в направлении Земли не потому, что они чувствуют силу, а потому что пространство-время искривлено, так что геодезические изгибаются к центру Земли. Планеты вращаются вокруг Солнца не потому, что Солнце действует силой на них, а потому что его гигантская масса искривляет геометрию пространства-времени так, что геодезические искривляются вокруг него.
Так Эйнштейн объяснил гравитацию как аспект геометрии пространства-времени. Геометрия действует на материю, направляя ее вдоль геодезических. Но что чудесно в ОТО Эйнштейна, это что указанное действие взаимно. Эйнштейн постулировал, что масса заставляет геометрию искривляться так, что геодезические ускоряются в направлении массивных тел. Чтобы осуществить эту идею, он предложил уравнения, которые предписывают пространству-времени искривляться только правильным способом, воспроизводя эффекты гравитации.
Эти уравнения имеют множество следствий, которые с высокой точностью подтвердились наблюдениями. Они заставляют вселенную как целое расширяться. Они предсказывают, что орбиты планет вокруг Солнца и Луны вокруг Земли очень слабо отличаются от предсказаний Ньютоновской физики, и эти эффекты были обнаружены. Они заставляют пространство-время вокруг экстремально компактных тел искривляться настолько сильно, что свет не может улететь; таковы черные дыры, и среди них имеются чрезвычайно массивные - массой во многие миллионы звезд - в центрах большинства галактик.
Возможно, самое примечательное следствие уравнений ОТО состоит в том, что геометрия пространства-времени искажается путем прохождения волн через него. Они аналогичны искажениям поверхности озера; геометрия пространства колеблется при прохождении волн через него. Эти гравитационные волны вызываются быстрыми изменениями в движениях очень массивных тел, вроде двух нейтронных звезд, вращающихся друг вокруг друга, и они переносят образы этих разрушительных событий через вселенную. В настоящее время предпринимаются настойчивые попытки детектирования указанных образов, которые откроют новое окно в астрономии, что позволит нам увидеть внутренности коллапсирующих сверхновых и рассмотреть предельно близко первые моменты Большого Взрыва - и, возможно, до него.
Эффекты гравитационных волн видны не непосредственно. Когда две нейтронные звезды быстро вращаются друг вокруг друга, производимые ими гравитационные волны уносят прочь энергию, заставляя их сближаться по спирали
к оглавлению
друг к другу. Это спиральное движение наблюдалось, и найдено согласующимся с предсказаниями ОТО с высокой степенью точности.
*
С изобретением ОТО Эйнштейн вызвал радикальную трансформацию в концепции пространства и времени.
В Ньютоновской физике геометрия пространства была зафиксирована раз и навсегда. Пространство предполагалось имеющим геометрию трехмерного Евклидова пространства. В Ньютоновской физике тогда имелось нечто тревожно асимметричное во взаимоотношениях между пространством и материей: Пространство казалось указывающим материи, как двигаться, но само пространство никогда не изменялось. Тут не было взаимности. Пространство никогда не подвергалось влиянию движения материи или даже ее присутствия. Казалось, пространство будет в точности таким же, даже если материи в нем совсем нет.
Эта асимметрия была исправлена в ОТО, в которой пространство становится динамическим. Материя влияет на изменения в геометрии точно так же, как геометрия влияет на движение материи. Геометрия становится полностью частью физики, точно как электромагнитное поле. Уравнения Эйнштейна, разъясняющие динамику пространства-времени, тогда подобны другой гипотезе: Они прощупывают физические явления и их взаимоотношения друг с другом.
Если бы геометрия пространства-времени была все время фиксирована, мы говорили бы, что пространство и время абсолютны. Только детали отличаются от Ньютоновской концепции свойств пространства и времени, как вечных и фиксированных. Эта геометрия динамическая и подвержена влиянию распределения материи, осуществляя идею Лейбница о том, что пространство и время чисто реляционны.
В своей формулировке реляционистской теории пространства и времени Эйнштейн руководствовался взглядами Эрнста Маха, который ввел так называемый принцип Маха. Он говорит, что только относительное движение должно иметь смысл, так что если у нас кружится голова, когда мы вращаемся, это должно происходить вследствие того, что мы вращаемся относительно удаленных галактик. Требование, что влияет одно из чисто относительных движений, подразумевает, что мы будем чувствовать головокружение, даже если мы все еще стоим, а целая вселенная крутится вокруг нас.
