Пожалуй, с помощью картинки лучше всего можно описать, как вещество и энергия искажают структуру пространства-времени, создавая гравитационное поле. На рис. 39 показан находящийся в пространстве массивный шар. Окружающее шар пространство искажено: шар приводит к прогибу пространственной поверхности, глубина которого зависит от массы или энергии шара. Пролетающий вблизи другой шар скатывается к центру прогиба, где сосредоточена масса первого шара. Согласно общей теории относительности, пространственно-временная структура искажается аналогичным образом. Другой пролетающий мимо шар будет ускоряться к центру первого шара. В этом случае результат будет согласовываться с тем, что предсказывает закон Ньютона, но интерпретация движения и его вычисление будут совершенно иными. Согласно общей теории относительности шар следует за неровностями пространственно-временной поверхности и таким образом осуществляет движение, вызванное гравитационным полем.
Рис. 39 может ввести читателя в заблуждение, поэтому следует сделать несколько замечаний. Прежде всего, пространство, окружающее шар, показано двумерным. В действительности, искажены полные трехмерное пространство и четырехмерное пространство-время. Время искажено, потому что с точки зрения специальной и общей теории относительности оно также является измерением. Например, как утверждает специальная теория относительности, искажение времени означает, что часы в разных местах идут с разной скоростью. Следующее замечание состоит в том, что второй мяч, катящийся в искривленной геометрии рядом с первым, будет также влиять на геометрию пространства-времени; мы предположили, что его масса много меньше массы большего шара, и пренебрегли этим малым эффектом. Третье обстоятельство, которое следует иметь в виду, состоит в том, что тело, искажающее пространство-время, может иметь любое количество измерений. Позднее мы увидим, что роль шара в этой картине будет играть брана.
Тем не менее во всех случаях вещество указывает пространству-времени, как изгибаться, а пространство-время указывает веществу, как двигаться. Искривленное пространство-время устанавливает геодезические траектории, вдоль которых в отсутствие других сил перемещаются тела. Гравитация закодирована в геометрии пространства-времени. Эйнштейну потребовалось почти десять лет, чтобы вывести эту точную связь между пространством-временем и тяготением и включить эффекты самого гравитационного поля; помимо всего, гравитационное поле несет энергию и поэтому изгибает пространство-время[45]. На это потребовались героические усилия.
В своих знаменитых уравнениях Эйнштейн показал, как найти гравитационное поле Вселенной, если задано ее содержимое. Хотя самым известным уравнением Эйнштейна является E = mc2[46], физики используют термин «уравнения Эйнштейна» по отношению к уравнениям, определяющим гравитационное поле. Эти уравнения завершают гигантскую задачу, показывая, как определить метрику пространства-времени, зная распределение материи. Вычисляемая метрика определяет геометрию пространства-времени, сообщая нам, как перевести заданные в произвольных единицах числа в физические расстояния и формы, определяющие геометрию.
После окончательной формулировки общей теории относительности физики получили возможность определить гравитационное поле и вычислить его влияние. Как и в предыдущих формулировках гравитации, физики использовали эти уравнения для того, чтобы вычислить, каким образом вещество движется в заданном гравитационном поле. Например, они могут вставить в уравнения массу и положение большого сферического тела вроде Солнца или Земли, и вычислить хорошо известную ньютоновскую силу гравитационного притяжения. В этом конкретном случае результаты не будут новыми, однако новым будет их значение. Вещество и энергия искривляют пространство-время, и это искривление порождает тяготение. Но общая теория относительности имеет дополнительное преимущество, состоящее в том, что она включает в распределение вещества и энергии любой тип энергии, в том числе энергию самого гравитационного поля. Теория становится полезной даже в тех ситуациях, когда сама гравитация вносит значительный вклад в энергию.
Так как уравнения Эйнштейна применимы к любому распределению энергии, они привели к изменению взглядов космологов — историков космоса. Теперь, если бы ученые знали содержащиеся во Вселенной вещество и энергию, они могли бы рассчитать ее эволюцию. В пустой Вселенной пространство будет совершенно пустым, без всякой ряби и неровностей, т. е. имеющим нулевую кривизну. Но когда Вселенную заполняет вещество и энергия, они искажают пространство-время, что влечет за собой интересные возможности для структуры Вселенной и ее изменения во времени.
