Понятия времени и пространства настолько важны для познания природы, что их корректировка влечет изменение общего подхода к описанию ее явлений. Самое важное следствие этого — осознание того, что масса представляет собой одну из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их соотношение выражается знаменитым уравнением Е = mc2, где с — скорость света.
Константа с фундаментальна для теории относительности. Всегда, когда описываются физические явления, при которых действуют скорости, близкие к ней, необходимо учитывать теорию относительности. Особенно это касается электромагнитных колебаний, одним из которых является свет и которые привели Эйнштейна к созданию его теории.
В 1915 г. Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, которая, в отличие от специальной, включала гравитацию, т. е. взаимное притяжение всех тел, обладающих массой. Специальная теория была подтверждена множеством экспериментов, а общая еще не нашла окончательного подтверждения[51]. И все же это наиболее широко признанная, последовательная и изящная теорией гравитации, которая часто применяется в астрофизике и космологии, а также для описания Вселенной в целом.
Согласно теории Эйнштейна, гравитация способна «искривлять» время и пространство. В искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не действуют, так же как двумерная евклидова геометрия не может быть применена на поверхности сферы. На плоскости, например, мы можем нарисовать квадрат так: отложить метр на прямой линии, отложить прямой угол и снова отмерить метр, затем отложить еще один прямой угол и снова отмерить метр, в третий раз отложить прямой угол и, вернувшись в исходную точку, получить квадрат. А на поверхности шара эти правила не действуют (рис. 4). Теория Эйнштейна утверждает, что трехмерное пространство искривляется под воздействием гравитационного поля тел с большой массой.
Рис. 4. Изображение квадрата на плоскости и на шаре
Пространство вокруг таких тел — планет, звезд и т. д. — искривлено, а степень искривления зависит от массы тела. Поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества воздействует и на время. Поэтому в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. Общая теория относительности Эйнштейна полностью отвергает понятия абсолютного пространства и времени. Относительны не только все измерения; сама структура пространства-времени зависит от распределения вещества во Вселенной, а понятие «пустого пространства» теряет смысл.
Классическая же физика рассматривала движение твердых тел в пустом пространстве. Такой подход и сегодня возможен, но лишь по отношению к так называемой зоне средних измерений, т. е. в области нашего повседневного опыта, где классическая физика по-прежнему полезна. Оба представления — о пустом пространстве и твердых материальных телах — настолько укоренились в нашем мышлении, что нам трудно представить себе физическую реальность, где они неприменимы. И всё же современная физика, выходя за пределы зоны средних измерений, заставляет нас мыслить иначе. Выражение «пустое пространство» утратило смысл в астрофизике и космологии — науках о Вселенной, а понятие твердого тела было уничтожено атомной физикой — наукой о бесконечно малом.
В начале XX в. было обнаружено несколько явлений, связанных со структурой атома и необъяснимых с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей — нового вида излучения, быстро нашедшего применение в медицине. Но это не единственный вид излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия стали известны и другие, испускаемые атомами радиоактивных веществ. Явление радиоактивности дало доказательства составной природы атомов, продемонстрировав, что те не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы других элементов.
Эти явления не только активно изучались, но и использовались для глубокого проникновения в тайны природы, что было невозможно ранее. Так, Макс фон Лауэ при помощи рентгеновских лучей исследовал атомную структуру кристалла, а Эрнест Резерфорд[52] обнаружил, что альфа-частицы, исходящие от радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутренней структуры атома. Атомы подвергались обстрелу альфа-частицами, а по траекториям их «отскока» после столкновения можно было делать выводы о том, как устроен атом.
51
На момент написания книги (1974 г.; второе издание — 1982 г.). Теперь эта теория получила множество подтверждений, последним из которых было обнаружение в 2016 г. гравитационных волн.
52
Макс фон Лауэ (1879–1960) — немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1914 г.) за открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах; Эрнест Резерфорд (1871–1937) — британский физик, лауреат Нобелевской премии по химии (1908 г.), «отец ядерной физики».