доктрину, известную теперь как общая теория относительности.

Глава шестая

ИСКРИВЛЕННОЕ ПРОСТРАНСТВО

Общая теория относительности Эйнштейна основана на революционном предположении, что гравитация не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как принято было думать раньше. В общей теории относительности пространство-время изогнуто или искривлено помещенными в него массой и энергией. Тела, подобные Земле, движутся по искривленным орбитам не под действием силы, именуемой гравитацией; они следуют по искривленным орбитам потому, что те являются геодезическими линиями — ближайшими аналогами прямых линий в искривленном пространстве. Более строго геодезическая линия определяется как кратчайший (или, наоборот, самый длинный) путь между двумя точками.

Геометрическая плоскость — пример двумерного пространства, в котором геодезические линии являются прямыми. Поверхность Земли — это двумерное искривленное пространство. Геодезические линии на Земле называются большими кругами. Экватор — большой круг, как и любой другой круг на поверхности, центр которого совпадает с центром Земли. (Термин «большой круг» указывает на то, что такие круги являются наибольшими возможными на поверхности Земле.) Так как геодезическая линия — кратчайшая линия между двумя аэропортами, штурманы ведут самолеты именно по таким маршрутам. Например, вы могли бы, следуя показаниям компаса, пролететь 5966 километров от Нью-Йорка до Мадрида почти строго на восток вдоль географической параллели. Но вам придется покрыть всего 5802 километра , если вы полетите по большому кругу, сперва на северо-восток, а затем постепенно поворачивая к востоку и далее к юго-востоку (рис. 10). Вид этих двух маршрутов на карте, где земная поверхность искажена (представлена плоской), обманчив. Двигаясь «прямо» на восток от одной точки к другой по поверхности земного шара, вы в действительности перемещаетесь не по прямой линии, точнее сказать, не по самой короткой, геодезической линии.

Рис. 10. Расстояния на земном шаре.

Кратчайшая линия между двумя точками на земном шаре проходит по большому кругу, который на плоской карте не передается прямой линией. 

В общей теории относительности тела всегда следуют по геодезическим линиям в четырехмерном пространстве-времени. В отсутствие материи эти прямые линии в четырехмерном пространстве-времени соответствуют прямым линиям в трехмерном пространстве. В присутствии материи четырехмерное пространство-время искажается, вызывая искривление траекторий тел в трехмерном пространстве (подобно тому, как в старой ньютоновской теории это происходило под действием гравитационного притяжения).

Нечто похожее наблюдается, когда самолет летит над холмистой местностью. Он, может быть, и двигается по прямой линии в трехмерном пространстве, но удалите третье измерение — высоту, — и окажется, что его тень следует по изогнутой траектории на холмистой двумерной поверхности Земли.

Или вообразите космический корабль, пролетающий в космосе по прямой линии над Северным полюсом. Спроецируйте его траекторию вниз на двумерную поверхность Земли, и вы увидите, что она описывает полукруг, пересекающий параллели Северного полушария (рис. 11). Хотя это трудно изобразить, масса Солнца искривляет пространство-время таким образом, что Земля, следуя по кратчайшему пути в четырехмерном пространстве-времени, представляется нам движущейся по почти круговой орбите в трехмерном пространстве.

Рис. 11. Траектория тени космического корабля.

Если траекторию космического корабля, который движется в космосе по прямой линии, спроецировать на двумерную поверхность Земли, окажется, что она искривлена. 

В действительности, несмотря на иной способ вывода, орбиты планет, предсказываемые общей теорией относительности, почти в точности такие же, как те, что предсказывает закон тяготения Ньютона. Самое большое расхождение обнаруживается у орбиты Меркурия, который, будучи ближайшей к Солнцу планетой, испытывает самое сильное воздействие гравитации и имеет довольно вытянутую эллиптическую орбиту. Согласно обшей теории относительности большая ось эллиптической орбиты Меркурия должна поворачиваться вокруг Солнца приблизительно на один градус за десять тысяч лет (рис. 12).

