Эйнштейн решил эту задачу при помощи СТО. Она гласит, что все системы отсчета одинаковы, нет никакой абсолютной системы отсчета. Наблюдатель, движущийся с постоянной скоростью в пространстве, вправе считать себя неподвижным. Он увидит, что движущиеся тела в его системе отсчета подчиняются законам Ньютона, а электромагнитное излучение – уравнениям Максвелла, так что скорость света при любых измерениях получается одинаковой – такой, какую дают эти уравнения, где она обозначена буквой c. Более того, всякий, кто движется с постоянной скоростью относительно нашего героя (первого наблюдателя, как говорят физики), тоже смогут с полным правом сказать, что находятся в покое, и обнаружат, что все тела в их лаборатории подчиняются законам Ньютона, а измерения всегда дают скорость света c. И даже если один наблюдатель движется навстречу другому со скоростью, равной половине скорости света, и светит вперед фонариком, второй наблюдатель, измерив скорость света от фонарика, получит не 1,5 с, а по-прежнему с!

Эйнштейн отталкивался от наблюдаемого факта, что скорость света постоянна и не зависит от того, в какую сторону движется Земля в пространстве, и вывел математический аппарат, описывающий поведение материальных тел в системах отсчета, движущихся с постоянной скоростью друг относительно друга, то есть так называемых инерциальных системах отсчета. Если скорости малы относительно скорости света, эти уравнения дают в точности те же «ответы», что и ньютонова механика. Но, если скорости составляют заметную долю от скорости света, начинаются странности.

Например, при сложении двух скоростей никогда не получается относительная скорость больше с. Наблюдатель видит, как два других наблюдателя мчатся друг другу в лоб со скоростью 0,9 с каждый в системе отсчета первого наблюдателя, однако, если кто-то из мчащихся наблюдателей проделает измерения, у него неизбежно получится, что второй наблюдатель движется со скоростью меньше с, но больше 0,9 с (в данном случае).

Почему же скорости складываются так странно? Причина отчасти в том, что пространство и время на высокой скорости определенным образом искажаются. Чтобы учесть постоянство скорости света, Эйнштейну пришлось признать, что движущиеся часы идут медленнее неподвижных и движущиеся тела сокращаются по направлению движения. Кроме того уравнения говорят, что чем быстрее движется тело, тем больше его масса.

Все эти странные и удивительные явления – лишь периферия истории современной космологии и поисков связи между гравитацией и квантовой физикой. Однако надо подчеркнуть, что все это не безумные идеи, не «просто теория», как говорим мы иногда, отмахиваясь от чего-то неправдоподобного. Для ученого теория – это гипотеза, прошедшая все экспериментальные проверки. СТО – не исключение. Все чудеса, которые следуют из СТО – постоянство скорости света, растяжение времени и сокращение длины у движущихся тел, увеличение массы движущегося тела – измерены и подтверждены с высокой точностью в ходе огромного количества экспериментов. Ускорители частиц, установки, где «сталкиваются атомы», например, в ЦЕРНе, Европейском центре ядерных исследований, в Женеве, – попросту не работали бы, если бы теория оказалась неверной, поскольку спроектированы и построены в соответствии с уравнениями Эйнштейна. СТО как описание мира высоких скоростей подтверждается такими же надежными экспериментальными фактами, как и ньютонова механика, как описание повседневной жизни, и единственная причина ее конфликта с нашим здравым смыслом – в том, что мы не каждый день сталкиваемся с перемещением на таких высоких скоростях, чтобы эффекты СТО стали заметны. Ведь скорость света c составляет ни много ни мало 300 000 километров в секунду, а релятивистскими эффектами можно смело пренебрегать при скоростях, составляющих менее 10 % от этой величины, то есть при скоростях меньше каких-то 30 000 километров в секунду.

В сущности, СТО – результат сочетания ньютоновых уравнений движения с максвелловыми уравнениями, описывающими излучение. СТО во многом дитя своего времени, и если бы Эйнштейн не выдвинул свою теорию в 1905 году, это наверняка сделал бы в ближайшие годы кто-нибудь из его современников. Однако без неповторимого гения Эйнштейна потребовалось бы, вероятно, целое поколение, прежде чем кто-нибудь оценил бы важность куда более глубоких соображений, заложенных в СТО.

