Сергей Минаков - Таинственные явления природы и Вселенной

Но все же существует одна вещь, по поводу которой вы, ваш приятель и все наблюдатели всегда сойдутся между собой: свет всегда распространяется с одной и той же скоростью — примерно 300 тыс. км/с. Скорость света — это абсолютный предел скорости во Вселенной. Когда вы прикладываете силу к физическому объекту, он ускоряется. Его скорость растет, и если вы будете продолжать прикладывать силу, он, в конце концов, подойдет к скорости света. Эйнштейн доказал, что по мере приближения к световой скорости для ускорения этого объекта требовалось бы все больше и больше энергии, так что скорости света ему все равно не достигнуть.

Из СТО следует одна формула, которая очень важна в физике, но которая также является, наверное, самой известной и, осмелимся сказать, любимой «в народе» физической формулой. Конечно, вы догадались: это формула Е = тс2.

Скорость света зависит от среды его распространения. В вакууме, понятно, это 300 тыс. км/с. А в охлажденном до –269 °C натрии — менее 60 км/ч.

Если нагреть предмет, его тепловая энергия возрастет, а значит, его вес тоже должен увеличиться. Это может навести на мысль, что перед взвешиванием лучше принять холодный душ. Но такая хитрость, скорее всего, уменьшит наш вес не больше, чем на несколько миллионных долей грамма. Если пользоваться привычными единицами измерения, такими как метры и секунды, коэффициент с2 для перевода энергии в массу оказывается очень большим, и, чтобы существенно изменить массу макроскопического тела, требуется громадное количество энергии.

Есть еще одна вещь, как выражаются ученые, инвариант, относительно которой будут согласны все наблюдатели, движущиеся с самыми разными скоростями. Эту вещь очень изящно сумел выразить профессор Герман Минковский, чьи лекции по математике слушал Эйнштейн и который, кстати, считал последнего (впрочем, тогда не без оснований) большим лентяем и полагал, что из него не выйдет ничего путного. Минковский предложил (и математически очень красиво обосновал свое предложение) описывать пространство и время в СТО не отдельно, а как общую сущность — пространство-время. Точки в нем были названы событиями. Пространство-время четырехмерно (а не трехмерно, как обычное пространство). История каждой частицы представляется линией в пространстве-времени, которая называется мировой линией этой частицы. Эту линию будут видеть одинаково все наблюдатели. Получается, что в СТО такие линии как раз и не являются относительными: с их формой согласны все.

Общая теория относительности (ОТО) выросла из простого наблюдения: движение тел под действием гравитации не зависит от их массы, формы и любых других свойств. Эта идея не давала Эйнштейну покоя. И вот в один счастливый для всей науки день Эйнштейн понял: гравитация есть особая, единственная в своем роде сила. Она является физическим следствием природы самого пространства-времени! Соответственно, движение тела под действием гравитации не является свойством этого тела, а относится исключительно к пространству и времени.

Теперь вспомним снова о мировых линиях. Равномерное движение частиц в отсутствие гравитации представляется прямыми мировыми линиями в пространстве-времени. Но гравитация заставляет частицы отклоняться от этих простых траекторий, так что мировые линии перестают быть прямыми.

Гравитация — это не сила, которая действует внутри пространства-времени и делает прямые траектории искривленными. Гравитация — это в известном смысле само пространство-время, которое искривлено, и поэтому находящимся в нем массам некуда деваться — они вынуждены идти по кривым траекториям. Но в искривленном пространстве-времени эти мировые линии — самые что ни на есть короткие пути! Допустим, вы держите путь по горной тропе. Вы хотите найти самый короткий путь. Но будет ли он прямой линией? Конечно, нет! Он будет очень-очень кривой линией! А почему? Потому что вы в горах, и самый короткий путь пролегает по самому крутому склону. И далее. Если вы все-таки решились идти этим наикратчайшим путем, что заставляет вас двигаться по очень-очень крутой кривой? Разве траекторию вашего движения искривляет какая-то специальная сила? Да нет, это сама гора ведет вас так, и тут ничего нельзя сделать, ибо крыльев у вас нет!

Это привело Альберта Эйнштейна к поистине удивительной гипотезе. Пространство-время и физические тела не существуют отдельно друг от друга, сами по себе. Они составляют одно динамическое целое. Массы, находящиеся в пространстве-времени, искривляют его. Чем больше масса тела, тем сильнее искривление пространства-времени вблизи этого тела. А искривленное пространство-время, в свою очередь, принуждает массивные тела двигаться по кривым путям. Это принуждение и проявляется как гравитация. Такой вот космический круговорот имени Эйнштейна!