В начале ХХ века были известны всего два физических поля - электромагнитное и гравитационное. Появившаяся СТО отлично справилась с описанием поведения электрических зарядов и полей при любых скоростях, чего не получалось в подходе Галилея. Но ньютоновская теория тяготения, служившая практически идеальной основой небесной механики и земной физики, по-прежнему формулировалась в старых понятиях абсолютного пространства и времени и не вписывалась в новые представления.
    После создания СТО неоднократно предпринимались попытки описать гравитационное поле в пространстве Минковского, надеясь таким образом включить в рассмотрение СТО быстродвижущиеся тяготеющие объекты, а ньютоновскую теорию гравитации получить в пределе малых скоростей движения.
    Великий французский математик Анри Пуанкаре, фактически одновременно с Эйнштейном 'открывший' СТО, первым попытался распространить ее и на гравитацию, предположив конечность скорости распространения гравитационного

Изображение показывает искажение пространства, которые вызывает тяготеющая масса. Двухмерная сетка иллюстрирует искривление всего двух из четырех координат. Главным результатом СТО стало знаменитое E=mc2.

Теория и подтверждение - линзирование

Изображение демонстрирует эффект гравитационного линзирования, получено на орбитальном телескопе Хаббл 14 октября 1994 года. Геометризация всей физики пока еще не закончена, но похоже, что именно к этому идет дело.

поля. Мысли о том, что гравитация передается со скоростью света, высказывались, конечно, и раньше. Подобные теории, однако, встретились с серьезными трудностями, и одна из них - неспособность объяснить аномальное вековое смещение перигелия орбиты Меркурия, необъяснимое и в теории Ньютона. И пусть величина смещения была едва заметна - 43 угловые секунды в столетие, - но уже тогда она вполне достоверно была получена из астрономических наблюдений.
    По законам Кеплера, являющимся следствием закона всемирного тяготения Ньютона, все планеты Солнечной системы движутся по замкнутым эллиптическим орбитам, а у Меркурия этот эллипс со временем немного поворачивается, в итоге он движется по незамкнутой спиралевидной траектории. Кроме того, Меркурий - самое быстрое тело Солнечной системы, и для искомой 'гравитации высоких скоростей' объяснение этого эффекта должно было стать первым пробным камнем.
    Было еще одно обстоятельство, делавшее попытки описать гравитацию в рамках СТО малопривлекательными. Со времен Галилея было известно, что если исключить сопротивление воздуха, то самые разные тела - кусок дерева, камень, слиток свинца, сосуд с водой и так далее - падают на Землю с совершенно одинаковым ускорением. Подтверждением того является известный школьный опыт, в процессе которого легкое перышко летит на одном уровне со свинцовой дробинкой, если, их поместить в длинную трубку с откачанным воздухом. Универсальность ускорения свободного падения для разных тел была подтверждена с высокой точностью в конце ХIХ века опытом Этвеша, установившего эквивалентность между силой притяжения 3емли и инерционным центробежным ускорением, вызванным суточным вращением нашей планеты (ошибка не превышала одной 10-миллионной процента). В уравнениях Ньютона это проявляется как равенство между инертной и гравитационной массами - так называемый 'принцип эквивалентности'. Сама теория Ньютона объяснить это равенство не способна, не могли это сделать и ее обобщения в рамках СТО.
    Инертная масса, фигyрирующая во втором законе механики Ньютона ('ускорение равно силе, деленной на массу'), и гравитационная, показывающая, как тело реагирует на поле тяготения, - величины, по существу, разной физической природы. Эйнштейну было ясно, что равенство инертной и гравитационной массы не может быть случайным совпадением и должно иметь глубокие причины. Универсальность действия гравитации на тела привела его к идее, ставшей основой ОТО (Общей теории относительности): гравитационное поле есть свойство самого пространства, причем свойство, меняющееся от точки, к точке, ведь поле тяготения, вообще говоря, неоднородно. Следовательно, пространство Минковского - плоское, одинаковое во всех точках и во всех направлениях, - не годится, гравитация должна его искажать и искривлять. Так возникает идея кривизны физического пространства - времени.
    У всякой фундаментальной идеи, как правило, обнаруживаются предтечи, и главная идея ОТО - не исключение. Еще в 1826 году первооткрыватель неевклидовой геометрии Н.И. Лобачевский говорил об экспериментальном определении геометрии мира. Зависимость кривизны пространства от свойств заполняющей его материи предполагали Риман (1854 год) и В. Клиффорд (1876 год), причем у последнего можно найти и мысль о кривизне, распространяющейся волнами. Идеи, как говорится, витали в воздухе, оставалось их 'поймать', отфильтровать и оформить в стройную, логически непротиворечивую теорию.
    Плод, что называется, созрел к 1915 году. Общая теория относительности стала еще одним шагом в сторону от простых и наглядных представлений классической физики. В ней четырехмерное пространство - время (часто для краткости говорят просто 'пространство') стало искривленным. К тому моменту уже существовал математический аппарат для описания таких пространств - геометрия Римана, она и стала языком новой физической теории. В римановой геометрии, а следовательно, и в ОТО, основная характеристика пространства - это так называемый метрический тензор (метрика), несущий информацию об интервалах между точками - событиями. Метрика записывается как симметричная матрица 4 на 4 и может содержать до 10 различных компонент. Она подчиняется сложным математическим уравнениям. В общем случае это - система из десяти нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных относительно десяти неизвестных функций четырех пространственно-временных координат. Эта система называется уравнениями Эйнштейна, или Гильберта - Эйнштейна, как иногда говорят, желая подчеркнуть роль великого немецкого математика в создании ОТО. Основной их смысл - связь кривизны пространства с распределением и движением материи ('материя говорит пространству, как ему искривляться'). Всякое их решение описывает какую-то мыслимую конфигурацию гравитационного поля. Некоторые решения уравнений Эйнштейна имеют вид колебаний метрики, то есть гравитационных волн, распространяющихся со световой скоростью.

