В 1883 году австрийский физик Эрнст Мах задался простым вопросом: почему вода в крутящемся ведре поднимается у стенок? Ответ Ньютона, «потому что есть абсолютное пространство», не устроил учёного. Его критика породила идею, изменившую физику ХХ века.
Представьте: вы раскручиваете ведро с водой на верёвке. Сначала вода плоская. Потом ведро набирает скорость — и вот вода уже образует вогнутую поверхность, поднимаясь у краёв. Почему?
Исаак Ньютон объяснял это так: вода «чувствует» своё вращение относите льно абсолютного пространства — некоей невидимой сцены, на которой разыгрывается весь космический спектакль. Это пространство неподвижно, оно существует само по себе, и именно относител ьно него тела проявляют инерцию — сопротивление изменению движения.
Но в 1883 году австрийский физик и философ Эрнст Мах (1838–1916) бросил вызов этой идее. В своей книге «Механика» он задал каверзный вопрос: а что, если абсолютного пространства не существует? Что, если вода поднимается у краёв не потому, что вращается относит ельно некоей абстрактной сцены, а потому, что вращается относите льно… всех звёзд и галактик во Вселенной?
Это и есть знаменитый принцип Маха: инерционные свойства любого тела определяются не его положением в воображаемом абсолютном пространстве, а гравитационным взаимодействием со всей совокупной массой Вселенной
Грубо говоря, ваша инерция — это «отклик» на существование далёких галактик. Если бы вдруг исчезли все звёзды, по мысли Маха, исчезла бы и сама инерция — вращающееся ведро больше не образовывало бы вогнутой поверхности воды
Идея казалась философской спекуляцией. Но в 1907 году молодой Альберт Эйнштейн прочитал работы Маха и был потрясён. Он назвал эту концепцию «принципом Маха» и поставил перед собой амбициозную задачу: встроить её в новую теорию гравитации
Почему это было так важно? Потому что принцип Маха требовал радикального переосмысления пространства и времени. Если инерция возникает из взаимодействия с массами Вселенной, то, пространство не может быть пассивным «вместилищем» — оно должно быть динамичным, гибким, реагирующим на материю. Именно эта мысль стала одним из ключевых стимулов для создания общей теории относительности (ОТО)
К 1915 году Эйнштейн завершил свою теорию. Пространство и время объединились в единый континуум, искривляющийся под действием массы и энергии. Но здесь возникла дилемма: сам Эйнштейн позже признал, что его уравнения не полностью реализуют принцип Маха. В рамках ОТО возможны решения, где инерция существует даже в пустой Вселенной без других масс — что противоречит духу идей Маха
Тем не менее, ОТО предсказала эффекты, удивительно напоминающие маховские идеи. Один из них — эффект Лензе-Тирринга (или «увлечение инерциальной рамки»). По этому предсказанию, вращающееся массивное тело, скажем Земля, не просто искривляет пространство-время вокруг себя — оно ещё и «увлекает» его за собой, как ложка, вращающаяся в густом мёде
Что это зна чит на практике? Представьте гироскоп на орбите вокруг Земли. Если бы пространство было статичным (ньютоновским), ось гироскопа всегда указывала бы в одну и ту же «абсолютную» точку. Но если Земля «тащит» за собой пространство-время, ось гироскопа медленно будет отклоняться — не из-за внешних сил, а из-за вращения самой планеты. Это и есть проявление того, как локальная инерция связана с движением крупных масс.
Проверить этот эффект оказалось невероятно сложно. Требовалась точность, недоступная технологиям середины ХХ века. Лишь в 2004 году стартовал эксперимент Gravity Probe B — спутник с четырьмя сверхточными гироскопами из кварца, охлаждёнными до 1,8 Кельвина
Через семь лет, в 2011 году, учё ные объявили результаты. Гироскопы действительно отклонялись — и геодезический эффект (искривление пространства массой Земли), и эффект Лензе-Тирринга (увлечение вращением) были измерены
Точность составила около 19% для первого эффекта и 15% для второго — не идеально, но хватает, чтобы подтвердить предсказания ОТО.
Надо обратить внимание, что это не прямое доказательство принципа Маха. Эффект Лензе-Тирринга — следствие уравнений Эйнштейна, а не независимая проверка маховской идеи. Мало того, в теоретической физике до сих пор нет единого мнения, «маховская» ли наша Вселенная на самом деле
Некоторые космологические модели показывают, что в расширяющейся Вселенной инерциальные рамки действительно «привязаны» к распределению материи на больших масштабах — что согласуется с духом принципа Маха. Другие исследования указывают на «анти-маховские» аспекты даже в рамках ОТО, скажем в решениях типа вращающейся Вселенной Гёделя
Современные физики чаще говорят не о «принципе Маха» как о законе, а о маховском критерии при выборе космологических моделей: хорошая теория должна объяснять происхождение инерции через взаимо действие с материей Вселенной, а не через абстрактные конструкции
Что же нам делать с ведром Маха сегодня? Ответ звучит почти поэтично: когда вы раскручиваете ведро, вода поднимается у краёв не потому, что чувствует некое мистическое абсолютное пространство. Она реагирует на гравитационное влияние всех звёзд, галактик и тёмной материи во Вселенной — пусть и опосредованно, через геометрию пространства-времени, описанную Эйнштейном.
Принцип Маха так и не стал строгим законом физики. Но его наследие огромно: он заставил физиков отказаться от иллюзии «абсолютной сцены» и увидеть Вселенную как единый, взаимосвязанный организм, где локальные свойства материи рождаются из глобальной структуры космоса. И в этом смысле вопрос Маха о ведре с водой остаётся одним из самых глубоких в истории науки — не потому что на него есть окончательный ответ, а потому что он изменил сам способ, которым мы задаём вопросы о реальности.
Примечание: Принцип Маха остаётся философской концепцией, вдохновившей к развитию общей теории относительности. Современная физика не рассматривает его как доказанный закон, но его идеи продолжают влиять на космологию и поиск теории квантовой гравитации.