За часів Ньютона фізики уявляли собі світовий простір як величезна «вмістилище», заповнене різними небесними тілами, між якими діють сили взаємного тяжіння. Таким чином, теорія тяжіння Ньютона стосувалася тільки чисто зовнішньої сторони явищ, пов'язаних з гравітацією, і була лише першим наближенням до істини.

З точки зору класичної фізики, як прийнято тепер називати фізику Ньютона, простір має лише чисто геометричними властивостями, наприклад, протяжністю, об'ємом і т. П. Взаємодія ж тіл, сили, що діють між ними, не мають до властивостей самого простору ніякого відношення.

«Причину ... властивостей сили тяжіння, - писав сам Ньютон в одній зі своїх праць, - я до сих пір не міг вивести з явища, гіпотез ж я не вигадую».

Перший крок до глибшого розуміння проблеми був зроблений великим російським математиком Н. І. Лобачевським, який показав, що геометрія навколишнього пас світу може бути зовсім не такою простою і очевидною, як це уявлялося раніше.

Як відомо, наука про геометричні відносинах виникла ще в глибоку давнину в зв'язку з практичними потребами людей в області будівництва і землемерия. На рубежі III і IV ст. до н. е. знаменитий давньогрецький математик Евклід систематизував і виклав накопичені на той час геометричні знання. Геометрія Евкліда - це геометрія того світу, в якому ми живемо. Вона описує геометричні відносини між предметами, з якими ми зустрічаємося па кожному кроці. Евклідова геометрія є основою механіки, техніки, геодезії, без неї неможливе вирішення багатьох астрономічних питань. Протягом тривалого часу не було відомо пі одного факту, який хоча б у якійсь мірі їй суперечив. Тому багато століть геометрія Евкліда представлялася непорушною і єдино можливою.

В основі геометрії Евкліда лежать так звані «аксіоми»: певна кількість вихідних положень, які заздалегідь приймаються істинними і з яких логічним шляхом виводяться всі інші висновки. Серед цих аксіом є одна, так званий п'ятий постулат, яка присвячена питанню про паралельність і яка добре відома кожному школяреві.

П'ятий постулат стверджує, що через точку, розташовану поза прямій лінії, можна провести лише єдину пряму, паралельну даній. Це твердження, що узгоджується з нашим повсякденним досвідом, протягом тривалого часу вважалося цілком очевидним і не викликало ніяких сумнівів. Правда, неодноразово робилися спроби довести п'ятий постулат, вивести його з інших аксіом; однак ці спроби не приносили успіху, хоча подібними дослідженнями займалися такі видатні математики, як Лагранж, Лаплас, Даламбер, Фур'є, Гаусс і багато інших.

Лобачевський також зацікавився п'ятим постулатом і подібно іншим ученим вирішив перевірити його справедливість. Однак, на відміну від своїх попередників, Лобачевський пішов дещо іншим шляхом. Він скористався способом, що нагадує добре відомий в елементарної математики метод докази «від протилежного». Іншими словами, Лобачевський поставив собі за мету побудувати таку геометрію, вихідні положення якої були б у всьому тотожні звичайним, але в якій твердження Евкліда про паралельних прямих не мало б місця. Нічого не змінюючи в «звичайної», геометрії Евкліда, вчений взяв за вихідне все її основні аксіоми, але приєднав до них новий п'ятий постулат. Він припустив, що через точку, що лежить поза прямою, можна провести скільки завгодно ліній, їй паралельних.

Лобачевський міркував так: якщо подібне припущення невірно, воно неминуче призведе до протиріччя, і твердження Евкліда про паралельних прямих буде тим самим доведено. Вчений почав будувати нову геометрію, сміливо вступивши в світ незвіданих геометричних відносин. Він заглиблювався в нього все далі і далі, на кожному кроці чекаючи зустріти шукане протиріччя. Але воно чомусь не виникало.

Зрештою, Лобачевський дійшов дивовижного висновку. Він зрозумів, що ніякого протиріччя і не буде, що молено побудувати цілком несуперечливу геометрію і без затвердження Евкліда про паралельних лініях.

Це була воістину геніальна ідея. Якщо врахувати, що Лобачевський висловив її в епоху безроздільного панування евклідової геометрії, стане ясно, якими широкими поглядами, який наукової сміливістю треба було мати, щоб прийти до подібного висновку. Цей подвиг в якійсь мірі можна порівняти з подвигом Коперника, який побудував геліоцентричну систему світу в епоху панування геоцентричної системи Птолемея.

Відкриття Лобачевського вчинила справжній переворот в математичних уявленнях. Воно не тільки вказало принципово нові шляхи для розвитку самої математики, а й дало надзвичайно важливий поштовх до нового розуміння ролі математичних і, зокрема, геометричних методів у вивченні оточуючого нас світу.

Якщо евклідова геометрія не єдина можлива геометрична система, то цілком ймовірно, що і геометричні властивості Всесвіту можуть виходити за рамки цієї системи ...

Цікаво також відзначити, що геометрія Лобачевського відображає певні фізичні відносини, що існують в реальному світі. Більш того, як показав радянський вчений, академік В. А. Фок, геометрія Лобачевського може бути успішно застосована при вивченні властивостей атома водню.

