В глубинах космоса парйт ракета. Вокруг пустота, звезды и планеты
далеко. Если двигатели выключены и ракета не испытывает действия никаких
других тел, она либо летит прямо и с постоянной скоростью, либо
покоится. Такое поведение ей предписано первым законом ньютоновской
динамики, который гласит: всякое тело, не подверженное действию других
тел, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного
движения. Способность тела сохранять покой или равномерное прямолинейное
движение называют инерцией. Поэтому первый закон именуют иногда законом
инерции. Движение по инерции - это движение тела, не испытывающего
действия других тел.
Но вот ракета попадает в густое облако космической пыли. О нее стали
ударяться мириады пылинок, возникла сила сопротивления среды, и ракета
замедлила свое движение. Другой случай: космонавты включили двигатели, и
тотчас ракета рванулась вперед. Влекомая силой тяги, она получила
ускорение. Чем массивнее ракета, тем большая сила нужна, чтобы ее
ускорить или замедлить. Об этом говорится во втором законе динамики:
ускорение тела прямо пропорционально действующей силе и обратно
пропорционально массе тела. Масса, которую мы привыкли считать мерой
количества вещества, здесь - мера инерции тела. Сила - результат
взаимодействия тел.
Есть еще третий закон динамики: всякое действие сопровождается равным и
противоположно направленным противодействием. В согласии с третьим
законом работают двигатели ракеты. Сжигается топливо, ракета как бы
отталкивает струю раскаленных газов. Но и струя отталкивает ракету. Это
противодействие создает силу тяги, которая движет ракету вперед.
Три динамических закона Ньютона применимы к великому множеству явлений.
Катится автомобиль, сталкиваются бильярдные шары, сжимаются пружины,
тянут железо магниты - всюду проявляется инерция, ее преодолевает сила,
и действие обязательно равно противодействию. Но в этой статье речь
пойдет о механике небесных тел, где заметнее всего сказывается тяготение
- гравитация. Поэтому о тяготении, о движении тел в гравитационном поле
мы поговорим подробнее.
Действие гравитации Ньютон описал своим законом всемирного тяготения:
тела притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна
произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между
их центрами тяжести. С этой точки зрения вес камня, лежащего на земной
поверхности, есть сила взаимного притяжения камня и Земли на расстоянии,
равном радиусу земного шара. Если же камень не имеет опоры, он падает -
ускоренно движется к Земле под действием силы тяжести. В свою очередь
Земля падает на камень (во исполнение третьего закона), но это
практически незаметно.
Разумеется, свободное падение может складываться с другим движением.
Скажем, подброшенный камень тоже падает, хотя и летит вертикально
вверх,- благодаря падению он постоянно замедляет свой подъем. А камень,
брошенный вбок, к горизонту, благодаря падению искривляет свой путь.
Гравитационное взаимодействие тел обладает чрезвычайно важной
особенностью: тела разных масс в одной и той же точке поля тяжести
получают одинаковые ускорения.
Проведите простой опыт - сбросьте со стола сразу два предмета: тяжелый
дверной ключ и легонькую спичку. Что быстрее достигнет пола?
Оказывается, ключ и спичка коснутся пола вместе. В безвоздушном
пространстве (где нет сопротивления среды) одинаково быстро падают на
Землю с одной высоты пушечное ядро и тополиная пушинка. Это удивительно:
ведь вес ядра больше, чем пушинки, значит, если верить закону всемирного
тяготения, к ядру и в падении приложена большая сила, чем к пушинке. Но
тогда по второму закону динамики ядро, казалось бы, должно получить
большее ускорение. А опыт показал, что это не так.
В классической физике описанный странный факт объясняется следующим
образом.
Действительно, к ядру приложена большая сила тяжести. Но как только
начинается падение, в дело вступает инерция ядра, мешающая разгону.
Масса ядра сразу и ускоряется под действием силы, и замедляет свой
разгон. Ускоряется, <подчиняясь> закону всемирного тяготения, а
тормозится, <исполняя> второй закон динамики. Причем соотношение этих
противоположных свойств в любых телах - и в спичке, и в ключе, и в ядре,
и в пушинке - одинаково. Поэтому все они падают с одинаковым ускорением.
Ради удобства рассуждений последователи Ньютона согласились считать, что
в любом теле присутствуют как бы две массы. Та, что ускоряется в
гравитационном поле, называется гравитационной или тяжелой, а та, что
замедляет ускоряющее воздействие силы, - инерционной или инертной. При
надлежащем подборе единиц обе массы считаются строго одинаковыми.
