Общая теория относительности

Дорогие друзья!

Специальная теория относительности противоречила закону всемирного тяготения Ньютона, согласно которому объекты притягиваются друг к другу с силой, зависящей от расстояния между ними. При этом дальнодействие между небесными телами должно было быть мгновенным.

Но в соответствии со СТО ни одно тело не может двигаться быстрее, чем со скоростью света, и мгновенного действия быть не может.

С 1908 по 1914 год Эйнштейн предпринял ряд безуспешных попыток построить такую модель гравитации, которая согласовалась бы со специальной теорией относительности.

Чтобы понять грандиозность замысла Эйнштейна, представьте себе, что вы ночью стоите в поле и смотрите в звездное небо. Огромное пространство вокруг вас. Бездонная чернота со светящимися звездами. Как можно описать эту беспредельность каким-то уравнением? Да еще связать с той силой, которая удерживает вас на земле?

Наконец, в 1915 году Эйнштейн опубликовал теорию, которая сегодня называется общей теорией относительности – ОТО (выстроил, как он сам говорил, второй этаж дома).

В этой теории гениальность Эйнштейна проявилась еще в одном объединении: геометрические свойства пространства были объединены с чисто физической сущностью гравитации. Как Эйнштейну удалось «впрячь в одну телегу коня и трепетную лань», объединить физическое понятие гравитации с геометрией пространства?

Основная трудность заключалась в бесконечности Вселенной. Бесконечная Вселенная Ньютона потому и представляла для математиков и физиков непреодолимые трудности, что была бесконечной.

C бесконечностью столкнулся и Эйнштейн. Мучительно и напряженно искал он граничные условия, пытаясь описать уравнениями бесконечность Вселенной, и, наконец, пришел к выводу: «Мне не удалось установить граничные условия для пространственной бесконечности. Если бы можно было рассматривать мир в его пространственной протяженности как замкнутый, то подобного рода граничные условия были бы вообще не нужны» [1]. Хорошая идея пришла к нему очень вовремя, поскольку работы Лобачевского и Римана об искривленном и конечном пространстве уже были известны.

Чтобы избавиться от пороков бесконечности, Эйнштейн заменил бесконечную «плоскую» ньютонову Вселенную конечной. Конечное пространство по необходимости должно быть замкнутым и искривленным, подобно тому, как обязательно искривлена любая замкнутая поверхность. Замкнутое и конечное пространство имеет положительную кривизну, речь идет о пространстве Римана.

Затем Эйнштейн выдвинул предположение революционного характера: гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским; оно искривлено распределенными в нем массой и энергией.

Эта безграничная Вселенная наполнена различными космическими телами: звездами, планетами. Подобно тому, как вокруг движущихся электрических зарядов создается электромагнитное поле, так и в пространстве, окружающем всякое небесное тело, создается поле гравитации. И это поле гравитации проявляет себя в виде искривленного пространства. То есть искривленное пространство и есть гравитационное поле!

Таким образом, материальной средой, передающей взаимодействия, у Эйнштейна является само мировое пространство. Поле стало первичной физической реальностью, а не следствием какой-то другой реальности. Эйнштейн писал: «Силовое поле является самостоятельной физической реальностью, не нуждающейся в субстрате…» [2].

Такие тела, как Земля, вовсе не принуждаются двигаться по искривленным орбитам гравитационной силой; они движутся по линиям, которые в искривленном пространстве более всего соответствуют прямым в обычном пространстве и называются геодезическими. Геодезическая – это самый короткий путь между двумя соседними точками.

Например, поверхность на Земле есть искривленное двумерное пространство. Геодезическая на Земле называется большим кругом и является самым коротким путем между двумя точками. Согласно ОТО, тела всегда перемещаются по прямым в четырехмерном пространстве-времени, но мы видим, что в нашем трехмерном пространстве они движутся по искривленным траекториям. Понаблюдайте за самолетом над холмистой местностью. Сам он летит по прямой в трехмерном пространстве, а его тень перемещается по кривой на двумерной поверхности.

Если раньше считали, что после исчезновения вещества останется пустое пространство, то теория относительности утверждает, что после исчезновения материи исчезнет и пространство! То есть вещество и пространство следует воспринимать как непрерывно связанные понятия. Пространство и время перестали быть независимыми от движущейся материи.

Время возникает или исчезает вместе с пространством там, где существуют для него системы отсчета. А эти системы в свою очередь возникают и исчезают в зависимости от масс, энергий и скоростей. Единственная устойчивая величина в этом хаосе, которую оставил нам Эйнштейн, – скорость света в вакууме. Она предельна и непреодолима.

С точки зрения Эйнштейна путешествие со сверхсветовой скоростью означало бы путешествие из будущего в прошлое. При этом причина стала бы следствием, а следствие – причиной. Именно это не позволяло Эйнштейну признать даже гипотетическую возможность преодоления барьера скорости света.

Как заметил Павел Флоренский, свет, преодолевший барьер скорости света в вакууме, становится «тем светом». Но потусторонний мир – это уже не физика, а метафизика. Новая метафизика стала возможной благодаря открытию Эйнштейна, хотя сам он был строгим рационалистом, избегающим мистических построений [1].

В общей теории относительности пространство и время – динамические величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства-времени, а его структура влияет на то, как движутся тела и действуют силы. То есть пространство и время не только влияют на все, что происходит во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего, в ней происходящего. В теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной.

Итак, теория относительности объяснила движение всех масс, всей материи – от лучей света до звездных галактик. Объяснила открытой ею «обратной связью» космических масштабов: движение масс вызывается искривлением пространства, а искривление пространства вызывается населяющей его материей.

Однако наделив пространство физическими свойствами, Эйнштейн стал нуждаться в переносчике взаимодействий и решил вернуть эфир в науку.

Это естественно. Как сказал академик АН СССР В. Ф. Миткевич: «Пустое пространство не может быть ареной каких бы то ни было взаимодействий».

В 1923 году Эйнштейн писал в своей статье: «Согласно общей теории относительности, пространство немыслимо без эфира. Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами. В пространстве без эфира не только было бы невозможно распространение света, но не могли бы существовать масштабы и часы, и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле» [2]. Но было поздно.

С призывом вернуть в науку термин «эфир» Эйнштейн опоздал.

К 1923 году власть над миром вместе с теорией относительности уже делила новая наука, квантовая физика. И она уже обнаружила в пространстве Эйнштейна (пустом, по его мнению) специфическую материальную среду с необычными свойствами. Не решаясь вернуться к названию «эфир», эту необычную среду назвали «физический вакуум». Надо сказать, что сегодня ученые все чаще возвращаются к старому названию – эфир. Хотя стоит отметить, что физический вакуум и эфир – это не совсем одно и то же.