Это открытие в корне изменило наше представление о физическом мире. В ньютоновской модели силы непосредственно связаны с телами, на которые они воздействуют. Теперь же место понятия «силы» заняло более сложное понятие «поля», которое существует само по себе и не имеет отношения к материальным телам. Кульминацией этой теории, получившей название электродинамики, было понимание того, что сам свет — переменное электромагнитное поле высокой частоты, движущееся в пространстве в виде волн. Мы теперь знаем, что и радиоволны, и волны видимого света, и рентгеновские лучи — электромагнитные волны, колеблющиеся магнитное и электрическое поля, различающиеся только частотой колебаний, а видимый свет — незначительная часть электромагнитного спектра (рис. 3).

Рис. 3. Спектр электромагнитного излучения

Несмотря на эти эпохальные открытия, в основе физики всё еще лежала механика Ньютона. Сам Максвелл пробовал объяснить результаты своих исследований механистически, считая поле механически напряженным состоянием эфира — очень легкой среды, заполняющей всё пространство; а электромагнитные волны — ее упругими колебаниями. Это было естественно, поскольку в волнах обычно видели колебания какой-либо среды: на поверхности воды — водной, в звуковых волнах — воздушной и т. д. Максвелл одновременно использовал несколько механистических объяснений своих открытий, явно не принимая ни одного всерьез. Видимо, он интуитивно чувствовал, хотя и не говорил прямо, что главное в его теории — понятие поля, а не механистические модели. И только Эйнштейн четко признал этот факт через 50 лет, заявив, что никакого эфира не существует, а электромагнитные поля — отдельные физические явления, которые могут перемещаться в пустом пространстве и не могут быть объяснены механистически.

Итак, в начале XX в. физика располагала двумя признанными теориями, каждая из которых относилась к своим природным явлениям: механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Но ньютоновская модель уже не была единственной основой физики.

Физика конца XX столетия

Первые три десятилетия XX в. радикально изменили ситуацию в физике. Одновременное появление теории относительности и теории атома потрясли представление ньютоновской механики об абсолютном характере времени и пространства, твердых элементарных частицах, строгой причинной обусловленности всех физических явлений и абсолютной объективности познания природы. Эти старые идеи не могли быть распространены на новые территории, которые осваивала физика.

У истоков современной физики находится великое свершение одного человека, Альберта Эйнштейна. В двух своих статьях, опубликованных в 1905 г., он изложил две революционные концепции. Первая стала основой специальной теории относительности; вторая заставила по-новому взглянуть на электромагнитное излучение и легла в основу квантовой теории, имевшей дело с атомами. Последняя в окончательном виде сформировалась спустя 20 лет благодаря совместным усилиям группы физиков. А теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн. Его научные труды увековечили грандиозные достижения человеческого разума, став своего рода пирамидами современной цивилизации.

Эйнштейн был твердо уверен, что природе изначально присуща гармония, и в своей работе на протяжении всей жизни руководствовался желанием найти универсальную основу физики. Первым шагом было объединение двух самостоятельных теорий классической физики — электродинамики и механики. Эйнштейн сделал это в рамках специальной теории относительности. Она дополнила систему классической физики, но одновременно потребовала решительного пересмотра традиционных представлений о пространстве и времени и разрушила одно из оснований ньютоновского мировоззрения.

Согласно теории относительности, пространство не трехмерно, а время не существует отдельно от него. Одно тесно связано с другим, и вместе они образуют четырехмерный пространственно-временной континуум. В теории относительности мы никогда не можем говорить о пространстве отдельно от времени и наоборот. Более того, в отличие от ньютоновской модели, здесь нет единого течения времени. Разные наблюдатели, двигаясь с различными скоростями относительно наблюдаемых ими явлений, указывают на разную их последовательность. В этом случае два события, одновременные для одного наблюдателя, для другого будут протекать в определенной последовательности. И все измерения, включающие пространство и время, становятся относительными. И время, и пространство оказываются элементами языка, который использует человек для описания наблюдаемых явлений.

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