Всегда, везде в любых телах тяжелой массы столько же, сколько инертной.
Таково в классике условие постоянства земного ускорения для тел разных
масс.
Пусть падают весы, на
чашке которых лежит гиря. И весы и гиря движутся с равным ускорением -
просто летят рядом. Поэтому гиря не давит на чашку весов, не имеет веса.
Любые тела в состоянии свободного падения невесомы.
Невесомы не только тела, падающие вертикально вниз, но и брошенные
вверх, вбок и т. д. Ведь если весы с гирей брошены вверх или в сторону,
их сложное движение складывается из двух простых: во-первых, они летят в
каком-то направлении прямолинейно с постоянной скоростью (сопротивлением
воздуха пренебрегаем) и, во-вторых, падают отвесно вниз. В обоих этих
движениях гиря летит рядом с весами, не давит на чашку весов.
Как видите, устроить для себя состояние невесомости совсем не трудно -
надо лишь подпрыгнуть. Как только ноги оторвутся от пола, наступит
свободное падение (даже при движении вверх или вбок) и, следовательно,
невесомость.
Такова природа невесомости и в орбитальных космических полетах. Спутник,
разогнанный ракетой-носителем, летит в сторону, вместе с тем свободно
падает и, <не успевая> упасть, огибает планету по орбите. Так обращается
и Луна вокруг Земли, и Земля вокруг Солнца. Так совершаются все
астрономические движения, вплоть до обращения звезд и звездных систем -
галактик.
Теперь вам известно главное в содержании классических воззрений на
природу небесных движений. Формулы ньютоновской механики дают
возможность подробнейшим образом вычислять перемещения светил,
составлять на много лет вперед расписания затмений и т. д. Физика
Ньютона сумела рассчитать массу Земли, Луны, Солнца, предсказать
открытие новых планет. В наши дни она стала надежным теоретическим
фундаментом бурно развивающейся космонавтики. Орбиты и вывод на них
космических ко раблей, всевозможные перемещения в пространстве можно
рассчитывать лишь на основе ньютоновских законов
И все же в классической механике нашлись изъяны.
Самым слабым ее местом было деление массы на тяжелую и инертную и
гипотеза об абсолютно точном равенстве той и другой. Почему имеет место
этот факт, другими словами - почему ключ и спичка одинаково быстро
падают на пол, никто понять до конца не мог. Говорили о <случайном
совпадении>, и казалось невероятным, что строгий порядок земных и
небесных движений держится на случайности.
Пришлось также признать силу тяготения "дальнодействующей", таинственным
образом проникающей через пустоту. Строить гипотезы о природе этого
явления Ньютон отказался: "гипотез не измышляю".
Не было в мире Ньютона и физической необходимости движения. Вещество
представлялось инертным, лишенным энергии. Чтобы "пустить мир в ход",
сообщив ему энергию, потребовался, по мнению Ньютона, "первичный
толчок", некогда совершенный самим богом (великий физик был религиозным
человеком).
Наконец, пространство и время, по мысли Ньютона, оторваны от вещества,
это как бы нематериальное математическое вместилище движения, не более.
Ньютон считал их "абсолютными", т. е. вечно неизменными, едиными для
всего мира, не подверженными влиянию материальных процессов.
Постепенно накапливались и некоторые астрономические явления, не
получившие объяснения в классической механике, например тонкие
особенности орбиты ближайшей к Солнцу планеты Меркурия (об этом пойдет
речь в конце статьи).
Новый взгляд
на природу движения разработал в первой четверти нашего века великий
физик Альберт Эйнштейн. Это была теория относительности.
Теория относительности состоит из двух частей. Первая часть называется
специальной (или частной) теорией (сокращенно -
СТО). Она исследует быстрые равномерные прямолинейные движения вне
гравитационных полей. Вторая часть - общая теория относительности
(сокращенно - ОТО) охватывает неравномерные движения и гравитационные
поля.
Начнем со специальной теории. Постараемся вкратце проследить логику ее
построения и выводов.
Главное своеобразие физики Эйнштейна заключается в том, что движение
вещества она сопоставляет с поведением света.
Фундаментом СТО служат два постулата, объединяющие основные свойства
движения вещества и света. Первый постулат: равномерные прямолинейные движения
невозможно отличить от покоя. То и другое физически равноценно.
