После появления теории Эйнштейна стало ясно, что окружающая природа устроена далеко не так просто, как кажется, что реальные явления могут противоречить нашим привычным представлениям.
Например, оказалось, что такие фундаментальные физические характеристики, как «масса», «длина» и «длительность», казавшиеся абсолютными и неизменными, в действительности относительны. С увеличением скорости движения масса любого тела растет, длины укорачиваются, а течение времени замедляется. Масса какого-нибудь протона, летящего со скоростью, приближающейся к световой, может, в принципе, превзойти массу целой галактики. Более того, выяснилось, что одни и те же физические процессы могут в одно и то же время протекать по-разному в зависимости от условий, в которых находится наблюдатель.
Специальная теория относительности была принципиально важным шагом в понимании свойств пространства и времени.
— Отныне пространство само по себе и время само по себе должны стать тенями и только особого рода их сочетание сохранит самостоятельность, — заявил известный математик Герман Минковский, лекции которого в свое время посещал студент Эйнштейн.
Минковский предложил использовать для математического выражения зависимости пространства и времени геометрическую модель — четырехмерное пространство-время. В этом пространстве но трем основным осям откладываются, как обычно, интервалы длины, по четвертой же оси — интервалы времени.
Разумеется, никакого четвертого пространственного измерения в нашем мире не существует. И все же было бы неверно думать, что четырехмерное пространство-время теории относительности — всего лишь формальный математический прием, позволяющий удобно описывать определенные физические процессы. Четырехмерное пространство-время отражает глубокие реальные связи между пространством и временем.
И поскольку это так, свойства четырехмерного пространства-времени нельзя не принимать во внимание при решении вопроса о пространственной бесконечности Вселенной.
Создание специальной теории относительности явилось революцией в физике, не меньшей по своему значению, чем коперниковская революция в астрономии.
Надо было обладать огромной научной смелостью и богатейшим воображением, чтобы не только усомниться в наиболее фундаментальных основах физики того времени, но и предложить принципиально новую теорию, не только опровергающую всеобщность и непогрешимость этих представлений, но и противоречащую обыденному здравому смыслу.
Видимо, уже при разработке специальной теории относительности существенную роль сыграл один из методических принципов Эйнштейна, которым он неизменно руководствовался до конца своих дней.
Это — «принцип постоянного сомнения». Великий физик был непримиримым противником всякого самодовольства и кичливости в вопросах научного познания, он всегда восставал против некритической веры в достижение «окончательных» результатов исследования природы.
«Им кажется, что я в таком удовлетворении взираю на итог своей жизни, — писал Эйнштейн вскоре после своего семидесятилетия 28 марта 1949 года другу своей юности Соло. — Но вблизи все выглядит совсем иначе. Там нет ни одного понятия, относительно которого я был бы уверен, что оно останется незыблемым, и я не убежден, нахожусь, ли вообще на правильном пути…»
Он также любил говорить:
— Всякий, кто попытается выступить в качестве авторитета в области Истины и Познания, потерпит жалкое фиаско под хохот богов.
Далеко не каждый исследователь природы в состоянии следовать этим мудрым принципам.
— Мало кто способен невозмутимо высказывать мнения, идущие вразрез с предрассудками окружающей среды, — был один из афоризмов Эйнштейна. — Большинство даже неспособно вообще прийти к таким мнениям.
Сам Эйнштейн обладал обеими этими способностями в полной мере.
И еще одна немаловажная черта Эйнштейна-исследователя. В отличие от многих физиков, целиком живущих в мире своих идей и порой не замечающих окружающего, он любил и понимал природу и умел ею наслаждаться. И удивлялся отсутствию этих качеств у других ученых.
— Мы провели вместе с семьей Кюри несколько дней отпуска в Энгодине, — рассказывал он, — но мадам Кюри ни разу не услышала, как поют птицы.
Значительное место в жизни великого физика занимала и музыка, любовь к которой он унаследовал от своей матери.
Должно быть, способность на время отвлекаться от очередных научных проблем, предоставляя тем самым свободу для плодотворной работы подсознания, так же необходима теоретику, как и умение сосредоточиваться на решении той или иной задачи, отрешаясь от всего окружающего.
Разумеется, все это лишь отдельные штрихи, не способные в полной мере воссоздать образ великого ученого. Но они, быть может, в какой-то мере поясняют, почему именно Эйнштейну оказалась по плечу грандиозная задача построения новой физики.
Изучение свойств пространства-времени стало одним из тех звеньев, которые привели Эйнштейна к созданию еще одной принципиально новой теории, получившей название общей теории относительности, теории, которая, по существу, занимается изучением геометрических свойств Вселенной.
Работа Эйнштейна «Основы общей теории относительности» объемом всего около 50 страниц была напечатана в начале 1916 года в «Анналах физики».
Это исследование по праву считается вершиной научной мысли физики первой половины XX века.
Хотя специальная и общая теория относительности и занимаются, казалось бы, различными вопросами, в идейном отношении в них много сходного.
Подобно специальной, общая теория относительности разрушает привычные классические представления об абсолютном характере некоторых фундаментальных физических понятий — на этот раз пространства и времени.
Однажды какой-то газетный репортер обратился к Эйнштейну с просьбой изложить суть его теории в одной фразе и так, чтобы это было понятно широкой публике.
— Раньше полагали, — немного подумав, ответил Эйнштейн, — что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время.
Между двумя теориями, о которых идет речь, есть и другое сходство: в основу общей теории относительности тоже положен некий исходный постулат, представляющий собой обобщение известного экспериментального факта — равенства гравитационной и инертной массы любого тела[11].
Этот факт был обобщен Эйнштейном в так называемый «принцип эквивалентности»: «невозможно отличить силу тяжести от силы инерции». А следовательно, движение в поле тяготения — равносильно свободному движению по инерции.
Если специальная теория относительности описывает физические процессы, протекающие в системах отсчета, движущихся относительно друг друга только равномерно и прямолинейно, то общая теория относительности снимает это ограничение. Ее уравнения справедливы и для систем отсчета, движущихся с ускорением.
На первый взгляд может показаться, что в основном исходном утверждении общей теории относительности заключено противоречие. Ведь хорошо известно, что движение но инерции — равномерно и прямолинейно, а движение под действием силы тяготения — ускоренно.
Да, с точки зрения классической физики все так и есть. Но дело в том, что согласно общей теории относительности все события, в том числе и движение тел, происходят не в обычном эвклидовом пространстве, а в искривленном пространстве-времени.
Любое материальное тело не просто находится в пространстве, но определяет его геометрические свойства, которые зависят, таким образом, от распределения масс. Вблизи любых тел пространство искривляется. Благодаря этому лучи света распространяются во Вселенной не по прямым, а по изогнутым линиям. В повседневной жизни мы этого практически не ощущаем, поскольку нам обычно приходится иметь дело со сравнительно небольшими расстояниями и незначительными массами. Однако при переходе к космическим масштабам и гигантским скоплениям вещества искривленность пространства приобретает существенное значение.
