Текст книги "Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации"

Глава 7
Пространство-время Эйнштейна

Что = Где + Когда

Объясняя смысл поворотной научной работы, трудно взять из нее больше, чем отдельные фразы, – такие тексты пишутся для профессионалов. Однако начало статьи Эйнштейна “К электродинамике движущихся тел” вполне доступно:

Известно, что электродинамика Максвелла в применении к движущимся телам приводит к асимметрии, не свойственной самим явлениям. Например, взаимодействие магнита и проводника с током зависит лишь от их относительного движения, однако случаи, когда движется тот либо другой, описываются совсем по-разному. Если движется магнит, а проводник покоится, то вокруг магнита возникает электрическое поле, которое порождает ток в проводнике. Если же магнит покоится, а движется проводник, то никакого электрического поля вокруг магнита не возникает; зато в проводнике возникает электродвижущая сила, вызывающая точно такой же ток, как и в первом случае.

Примеры подобного рода, как и неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно “светоносной среды”, побуждают предположить, что не только в механике, но и в электродинамике нет оснований для понятия абсолютного покоя и что для всех систем отсчета, для которых справедливы законы механики, справедливы также и законы электродинамики. К этому предположению, называемому далее “принципом относительности”, добавим принцип, который лишь кажется противоречащим первому: свет в пустоте движется всегда с определенной скоростью, не зависящей от движения источника света. Этих двух принципов достаточно, чтобы на основе теории Максвелла для покоящихся тел построить простую и свободную от противоречий электродинамику движущихся тел. При этом понятие “светоносного эфира” окажется лишним.

Намерение Эйнштейна выглядит скромно – поправить формулировку теории Максвелла, не меняя ее основ. Однако, чтобы решить эту задачу, автору пришлось изменить основу всей физики – представления о пространстве и времени. Так в 1905 году родилась самая знаменитая, пожалуй, физическая теория – теория относительности.

За пять лет до того Эйнштейн закончил Политехникум в Цюрихе с дипломом учителя физики и математики. Более года он не мог найти постоянную работу, давал частные уроки, прежде чем его приняли в Патентное бюро техническим экспертом третьего класса, и то лишь после долгого испытательного срока. Через пару лет его класс повысили до второго, но не потому, что в свободное от службы время он получил несколько первоклассных научных результатов. А после семи лет работы в Патентном бюро он очень удивил своего начальника, сообщив, что приглашен читать лекции в университете.

Начальник наверняка удивился еще больше, узнав о взгляде его подчиненного на скорость света. Помню собственное изумление, которое пережил в седьмом классе, услышав, что, согласно Эйнштейну, никакой предмет не может двигаться со скоростью, большей скорости света c. Тогда я уже запросто решал задачки, в которых с некоторой скоростью V двигался поезд, а по его крыше бежал лихой пассажир со скоростью U в том же или противоположном направлении. Скорости надо было сложить или вычесть – и… пятерка обеспечена. Поезд и пассажира я заменил на ракеты – большую и малую. Предположил, что обе ракеты могут двигаться со скоростью V = ²/₃ c, чего Эйнштейн не запретил. Запустил большую ракету, а потом с ее борта – малую. Спрашивается, какова итоговая скорость малой ракеты? Ответ:

²/₃ c + ²/₃ c = ⁴/₃ c,

что больше скорости света.

Где же тут ошибка? Этот вопрос я задал учительнице и… понял, что она не знает! Не помню, что она мне сказала, но помню, как в библиотеке липецкого Дома офицеров прошел мимо привычных полок с приключениями и фантастикой и подошел к полкам с научно-популярными книгами и журналами. Ответ на свой вопрос тогда я не нашел, но обнаружил, что фантастические приключения Майн Рида и Жюля Верна как-то вдруг поблекли рядом с настоящими приключениями тех, кто исследует устройство мира. Следы того давнего открытия сохранились у меня в виде выписок из журнала “Знание – Сила”: что такое альфа-частица, что происходит в атоме и даже таблица элементарных частиц. Но о скорости света в этих выписках нет ничего…

Как бы я теперь объяснил себе 14-летнему, почему ²/₃ + ²/₃ может быть не равно ⁴/₃?

Начал бы я с того, что отношения между числами и физическими величинами не так уж просты. Соединив два равных объема воды с одинаковой температурой 20°, не получишь воду с температурой 40°, а соединив две капли равного радиуса, не получишь каплю удвоенного радиуса.

