«Я снова кое-что порушил в теории гравитации и теперь опасаюсь, что меня увезут в сумасшедший дом».

Эйнштейн написал эти строки 4 февраля 1917 года и отправил письмо в Лейден своему другу Паулю Эренфесту. Эта идея, которую он изложил всего через одиннадцать дней в научной статье, не только оказалась итогом попыток понять Вселенную, которые продолжались тысячи лет, а также означала начало новой эры естествознания: начало новой релятивистской космологии – науки о строении и развитии Вселенной.

Современная космология основана на так называемой стандартной модели Большого взрыва и представлениях о все более быстром расширении космического пространства. В начале 20 века это было немыслимо, хотя Эйнштейн, в принципе, мог бы уже прийти к этим идеям, если бы больше доверял своему видению физики.

Тем не менее он двигался постепенно. Он пытался понять Вселенную на основе общей теории относительности. Без них описание мира уже казалось невозможным.

Для Ньютона Вселенная – это абсолютное пространство, оно существует независимо от предметов, находящихся в нем. Он основывался на таком мысленном эксперименте: представьте себе ведро, полное воды.

Пока оно висит неподвижно, спокойна и поверхность воды (1).

То же самое, когда ведро только начинает вращаться (2).

Но вскоре по ее поверхности пойдут волны, так как центробежная сила начнет выталкивать воду к краям ведра (3).

Хотя относительно ведра она в этот момент не будет вращаться, а снова будет находиться в состоянии покоя, вода сохранит при этом вогнутую поверхность. Следовательно, вода должна вращаться, относительно чего-то, что Ньютон называл абсолютным пространством.

Если ведро резко остановить, то «вмятина» на поверхности воды сохранится еще некоторое время (4).

Наконец трение снова заставит ее остановиться. Таким образом Ньютон доказывал, что форма поверхности воды не зависит от ее движения относительно стенок ведра, а только от движения относительно абсолютного пространства.

Можно в шутку выразить это так: если я заставлю все вещи исчезнуть из мира,то, по мнению Ньютона,останется инерциальное пространство Галилея, а по-моему, ничего не останется.

Об этом Эйнштейн написал 9 января 1916 года астрофизику Карлу Шварцшильду, который, как и Эйнштейн, был членом Прусской академии наук в Берлине. Он так сформулировал основную мысль своей теории относительности: нет абсолютного пространства, для которого Исаак Ньютон создавал законы классической механики. Пространство не существует без вещей и событий, наполняющих его. До Эйнштейна абсолютное пространство Ньютона уже критиковали Готфрид Вильгельм Лейбниц[103]и Эрнст Мах[104]. Идеи Маха убедили Эйнштейна в необходимости создания общей теории относительности.

В 1918 году Эйнштейн в статье, опубликованной в «Анналах физики», постулировал принцип Маха о том, что «состояние пространства полностью определяется массами тел». Пространство – точнее, пространство-время, Эйнштейн описывал в рамках общей теории относительности с помощью новой величины, метрики[105].

Эйнштейн считал что она полностью определяет материю и энергию. (Но оказалось, что это не совсем так, и Эйнштейн даже писал в 1954 году, что о принципе Маха вообще больше не следует говорить, правда, это мнение до сих пор вызывает споры.)

Но в 1916 году Эйнштейн осознал, что в его новой теории есть трудные места. А именно, в дополнение к уравнениям его теории, необходимы граничные условия для бесконечного пространства, если мир бесконечен. Если инертная масса, которая, согласно принципу эквивалентности, равна гравитационной массе и гравитация влияет на всю окружающую материю, что отстаивал Мах, споря с Ньютоном, то это должно отражаться в граничных условиях. Таким образом, если бы Млечный Путь находился в космосе один или, по крайней мере, очень далеко от других галактик, то инерция не описывалась бы принципом Маха.

Эрнст Мах был убежден, что пространство появляется вместе с наполняющими его предметами. Пустое пространство – это бессмысленное понятие. Мах возражал Ньютону: вода вращается не относительно абсолютного пространства, а относительно звезд, влиянием которых на воду Ньютон пренебрег. Возражения Маха вдохновили Альберта Эйнштейна на создание не только общей теории относительности, но и новой космологической модели. Однако позже он снова отказался от этой мысли.