В этом году исполняется 100 лет общей теории относительности

25 ноября 1915 года Альберт Эйнштейн, наконец, объявил полные математические подробности своей общей теории относительности (ОТО) в последней из четырех статей, но гравитация и природа пространства остается сегодня такой же загадочной, какой была в те дни. В настоящее время мы все привыкли слышать о том, как эта теория описывает гравитацию как «искажение пространства» и что общая теория относительности привела к ряду сенсационных открытий и объяснений, вроде космологии Большого Взрыва, черных дыр и замедления хода времени под влиянием гравитации.

Мы даже слышали о том, что согласно эффекту Лензе — Тирринга, предсказанному в 1918 году, вращение тел может «стягивать» само пространство и вызывать интересные, но очень слабые изменения поведения вращающихся гироскопов в гравитационном поле. Этот странный феномен детально изучил спутник NASA Gravity Probe B.

Для того чтобы узнать побольше об общей теории относительности, далеко ходить не придется — материала в Интернете валом. Но несмотря на ее значительность и существенный прогресс, который она обеспечила, остаются весьма колючие детали, над которыми ученые либо работают, либо пытаются наблюдать их непосредственно.

Основные идеи

Теория относительности базируется на идее о том, что пространство и время образуют единую физическую сущность под названием пространство-время. Каждый раз, когда вы пытаетесь описать поведение чего-то, вы должны описывать его эффекты не только в связи с тремя измерениями пространства, но и четвертым временным измерением. Они тесно связаны друг с другом, особенно когда вы математически описываете физические процессы. Вы не можете просто преодолеть расстояние из одной точки в другую с определенной скоростью, вы должны учитывать, как это движение меняется с течением времени. Все это простейшие вещи. Написано множество статей на тему того, как «движение замедляет ход времени» и «объекты сжимаются по направлению движения». Но ОТО добавляет одну странную деталь к описанию четырехмерного пространства-времени.

Общая теория относительности в первую очередь утверждает, что пространство-время и гравитационные поля — одно и то же. Они описываются одним и тем же математическим символом в теории. Гравитация — это не сила вообще, а определение того, как объекты движутся в пространстве-времени. Если они движутся по прямому пути, никакой гравитационной силы не будет вообще. Вот что вы почувствовали бы в идеально пустом пространстве. Но в присутствии материи (или энергии) пространство-время искажается геометрически, так что самые прямые из возможных линий в четырех измерениях становятся искаженными. Мы испытываем это искривление в четырех измерениях как изменение ускорения или гравитационную силу между этими объектами. Но почему объекты (и энергия) могут искажать пространство-время, этот вопрос и по сей день остается без ответа.

В других ситуациях, например, с электромагнитной силой, мы имеем дело с полем, которое растягивается через пространство и расширяется со скоростью света из своего источника. Это поле силы заключено в пространстве, подобно краске, заключенной в мазке на вашей стене. Но ОТО говорит, что гравитация совсем не похожа на это. То, что мы называем пространством-временем, является гравитацией само по себе. Гравитация — не краска на поверхности пространства-времени, подобно электромагнитному полю. Чтобы понять, что есть гравитация в полной мере, вам нужно хорошо понять, что такое пространство и время как физические вещи, а не математические абстракции. Эйнштейн оставил две таких вот цитаты:

Не все силы одинаковы

За последние 100 лет мы научились из многочисленных экспериментов, что гравитация принципиально отличается от других трех сил. Три эти силы, электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие, служат нам для описания природы вещества и его взаимодействия. Это описание называется Стандартной моделью и показывает себя на удивление точной математической моделью, которая способна объяснить самые сложные эксперименты, проводимые в настоящее время на Большом адронном коллайдере в CERN.

Хотя физики пытались описать гравитацию (пространство-время) тем же математическим языком, что используется в Стандартной модели, это привело к массе технических проблем. Не потому, что математики недостаточно изобретательны (в конце концов, в результате этого у нас появилась теория струн и квантовая петлевая гравитация), а потому что все это не дает ни малейшего доказательства того, что гравитация (пространство-время) является того же рода «квантовым полем», что и присущие Стандартной модели. Лауреат Нобелевской премии Фримен Дайсон отмечал, что:

Ричард Фейнман также отметил в 1962 году, что «крайняя слабость квантовых гравитационных эффектов в настоящее время представляет некоторые философские проблемы. Может быть, природа пытается сказать нам что-то новое, может, мы не должны пытаться квантовать гравитацию. Все еще возможно, что квантовая теория не гарантирует нам, что гравитация должна квантоваться».

Сегодня мы знаем о теории струн и других математических моделях пространства-времени и гравитации, но они не отражают картины того, как может выглядеть гравитация или пространство-время. Подобно схематическим диаграммам, используемым для сборки радиоприемников, которые не описывают движение электронов через цепь компонентов, струны и петли просто могут быть нашими математическими инструментами, которые помогают проводить определенные типы вычислений. Они также похожи на символические диаграммы Фейнмана, используемые для описания электромагнитных квантовых взаимодействий. Эти вычисления, впрочем, на практике не необходимы, поскольку в настоящее время нет данных, которые сообщали бы о необходимости «квантовать» гравитацию для объяснения известных наблюдаемых измерений.

Мы можем утверждать, что физика была бы проще, если бы пространство-время квантовалось, но нет никаких свидетельств того, что наша особая тяга к объединению действительно необходима настоящему миру. Природа может быть математически более красивой, если пространство-время будет полем, состоящим из гравитонов или других квантовых элементов, но эти нужды подгоняются математическими интересами, а не очевидными или необходимыми требованиями физики. И все же игра стоит свеч, поскольку ОТО в свои сто лет продолжает задавать нам вопрос, как материя может «генерировать» пространство-время вокруг нас или, наоборот, как пространство-время может генерировать вселенную и ее физическое содержание. В теории Эйнштейна есть решения, в которых пространство-время не содержит материи вообще и, таким образом, вообще не требует его источника. Новейшие теории вообще указывают на то, что информация более фундаментальна, чем само пространство-время.

Все это сводится к одной простой вещи: если мы не знаем, чем является пространство-время с точки зрения физического агента, как мы вообще можем пытаться понять гравитацию или пытаться манипулировать ей искусственно, не говоря уж о создании «варп-двигателей»?

Возможно, когда ОТО исполнится 200, мы все это поймем. Или нет?..