Поэтому, говоря о скоростях моих ракет, я прежде всего заменил бы арифметический символ сложения на условный [в квадратных скобках]:

V [+] U =?

пояснив, что мы не числа складываем, а выясняем связь между тремя измеренными величинами: скорость большой ракеты, измеренная земным физиком, скорость бортовой ракеты, измеренная физиком на большой ракете, и скорость бортовой ракеты, измеренная земным физиком.

Итак, большая ракета летит со скоростью V = ²/₃ c, то есть за одну секунду пролетает примерно 200 000 километров, и это измеряет физик на Земле. А физик на борту докладывает на Землю, что, согласно его измерениям, малая ракета, запущенная с борта большой, также летит со скоростью U = ²/₃ c. В этих двух измерениях сомневаться нечего. Вопрос в том, какой будет скорость малой ракеты, измеренная физиком на Земле. Это вопрос не математический, а физический, вопрос к Природе, и правильный ответ может дать лишь измерение, то есть эксперимент. Заранее вовсе не известно, сколько времени – по часам земного физика – пройдет между двумя событиями, если по часам физика на ракете пройдет, скажем, 30 секунд. Два события – это, например, совпадения секундной стрелки ракетных часов с девяткой, а затем с тройкой. Читатель может сам придумать конкретный способ такого измерения.

Но прежде стоит задать вопрос попроще, безо всяких ракет. Как узнать, какое из двух событий произошло раньше – скажем, какая из двух ламп зажглась раньше, красная или синяя? Если лампы стоят поблизости от наблюдателя и вспышки разделяет порядочный интервал времени, то в вопросе подвоха не заметно. Если же лампы разнести на многие километры, нетрудно сообразить, что надо как-то учитывать и время, которое потребуется свету на путь от каждой из ламп до наблюдателя. Чтобы сделать лампы равноправными, наблюдателю надо, конечно, расположиться ровно посередине между ними.

Итак, чтобы ответить на вопрос КОГДА, нам понадобилось знать ГДЕ – где расположен наблюдатель. Во времена Ньютона можно было надеяться, что, используя сигналы, движущиеся гораздо быстрее света (а лучше всего – бесконечно быстро), можно ответить на вопрос КОГДА и сам по себе. Но до сих пор науке не известно о сигналах, летящих быстрее света. Поэтому, чтобы остаться в пределах экспериментально возможного, будем опираться на самые быстрые из известных сигналов – световые.

Возвращаясь к нашим ракетам, придумать надо, как физик на Земле узнает о событии, КОГДА стрелка часов на летящей ракете укажет на определенную цифру, а для этого надо узнать, ГДЕ тогда находились часы, и сигнал об этом получить как можно быстрее, чтобы его запаздывание мало повлияло на результат измерения.

С другой стороны, измеряя длину стержня, движущегося вдоль покоящейся линейки, положения начала и конца стержня в ПРОСТРАНСТВЕ надо засечь в один и тот же момент ВРЕМЕНИ. Стало быть, надо уметь установить одновременность событий, для чего надо синхронизовать часы, размещенные в разных точках пространства. Уже известный нам способ синхронизации – встать наблюдателю ровно посередине между хронометрами, подающими сигнал, скажем, в полдень, когда минутная стрелка совпадает с часовой. Если сигналы достигнут наблюдателя в один и тот же момент, значит, часы синхронны. Нетрудно понять, что если второй наблюдатель движется относительно первого вдоль линии, соединяющей часы, то, пока сигнал путешествует, наблюдатель сместится из своего срединного положения, и одному из сигналов придется пройти более длинный путь. Так что, оказывается, само понятие одновременности зависит от наблюдателя. Это и заявил Эйнштейн: “Не следует придавать абсолютного значения понятию одновременности”. Два события, одновременные для одного наблюдателя, уже не воспримутся одновременными наблюдателем, движущимся относительно первого.

Таким образом, измерения в ПРОСТРАНСТВЕ оказались связаны с измерениями ВРЕМЕНИ, а ответ на вопрос КОГДА связан с ответом на вопрос ГДЕ и, главное, связан со скоростью сигнала.