Рис. 12. Прецессия орбиты Меркурия.

При обращении Меркурия вокруг Солнца большая ось его эллиптической орбиты поворачивается, описывая полный круг приблизительно за 360 000 лет. 

Как ни мал этот эффект, он был зафиксирован (см. гл. 3) намного раньше 1915 г . и послужил одним из первых подтверждений теории Эйнштейна. В последние годы еще менее заметные отклонения орбит других планет от предсказаний теории Ньютона были обнаружены при помощи радаров в полном согласии с общей теорией относительности.

Световые лучи тоже должны следовать по геодезическим линиям пространства-времени. И снова тот факт, что пространство искривлено, означает, что траектория света в пространстве больше не выглядит как прямая линия. Согласно общей теории относительности гравитационные поля должны искривлять свет. Например, теория предсказывает, что вблизи Солнца лучи света должны слегка изгибаться в его сторону под воздействием массы светила. Значит, свет далекой звезды, случись ему пройти рядом с Солнцем, отклонится на небольшой угол, из-за чего наблюдатель на Земле увидит звезду не совсем там, где она в действительности располагается (рис. 13). Конечно, если бы свет звезды всегда проходил близко к Солнцу, мы не смогли бы установить, отклоняется луч света, или звезда действительно находится там, где мы, как нам кажется, ее видим. Однако при движении Земли по орбите позади Солнца оказываются различные звезды. Их свет отклоняется, и, как следствие, меняется их видимое положение относительно других звезд.

Рис. 13. Искривление лучей света вблизи Солнца.

Когда Солнце находится почти на полпути между Землей и далекой звездой, его гравитационное поле отклоняет лучи, испускаемые звездой, меняя ее видимое положение. 

В обычных условиях наблюдать этот эффект очень трудно, поскольку свет Солнца затмевает звезды, расположенные вблизи него на небе. Однако такие наблюдения можно выполнить во время солнечных затмений, когда Луна преграждает путь солнечным лучам. Гипотезу Эйнштейна об отклонении света нельзя было проверить в 1915 г . — шла Первая мировая война. Только в 1919 г . британская экспедиция, наблюдавшая затмение Солнца в Западной Африке, подтвердила, что свет действительно отклоняется Солнцем, как и предсказывал Эйнштейн. Этот вклад британской науки в доказательство немецкой теории был воспринят тогда как символ примирения между двумя странами после войны. По иронии судьбы, более поздняя проверка фотографий, сделанных экспедицией, показала, что погрешности измерений не уступали по величине измеряемому эффекту. Совпадение результатов измерений с теоретическими выкладками было счастливой случайностью, а возможно, исследователи заранее знали, какой результат хотят получить, — нередкий казус в науке. Отклонение света, однако, удалось с высокой точностью подтвердить множеством более поздних наблюдений.

Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что около массивных тел, таких как Земля, должен замедляться ход времени. Эйнштейн пришел к этому выводу еще в 1907 г ., за пять лет до того, как понял, что гравитация изменяет форму пространства, и за восемь лет до построения завершенной теории. Он вычислил величину этого эффекта, исходя из принципа эквивалентности, роль которого в общей теории относительности сходна с ролью принципа относительности в специальной теории.

Напомним, что согласно основному постулату специальной теории относительности все физические законы одинаковы для всех свободно двигающихся наблюдателей, независимо от их скорости. Грубо говоря, принцип эквивалентности распространяет это правило и на тех наблюдателей, которые движутся не свободно, а под действием гравитационного поля. Точная формулировка этого принципа содержит ряд технических оговорок; например, если гравитационное поле неоднородно, то применять принцип следует по отдельности к рядам небольших перекрывающихся однородных полей-заплат, однако мы не будем углубляться в эти тонкости. Для наших целей можно выразить принцип эквивалентности так: в достаточно малых областях пространства невозможно судить о том, пребываете ли вы в состоянии покоя в гравитационном поле или движетесь с постоянным ускорением в пустом пространстве.