Второй постулат: скорость света не зависит от движения
светового источника.
По отдельности постулаты ничуть не странны. В закрытой каюте невозможно
узнать, движется корабль (плавно, без толчков и тряски) или стоит возле
пристани. Вместе с тем легко поверить, что световые волны
распространяются одинаково быстро от движущегося и неподвижного фонаря.
Ведь именно так ведут себя звуковые волны, волны на воде и т. д.
Как видите, каждый постулат сам по себе понятен и логичен.
Однако соединенные вместе, они выглядят несовместимыми. Вторым, казалось
бы, опровергается первый. В самом деле: резонно думать, что равномерное
прямолинейное движение возможно обнаружить относительно световых волн и,
значит, отличить его от покоя, что противоречит первому постулату.
Когда пилот быстроходного самолета перестает слышать рев собственных
двигателей, он знает, что обогнал звук и мчится быстрее звуковых волн.
Со светом подобное невозможно (в 1881 г. американский физик Майкельсон
доказал это экспериментом). Как бы быстро ни мчалась ракета, свет ее
прожектора всегда бьет вперед с неизменной скоростью - 300 ООО км/сек.
Изменить свою скорость относительно световых волн невозможно. Поэтому,
воспользовавшись светом, невозможно отличить равномерное прямолинейное
движение ракеты от покоя, несмотря на то что скорость света не зависит
от движения источника.
Из постулатов Эйнштейна вытекают очень важные следствия.
Два
удаленных друг от друга стрелка стреляют из пистолетов. Каждый выстрел
назовем событием. Согласимся считать эти события одновременными, если
световые вспышки выстрелов вместе приходят в середину расстояния между
ними. Таково эйнштейновское определение одновременности. Запомните его.
Пусть стрелки находятся на корме и носу длинного парохода, который очень
быстро (почти со скоростью света), но равномерно и прямолинейно движется
по реке. И есть двое судей, оценивающих последовательность вспышек:
точно посередине парохода - капитан, а на берегу реки - бакенщик.
Допустим далее, что к капитану вспышки пришли вместе. И что в тот же миг
капитан оказался точно напротив бакенщика, который поэтому тоже, видит
сразу обе вспышки. Стоя посередине между стрелками, капитан утверждает,
что выстрелы одновременны. Но бакенщик не может признать этого, так как
в момент прихода к нему вспышек он находился не посередине своего
(берегового) расстояния между выстрелами: пока свет вспышек шел к
капитану и бакенщику, пароход успел сместиться вперед относительно
берега. Поэтому кормовая вспышка прошла до бакенщика больший путь, и,
чтобы дойти к нему вместе с носовой, она должна была произойти раньше.
(Этот абзац стоит внимательно перечитать и осмыслить.)
Может показаться, что такое противоречие вызвано движением капитана.
Капитан и бакенщик сразу увидел свет обоих выстрелов, кормового и
носового. Но расстояния от бакенщика до кормового и носового выстрелов
неодинаковы, а от капитана одинаковы. Поэтому капитан признает выстрелы
одновременными, а бакенщик - неодновременными.
Но, вспомнив первый постулат, допустим, что капитан вместе с пароходом
неподвижны, а бакенщик вместе с берегом, Землей и всей Вселенной
движутся в обратную сторону с той же скоростью. Поскольку скорость
световых волн не зависит от скорости их источников (второй постулат), то
оценка последовательности выстрелов останется прежней. Капитан признает
выстрелы одновременными, бакенщик - неодновременными.
Так всеобщая абсолютная одновременность, возможность которой
подразумевалась в классической физике, пропадает. Вместо нее выходит на
сцену относительная одновременность событий, существующая лишь для
какого-то конкретного, определенным образом движущегося наблюдателя.
Разные наблюдатели могут устанавливать даже неодинаковую очередность
одних и тех же событий. Например, если, по отсчету бакенщика, первым был
выстрел кормового стрелка, то летчик сверхбыстрого самолета, обгоняющего
наш пароход, зарегистрирует первенство носового выстрела.
Все эти эффекты чрезвычайно тонки. Они отмечаются лишь при движении с
гигантскими относительными скоростями, сравнимыми со скоростью света.
Важно, чтобы наблюдатели успевали заметно сместиться за то крохотное
время, пока световые вспышки пробегают расстояние между событиями.