Но хотя ОТО радикальна в этом аспекте, она консервативна
к оглавлению
в другом, что она четко соответствует Ньютоновской парадигме. Тут есть пространство возможных конфигураций геометрии и материи вместе. При задании начальных условий, уравнения Эйнштейна определяют всю будущую геометрию конкретного пространства-времени и всего, что оно содержит, включая материю и радиацию.
И вся история мира как целое все еще представлена в ОТО как математический объект. Пространство-время ОТО соответствует математическому объекту намного большей сложности, чем трехмерное евклидово пространство теории Ньютона. Но выглядит оно как монолитная вселенная, оно вечно и изначально, в нем нет разницы между будущим и прошлым, в нем наше осознание настоящего не играет роли и никак не отмечено.
*
ОТО сделало еще один удар, чтобы избавить время от фундаментальной роли в физике. В идее, что время реально и фундаментально, неявно содержится мысль, что время не может иметь начало. Для того, чтобы время имело начало, происхождение времени должно быть объяснимо в терминах чего-то, что временем не является. А если время объясняется в терминах чего-то вневременного, тогда время не фундаментально и есть нечто более фундаментальное, из чего происходит время. Но в любой правдоподобной модели вселенной, описываемой уравнениями ОТО, время всегда имеет начало.
В течение 1916 года, когда была опубликована ОТО, Эйнштейн применил ее к целой вселенной. Он сделал это в предположении, что вселенная конечна по размерам, но не имеет границ - вроде сферы. Это был глубокий этап; впервые вселенная рассматривалась как содержащая сама себя и конечная. Ее просто очень много, но нет способа выйти за ее пределы. Понятие 'за пределами вселенной' вообще не имеет смысла.
Замыкая вселенную, Эйнштейн предполагал, что любые часы, используемые для измерения времени, находятся внутри системы. Он смог это сделать, поскольку уравнения его теории имели новое свойство, а именно, для них не важно, какие часы используются для измерения времени и какие приборы используются для измерения пространства. Время и пространство могли бы быть измерены настолько смешно и неряшливо, насколько возможно, и уравнения все еще работали бы. Так что
к оглавлению
теория больше не была связана с измерениями, сделанными специальными часами, идущими вне системы [12]. Избавившись от необходимости выбирать часы за пределами системы, ОТО прошла некоторую дистанцию к реляционистской теории физики. Но она все еще базируется на Ньютоновской парадигме, поскольку может быть сформулирована в терминах вневременных законов, действующих во вневременном конфигурационном пространстве.
Во-первых, Эйнштейн искал модель вселенной, которая была бы не только конечной в пространстве, но и вечной и неизменной во времени. Воображение Эйнштейна, столь же оригинальное в его размышлениях, как и у любого известного нам ученого, тут его подвело, казалось, он мог представить вселенную какой угодно, но статичной и вечной. Но тут имелась проблема, что гравитационная сила универсально притягивает и всегда действует так, чтобы свести вещи вместе. Это означает, что гравитация действует на целую вселенную, чтобы побудить ее к сжатию. Если вселенная расширяется, гравитация будет замедлять это расширение. Так что Эйнштейн мог предсказать, что вселенная должна изменяться во времени - или расширяться или сжиматься. Вместо этого он изменил свою теорию в попытке удержать вселенную в статическом состоянии, и при этом сделал необыкновенное и непреднамеренное открытие, - которое не было подтверждено экспериментом до недавнего времени.
Эйнштейн модифицировал свои уравнения, добавив член, который противодействует гравитации, побуждая вселенную к расширению. Эта модификация пришла с новой константой природы, представляющей плотность энергии пустого пространства. Эйнштейн назвал ее космологической постоянной. Хорошим подтверждениям для нее является обнаруженное недавно ускорение расширяющейся вселенной. Более общее название для причины ускоренного расширения есть темная энергия, но если ее плотность постоянна в пространстве и времени, она может быть описана эйнштейновской космологической константой. До настоящего времени наблюдения соответствуют этому, но некоторые космологические сценарии требуют возможного изменения темной энергии.