Скептик-оптимист имеет право уточнить, что сигналы, летящие быстрее света в пустоте, лишь пока не известны. Но кое-что важное и удивительное было известно уже во времена Эйнштейна. Упомянутые им “неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно “светоносной среды” подразумевали опыты, из которых следовало, что

с [+] U ≈ с,

где с – скорость света, а U – скорость Земли в ее движении вокруг Солнца. Эта скорость – примерно 30 км/сек – огромна по обыденным меркам, в сто раз больше скорости звука. Но в десять тысяч раз меньше скорости света.

Экспериментаторы смотрели на это приблизительное равенство как на вызов их искусству измерять малые величины на фоне очень больших и думали о том, не увлекает ли движущаяся Земля за собой “светоносную среду”.

Эйнштейн посмотрел иначе, предположив, что это не приблизительное, а точное равенство, справедливое при любой величине U:

с [+] U = с

то есть превратил удивительное приблизительное равенство в общий точный физический принцип, что и отмечено почетной рамкой. Это принципиальное равенство достаточно (для физика-теоретика), чтобы получить так называемый релятивистский закон сложения скоростей:

V [+] U = (V + U) /(1 + VU/с²),

который можно назвать c-законом сложения скоростей, учитывая роль фундаментальной константы с, которую Эйнштейн распознал в скорости света. Свет как таковой в этом законе не участвует. А скорость чего-либо может стать фундаментальной величиной, только если эта скорость ни от чего не зависит, а от нее зависят важные вещи. В данном случае от нее зависит результат сложения любых скоростей.

Нетрудно проверить, что если одна из скоростей V = с, то общий с-закон превратится в исходное равенство в почетной рамке. А если и V, и U гораздо меньше скорости света с, то превратится в обычное школьное понимание V [+] U ≈ V + U.

Вернусь теперь к себе-семикласснику. Если V и U – это скорости моих ракет, каждая по ²/₃ c, то итоговая скорость бортовой ракеты, измеренная земным физиком, согласно c-закону,

²/₃ c [+] ²/₃ c = ¹²/₁₃ c,

то есть меньше скорости света, хоть и близка к ней.

С помощью того же взятого в рамку принципа Эйнштейн получил, что время между двумя событиями, измеренное по часам ракеты, короче времени, измеренного по земным часам. Укоротится и длина движущейся ракеты, измеренная земным наблюдателем. Отношение величин в обоих случаях равно (1 – V²/c²)^½.

Насколько важен этот эффект практически? Огромная по земным меркам скорость Земли дает эффект лишь порядка одной стомиллионной. Скорость электронов в атоме дает эффект порядка одной десятитысячной, вполне измеримый в спектрах, но… стоило ли ради таких малостей отказываться от обычного привычного понятия одновременности? Стоит ли игра свеч?

Стоит. Во-первых, фундаментальная физика ищет не практические эффекты, а знания об устройстве мироздания. А во-вторых, такие знания, как показала история, нечаянно и негаданно приводят к практически мощным эффектам. Так было и с теорией относительности.

Из ключевого принципа c [+] U = с Эйнштейн получил самую знаменитую формулу в истории науки E = mc², известную даже тем, кто не знает, что обозначают буквы E, m и c. В этой формуле на огромную величину c² уже не делят, а умножают. Поэтому малая масса m соответствует огромной энергии E, что объясняет и мощный источник энергии Солнца, и неземной масштаб ядерной энергии. Поэтому важнейшие вопросы астрофизики требуют учитывать теорию относительности.

Принцип относительности и поиск абсолютного

Все в мире относительно – гласит самое краткое изложение теории относительности. И самое неправильное. Ведь Эйнштейн положил в основу теории два абсолютных принципа – принцип относительности и принцип постоянства скорости света в пустоте. А их конкретные точные следствия, подтвержденные на опыте, доказали, что принципы эти действительно лежат в фундаменте мироздания.

Путь к теории относительности начал Галилей, открывший, что движение со скоростью, постоянной по величине и направлению, неотличимо от покоя. Свое открытие он предлагал проверить каждому:

Закройтесь в каюте корабля, взяв с собой мух, аквариум с рыбками и сосуд, вода из которого падает каплями в нижний сосуд с узким горлом. Пока корабль неподвижен, наблюдайте внимательно, как мухи и рыбки движутся одинаково во всех направлениях, капли попадают в нижний сосуд и предмет, брошенный с тем же усилием, упадет на том же расстоянии независимо от направления. Затем дайте кораблю двигаться с какой угодно скоростью, но равномерно, и вы не заметите никакой разницы во всех этих явлениях и не сможете, по ним судя, узнать, движется корабль или покоится.

