Даже если Эйнштейн мог иметь основания для нескольких предсказаний из принципа эквивалентности, новый принцип не был завершенной теорией. Формулирование полной теории было величайшей задачей его жизни и потребовало для завершения около десяти лет. Чтобы увидеть, почему так, попытаемся понять, что означает сказать, что гравитация изгибает световые лучи. До этого особого прозрения Эйнштейна всегда и всюду имелись два вида вещей: вещи, которые живут в пространстве, и само пространство.
Мы не привыкли размышлять о пространстве как о сущности со своими собственными свойствами, но они определенно есть. Пространство имеет три измерения, а также оно имеет определенную геометрию, которую мы изучаем в школе. Названная евклидовой геометрией – по имени Евклида, который разработал ее постулаты и аксиомы более двух тысяч лет назад, – она представляет собой изучение свойств самого пространства. Теоремы евклидовой геометрии говорят нам, что происходит с треугольниками, окружностями и линиями, проведенными в пространстве. И они относятся ко всем объектам, материальным и воображаемым.
Следствием теории электромагнетизма Максвелла было то, что световые лучи двигаются по прямым линиям. Таким образом, она придавала смысл использованию световых лучей для отслеживания геометрии пространства. Но, если мы принимаем эту идею, мы немедленно видим, что эйнштейновская теория имеет великие следствия. В виде искривления световых лучей гравитационным полем, которое, в свою очередь, отвечает присутствию материи. Отсюда выводится единственное заключение, что присутствие материи влияет на геометрию пространства.
В евклидовой геометрии, если две прямые линии изначально параллельны, они никогда не встретятся. Но два световых луча, которые изначально были параллельны, могут встретиться в реальном мире, поскольку, если они проходят по обе стороны от звезды, они будут отклоняться по направлению друг к другу. Так что евклидова геометрия не верна для реального мира. Более того, геометрия постоянно меняется, поскольку материя постоянно движется. Геометрия пространства не подобна бесконечной плоскости. Она подобна поверхности океана – невероятно динамичной, с большими волнами и мелкой рябью на ней.
Таким образом, геометрия пространства оказалась еще одним полем. В самом деле, геометрия пространства почти то же самое, что и гравитационное поле. Чтобы объяснить, почему так, напомним частичное объединение пространства и времени, которое Эйнштейн достиг в СТО. В этой унификации пространство и время вместе образуют четырехмерную сущность, названную пространством-временем. Оно имеет геометрическую аналогию с евклидовой геометрией в следующем точном смысле.
Рассмотрим прямую линию в пространстве. Две частицы могут двигаться вдоль нее, но одна путешествует с постоянной скоростью, тогда как другая постоянно ускоряется. Что касается пространства, две частицы двигаются по одинаковому пути. Но они двигаются по разным путям в пространстве-времени. Частица с постоянной скоростью двигается по прямой линии не только в пространстве, но и в пространстве-времени. Ускоренная частица двигается в пространстве-времени по искривленному пути (см. Рис.3).
Рисунок 3. Автомобиль, тормозящийся вдоль прямой в пространстве, путешествует по искривленному пути в пространстве-времени.
Поэтому, точно так же, как геометрия пространства может различить прямую линию от искривленного пути, геометрия пространства-времени может различить частицу, движущуюся с постоянной скоростью, от ускоренной частицы.
Но эйнштейновский принцип эквивалентности говорит нам, что эффекты гравитации не могут быть различимы на малых расстояниях от эффектов ускорения.[12] Поэтому, говоря о том, какие траектории ускоренные, а какие нет, геометрия пространства-времени описывает эффекты гравитации. Следовательно, геометрия пространства-времени и есть гравитационное поле.
Таким образом, двойная унификация, задаваемая принципом эквивалентности, становится тройной унификацией: все движения эквивалентны, как только эффекты гравитации приняты во внимание, гравитация неотличима от ускорения, и гравитационное поле объединяется с геометрией пространства-времени. Когда это было разработано в деталях, это стало эйнштейновской общей теорией относительности (ОТО), которую он опубликовал в полном виде в 1915.
