Это дебаты, к которым и обращаются доводы данной книги. Я не говорю о них в терминах, которые приняты у философов и часто граничат с лингвистическим анализом. Вместо этого я касаюсь их исходных предпосылок в физике — среди того, что СТО могла быть применима к истории вселенной как целому. Но СТО не может быть применена ко всей вселенной, поскольку она не содержит всю физику; в особенности, она не содержит гравитацию. СТО может быть, в лучшем случае, только приближением к теории, которая содержит гравитацию. Проблема распространения теории относительности на гравитацию была решена изобретением еще более глубокой теории, а именно ОТО. На это Эйнштейн потратил десять лет тяжелого труда.
Однако, философски интересные особенности СТО распространяются и на ОТО Эйнштейна. Относительность одновременности остается правильной — и, на самом деле, расширяет сферу влияния. Так что философские доводы, которые я только очертил, все еще удерживаются и приводят к тем же заключениям: единственной реальностью является полная история вселенной, взятой как единое целое.
В ОТО также остается верным, что вся независимая от наблюдателя информация содержится в причинной структуре и собственном времени. Если история целой вселенной представлена в ОТО, то в результате остается картина монолитной вселенной.
* * *
Рис. 12. Мы противопоставляем обычное понятие времени более произвольному понятию в ОТО. В нормальной ситуации мы думаем, что время бежит везде с одним и тем же темпом, так что поверхности одинакового времени распространены равномерно, как показано на верхнем рисунке. В ОТО время может быть измерено в каждой точке различными часами, каждые из которых двигаются произвольно быстро по сравнению с другими, пока поверхности одинакового времени не связаны причинно друг с другом. Мы называем это свободой для времени быть «установленным многими способами», как показано на нижнем рисунке.
ОТО не только сохраняет особенности СТО, доказывающие, что время нереально, но также вводит новые с тем же эффектом. Во-первых, тут намного больше способов разделения пространства-времени на пространство и время (см. Рис. 12). Вы можете определить время в соответствии с сетью часов, распределенных по вселенной, но часы могут быть грубо-материальными, — что означает, они могут идти с различным темпом в различных местах и каждые могут ускоряться или замедляться. Мы описываем это, говоря, что в ОТО время может быть установленным множеством разных способов. Во-вторых, геометрия пространства или пространства-времени не является больше простой или регулярной. Она становится общей: Подумаем о любой искривленной поверхности как о противоположности простой плоскости или сфере. И геометрия становится динамической. Волны, которые мы называем гравитационными волнами, путешествуют сквозь геометрию пространства-времени. Могут формироваться черные дыры, двигаться, вращаться друг вокруг друга. Конфигурация мира больше не задается частицами, расположенными в пространстве; конфигурация теперь содержит геометрию самого пространства.
Но что геометрия пространства и пространства-времени должна делать с гравитацией? ОТО основана на простейшей из всех научных идей, состоящей в том, что падение является естественным состоянием.
Великие революции в физике могут быть отмечены изменениями в том, что рассматривается в качестве естественного движения, где под «естественным» мы понимаем движение, не требующее объяснения. Для Аристотеля естественным движением было оставаться в покое относительно центра Земли. Любое другое движение было неестественным и требовало объяснения, такого как сила, действующая на тело, чтобы сдвигать его и поддерживать его в движении. Для Галилея и Ньютона естественным движением было движение по прямой линии с постоянной скоростью, а на силу ссылались только как на объяснение того, когда скорость или направление движения изменялись, — то, что мы называем ускорением. Именно поэтому вы не можете почувствовать движение в самолете или поезде, пока они двигаются без ускорения.
Вы можете спросить, если все движения относительны, не имеет ли значения, относительно чего самолет или поезд ускоряются? Имеет значение, и ответ таков: Относительно других наблюдателей, которые также не ускоряются. Нет ли тут замкнутого цикла рассуждений? Нет, если мы добавим, что имеется большой класс наблюдателей, которые не ощущают эффекта своего движения, и они имеют то общее, что все они двигаются с постоянной скоростью и направлением по отношению любому другому. Эти специальные наблюдатели называются инерциальными наблюдателями, и законы Ньютона определены по отношению к ним. Первый закон Ньютона тогда утверждает, что свободные частицы (свободные в том смысле, что нет приложенных к ним сил) перемещаются по отношению к инерциальным наблюдателям с постоянной по величине и направлению скоростью.
Кстати, по этой причине имеет значение, движется ли Солнце или Земля. Направление движения Земли постоянно изменяется — по отношению к любому инерциальному наблюдателю — когда она обращается вокруг Солнца. Это ускорение; оно требует объяснения, которое обеспечивается гравитационным влиянием Солнца.
Для Ньютона гравитация был силой, подобной другим силам. Но Эйнштейн осознал, что есть нечто особенное в движении, вызванном гравитацией, а именно, что все тела падают с одинаковым ускорением безотносительно к их массам или любым другим свойствам. Это следствие Ньютоновских законов. Ускорение тела обратно пропорционально его массе, но Ньютон постулировал, что гравитация притягивает тело с силой, пропорционально его массе. Влияния массы исчезает, так что ускорение, вызванное гравитацией, не зависит от массы тела, и все тела падают с одинаковым ускорением.
Эйнштейн обобщил естественность падения в самом красивом принципе среди всех его работ — и во всей физике, — который он назвал принципом эквивалентности. Он утверждает, что когда вы падаете, вы не можете ощущать ваше движение. Ощущения кого-нибудь в падающем лифте те же самые, как если бы этот кто-то свободно плавал в пространстве. Что мы ощущаем, когда мы говорим о гравитации, это что мы, фактически не падаем. Сила, которую мы чувствуем, когда мы сидим или стоим не есть гравитация, тянущая нас вниз, это пол или кресло толкают нас вверх и предотвращают наше падение. Хотя я сижу за своим столом, на самом деле я двигаюсь неестественно, ибо несвободно.
Именно поэтому Эйнштейн был гением первого порядка. Не из-за математической сложности окончательной реализации ОТО — это детали, которые большинство студентов-математиков легко преодолевает, — а потому, как он преуспел в изменении наших взглядов по поводу простейших аспектов нашего опыта. До Эйнштейна мы думали, что мы чувствуем каждый день, как гравитация тянет нас вниз. Эйнштейн понял, что мы ошибались. Мы чувствуем, как пол толкает нас вверх.
Эйнштейн высказал эту простейшую и самую физическую из идей и с помощью своего друга, математика по имени Марсель Гроссман, превратил ее в гипотезу о геометрии мира. Эта гипотеза основывалась на обыгрывании простейшего понятия геометрии, прямой линии.
