Гравитация есть геометрия

«Это как будто бы стена, отделяющая нас от правды, разрушилась. Более широкие пространства и бездонные глубины открылись ищущему знания глазу, области, о существовании которых мы не имели даже представления»

Герман Вейль «Общая теория относительности»

Можно полагать, что при написании своей работы Эйнштейн, по-видимому, был вдохновлен двумя достаточно простыми фактами. Во-первых, универсальностью гравитации, что было продемонстрировано еще Галилеем в своих известных экспериментах на наклонной Пизанской башне. Гравитация универсальна, поскольку все тела с башни падали одинаково, если на них действовала только гравитационная сила. Во-вторых, гравитация всегда проявляет себя как притяжение. Это ее свойство сильно отличает ее, например, от электростатической силы, описываемой таким же по форме законом, что и закон всемирного тяготения и проявляющей себя в зависимости от вида взаимодействующих зарядов и как притяжение и как отталкивание. В результате, в то время как электростатическая сила может быть экранирована и достаточно легко создать области, в которых она действовать не будет, гравитация экранирована не может быть принципиально. Таким образом, гравитация является вездесущей и действует на все тела одинаковым образом. Эти два факта говорят о сильном отличии гравитации от других фундаментальных взаимодействий и наводят на мысль, что гравитация — есть проявление чего-то более глубокого и универсального. Поскольку пространство-время так же вездесуще и универсально, Эйнштейн предположил, что гравитация проявляет себя не в качестве силы, а в качестве искривления геометрии пространства-времени. Пространство-время в Общей Теории Относительности податливо и может моделироваться двумерным резиновым листом, прогнутым массивными телами. Например, Солнце, будучи тяжелым, сильно искривляет пространство-время. Планеты, так же как и все тела, падающие на Земле, движутся по «прямым» траекториям, но только в кривой геометрии. В точном математическом смысле, они следуют по кратчайшим траекториям, названным геодезическими линиями — это обобщения прямых линий плоской геометрии Эвклида на кривую геометрию Римана. Итак, если мы рассматриваем искривленное пространство-время, например Земля, будет выбирать в таком пространстве оптимальную траекторию, являющуюся полным аналогом прямой. Но, поскольку пространство-время искривлено, в проекции на плоское пространство Эвклида и Ньютона, эта траектория окажется эллиптичной.

Привлекательность Общей Теории Относительности заключена в том, что она, используя изящную математику, преобразовала эти концептуально простые идеи в конкретные уравнения и использует эти уравнения, что бы сделать удивительные предсказания о природе физической действительности. Она предсказывает, что часы должны идти быстрее в Катманду, чем в Ялте. Галактические ядра должны действовать, как гигантские гравитационные линзы и показывать нам захватывающие, многократные изображения удаленных квазаров. Две нейтронные звезды, вращающиеся вокруг общего центра, должны терять энергию вследствие ряби в искривленном пространстве-времени, вызванной их движением по спирали, сходящейся к единому центру с последующим их столкновением. За последнее время было проведено множество экспериментов для проверки этих и еще более экзотических предсказаний. И каждый раз Общая Теория Относительности одерживала победу. Точность же некоторых экспериментов превышала точности легендарных опытов по обнаружению кванта электромагнитного поля. Эта комбинация концептуальной глубины, математической элегантности и наблюдательных успехов просто беспрецедентна. Это то, почему Общая Теория Относительности, с одной стороны, расценивается как одна из самых возвышенных физических теорий, и с другой стороны, вызывает немалый интерес, как объект всевозможной и далеко не всегда профессиональной критики.