Из этого открытия Галилея вырос первый закон механики Ньютона, или закон инерции.

Хотя Галилей не говорил об электрических и магнитных опытах, до Максвелла легко было думать, что и в таких опытах покой неотличим от равномерного движения. Максвелл выяснил, что свет – это электромагнитные колебания, а скорость света ввел в уравнения электромагнетизма. Если скорость света подобна скорости звука или скорости камня, то она должна зависеть от обстоятельств. Скорость звука, например, определенно зависела от свойств “звуконосной” среды – воздуха, например, или воды, но в уравнениях Максвелла не участвовали никакие свойства “светоносной” среды – эфира. А зачем нужен эфир, если никакие его свойства не важны? Так что в теории Максвелла были асимметрии и помимо той, с которой Эйнштейн начал свою статью о теории относительности.

Все асимметрии ушли, когда Эйнштейн возвысил “каютный” закон механики до всефизического принципа, а скорость света объявил бесподобной – неизменной, не зависящей ни от чего, и, в частности, от эфира. А значит, сам эфир излишен – с его обязанностями вполне справится пустота. И, значит, в уравнениях Максвелла скорость света – настоящая физическая константа.

Эйнштейн исправил электродинамику, не меняя этих уравнений. Но всякое движение под действием электромагнетизма происходит во времени и пространстве, а эти понятия он изменил радикально, совместив принцип относительности с неизменной скоростью света.

Первым, кто принял теорию Эйнштейна и включился в ее развитие, стал Планк. Задача прояснить электродинамику Максвелла пришлась по душе ему, классическому профессору и лишь нечаянно революционеру. Планк показал, как надо изменить законы механики, чтобы учесть новое понимание пространства, времени и электродинамики. В новых законах движения участвовала, конечно, скорость света.

Следующий важный шаг в развитии теории относительности сделал математик Герман Минковский, осознав, что новые физические представления о пространстве и времени порождают новый тип геометрии – геометрию пространства-времени. Точка пространства-времени – это событие, происшедшее где-то и когда-то, например, пересечение стрелкой часов данной точки на циферблате или включение фонаря. А как выразить coотношение двух событий?

Мы уже знаем, что два события, одновременные для одного наблюдателя, могут быть неодновременными для другого. Но не всякие два события одновременны хоть для какого-нибудь наблюдателя. Пусть, например, первое событие – отправка светового сигнала включением фонаря, а второе – прибытие этого сигнала в другом месте, отмечаемое вспышкой другого цвета. Если для наблюдателя А эти два события разделены расстоянием r_А и временем t_А, то r_А = ct_А, где c – скорость света. Для наблюдателя Б эти два события разделены расстоянием r_Б и временем t_Б, но по прежнему r_Б = ct_Б, поскольку скорость света – одна и та же для всех наблюдателей. Эту связь двух событий можно выразить и в форме, не зависящей от выбора наблюдателя: если для некоторого наблюдателя расстояние и время между двумя событиями связаны соотношением

r² – (ct) ² = 0,

то и для любого другого наблюдателя измеренные им расстояние и время между теми же событиями связаны тем же соотношением. То есть получена абсолютная связь двух событий, одинаковая для всех наблюдателей.

Возьмем теперь пару событий, для которой измеренные наблюдателем А расстояние и время между ними дают неравенство

r_А² – (ct_А) ² > 0,

то есть расстояние r_А между местами событий столь велико, что за время t_А свет не успел бы дойти от одного до другого. Но значит, не успеет и для любого другого наблюдателя, то есть по-прежнему

r_Б² – (ct_Б) ² > 0.

Стало быть, первое событие для всех наблюдателей произошло раньше второго, абсолютно предшествовало второму.

Если же для некоторой пары событий

r² – (ct) ² < 0,

то, во-первых, для любого наблюдателя такая величина также отрицательна, а, во-вторых, всегда найдется наблюдатель, для которого эти события окажутся одновременными.