Вообще промежуток времени между событиями, которые могут быть
одновременными или неодновременными для наблюдателей, движущихся
по-разному, не может превышать длительности распространения света от
одного события к другому (для привычных нам земных расстояний -
миллионные и миллиардные доли секунды). Именно поэтому относительность
одновременности совершенно несущественна в классической механике, а в
физике быстрых движений она играет ключевую роль.
Пусть наши стрелки - дуэлянты. События - выстрел одного и смерть
другого. Тут разнобой мнений об очередности событий недопустим. Не может
быть, чтобы, по отсчету какого-то наблюдателя, сначала упал сраженный
дуэлянт и только потом произошел выстрел. Причина должна предшествовать
следствию - таков универсальный принцип причинности.
Чтобы подобных нелепостей не случилось и принцип причинности
неукоснительно соблюдался, пуля стрелка относительно любого наблюдателя
ни в коем случае не должна лететь быстрее света. Только при этом условии
любой наблюдатель сначала сможет зарегистрировать выстрел. Тогда в
середину расстояния между дуэлянтами для всех наблюдателей сначала
придет световая вспышка от выстрела, потом там же пролетит пуля и еще
позже туда (с другой стороны) придет световой образ сраженного дуэлянта.
Принцип причинности не нарушится.
Запрет на сверхсветовые скорости касается перемещения любых сигналов и
действий - всего того, что может связывать причины со следствием.
Для
капитана выстрелы одновременны - значит, промежуток времени между ними
равен нулю. Для бакенщика выстрелы не одновременны - значит, эти события
разделены во времени. Мгновение капитана (даже нуле-
вое) у бакенщика растягивается в какую-то длительность.
Подобно этому очень малая, по мнению капитана, длительность ("почти
мгновение"), по отсчету бакенщика, тоже растянется, станет больше.
Значит, для бакенщика время капитана оказывается замедленным.
И наоборот, если стрелки стоят на берегу и бакенщик зафиксирует
одновременность выстрелов, они будут не одновременны для капитана. По
его отсчету - замедляется темп времени бакенщика.
Вот вам кажущийся парадокс: по часам капитана бакенщик стареет
медленнее, чем сам капитан, а по часам бакенщика медленнее стареет
капитан. На самом деле никакого парадокса нет. В мире сверхбыстрых
движений это удивительное явление существует, доказано опытом.
Сюда относится и знаменитый парадокс близнецов.
Космонавт, летевший какое-то время с высокой скоростью вне Земли,
возвратившись, окажется моложе своего брата-близнеца, оставшегося дома.
Тут нет взаимности замедления времени. Медленнее стареет именно
космонавт, ибо законным является отсчет его брата-домоседа, который не
испытывал ускорений. А космонавт испытывал ускорения, повороты,
замедления (иначе он не улетел бы с Земли и не вернулся), поэтому его
отсчеты выпадают из поля зрения СТО, так как эта теория не рассматривает
поведения тел в ускоренных системах отсчета.
Теперь
наш сверхбыстрый пароход движется мимо ленты, которую разложил на берегу
бакенщик.
По измерениям бакенщика, длина ленты, допустим, 100 м. Но капитан с этим
не согласен. Для капитана лента короче.
Чтобы измерить длину ленты с мчащегося корабля, капитан одновременно
(для себя!) засекает на палубе точки, совпадающие с ее концами, и потом
спокойно отмеряет расстояние между засечками. Но для бакенщика засечки
сделаны не одновременно. Сперва, по его мнению, засечено начало ленты
(где-то против кормы проносящегося парохода), потом - конец. Между
моментами засечек корабль успел сместиться вперед - вот и вышло, что на
пароходе засечки ближе друг к другу, чем следовало бы по отсчетам
бакенщика.
Однако ошибки в измерении капитана не было. Его отсчет исполнен точно.
Разница же итогов измерений - результат относительности одновременности.
В свою очередь бакенщик, измеряя таким же способом длину парохода,
найдет его более коротким, чем капитан.
По отсчетам любых наблюдателей, длины предметов, проносящихся мимо,
сокращаются. Для каждого путешественника сокращается длина всего
проходимого им расстояния. И тем заметнее, чем ближе его скорость к
скорости света.
Капитан бежит по палубе (от кормы к носу), пароход мчится по реке.
Ставится задача: узнать скорость капитана относительно берега.
