Концепция пространства-времени, разработанная Минковским, оказалась ключом к пониманию гравитации, и даже гений Эйнштейна не мог этого предвидеть.
Искривлённое время
Поскольку гравитация представляет собой искривлённое пространство-время, она играет в игры не только с пространством (например, изгибая пути движения световых лучей), но и со временем.
Представьте себе часы, которые состоят из горизонтального лазерного луча, отражающегося в зеркалах. Каждый раз, когда луч попадает на зеркало, наши часы тикают. Если они располагаются на поверхности Земли, то луч не перемещается между зеркалами по идеально прямой линии, а движется по изогнутому пути, потому что гравитация искривляет свет.
Теперь вообразите себе двое таких часов, при этом второй механизм установлен высоко над землёй. Наземные часы будут испытывать чуть большее влияние силы гравитации, так как они находятся ближе к основной массе Земли. Это значит, что свет, отражающийся от зеркал нижних часов, будет перемещаться по более изогнутому пути, чем в верхних. Чем сильнее искривлена траектория, тем больший путь проделывает свет и тем длиннее промежуток между двумя «делениями» таких часов. Следовательно, наземные часы идут медленнее тех, которые находятся над землёй. Иными словами, в присутствии сильной гравитации время замедляется.
[155]
Это означает, что люди на первом этаже любого здания стареют медленнее, чем на последнем, ведь они находятся ближе к основной массе Земли, а значит, на них действует чуть большая сила притяжения. В 2010 году физики из Национального института стандартов и технологий США сумели доказать, что, даже поднявшись на одну ступеньку лестницы, вы начнёте стареть быстрее, чем люди ниже вас.
[156] Это почти незаметный эффект, ведь сила притяжения Земли достаточно слаба. Тем не менее его можно измерить с помощью двух высокоточных атомных часов.
Если вы думаете, что этот странный эффект не играет роли в вашей повседневной жизни, задумайтесь ещё раз. Смартфоны и навигационные устройства получают данные от спутников системы глобального позиционирования, которые вращаются по вытянутым орбитам вокруг Земли. На спутниках системы GPS установлены часы, и когда спутники максимально приближаются к нашей планете, эти часы замедляют ход. Если бы ваши электронные устройства не уравновешивали эту задержку, спутники не сумели бы определить ваше местонахождение относительно элементов системы GPS.
Иными словами, многие из нас ежедневно и неосознанно принимают участие в эксперименте для проверки общей теории относительности. Если бы она была неверна, система GPS ошибалась бы на 50 метров каждый день. Но на самом деле за десять лет отклонение составляет всего пять метров, что показывает нам, как точна общая теория относительности.
[157]
Замедление времени под воздействием гравитации проявляет себя ещё одним способом. Представим, что наш астронавт на самом деле находится в комнате на Земле, а не на космическом корабле. Он берёт синюю лазерную указку, кладёт её на пол и направляет луч на потолок. И тут происходит нечто необычное. Точка на потолке вовсе не синяя, а красная. Всё потому, что источник света находится ближе к Земле, где гравитация сильнее, а часы идут медленнее. Осцилляция (колебание) света, движущегося к потолку и отражающегося от него, похожа на тиканье часов, а значит, тоже замедлена. Учитывая, что цвет — это всего лишь показатель того, как быстро осциллирует свет, а красный свет вибрирует меньше, чем синий, спектр замедленного света смещается к красному.
На Земле гравитационное красное смещение света, движущегося вверх, крайне мало. Его совершенно точно недостаточно для того, чтобы превратить красный цвет в синий (мне пришлось немного преувеличить). Тем не менее такое смещение можно измерить высокоточными приборами. В ходе одного из таких экспериментов, имевших место в 1959 году, американские учёные Роберт Паунд и Глен Ребка наблюдали гравитационное красное смещение света, движущегося вверх по башне высотой 22,6 метра. Это стоило им немалых усилий, так как смещение на таких небольших расстояниях сложно заметить. Однако его можно легко увидеть в свете белых карликов, плотных звёзд с очень высокой поверхностной гравитацией.
Гравитация воздействует на время, потому что она представляет собой не просто изогнутое пространство. Она — это искривлённое пространство-время, в котором искривление пространства отвечает за изменение пути движения света, а искривление времени — за отстающие часы.
Искривлённое пространство-время
Для того чтобы понять, что мы живём в искривлённом пространстве-времени, которое и является гравитацией, понадобился гений Эйнштейна. До него никто не выдвигал подобного предположения, потому что оно далеко не очевидно.
Вообразите себе расу разумных муравьёв, которые живут на поверхности батута и не могут вырваться из его двумерной плоскости. Муравьи могут двигаться на север, юг, запад и восток, но не имеют представления о третьем измерении, то есть вверх и вниз. Теперь предположите, что на батут кто-то положил шар для боулинга. Муравьи замечают, что, если попытаться перейти с одной стороны батута на другую, их пути искривятся и приведут их к шару. Ситуация требует объяснений, и они их находят. Всё дело в том, что шар их притягивает. Возможно, они даже назовут эту силу притяжения гравитацией.
Но, глядя на батут сверху, из третьего измерения, мы увидим иную картину. Очевидно, что шар для боулинга заставил батут прогнуться, и в поисках кратчайшего пути с одной стороны батута на другую муравьи естественным образом движутся вокруг шара, точно так же, как наш турист по пересечённой местности.
[158]
Мы с вами находимся в той же ситуации, что и муравьи. Так как мы живём в трёхмерном мире, мы не в состоянии постичь четырёхмерную реальность, в которой он существует. Солнце создаёт углубление в ткани пространства-времени точно так же, как шар для боулинга — в полотне батута. Поскольку мы не можем этого увидеть, мы приписываем движение Земли вокруг (если быть более точным, по эллипсу) Солнца действию силы, которая направлена от Солнца к Земле. Но на самом деле никакой такой силы, привязывающей нашу планету к Солнцу невидимой резинкой, не существует, как и не существует силы, исходящей от шара для боулинга.