Минковский показал, что, в силу теории относительности, для любой пары событий величина

r² – (ct) ²,

называемая интервалом между событиями, для всех наблюдателей имеет не только один и тот же знак – положительна, отрицательна или равна нулю, но и одинаковое численное значение. Таким интервалом, или метрикой, определяется абсолютная взаимосвязь событий в пространстве-времени и основа его абсолютной хроногеометрии.

Описанная связь пространства и времени дает новый смысл физической константе c. Называть ее скоростью света можно лишь по историческим причинам. Любые физические процессы проходят в пространстве и времени, даже если и без участия света, в кромешной тьме. Свету просто повезло распространяется со скоростью, равной фундаментальной константе c, связывающей пространство и время. Теорию относительности можно назвать c-теорией, поскольку она основана на фундаментальной роли константы c.

Разумеется, количественная роль этой константы в конкретном физическом явлении может быть и пренебрежимо мала, но это уже зависит от требуемой точности описания. В обыденной жизни и в большой части физики участие c незаметно потому, что обыденные скорости ничтожно малы по сравнению со скоростью c.

Когда-то люди думали, что Земля плоская. И это мнение вполне оправданно, если в жизненном опыте нет расстояний в тысячи километров (радиус Земли, напомним, – примерно шесть тысяч километров). Заметили шарообразность Земли и измерили ее радиус те, для кого подобные расстояния обычны, – географы и астрономы. Аналогично и особые свойства скорости света открылись физикам, когда они в своих опытах взялись за очень большие скорости. Теория относительности была бы открыта гораздо раньше, если бы в обыденной жизни встречались скорости, сопоставимые со скоростью света.

Теория относительности или закон всемирного тяготения?

Надо сказать, что Эйнштейн безо всякого восторга встретил геометрическую идею Минковского: мало ли какие фокусы делают математики с законами физики… Он изменил свое отношение, когда взялся за новую проблему, порожденную его же успехом. Теория относительности, преодолев “асимметрию” электродинамики Максвелла, вошла в конфликт с законом гравитации Ньютона.

Прежде чем перейти к этому конфликту, посмотрим на создание теории относительности с такой высоты, с какой видна вся история фундаментальной физики. При этом воспользуемся уже знакомой эйнштейновской схемой:

В данном случае эмпирически наблюдаемая реальность Э – “неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно “светоносной среды”. Крутым взлетом свободной интуиции Эйнштейн поднял странные результаты единичных искусных опытов до общего аксиоматического принципа А – о неизменности скорости света. До того же уровня он поднял Галилеев принцип относительности, убрав неработающую аксиому о существовании эфира. Из двух его аксиом последовало новое понимание одновременности, “странный” закон сложения скоростей и другие утверждения У, доступные опытной проверке.

Все просто и логично, если не считать интуиции, о которой Эйнштейн сказал: “Понятия никогда нельзя вывести из опыта логически безупречным образом… Не согрешив против логики, никуда не придешь”. Нарушать приходится логику старой теории, и требуется огромная сила духа, чтобы из “нелогично” изобретенных аксиом настойчиво извлекать логические следствия, сверяя их с эмпирической реальностью, и выяснять логику новой теории.

Драматизм такого соединения логики и интуиции проявился в авторстве теории относительности. 26-летний патентный эксперт третьего класса был не единственным, кто в 1905 году размышлял об электродинамике движущихся тел, о пространстве и времени. Больше других в этой области сделали тогда уже знаменитые Х. Лоренц (голландский физик и нобелевский лауреат 1902 года) и А. Пуанкаре (французский математик с глубоким интересом к физике). Их имена не зря вошли в нынешние термины теории относительности – “преобразования Лоренца” и “группа Пуанкаре”. Эйнштейн изучал их труды, идеи которых вошли в теорию относительности. Лоренца и Пуанкаре можно назвать соавторами Эйнштейна, однако целостную и ясную физическую теорию относительности создал именно он.

Какую-то роль сыграл, вероятно, грустный закон Планка о смене поколений в науке. Лоренцу и Пуанкаре было уже за 50, и оба они – даже после эйнштейновской статьи 1905 года – держались за понятие эфира и придумывали сложные механизмы взаимодействия эфира и вещества, чтобы обеспечить правильные соотношения пространственных и временных величин. А Эйнштейн, опираясь на результаты опытов – те самые “неудавшиеся попытки”, изобрел странный, но простой принцип постоянства скорости света – аксиому, которая вместе с принципом относительности безо всяких эфирных механизмов логически вела к новым важным результатам. Он стремился не к “понятности” объяснения, а к раскрытию устройства природы. “Понять” обычно означает “свести к знакомому, привычному”, и эфир был привычным. Держась за привычное, легче идти в неведомое. Но невозможно взлететь.