Изогнутая лента символизирует наш трехмерный мир, находящийся в некоем многомерном контину-уме. Смотрите теории снизу.

Наш трехмерный мир

    Их источниками во Вселенной должны быть многочисленные нестационарные процессы - движение двойных звезд, взрывы сверхновых, образование черных дыр и так далее. На их регистрацию сейчас направлены активные усилия экспериментаторов. Простой и напрашивающийся образ гравитации как кривизны пространства - тяжелая гиря, продавливающая натянутый батут. Искажения его плоской поверхности отчасти передают суть дела - чем ближе к тяготеющему телу, тем сильнее искривление и круче наклон образующейся от гири 'впадины', а мелкие монетки, сползающие к гире, - чем не планеты, 'падающие' на Солнце? И еще волны, разбегающиеся от удара по упругой ткани... Аналогия, конечно, довольно грубая, ибо ни какой пространственный образ не передаст своеобразие объединенной пространственно-временной геометрии. В чем же такой образ верен, так это в том, что любая гладкая искривленная поверхность на достаточно малых участках почти плоская. Так кривизна земной поверхности совершенно не чувствуется в масштабах городского квартала, но хорошо заметна с палубы корабля в открытом море.
    Как специальная теория относительности не отменила механику Ньютона (пригодную на малых скоростях), так и ОТО не отменяет СТО, которая справедлива на любом маленьком 'клочке' искривленного, но гладкого пространства - времени. Чем меньше размеры 'клочка' по сравнению с радиусом кривизны пространства, тем точнее вы полняются СТО и ее многочисленные следствия.
    Итак, со специальной теорией относительности все более или менее понятно, но куда девалась теория гравитации Ньютона, которая работала совсем неплохо? Естественно, за ней осталось ее законное место: ньютоновские уравнения получаются из уравнений ОТО в пределе малой кривизны (то есть слабых гравитационных полей) и малых относительных скоростей тяготеющих тел. Большинство наблюдаемых явлений попадает как раз в такой вот 'слабый' режим малых скоростей и полей. Правда, в ОТО совсем другая интерпретация гравитационных сил: теперь это не силы, а некоторые геометрические характеристики мировых линий, то есть кривых, по которым движутся тела в четырехмерном пространстве - времени. С точки зрения ОТО тело, свободно падающее в поле тяготения, движется вообще без внешних сил, и его мировая линия - геодезическая (или кратчайшая) в кривом четырехмерном мире - аналог прямой линии в плоском пространстве.
    ОТО охотно приняла экспериментальный вызов и с удивительной точностью объяснила упомянутую выше аномалию в движении Меркурия, бывшую ранее камнем преткновения всех теорий тяготения. Другой эффект ОТО, поддающийся проверке, - действие гравитации на свет, приводящее к искривлению светового луча в поле небесного тела. По расчетам Эйнштейна, проходя рядом с Солнцем, световой луч должен отклониться на угол в 1,75 угловой секунды. Аналогичный эффект можно получить и в ньютоновской теории, представляя свет потоком частиц, летящих со скоростью света, но тогда расчетное отклонение будет вдвое меньше - около 0,87 секунды при пролете у самого края светила.
    Полное солнечное затмение 29 мая 1919 года дало ученым возможность измерить этот эффект, фотографируя изображения звезд рядом с закрытым Луной солнечным диском и сличая полученные кадры с обычными ночными снимками того же участка звездного неба. На картинках с затмением звезды оказались чуть-чуть отодвинуты от края диска по сравнению с их ночными положениями. Угол отклонения варьировался, по данным разных наблюдателей, в пределах от 1,61 до 1,98 угловой секунды возле края диска, постепенно уменьшаясь по мере удаления от него, при ошибке в пределах 0,30. Таким образом, небо подтвердило правоту Эйнштейна!
    Это стало подлинным триумфом - теория, рожденная на кончике пера, отлично подтверждалась на практике. И до сих пор успешно проходит все экспериментальные тесты.

