Теория относительности для миллионов - Мартин Гарднер

Роберт Дик, физик из Принстонского университета, считает, что тяготение постепенно становится слабее и, возможно, в настоящее время оно на 13 процентов меньше, чем было четыре или пять миллиардов лет назад, когда образовалась Земля. Если это так, то Земля, вероятно, расширяется и ее поверхность трескается при этом процессе. Солнце также должно было бы расширяться. Два миллиарда лет назад оно должно было быть меньше, плотнее и горячее: этот факт мог бы объяснить тропические условия, которые господствовали на большей части Земли в ранние геологические эпохи. Все эти соображения в настоящее время являются только догадками, но, может быть, скоро удастся поставить эксперимент по проверке теории Дика.

Теория относительности дает новый способ рассмотрения и описания тяготения, но оно по-прежнему остается таинственным, малопонятным явлением.

Никто не знает, как оно связано и связано ли вообще с электромагнетизмом. Эйнштейн и другие пытались разработать «теорию единого поля», которая объединила бы тяготение и электромагнетизм в одной системе математических уравнений. Результаты оказались неутешительными. Может быть, какой-нибудь юный читатель этих строк, если он обладает творческим гением Эйнштейна, когда-нибудь поймет, как сформулировать такую теорию.

Была ли подтверждена экспериментальными данными общая теория относительности? Да, хотя и не так полно, как специальная теория относительности. Одно подтверждение было получено при изучении орбиты Меркурия — ближайшей к Солнцу планеты. Орбита Меркурия представляет собой эллипс, но сам эллипс медленно поворачивается. С помощью уравнений тяготения Ньютона можно объяснить это, если учесть влияние других планет, но предсказываемое при этом вращение получается немного более медленным, чем наблюдаемое в действительности. Уравнения Эйнштейна предсказывают вращение эллиптической орбиты планеты даже в отсутствие других планет; в случае Меркурия предсказанная орбита значительно ближе к действительной, чем орбита, предсказанная Ньютоном. Орбиты других планет гораздо более близки к круговым, поэтому этот эффект труднее наблюдать, но в последние годы были проведены измерения вращения орбит Венеры и Земли, которые находятся в хорошем согласии с уравнениями Эйнштейна.

Второе предсказание, сделанное Эйнштейном, состояло в том, что в спектре Солнца должно наблюдаться очень небольшое смещение в сторону красного края. Согласно уравнениям общей теории сильные поля тяготения оказывают замедляющее действие на время. Это означает, что любой ритмический процесс, такой, как колебания атома или тикание часов, на Солнце будет идти с немного меньшей скоростью, чем на Земле. В свою очередь это приведет к сдвигу спектра Солнца в сторону более длинных волн, что даст покраснение спектра. Такой сдвиг наблюдался, но он не является очень сильным подтверждением, так как ему можно дать очень много других объяснений.[4] Белая звезда — карлик, очень близкая к Сириусу, известная как спутник Сириуса, обладает массой, достаточной для того, чтобы создать красное смещение, в тридцать раз большее, чем Солнце. Оно также наблюдалось и является более сильным подтверждением. Однако самое сильное подтверждение действия тяготения на время было получено недавно в лаборатории. О нем будет рассказано в конце гл. 8.

Наиболее сенсационная из всех проверок общей теории была проведена в 1919 г. во время полного затмения Солнца. Эйнштейн рассуждал следующим образом. Если лифт в межзвездном пространстве идет вверх с увеличивающейся скоростью, то луч света, идущий внутри лифта от стены к стене, будет отклоняться вниз, двигаясь по параболическому пути. Это можно объяснить инерцией, но согласно общей теории можно считать лифт неподвижной системой отсчета и рассматривать искривление луча как результат действия тяготения.

Таким образом, тяготение может искривлять световые лучи. Это искривление слишком ничтожно, чтобы его можно было зарегистрировать с помощью какого-либо опыта, проводимого в лаборатории, но оно может быть измерено астрономами во время полного затмения Солнца. В результате того что солнечный свет задерживается Луной, звезды, расположенные вблизи края Солнца, становятся видимыми. Свет от этих звезд проходит через самую сильную часть поля тяготения Солнца. Любой сдвиг в видимых положениях этих звезд указывал бы на то, что тяготение Солнца изгибает путь света. Чем больше сдвиг, тем больше изгиб.

