Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

И наоборот, гравитационное поле в понимании Эйнштейна создается просто при условии существования материи и является не более чем областью воздействия в рамках пространства и времени. Оно и представляет собой пространство-время.

В приложении 5 к своей «брошюре» Эйнштейн попытался разъяснить свое видение этой темы. В новом предисловии к изданию 1954 года он пишет:

«Пространство-время – не обязательно нечто, чему можно приписать независимое существование, вне связи с предметами физического мира. Физические предметы не находятся в пространстве, они занимают его. Таким образом, понятие “пустого пространства” теряет всякий смысл».

И далее: «Если мы представим, что гравитационное поле… будет ликвидировано, то уже не будет пространства типа (1) [то есть плоского пространства-времени], не будет ничего». Плоское пространство-время, «если на него смотреть с точки зрения общей теории относительности, – это не пространство без поля, это – особый случай… что само по себе не имеет объективного значения… Нет такой вещи, как пустое пространство, то есть пространство без поля». И наконец: «Пространство-время претендует не на самостоятельное существование, а на существование только в качестве структурной характеристики поля». Развивая идеи Аристотеля и Демокрита, Эйнштейн выдвинул общее положение о том, что не может быть пространства без материальных тел, и доказал, что не может быть пространства-времени без гравитационного поля.

Подобно магнитному полю, гравитационное поле – реальное, физическое явление, оно способно искривляться, растягиваться и принимать волнообразную форму. С другой стороны, оно имеет более фундаментальный характер, чем электромагнитное поле: последнему для существования требуется гравитационное поле, поскольку без гравитационного поля не может быть пространства-времени.

Расширение пространства

Прежде чем двигаться дальше, я хочу сказать еще одну вещь. Многочисленные неточности в понимании искривления пространства-времени становятся очевидными, когда физики начинают говорить о расширении Вселенной. Если пространство-время представляет собой единый статичный четырехмерный блок, какой смысл вкладывают физики в идею расширения? Как может расширяться нечто включающее в себя в виде неотъемлемого компонента время? В конце концов, слово «расширяться» подразумевает нечто изменяющееся во времени, но ведь оно содержит время в себе самом! Ответ прост: расширение пространства, которое мы наблюдаем через телескопы, не подразумевает одновременного растяжения координаты времени. Растягивается не пространство-время, а, скорее, три пространственных измерения, тогда как время движется вперед. Хотя пространство-время в каком-то смысле демократично, поскольку время представляет собой одно из четырех равноправных измерений, можно провести некоторые алгебраические операции с уравнениями теории общей относительности (представить их в несколько ином виде), так что все расстояния будут теперь умножаться на «масштабирующий коэффициент», который увеличивается по мере движения времени, причем расширяется только пространство.

Вспомним также, что такое расширение происходит только на необъятных просторах между галактиками, потому что внутри самих галактик гравитационное поле, которое удерживает эти галактики от распада, является достаточно сильным, чтобы сопротивляться вселенскому расширению. Галактики подобны изюминкам, находящимся внутри буханки выпекающегося хлеба. Буханка расширяется, а размер самих изюминок остается постоянным – только расстояние между ними увеличивается.

Представим, что в рамках блок-вселенной наше родное пространство-время помещено внутри такой «хлебной вселенной», в которой по мере нашего продвижения по оси времени от прошлого к будущему каждый следующий кусочек хлеба больше предыдущего. Находясь вне этого пространства-времени, вы бы просто увидели статичную буханку с увеличивающимися кусками. Однако, будучи внутри буханки (или внутри воображаемой изюминки внутри буханки), мы можем воспринимать только увеличивающиеся куски, так что нам кажется, что некая точка (например, далекая галактика) все более удаляется от нас по мере нашего продвижения от куска к куску.

Несмотря на эти непростые понятия, все, что я написал в этой главе о пространстве-времени, основано только на одном из трех столпов современной физики. Однако пространство согласно теории относительности является однородным и непрерывным. Если мы будем все более увеличивать масштаб, мы в конечном счете доберемся до второго столпа современной физики, квантовой механики, где нет четких границ и все подчинено случайности и неопределенности. Что же происходит с пространством и временем на этих мельчайших расстояниях и в крошечных временных периодах? Станет ли само пространство-время зернистым, подобно пикселям в изображении, увеличенном более разрешения? Скоро мы займемся этим вопросом.

Кроме того, с точки зрения блок-вселенной в теории относительности мы можем представить время как нечто статичное и неизменное, где прошлое, настоящее и будущее сосуществуют друг с другом как элементы четырехмерного пространства-времени. Однако третий столп физики, термодинамика, утверждает, что идея времени как «дополнительного измерения» не выдерживает критики. Термодинамика объясняет, как системы изменяются во времени; более того, она придает времени направленность, которая не предусмотрена в трехмерном пространстве. Независимо от нашего восприятия времени как текущего в одном направлении – мы помним прошлое, живем в настоящем и предвидим будущее – существует некая стрела времени (подробнее об этом – в главе 6), которая направлена из прошлого в будущее, и это разрушает правильную симметрию блок-вселенной.

Однако мы еще не готовы заниматься следующими двумя столпами физики. Сначала мы должны заполнить чем-то наше пространство-время, заполнить его материей и энергией. Идея Эйнштейна в том, что материя, энергия, пространство и время всегда сопутствуют друг другу. Что это значит, я попробую прояснить в следующей главе.

Глава 4. Энергия и материя

Общая теория относительности получила свое математическое воплощение в том, что известно как уравнение поля Эйнштейна (вообще-то, несколько уравнений, которые можно записать в компактной форме одной строкой). Но в уравнениях всегда две части, которые отделяются друг от друга знаком «=», а форма пространства-времени – это только половина уравнения. Теперь я хочу исследовать вторую часть.

Уравнение Эйнштейна отражает то, как гравитационное поле, или скорее форма пространства-времени, определяется материей и энергией. Часто говорят, что его уравнение поля показывает, как пространство-время искривляется материей и энергией и в то же время как материя и энергия ведут себя в искривленном пространстве.

Дело в том, что, с одной стороны, материя и энергия не могут существовать без чего-то, в чем можно существовать, а с другой – без материи и энергии не было бы никакого