Наступний крок до глибшого розуміння будови Всесвіту і внутрішньої природи тяжіння був зроблений на початку нинішнього століття Альбертом Ейнштейном в його, так званої загальної теорії відносності.

Основна ідея цієї теорії полягала в тому, що властивості простору оголошувалися нерозривно пов'язаними з властивостями матерії.

Одного разу якийсь підприємливий газетний репортер звернувся до Ейнштейна з проханням викласти суть його теорії в одній фразі і так, щоб це було зрозуміло широкій публіці. «Раніше вважали, - відповів на це Ейнштейн, - що якби з Всесвіту зникла вся матерія, то простір і час збереглися б, теорія відносності стверджує, що разом з матерією зникли б також простір і час ».

Ейнштейн прийшов до висновку, що сили тяжіння безпосередньо пов'язані з фізичними властивостями самого простору. Виявилося, що будь-яке тіло не просто існує в просторі саме по собі, але змінює

«Навколо себе» його геометрію. Простір викривляється і світловий промінь в ньому буде поширюватися вже не по прямій, а по вигнутій лінії. Спробуємо пояснити це за допомогою хоча і дещо грубої, але зате наочної аналогії. Уявіть собі гумову плівку, натягнуту на обруч, і що лежить на ній маленький металева кулька. Якщо штовхнути кулька, він покотиться по поверхні плівки і «прочертить» пряму лінію.

Помістимо тепер в центрі плівки великий металевий кулю. Під його вагою плівка прогнеться, поверхня її скривиться. Якщо тепер знову пустити по плівці маленьку кульку, то па цей раз, завдяки наявності поглиблення, він опише лінію, викривлену в напрямку великої кулі. Так і будь-яке небесне тіло, викривляючи простір навколо себе, має як би притягувати до себе світлові дуги.

Такі висновки загальної теорії відносності. Але як перевірити їх на досвіді? Само собою зрозуміло, що здійснити подібний експеримент в лабораторних умовах практично неможливо. Адже для того, щоб відхилення світлового променя виявилося досить помітним, на нього необхідно впливати надзвичайно великий тяжіє масою.

На щастя, подібний експеримент «ставить» сама природа. Завдяки зверненню Землі навколо Сонця, земний спостерігач бачить, що наше денне світило переміщається на тлі більш далеких зірок. Внаслідок цього то одна, то інша зірка виявляється на небі поблизу краю сонячного диска і її світлові промені по дорозі до Землі проходять поруч із Сонцем. Якщо викривлення простору поблизу Сонця дійсно має місце, то світловий промінь повинен відхилитися від прямої лінії. Тоді для земного спостерігача зірка кілька зміститься щодо свого звичайного положення на небі.

Принципова ідея подібного експерименту вельми проста. Однак його практичне здійснення наштовхується на досить серйозні технічні труднощі.

Тому отримати точну кількісну оцінку явища досі не вдалося. Однак сам факт відхилення світлових променів в результаті викривлення простору повністю підтверджений спостереженнями.

Подібний же результат не так давно був отриманий групою радянських вчених астрофізичного інституту Академії наук Казахської РСР і для світу галактик. В основу цього дослідження була покладена ідея, аналогічна ідеї тільки що описаного експерименту з відхиленням сонячним тяжінням світлових променів далеких зірок. Тільки на цей раз і в ролі космічного об'єкта, що посилає промені, і в ролі відхиляє «тіла» повинні були виступати цілі галактики.

Уявіть собі, що дві галактики розташувалися приблизно уздовж променя зору. Якщо загальна теорія відносності вірна і в галактичних масштабах, то світлові промені більш далекої галактики, проходячи «поруч» з ближньої, повинні відчувати певне викривлення. В результаті ми будемо бачити далеку галактику в дещо спотвореному вигляді.

Розрахунки показали, що якщо далека галактика має, наприклад, правильну сферичну форму, то після спотворення її променів «лінзою» тяжіння вона буде представлятися нам кілька витягнутої. Але, як показує астрономічна статистика, витягнуті галактики надзвичайно рідкісні, так як вони, мабуть, є нестійкими.

Виходячи з цих теоретичних передумов, вчені ретельно проаналізували наявні в розпорядженні сучасної науки фотографічні зображення галактик. В результаті цієї роботи вдалося

виявити шістнадцять галактик, розташованих на одному промені зору з іншими, більш близькими галактиками, і мають передбачену форму.

Однак треба було ще довести, що це не є просто випадковим збігом. З цією метою було проведено додатковий перевірки підрахунок. За ступенем спотворення форм сферичних галактик можна обчислити маси «спотворюють» ближчих галактик, які свого часу були визначені незалежним методом. Проведене подібним способом порівняння виявило гарний збіг.

Таким чином, основний висновок загальної теорії відносності про викривлення простору в області великих мас можна вважати доведеним і для метагалактіческіх масштабів.

Отже, простір Всесвіту, т. Е. Простір, в якому ми живемо, викривлено. У повсякденному житті ми цього практично не відчуваємо, оскільки нам зазвичай доводиться мати справу з порівняно невеликими відстанями. Однак при переході до космічних масштабів викривленість простору набуває істотне значення. З кривизною тісно пов'язані багато геометричні властивості простору і, зокрема, його кінцівку і нескінченність.