Иногда говорят, что если вы не можете объяснить что-то сложное простыми словами (как будто объясняете ребёнку), вы его сами не понимаете. Ну что же, послушаем попытку такого объяснения, а ссылку на источник (англ.) вы найдёте в конце. Вам судить, насколько это объяснение удачно.
Чтобы объяснить гравитацию в соответствии с ОТО, вы должны сначала почувствовать понятие «пространство-время». Ложно интуитивно раздельные «пространство» и «время» навсегда обрекают нас застрять в неполных аналогиях...
Мы интуитивно чувствуем, что три измерения пространства чётко объединены. Точно так же является неделимым и четырёхмерное пространство-время. Каким же образом мы чувствуем, что трёхмерное пространство «едино»?
Например, неважно, как мы позиционируем карандаш в пространстве — он останется одной и той же длины. Эта инвариантность лежит в основе объединения трёх измерений. Но для того, чтобы добавить время к этому уже очень знакомому объединению, мы должны «выйти» из некоторых наших базовых концептуальных представлений о пространстве и взглянуть на него по-новому, с ясной точки зрения физики.
Что мы на самом деле имеем в виду, когда говорим «карандаш имеет одну и ту же длину», когда мы поворачиваем карандаш? Если бы мы поместили карандаш в систему координат (уперев его основание в точку пересечения осей), то его инвариантная длина всегда находится с помощью теоремы Пифагора, как гипотенуза воображаемого треугольника, как бы мы его не вертели. Значения сторон воображаемого треугольника могут принимать всевозможные случайные значения, когда мы поворачиваем карандаш, но этот расчёт продолжает определять инвариантную длину, которая находится в этом объединённом пространстве. Мы воспринимаем нашу интуицию в отношении трёхмерного пространства как должное, но что-то на заднем плане центрального процессора нашего разума постоянно выполняет такие «вычисления», поэтому мы ничему не удивляемся, когда карандаш вдруг выглядит как точка, когда указывает прямо на нас.
Так почему же нужно добавить время к этому знакомому трёхмерному континууму? Это связано с тем фактом, что свет всегда двигается с одной и той же скоростью. Независимо от того, насколько быстро мы, как наблюдатели, движемся к источнику света или от него. И неважно, насколько быстро этот излучатель движется к нам или от нас.
Классически это было бы невозможно, но добро пожаловать в относительность. Что, если бы мы наблюдали за кем-то, кто движется со скоростью 25% скорости света, направляясь к нему со скоростью 100% скорости света? Мы интуитивно предполагаем, что должны были бы ощутить этот свет как двигающийся со скоростью 125% скорости света.
Но дело в том, что все фундаментальные квантово-механические взаимодействия внутри материи, которые на самом микроскопическом уровне несут ответственность за предотвращение распада материи и все возможные изменения во времени, работают с той же самой скоростью света. Если Солнце взорвалось минуту назад, мы ничего не заметим еще 7 минут или около того, наслаждаясь его «историческим» светом. Та же самая задержка происходит и внутри наших клеток и измерительных инструментов.
Похоже, что наш мозг и измерительные приборы (включая часы) ведут себя иначе, чем это видит сторонний наблюдатель. Но мы никогда не видим, чтобы наши собственные измерительные приборы «менялись», потому что всё работает идеально синхронно в одной и той же «системе отсчёта». Я имею в виду, что Земля могла бы двигаться очень близко к скорости света для какого-нибудь далёкого наблюдателя.
Итак, мы видим растянутого во времени путешественника с сокращённой длиной, который измеряет скорость вещей с помощью часов с замедленным временем, линейками с укороченной длиной и своим мнением о том, какие события произошли одновременно.
Итак, возвращаясь к карандашу, давайте представим, что у него есть два светодиода на концах, которые мигают одновременно, как это видит сопровождающий наблюдатель.
- Поскольку одновременность также относительна, другой наблюдатель, который движется относительно карандаша, не согласится с тем, что моменты мигания одновременные. Огни на самом деле будут мигать в разные моменты времени (с учетом задержки света) для этого наблюдателя, который движется относительно карандаша.
- Расстояние в пространстве между этими двумя событиями (концами карандаша) будет различным для наблюдателей, движущихся относительно карандаша.
Другими словами: и время, и расстояние между двумя точками измерения ощущаются по-разному всеми наблюдателями, которые движутся относительно друг друга. Из-за этого создается впечатление, что для длины карандаша нет никакого инвариантного размера, но, к счастью, это не так.
В центре объединения четырехмерного пространства-времени существует неизменность: если любой наблюдатель вычтет свой наблюдаемый и возведенный в квадрат временной интервал в секундах между огнями карандаша из наблюдаемого и возведённого в квадрат расстояния между концами карандаша, выраженного в световых секундах, он всегда придёт к одному и тому же числу.
Таким образом, каждый наблюдатель замечает разные временные и пространственные интервалы между одними и теми же двумя событиями в пространстве-времени, но вычитание квадратов их значений приводит к инвариантному пространственно-временному интервалу.
При буквальной скорости света не остаётся такой вещи, как пространство и время. Мы интуитивно не чувствуем, что время и пространство едины, просто потому, что наш мозг не развивался вместе с наблюдениями на высоких релятивистских скоростях. Следовательно, эти вычисления не выполняются в фоновом режиме центрального процессора нашего разума, как это происходит в трёхмерном пространстве.
Итак, единое четырёхмерное пространство-время — это поистине неразрывный континуум, подобный сцене, на которой происходят все события. Таким образом, сокращение длины, замедление времени и относительная одновременность идут в унисон. На самом деле это просто неизменная картина пространства-времени, постоянно корректируемая с учетом относительного взгляда наблюдателя.
Гравитация
То, что мы называем гравитацией в соответствии с общей теорией относительности (ОТО), не является прямым воздействием массы-энергии массивного тела, такого как Земля, на некоторый объект, например, яблоко. Земля вообще ничего не делает с яблоком, а есть только стадия, на которой это яблоко находится.
Свойство объекта оставаться в покое или оставаться в движении с постоянной скоростью называется инерцией. Если мы следим за инерционным объектом в «плоском» пространстве-времени (то есть, без гравитации), который не движется относительно нас как наблюдателей, он просто плывёт перед нами во времени.
Что, если какая-то планета приближается к этому парящему инерциальному объекту? Он испытает силу внезапного рывка? На самом деле это не так, поскольку нет никаких различий между ощущениями свободного падения и парения в вакууме. Это одно и то же ощущение невесомости. «Свободное падение» на самом деле следует по идеально прямой линии на сцене теперь уже искривлённого пространства-времени.
Итак, гравитация в соответствии с общей теорией относительности в основном говорит о том, что ближайший источник массы-энергии напрямую изгибает пространство-время вокруг него. Объекты внутри этого изогнутого четырёхмерного пространства-времени автоматически начинают следовать по пути в пространстве просто по ходу времени.
«Нисходящая сила», которую мы ощущаем на поверхности Земли, на самом деле является фиктивной силой, потому что эта поверхность не позволяет нам следовать по прямой линии в пространстве-времени, что стало бы бесконечным возвратно-поступательным колебанием относительно центра Земли (если бы Земля была абсолютно «проницаемой»).
Другими словами, «сила тяжести» не «тянет нас вниз» по «криволинейной траектории» свободного падения, а на самом деле всё наоборот: поверхность Земли постоянно «подталкивает» нас вверх по этому изогнутому пути через искривлённое пространство-время.
По материалам публикации (англ.).