Пока скорости невелики, их можно просто сложить. Но вообразите (вопреки
правдоподобию), что не только пароход мчится по реке почти со скоростью
света, но и капитан несется столь же быстро относительно палубы. Простое
сложение дало бы запрещенную сверхсветовую скорость капитана
относительно берега.
На самом деле в отсчетах бакенщика (берегового наблюдателя) скажется
замедление времени и сокращение расстояний корабля относительно берега.
Поэтому скорости сложатся иначе и суммарная будет меньше световой.
Так сохраняется ограничение, наложенное принципом причинности: перегнать
свет невозможно.
Ничто вещественное не может даже догнать свет.
Если капитан бросит вперед камень и, с точки зрения капитана, этот
камень приобретет значительное ускорение, то, с точки зрения бакенщика,
оно будет гораздо меньше, ведь невозможно разогнать камень быстрее
света.
Разницу в ускорении мы вправе истолковать как разницу в инерции камня.
Можно считать, что для капитана инерция камня
меньше, чем для бакенщика. Другими словами, масса (которой измеряется
инерция)! оказывается относительной. Масса тела зависит от скорости
наблюдателя, от скорости! системы отсчета. В сверхбыстром мире масса
растет с увеличением с к о р о с т и.
С возрастанием скорости растет и энергия" тела, его способность
совершить работу. Значит, масса и энергия растут вместе. Вблизи скорости
света то и другое стремительно увеличивается. Инерция становится
непреодолимо огромной, энергия - сколь угодно большой.
Отсюда делается вывод об эквивалентности массы и энергии.
Масса и энергия - две эквивалентные характеристики движущегося тела.
Правда, когда тело останавливается в какой-либо системе отсчета, масса
его не пропадает - сохраняется масса покоя. А энергия, казалось бы,
исчезает. Но на самом деле это не так. Энергия остается и в теле,
остановленном относительно наблюдателя.
Камень, лежащий на вашей ладони, лишь внешне спокоен. Он неподвижен лишь
как целое тело. Внутри, в микромире своем, он насыщен незаметными для
глаза движениями. Колеблются, дрейфуют атомы, кружат электроны и т. д.
Это внутреннее движение обусловливает существование внутренней энергии
камня, которая тоже подчинена закономерностям СТО. Значит, и внутренняя
энергия эквивалентна некоторой массе. Это и есть масса покоя.
Зная массу покоя тела (которая измеряется простым взвешиванием), легко
вычислить запас его внутренней энергии. Подсчет делается по знаменитой
формуле Эйнштейна:
Ё=мс2
(Е - энергия в эргах, м - масса в граммах, с - скорость света в
сантиметрах в секунду). Граммы массы дважды множатся на скорость света -
так они переводятся в единицы энергии - эрги. В грамме любого вещества
сосредоточено 9 1020 эргов, или 25 млн. кет ч энергии.
СТО резко меняет привычные представления об устройстве мира. Во
Вселенной нет сверхсветовых скоростей для всего, что способно служить
сигналом или действием. Вопреки предположению Ньютона, нет в мире и
всеобщего независимого от материи времени. Длительности, сроки, темп
хода часов тесно связаны с движением систем отсчета. Отсутствует
ньютоновское "абсолютное" пространство, эта незыблемая пустота,
сковавшая в себе костяк расстояний. В действительности расстояния
податливы, зависят от скорости путника. Например, для нас от Земли до
Сириуса 1014 км, а для фантастически быстрого космонавта, мчащегося к
Сириусу со скоростью 260 ООО км/сек, - вполовину меньше. При 0,9999
скорости света тот же путь будет в 70 раз меньше.
Казалось бы, поразительный эффект сокращения расстояний в сочетании с
парадоксом близнецов открывает надежду на сверхдальние звездные
путешествия, совершаемые за годы, месяцы, даже дни собственного
ракетного времени.
Однако относительность массы эту надежду отвергает: при околосветовых
скоростях слишком возрастает инерция ракеты и для ее ускорения
понадобилась бы небывалая энергия. Сделан подсчет: чтобы облететь нашу
Галактику за десятилетия собственного времени, на разгон и торможение
весьма скромной ракеты ушло бы, самое малое, столько энергии, сколько
излучает Солнце за сто миллионов лет.
По-видимому, галактические полеты на ракетах - фантазия неосуществимая.