Неплохо для парня, который не смог сначала получить академическую работу.
Таким образом, к 1916 имелось два весьма различающихся предложения по будущему физики, оба из которых базировались на глубокой идее по поводу объединения гравитации с остальной физикой. Это было элегантное объединение гравитации с электромагнетизмом Нордстрёма через простой постулат о дополнительном, скрытом измерении пространства. И это была ОТО Эйнштейна. Обе казались последовательными теориями, и каждая делала нечто неожиданно элегантное.
Обе они не могли бы быть верными, так что необходимо было сделать выбор. К счастью, две теории делали различные предсказания для выполнимого эксперимента. ОТО Эйнштейна предсказывала, что гравитация должна искривлять световые лучи – и точно предсказывала, насколько. В теории Нордстрёма такого эффекта не было: свет всегда двигается по прямым линиям, точка.
В 1919 великий британский астрофизик Артур Эддингтон повел экспедицию на западное побережье Африки для проведения эксперимента, который закончился подтверждением того, что гравитационное поле Солнца на самом деле отклоняет свет. Этот эффект наблюдался во время полного солнечного затмения, которое позволило увидеть вблизи края закрытого Солнца свет от звезд, которые фактически находились прямо за Солнцем. Если бы солнечная гравитация не искривила их свет, эти звезды не могли бы быть видны. Но они были. Так что выбор между двумя совершенно разными направлениям унификации был сделан единственным способом, который мог бы быть, – через эксперимент.
Это важный пример, поскольку он показывает пределы того, что может быть усовершенствовано одними размышлениями. Некоторые физики заявляли, что ОТО представляет собой случай, в котором было достаточно чистой мысли, чтобы показать путь вперед. Но реальная история противоположна. Без эксперимента большинство теоретиков, вероятно, выбрали бы унификацию Нордстрёма; она проще и сводится к мощной новой идее об объединении через дополнительные измерения.
Эйнштейновское объединение гравитационного поля с геометрией пространства-времени сигнализировало о глубочайшей трансформации того, как мы постигаем природу. До Эйнштейна пространство и время мыслились как имеющие свойства, которые были навечно фиксированы: Геометрия пространства была, есть и всегда будет такой, как ее описывал Евклид. Время движется независимо ни от чего. Вещи двигаются в пространстве и изменяются во времени, но сами пространство и время никогда не видоизменяются.
Для Ньютона пространство и время составляли абсолютный фон. Они обеспечивали фиксированную сцену, на которой разыгрывалась великая драма. Геометрия пространства и времени была нужна, чтобы придать смысл вещам, которые изменяются, таким как положения и движения частиц. Но сами они никогда не менялись. Мы имеем название для теорий, которые зависят от такого фиксированного, абсолютного каркаса: мы называем их зависимыми от фона теориями.
ОТО Эйнштейна совершенно иная. Здесь нет фиксированного фона. Геометрия пространства и времени меняется и эволюционирует, как и все остальное в природе. Разные геометрии пространства-времени описывают истории различных вселенных. Мы больше не имеем полей, двигающихся в фиксированной фоновой геометрии. Мы имеем сгустки полей, которые все взаимодействуют друг с другом, все динамические, все влияют друг на друга, одно из которых является геометрией пространства-времени. Мы называем такую теорию независимой от фона теорией.
Отметим разницу между зависимыми от фона и независимыми от фона теориями. История, которая раскрывается на протяжении этой книги, крутится вокруг различия между ними.
Эйнштейновская ОТО удовлетворяет всем тестам, которые мы предложили в последней главе для успешной унификации. Тут были глубокие концептуальные следствия, которые подразумевались включенными в унификацию. Они быстро привели к предсказаниям новых явлений, таких как расширяющаяся вселенная, Большой Взрыв, гравитационные волны и черные дыры, и для всех из них имеются хорошие свидетельства. Все наше понятие космологии было развернуто в их направлении. Предположения, которые некогда казались радикальными, вроде искривления света материей, сейчас используются как рабочие инструменты для отслеживания распределения материи во вселенной.