Эта важнейшая составляющая, на которую мы уже намекали, была результатом другого сочетания – единства пространства и времени. В повседневной жизни пространство и время – совершенно разные вещи. Пространство окружает нас по трем измерениям (вверх-вниз, вправо-влево, вперед-назад). Мы видим, где расположены в пространстве предметы, и перемещаемся по нему более или менее так, как хотим. А время практически невозможно описать, хотя мы все представляем себе, что это такое. В каком-то смысле у времени есть направление (из прошлого в будущее), но мы не можем заглянуть ни в прошлое, ни в будущее и, конечно, не в силах перемещаться во времени по своему желанию. Однако великая универсальная постоянная c – это скорость, а скорость – величина, связывающая пространство и время. Скорость и измеряют соответственно – в километрах в час, сантиметрах в секунду, милях в год, словом, в единицах расстояния за единицу времени. Если говорить о скорости, одно без другого невозможно. Так что тот факт, что фундаментальная постоянная – это именно скорость, наверняка говорит нам что-то очень важное о Вселенной. Но что именно?

Если помножить скорость на время, получится длина. Если сделать это правильно (умножить промежуток времени на скорость света c), то можно сочетать меры длины (пространства) и меры времени в одном и том же наборе уравнений. Такой набор уравнений, сочетающий пространство и время, состоит из уравнений СТО, описывающих замедление времени и сокращение длины, [8] и позволяет предсказать, что масса m эквивалентна энергии E, что и описано формулой E = mc2. Эйнштейн еще в 1905 году объяснял физикам, что вместо того чтобы считать пространство и время независимыми величинами, их надо представлять себе как разные аспекты единого унифицированного целого – пространства-времени. Но это пространство-время, добавляет СТО, не зафиксировано раз и навсегда, как абсолютное пространство или абсолютное время ньютоновой физики, – его можно растягивать и сжимать. И здесь и заложена основа для следующего огромного шага вперед.

Эйнштейн говорил, что на создание общей теории относительности (которая прежде всего представляет собой теорию гравитации) его вдохновила мысль, что если у лифта лопнет трос, то человек, падающий вместе с лифтом, не ощутит вообще никакой силы тяжести. Мы прекрасно представляем себе, что он имел в виду, потому что видели фильмы об астронавтах, которые вращаются вокруг Земли в космических кораблях. Космический корабль на орбите не «свободен» от воздействия гравитации Земли – напротив, именно гравитация и удерживает его. Однако космический корабль вместе со всем своим содержимым «падает» вокруг Земли с тем же ускорением свободного падения, что и гипотетический лифт, поэтому у астронавтов нет веса, и они плавают в воздухе в кабине. Для них гравитации словно бы не существует – это и называется свободным падением. Однако Эйнштейн ничего такого не видел, и ему приходилось воображать себе картину свободно падающего лифта. Получается, что ускорение падающего лифта, который с каждой секундой разгоняется, в точности обнуляет воздействие гравитации. А для этого гравитация и ускорение свободного падения должны быть в точности эквивалентны.

Ход рассуждений Эйнштейна, приведший к созданию теории гравитации, был основан на том, как все это влияет на луч света – универсальный измерительный прибор СТО. Представим себе, что сквозь падающий лифт от стены к стене горизонтально светит луч фонарика. В свободно падающем лифте тела подчиняются законам Ньютона: они двигаются по прямым с точки зрения наблюдателя в лифте и отскакивают друг от друга с равными по величине и противоположными по направлению силами действия и противодействия – и так далее. А главное, с точки зрения наблюдателя в лифте, свет распространяется по прямой. Но как все это выглядит с точки зрения наблюдателя, который стоит на земле и смотрит, как падает лифт? Ему покажется, что свет движется по траектории, расстояние от которой до потолка лифта всегда одинаково. Однако за время, пока свет пересекал кабину, лифт с ускорением продвинулся вниз, и свет луча, очевидно, должен был сделать то же самое. Чтобы свет, направленный поперек кабины лифта, всегда оставался на одном и том же расстоянии от потолка лифта, световой импульс должен пройти по кривой, если смотреть на него снаружи лифта. То есть световой луч под воздействием гравитации искривится.