Зато та же относительность массы в совокупности с законом
эквивалентности массы и энергии подарила нам огромное богатство -
указала на гигантские энергетические склады в любом веществе или теле.
Даже при ядерных реакциях освобождается лишь очень малая доля этой
внутренней энергии - около процента. Во всем мире физики ищут пути более
полного ее освоения. И уже известны процессы (например, аннигиляция),
при которых вещество целиком превращается в излучение, освобождая всю
свою энергию.
Наконец, СТО решила задачу об источнике движения мировой материи. Если в
механике Ньютона вещество Вселенной признавалось неспособным к
самодвижению и, чтобы "пустить мир в ход", сообщить веществу энергию,
потребовалась гипотеза "божественного толчка", то физика Эйнштейна
утвердила принципиальную неразделимость движения и материи. Уже в
постулатах Эйнштейна вещество лишилось абсолютного покоя, свет - даже
относительного. А закон эквивалентности массы и энергии указал на
неуничтожимость движения вплоть до сокровенных глубин микромира.
Прямолинейное и
равномерное движение систем отсчета вне полей тяготения (предмет СТО)
лишь частный случай. Обычно мировые движения происходят в гравитационных
полях и ускоренных системах отсчета.
Классическая физика считала тяготение рядовой силой среди множества
природных сил (электрических, магнитных и т. д.). Тяготению было
приписано "дальнодействие" (проникновение "сквозь пустоту") и
удивительная способность придавать равное ускорение телам разных масс.
Оба эти свойства, как говорилось выше, выглядели в классике очень
искусственными.
По мнению Эйнштейна, гравитационное поле - не силовое. На самом деле
тяжесть --следствие особенностей мирового пространства-времени. И
гравитационное поле правильнее называть метрическим. Логика, приводящая
к этому непривычному выводу, такова.
Вначале обсуждается равенство ускорений свободного падения для тел
разных масс (то, что массивный ключ и легонькая спичка одинаково быстро
падают со стола на пол). Как подметил Эйнштейн, это уникальное свойство
делает тяжесть очень похожей на инерцию. В самом деле, ключ и спичка
ведут себя так, как если бы они двигались в невесомости по инерции (или
были "неподвижны"), а пол комнаты (или, допустим, кабины ракеты) с
ускорением придвигался к ним. Достигнув ключа и спички, пол испытал бы
их удар, а затем давление, так как инерция ключа и спички сказалась бы
при дальней ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ
шем ускорении пола. Это давление (космонавты говорят-<перегрузка>)
называется силой инерции. Подобная сила всегда приложена к телам в
ускоренных системах отсчета.
Если ракета летит с ускорением, равным ускорению свободного падения на
земной поверхности (9,81 м/ сек2), то сила инерции будет играть роль
веса ключа и спички. Их <искусственная> тяжесть будет точно такой же,
как естественная на поверхности Земли. Значит, ускорение системы отсчета
- это явление, вполне подобное гравитации.
Наоборот, в свободно падающем лифте естественная тяжесть устраняется
ускоренным движением системы отсчета кабины <вдогонку> за ключом и
спичкой.
Разумеется, классическая физика не видит в этих примерах истинного
возникновения и исчезновения тяжести. Тяготение лишь имитируется или
компенсируется ускорением. Но в ОТО сходство инерции и тяжести
признается гораздо более глубоким.
Эйнштейн выдвинул локальный принцип эквивалентности инерции и тяготения,
заявив, что в достаточно малых масштабах расстояний и длительностей одно
явление невозможно отличить от другого никаким экспериментом. Право на
такое утверждение дали Эйнштейну итоги СТО.
Вообразите следующее. В закрытой кабине ускоряющейся ракеты наблюдатель
послал от одной стенки к другой луч света, параллельный полу. Благодаря
ускорению ракеты луч упрется в противоположную стенку чуточку "ниже",
чем при отсутствии ускорения. Казалось бы, этот факт как раз и
засвидетельствует ускорение ракеты "вверх", отвергнув предположение о
том, что она покоится в поле тяжести. Тот же опыт в падающем лифте
покажет смещение луча "вверх" (относительно пола кабины) и, казалось бы,
докажет ускорение лифта вниз, т. е. его свободное движение в
гравитационном поле. С позиций классической физики, подобные опыты
должны отметить отличие "искусственной" тяжести от естественной (в
ракете) и компенсацию тяжести, а не ее устранение (в лифте).