Об этом писал Галилей: “Природа не заботится о том, доступны ли человеческому восприятию ее скрытые причины и способы действия”. И Максвелл видел опасность предвзятой физической гипотезы, когда через ее узкий окуляр рассматриваются экспериментальные факты. Стремление к предвзятой “понятности” скрытых причин ограничивает свободу взлета изобретательной интуиции. Эйнштейн показал это не хуже великих предшественников. Можно сказать, что великое физическое открытие – подлинно новое слово в науке – требует великого физика, каким и оказался 26-летний патентный эксперт.

На лаврах молодой великий физик не почил, у него было дело поинтереснее и, как оказалось, потруднее. Новорожденная теория относительности поставила суровую проблему – она была несовместима с великим законом всемирного тяготения. Созданная Ньютоном теория гравитации уже более двух веков служила образцом в физике, а образцом научного триумфа стало открытие планеты Нептун “на кончике пера”, которым водил, можно сказать, закон Ньютона.

Однако, согласно этому закону, сила притяжения между массами зависит от расстояния между ними – расстояния между точками ПРОСТРАНСТВА, в которых находятся эти массы в ДАННЫЙ – ОДИН И ТОТ ЖЕ – МОМЕНТ ВРЕМЕНИ. Фраза, еще недавно вполне научная, перестала быть таковой в свете теории относительности. Ведь для разных наблюдателей, движущихся по-разному, величина силы была бы разной. Значит, великий закон всемирного тяготения неверен?!

Эту проблему Пуанкаре осознал раньше Эйнштейна и предложил решение, точнее, даже два – два варианта обновить закон тяготения Ньютона: гравитация должна была распространяться со скоростью света, а при малых скоростях тел совпадать с Ньютоновой. В физике, однако, два варианта хуже, чем один, поскольку устройство природы лишь одно. Великий математик предложил новые формулы, выбрав физически хлипкую точку опоры. Он опирался на понятие эфира:

То, что гравитация распространяется со скоростью света, не может быть результатом каких-либо случайных обстоятельств, а должно быть обусловлено одним из свойств эфира; тогда возникает задача проникнуть в природу этого свойства и связать ее с другими свойствами эфира.

Искомый закон гравитации великий математик ограничил скучным условием:

Так как астрономические наблюдения, по-видимому, не обнаруживают заметных уклонений от закона Ньютона, выберем решение, наименее расходящееся с этим законом для малых скоростей тел.

Работа Пуанкаре в гравитации напоминает то, что делали теоретики в электромагнетизме до Максвелла. Тогда, в первой половине девятнадцатого века, старались обобщить закон взаимодействия электрических зарядов на случай их движения, хотя Фарадей уже открыл совершенно новое явление. Пуанкаре же исходил из того, что никаких новых явлений в гравитации, “по-видимому, не обнаружено”. К размышлениям его побудила логическая неувязка, но физика все же основана на реально наблюдаемых явлениях.

Физик Эйнштейн молчал по поводу гравитации два года, пока не “придумал” новые явления. Придумал, еще не имея новой теории, но опираясь на новейшие достижения современной физики и… на ее самый первый результат – закон свободного падения, то есть опираясь на себя самого и на Галилея.

Неувязка теории относительности с законом Ньютона, похоже, побудила Эйнштейна спросить себя: а что, собственно, физика знает о гравитации, кроме этого закона? Ответ известен каждому школьнику, кто решал задачи о камне, брошенном под углом к горизонту: движение камня зависит только от его начальной скорости, но не зависит от массы. Движение тела под действием электричества очень даже зависит от его электрического заряда, а движение под действием гравитации совсем не зависит от массы тела, то есть гравитационного заряда.

Образованный школьник знает, что если в закон движения

ma = F

подставить силу

F = GmM/r²,

то масса камня m сократится. Но не странно ли это? От массы зависит гравитационная сила, которая определяет движение, а само движение от массы не зависит?! Движется по одной и той же параболе и малая песчинка, и огромная глыба. Прямо не физика, а какая-то геометрия. Там тоже, какие бы линейку и циркуль ни взять – обычные или на основе натянутой нити, – свойства прямой и окружности от инструментов не зависят.