Почти наверняка, мы не живем в статической Вселенной; как вскоре будет ясно, мы на самом деле должны жить в скрученной пятимерной вселенной. К счастью, общая теория относительности говорит нам, как рассчитать следствия этих гипотез. Так же как существуют примеры двумерных геометрий с положительной, нулевой и отрицательной кривизной, существуют и четырехмерные геометрические конфигурации пространства-времени с положительной, нулевой и отрицательной кривизной, которые могут возникать из соответствующих распределений вещества и энергии. В дальнейшем, когда мы будем обсуждать космологию и браны в дополнительных измерениях, критически важными будут искажения пространства-времени, возникающие от вещества и энергии, как в нашей видимой Вселенной, так и на бранах и в балке. Мы увидим, что три типа пространственно-временной кривизны (положительная, отрицательная и нулевая) могут также реализовываться в высших измерениях.
Общая теория относительности приводит к ряду следствий, которые нельзя рассчитать с помощью ньютоновской теории тяготения. Одним из многих преимуществ общей теории относительности является возможность устранить раздражающее понятие о действии на расстоянии ньютоновской теории, утверждающее, что гравитационное влияние тела будет ощущаться везде, как только это тело возникнет или начнет двигаться. Как мы знаем, согласно общей теории относительности, прежде чем гравитация может подействовать, пространство-время должно деформироваться. Этот процесс не происходит мгновенно. Он занимает время. Гравитационные волны распространяются со скоростью света. Гравитационные явления могут проявиться в данном месте только через промежуток времени, который нужен сигналу, чтобы дойти до этого места и исказить пространство-время. Этот интервал времени никогда не может быть меньше того интервала времени, который затрачивает свет, распространяющийся быстрее всего, что мы знаем, чтобы попасть в это место. Например, вы никогда не примете сигнал радио или мобильного телефона быстрее, чем через промежуток времени, который затрачивает световой пучок, чтобы долететь до вас.
Кроме того, физики сумели применить уравнения Эйнштейна для описания других типов гравитационного поля. С помощью общей теории относительности ученые смогли описать и изучить черные дыры. Эти поразительные таинственные объекты образуются тогда, когда вещество сильно сконцентрировано в очень малом объеме. Геометрия пространства-времени в черных дырах в высшей степени искажена, так что все, что попадает на черную дыру, захватывается внутрь. Даже свет не может вырваться наружу. Почти сразу после создания общей теории относительности Карл Шварцшильд обнаружил[47], что черные дыры являются следствием уравнений Эйнштейна. Однако лишь в 1960-е годы физики всерьез восприняли идею, что черные дыры могут реально существовать в нашей Вселенной. В наши дни черные дыры полностью признаются астрофизическим сообществом. На самом деле есть мнение, что в центре каждой галактики, включая нашу собственную, существует сверхмассивная черная дыра. Кроме того, если существуют скрытые измерения, то существуют и многомерные черные дыры, и если они велики, то выглядят как четырехмерные черные дыры, наблюдаемые астрономами.
Кода
Чтобы завершить историю с GPS, заметим, что для вычисления положения с точностью до 1 м необходимо измерять время с относительной точностью 10-13. Единственный возможный способ достичь такой точности — воспользоваться атомными часами.
Но даже если наши часы окажутся идеальными, благодаря эффекту замедления времени их ход будет замедляться на 10-10 в относительных единицах. Если такая ошибка не будет исправлена, она окажется в тысячу раз больше той, которая допустима для GPS. Кроме того, следует принять во внимание гравитационное голубое смещение — эффект общей теории относительности, связанный с тем, что фотон движется в изменяющемся гравитационном поле, и приводящий к ошибке по меньшей мере того же порядка. Эти и другие отклонения, связанные с общей теорией относительности, будут приводить к ошибкам, которые, если ими пренебречь, будут суммироваться, приводя к общей ошибке больше 10 км/день[48]. Икар (и современные GPS) должны вносить поправки, обусловленные этими релятивистскими эффектами.