Физика Эйнштейна эту надежду отвергает. Ведь если луч света имеет
энергию, он имеет, согласно СТО, и массу. А любая масса) в
настоящем гравитационном поле падает, причем с неизменным
ускорением, независимо от своей величины. Так что отклонение луча к полу
ускоряющейся "вверх" ракеты можно объяснить падением луча в
настоящем поле тяжести - как если бы ракета стояла неподвижно на земной
поверхности. Что касается падающего лифта, то там луч вообще не
сместится вверх, так как свет, обладая массой, будет падать вниз с тем
не ускорением, что и кабина.
Итак, воспользовавшись услугами света, ни в ракете, ни в лифте мы,
вопреки надеждам классической физики, не сумеем отличить тяжесть от
инерции. Тут не помогут и никакие другие опыты. В масштабах ракеты и
лифта гравитация неотличима от инерции.
Правда, в более крупных масштабах отличие возможно, благодаря тому что
настоящее поле тяжести обязательно центрально - имеет центр масс,
точечный источник. Поэтому на Земле достаточно удаленные отвесные линии
непараллельны сходятся к центру планеты (в ускоряющейся ракете они
обязательно параллельны). А два невесомых груза, парящих рядом в кабине
лифта, который падает в шахте, пронизывающей насквозь всю Землю, по мере
приближения к земному центру будут сближаться. В самом центре они
стукнутся друг о друга. Вдали от Земли, в <истинной> невесомости, такого
не произойдет. Значит, настоящее земное тяготение нельзя сразу все и
надолго заменить инерцией или устранить падением. Понимая это, Эйнштейн
и заявил о локальности своего принципа эквивалентности инерции и
тяжести, т. е. его ограниченности в масштабах времени и расстояний.
С такой оговоркой принцип эквивалентности был признан совершенно
справедливым. И это повело к важным заключениям о сущности пространства,
времени, тяготения.
Исполним еще один мысленный эксперимент.
Пусть где-то в космосе вращается диск. Наблюдатели в центре и на краю
диска находятся в разных условиях. Ось свободна от действия каких бы то
ни было сил и пребывает в <покое> (либо, что то же самое, в равномерном
прямолинейном движении). А наблюдатель на краю диска движется
относительно оси, и, так как движение его непрямолинейно, он испытывает
действие центробежной силы инерции, которая направлена от центра к
периферии диска.
Теперь вспомним СТО. По отсчету наблюдателя, сидящего на оси, время на
краю вращающегося диска замедлено по сравнению с временем на оси, а
расстояния сокращены. С другой стороны, признаком вращения диска служит
наличие центробежной силы инерции. Поэтому резонно сказать: в поле
центробежной силы инерции время замедляется, а расстояния сокращаются.
Подобные рассуждения можно провести н для любых других сил инерции.
Но тогда, вспомнив эквивалентность инерции и тяжести, мы обязаны
заключить, что и в гравитационном поле время должно замедляться, а
расстояния - сокращаться. Раз уж инерция тождественна с тяжестью, то
тонкая особенность пространства и времени, характерная для поля
инерционных сил, должна присутствовать и в поле тяготения.
Сказанное справедливо локально - в достаточно малых масштабах длин и
длительностей. Но если в малых частях земного тяготения деформируются
пространство и время, то и в целом, "большом" поле земного тяготения
пространство и время обязаны изменяться (ибо целое складывается из
частей).
Любая планета, звезда, галактика обладает этой парадоксальной
способностью - изменять вокруг себя пространство и время. Как именно это
происходит, можно рассчитать. Такое исследование содержит, правда,
большие математические трудности и до сих пор не выполнено в общем виде.
Но частные решения получены.
Между Землей и падающим на нее камнем нет никакого "дальнодействия",
таинственного влияния планеты "через пустоту". Падающий камень летит по
инерции. Тем не менее он движется с ускорением, потому что пространство
и время изменены гигантской земной массой.
Пространство и время изменяются совместно, в тесной связи друг с другом.
Поэтому физики соединяют оба эти понятия в одно: пространство-время
(иногда говорят просто м и р). Причем изменение пространства-времени
(мира) крупными массами принято называть искривлением.
Не следует думать, что искривление пространства-времени массой Земли
сколько-нибудь значительно. Увидеть его глазами, измерить линейкой,
засечь обыкновенными часами невозможно. Но современный сверхточный
эксперимент выявил различие. Например, зарегистрирована разница в темпе
хода времени у подножия и под крышей двенадцатиметровой башни. Разница
составляет миллионную долю от миллиардной доли (Ю-15). На такую часть
секунда внизу дольше, чем секунда вверху, где земное поле тяготения
чуточку слабее.
