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.[3] 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 ространства-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. И всякий раз, когда предсказания теории детально тестировались, они прекрасно подтверждались.[4]
Но ОТО была только стартом. Даже перед тем, как Эйнштейн опубликовал окончательную версию теории, он и другие формулировали новые виды единых теорий. В целом они имели простую идею: если гравитационная сила могла бы пониматься как проявление геометрии пространства, почему это не могло бы быть верным и для электромагнетизма? В 1915 Эйнштейн написал Дэвиду Гильберту, вероятно, величайшему из живших тогда математиков: 'Я часто мучил свой разум, чтобы перебросить мост через пропасть между гравитацией и электромагнетизмом.'[5]
Но потребовалось время до 1918, чтобы появилась по-настоящему хорошая идея об этой особой унификации. Эта теория, придуманная математиком Германом Вейлем, содержала красивую математическую идею, которой предстояло стать ядром стандартной модели физики частиц. Однако теория потерпела неудачу, поскольку в исходной версии Вейля она давала большие следствия, которые не согласовывались с экспериментом. Одно заключалось в том, что длина объекта должна зависеть от пути его получения. Если вы берете два метровых бревна, разделяете их, а затем сводите их назад вместе и сравниваете, они должны будут в общем случае иметь разную длину. Это намного радикальнее, чем СТО, которая содержит положение, что метровые бревна могут на самом деле стать разными по длине, но только когда они двигаются друг относительно друга, а не когда они сравниваются в покое. Это, конечно, не согласуется с нашим ощущением природы.
Эйнштейн не поверил в теорию Вейля, но он восхищался ей, написав Вейлю: 'За исключением [отсутствия] согласия с реальностью это в любом случае великолепное интеллектуальное свершение.'[6] Ответ Вейля показывает силу математической красоты: 'Отклонение Вами теории тяжело для меня, ... Но мой собственный разум все еще сохраняет веру в нее.'[7]
Конфликт между теми, кто попался на очарование красивой теории, которую они придумали, и более трезвыми умами, настаивающими на связи с реальностью, является историей, которую мы снова и снова будем видеть в более поздних попытках унификации. В этих сучаях нет легкого решения, поскольку теория может быть фантастически красивой, плодотворной для развития науки и, в то же время, полностью неправильной.
Но даже если первая попытка унификации Вейля провалилась, он придумал современную концепцию объединения, которая в конце концов привела к теории струн. Он был первым, но далеко не последним, кто заявил: 'Я достаточно нахален, чтобы верить, что целые физические явления могут быть выведены из единственного универсального мирового закона величайшей математической простоты.'[8]
Годом позже теории Вейля немецкий физик по имени Теодор Калуца нашел другой путь для объединения гравитации и электромагнетизма, пересмотрев идею Нордстрёма о скрытой размерности. Но он сделал эту размерность скрученной. Нордстрём нашел гравитацию, применив теорию электромагнетизма Максвелла к пятимерному миру (в котором четыре измерения пространственные и одно временное). Калуца сделал обратное: он применил ОТО Эйнштейна к пятимерному миру и нашел электромагнетизм.
Вы можете наглядно представить это новое пространство, добавив маленькую окружность к каждой точке обычного трехмерного пространства (см. Рис.4). Эта новая геометрия может быть искривлена новыми способами, поскольку маленькие окружности могут присоединяться к различным точкам по- разному. Тогда в каждой точке оригинального трехмерного пространства может быть измерено нечто новое. Эта информация, оказывается, выглядит в точности как электрическое и магнитное поля.
Другой удивительный побочный результат заключается в том, что оказывается, что заряд электрона связан с радиусом маленькой окружности. Это не должно быть удивительным: если электрическое поле есть просто проявление геометрии, электрический заряд должен быть тоже проявлением геометрии.
Рисунок 4. Скрученные дополнительные размерности, использованные в теории Калуцы-Кляйна. Слева: сферы расположены в каждой точке обычного трехмерного пространства, создавая пятимерное пространство. Справа: маленькая окружность расположена на одномерном пространстве. Издалека пространство выглядит одномерным, но при ближайшем рассмотрении видно, что оно двумерно.
И не только это. ОТО описывает динамику пространства-времени в терминах определенных уравнений, называемых уравнениями Эйнштейна. Мне не