Следует помнить о следующем. Когда вы читаете об «искривлении» света в результате действия тяготения или инерции, вы должны иметь в виду, что это только трехмерный способ описания явления. В пространстве путь света действительно искривляется. Но в четырехмерном мире Минковского пространства — времени свет, так же как и в классической физике, по-прежнему движется вдоль геодезической линии. Он выбирает возможный наиболее прямой путь. Наш воображаемый четырехмерный ученый на своей карте пространства — времени всегда изображал бы путь луча света прямой линией даже в том случае, если он проходит через сильные поля тяготения.

Эддингтон, английский астроном, возглавлял экспедицию ученых, которая в 1919 г. прибыла в Африку наблюдать полное затмение Солнца. Главной целью этой экспедиции было провести точные измерения положений звезд, расположенных вблизи солнечного диска. Физика Ньютона также предсказывала искривление света в поле тяготения, но уравнения Эйнштейна давали примерно вдвое большее отклонение. Таким образом, были возможны по крайней мере три различных результата опыта:

1. Изменений в положениях звезд могло не произойти.

2. Отклонение могло быть близко к тому, что предсказала физика Ньютона.

3. Отклонение могло быть близко к тому, что предсказал Эйнштейн.

Первый результат ниспровергал бы как уравнения Ньютона, так и уравнения общей теории относительности. Второй говорил бы в пользу Ньютона и против Эйнштейна. Третий говорил бы против Ньютона и в пользу Эйнштейна. Согласно популярному в то время анекдоту, два астронома из этой экспедиции обсуждали все три возможности.

«А что, — сказал один из них, — если мы получим отклонение, вдвое большее предсказанного Эйнштейном?»

«Тогда, — сказал другой, — Эддингтон сойдет с ума».

К счастью, отклонение оказалось близко к предсказанию Эйнштейна. Широкая реклама, созданная вокруг экспедиции Эддингтона, впервые привлекла внимание широкой публики к общей теории относительности. Сегодня астрономы скептически относятся к этому подтверждению. Трудности при проведении точных измерений положений звезд во время затмения оказались значительно большими, чем предполагал Эддингтон. Результаты, полученные во время различных затмений, наблюдавшихся после 1919 г., были несколько отличными. На конференции Королевского общества в Лондоне в феврале 1962 г. группа ученых обсудила этот вопрос. Они пришли к заключению, что так как трудности очень велики, то наблюдающим затмения не стоит больше пытаться проводить такие измерения.

Несмотря на то что имеются опыты (все-таки их немного), подтверждающие общую теорию относительности, и огромное число опытов, еще не проводившихся и даже не обсуждавшихся, которые могли бы подтвердить ее еще лучше, возможны эксперименты, которые могли бы сильно дискредитировать эту теорию. Георгий Гамов, хорошо известный физик из Колорадского университета, описал один такой эксперимент, в котором участвуют античастицы.

Как мы уже говорили, последние представляют собой элементарные частицы, во всем подобные частицам обычной материи, но имеющие противоположный электрический заряд. Некоторые ученые считают, что античастицы могут иметь отрицательную массу. Если это так, любая действующая на них сила будет ускорять их в отрицательном направлении.

Антияблоко, сделанное из антиматерии, улетело бы в небеса, вместо того чтобы упасть на нос Ньютону.

Имеют античастицы отрицательную массу или нет, пока не установлено, но если это так, теория относительности окажется перед серьезными затруднениями.

Чтобы понять, почему должны появиться трудности, представим себе космический корабль, покоящийся по отношению к звездам. В центре одного из его отсеков плавает одно антияблоко с отрицательной массой. Корабль начинает двигаться в направлении к потолку с ускорением в одно g (g — это ускорение, с которым тела падают на Землю, равное примерно 9,8 м/сек за 1 сек. Последнее означает, что каждую секунду скорость увеличивается на 9,8 м/сек).

Что произойдет с яблоком?

С точки зрения наблюдателя вне корабля, связанного с инерциальной системой космоса, яблоко по отношению к звездам должно остаться на том же самом месте, где оно было. На него не действует никакая сила. Корабль не прикасается к яблоку, он мог бы вообще находиться очень далеко от него.