Столь же ничтожно сокращаются и расстояния.
И этого мизерного преобразования пространства-времени достаточно, чтобы
резко изменить характер движения тел по инерции: движение становится
хорошо знакомым нам падением.
Вот откуда-то из далекого космоса летят рядом камень и пушинка. На их
пути Земля. Пространство-время искривляется. Укороченные сантиметры
проходятся камнем и пушинкой за удлиненные секунды. Начинается
ускорение. Оба тела падают, причем вместе, не отставая друг от друга.
Потому что пространство-время искривляется совершенно одинаково для
камня и для пушинки.
В искривленном мире обращаются Земля вокруг Солнца, Луна вокруг Земли и
т. д. Они тоже летят по инерции, но благодаря искривлению
пространства-времени их пути согнуты, их скорости непостоянны.
Такое объяснение, сводя тяготение к инерции, обходится не только без
таинственного "дальнодействия", но и без предположения о делении массы
на тяжелую и инертную. По Эйнштейну, тяжелой массы не существует. Есть
только инертная.
Вес тел ОТО истолковывает как силу инерции, т. е. в данном случае силу,
с которой тело давит на опору, мешающую ему двигаться по инерции. С
такой силой космонавт давит на кресло в разгоняющейся ракете
("перегрузки"), И яблоко тянет вниз ветку яблони потому, что эта ветка
мешает яблоку по инерции упасть на землю. Не будь ветки, яблоко тотчас
оказалось бы свободным в искривленном пространстве-времени, где движение
по инерции обязательно происходит с ускорением. И упало бы. Так
признание искривления пространства-времени крупными массами позволило
перейти от локального принципа эквивалентности инерции и тяжести к
общему. И свести к инерции любое тяготение.
ОТО еще глубже изменила научные представления о мире. Потерял
универсальность первый закон ньютоновской динамики - оказалось, что
движение по инерции может быть криволинейным и ускоренным. Отпала
надобность в понятии тяжелой массы. Изменилась геометрия Вселенной:
вместо прямого евклидовского пространства и равномерного времени
появилось искривленное пространство-время, искривленный мир.
Столь резкой перестройки воззрений на физические первоосновы мироздания
не знала история науки.
Тем не менее классическая механика поныне широко и плодотворно служит
физике, технике, астрономии и никогда не потеряет своего огромного
значения. Объясняется это сравнительной простотой, удобством
классических моделей и формул, их чрезвычайно высокой точностью,
близостью к реальной природе.
Только там, где приходится иметь дело с очень большими относительными
скоростями тел (например, в современных ускорителях), либо с очень
высокими концентрациями энергии и массы (ядерные процессы), либо с
гигантскими гравитационными полями (явления, разворачивающиеся в
непосредственной близости от звезд или в масштабах всей Метагалактики),
выходят на сцену эффекты СТО и ОТО. Тут уж расчеты должны вестись на
основе эйнштейновской физики.
Есть астрономические события, объяснить которые удается только с позиций
ОТО. Эти-то явления и доказали справедливость новой теории тяготения.
Один из примеров - луч света, проходящий около Солнца. И ньютоновская
механика, и ОТО признают, что он должен отклониться к Солнцу (падать).
Однако ОТО предсказывает вдвое большее смещение луча. Наблюдения во
время солнечных затмений доказали правоту предсказания Эйнштейна.
Другой пример. Ближайшая к Солнцу планета Меркурий обращается вокруг
светила не по точному эллипсу, как предписано ньютоновской небесной
механикой. Этот эллипс сам вращается - очень медленно, на 43 угловые
секунды за столетие. Именно такую орбиту дает вычисление по формулам
ОТО.
Замедлением времени в сильном гравитационном поле объясняют уменьшение
частоты световых колебаний в излучении белых карликов - звезд очень
большой плотности. А в последние годы этот эффект удалось
зарегистрировать и в лабораторных условиях.
Наконец, очень велика роль ОТО в современной космологии - науке о
строении и истории всей Вселенной (см. ст. <Вселенная вчера, сегодня и
завтра>), В этой области знания также найдено много доказательств
эйнштейновской теории тяготения.
Г.Б. Анфилов
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