В 1907 году Эйнштейну физика была еще гораздо интереснее геометрии, и он в Галилеевом законе падения увидел путеводный принцип для поиска новой теории гравитации и назвал его принципом эквивалентности. Фактически Эйнштейн использовал еще одну придумку Галилея – опыты в каюте без окон, но каюту эту поместил в лифт.

Хотя первый лифт изобрел еще Архимед, обычным этот вид транспорта стал лишь к концу девятнадцатого века, когда решили наконец проблему безопасности – чтобы лифт не сорвался в свободное падение. Однако Эйнштейна интересовало как раз свободное падение лифта. Пока тот падает, физик-теоретик успеет мысленно проделать в нем любые опыты и убедится, что тяжесть вовсе не заметна. В наше время каждый может увидеть это на телеэкране – невесомость в свободно летящем лифте, названном Международной космической станцией. А Эйнштейн еще сто лет назад мысленно приделал к лифту реактивный двигатель, обеспечил – в полной пустоте – ускорение 9,8 м/сек² и понял, что мысленный пассажир-экспериментатор обнаружит в лифте настоящую земную тяжесть. Таким образом, свободно падая вместе со своей лабораторией в каюте без окон, экспериментатор устраняет влияние гравитации, а, ускоренно двигаясь в полной пустоте, гравитацию обнаруживает. Эти соображения, доступные старшекласснику, стали важнейшим исследовательским инструментом Эйнштейна.

В предыдущих двух школьных формулах участвует одна и та же буква m, которая поэтому легко сокращается. Формулы более глубоко теоретические включали бы разные буквы – m_и и m_г, обозначающие массу инертную и массу гравитационную. Тогда закон свободного падения выразился бы равенством:

m_и = m_г,

отражающим экспериментальный факт, обнаруженный Галилеем: движение маятника (в пустоте) не зависит от того, какой груз висит на нити. Ньютон подтвердил этот факт с точностью до одной тысячной, а ко времени Эйнштейна точность повысилась до стомиллионной. Так же, как и с неудачными попытками обнаружить изменение скорости света, теоретик Эйнштейн доверился этой точности (и своей интуиции) и получил в руки принцип эквивалентности.

Принцип этот позволил Эйнштейну исследовать действие гравитации, не обращаясь к закону всемирного тяготения. Особенно интересно действие гравитации на движение при скорости, близкой к скорости света, когда без теории относительности не обойтись. Эйнштейн взялся за сам свет, к чему был подготовлен лучше других. Ведь в 1905 году свет был его главным инструментом в создании теории относительности, а идея квантов света объяснила явление фотоэффекта.

Воздействие гравитации на свет можно оценить двумя способами. Во-первых, свет, летящий в пустоте прямолинейно, попадая в ускоренно падающий лифт поперек его движению, очевидным образом движется относительно лифта по параболе, то есть искривляется. Во-вторых, энергия кванта света E = hν, согласно релятивистскому закону E = mc², дает вполне определенную массу m, подвластную гравитации. Так, с помощью принципа эквивалентности Эйнштейн обнаружил два новых эффекта гравитации – искривление луча света и изменение его частоты. Однако, подсчитав эффект, понял, что “влияние гравитации Земли слишком мало, чтобы сравнить теорию с опытом”. Четыре года спустя он придумает, как можно увеличить эффект, чтобы его наблюдать. Но уже в 1907 году он убедился в работоспособности принципа эквивалентности.

Инструмент этот не был всемогущим. Помимо предсказания новых эффектов гравитации, Эйнштейн пытался объяснить эффект, уже известный астрономам, но непонятый: орбита Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, отклонялась от законов небесной механики Ньютона. Отклонялась очень мало, всего на одну десятимиллионную, но в пределах досягаемости для астрономической точности. Отклонение это выявил за полвека до того У. Леверье, прославленный открытием Нептуна. Поведение Меркурия пытались объяснить влиянием еще одной незамеченной планеты или космической пыли, но безуспешно. В 1907 году не удалось это объяснить и Эйнштейну, одного его инструмента – принципа эквивалентности – оказалось мало.