Кладезь теорий и претенденты на роль "теории всего на свете"
Скалярно-тензорные теории (СТТ)	Калибровочные теории
В них гравитация характеризуется, помимо метрического тензора, определяющего кривизну пространства, одним или несколькими скалярными полями. Это такие поля, которые не зависят от выбора системы координат. СТТ - самое простое с математической точки зрения обобщение ОТО, предсказывающее в общем случае зависимость гравитационной постоянной от положения в пространстве и времени, отличные от ОТО величины классических эффектов и большее разнообразие гравитационных воли.	Главная их идея восходит к работам немецкого математика Г. Вейля 1918-1922 годов, в которых предлагалось использовать уравнения гравитации и электромагнетизма с дополнительной симметрией относительно некоторых преобразований самих полей. С 1950-х годов подобные симметрии (локальные калибровочные) широко используются для описания взаимодействий частиц. Важно, что калибровочные симметрии могут описываться в терминах геометрии некоторых особых пространств, продолжая тем самым геометризацию физики. Предполагается, что в таких теориях можно 'сгладить' многие сингулярности, имеющиеся в решениях ОТО, и по-новому поставить проблемы энергии и квантования.
Теория суперструнного происхождения	Теория мира на бране
Среди претендентов на роль 'теории всего на свете' наиболее перспективными считаются так называемые теории суперструн. Струны - это одномерные микрообъекты, которые, подобно гитарным струнам, могут испытывать колебания с определенным спектром частот. Этим частотам сопоставляются энергии различных частиц. Приставка 'супер' в даннон случае означает присутствие так называемой суперсимметрии - симметрии между разными типами элементарных частиц. Суперструны "живут" в искривленных пространствах 10-и или 11-и измерений (в зависимости от конкретного варианта теории) и при определенных условиях приводят к некоему подобию ОТО.	Теории, работающие в пространстве, имеющем более четырех измерений, вынуждены отвечать на вопрос, почему эти измерения невидимы. В большинстве случаев, начиная с работ Т. Калуцы и 0. Клейна 1920-х годов, ответ звучит так: лишние измерения замкнуты, или свернуты, и имеют крайне малые размеры. Но возможен и другой ответ: например, 5-е или 6-е измерения - не малы, может быть, даже бесконечны, но наш мир 'заперт' на четырехмерной поверхности, а для выхода в 5-е или 6-е измерения нужна огромная энергия. Такая запертая поверхность получила название 'брана', а вся теория известна как 'мир на бране'. В таком мире могут существовать и черные дыры без сингулярностей, и кротовые норы, и многие другие нестандартные объекты и явления.

---

Относительность мира (1-я часть)          Относительность мира (2-я часть)

---