Чтение онлайн

На эффектах и парадоксах теории относительности построено множество сюжетов научно-фантастических романов и фильмов. Особенно понравилась романистам идея о замедлении времени, и читатель наверняка может вспомнить какой-нибудь вариант истории о космическом корабле, вернувшемся на Землю (которую условно можно считать неподвижной) с космонавтом, постаревшим всего на несколько лет, в то время как все его сверстники стали глубокими старцами или уже умерли. Кстати, величину этого эффекта можно рассчитать по довольно простым формулам (например, при скорости, равной 99% от скорости света, время в корабле будет течь в семь раз медленнее, чем на Земле, так что после 10-летнего полета космонавты действительно увидят родную планету постаревшей на 70 лет). В общем случае, при приближении к скорости света в движущейся системе замедляется время, увеличивается вес объектов и их длина.

Эйнштейн пытался представить и описать движение с релятивистскими скоростями в случае электронов (самых маленьких субатомных частиц, вращающихся вокруг атомного ядра), что представляет особый интерес, поскольку электроны можно легко ускорять различными методами. Из его уравнений следовало, что время в собственной системе отсчета электрона при возрастании скорости начинает замедляться, в результате чего ускорение (при той же действующей силе) уменьшается, и это эквивалентно «утяжелению» электрона, т. е. увеличению его массы. Рассуждения подобного типа привели Эйнштейна еще в 1905 г. к фундаментальному открытию, что масса тела является мерой содержащейся в нем энергии, что и выражает ставшая знаменитой и общеизвестной формула Е = тс2, где с означает скорость света, а Е – полную энергию тела с массой т.

Это простое уравнение в действительности имеет весьма глубокий смысл, поскольку наглядно демонстрирует, что энергия и масса (которые всегда считались совершенно разнородными понятиями) являются разными представлениями одной и той же сущности. Выделяя или поглощая энергию, материальные объекты просто переводят эту сущность из одной категории в другую во всех процессах, независимо от того, идет речь о горении куска угля, любовных играх или взрывах Сверхновых.

Приведенная выше формула и ее применение кажутся достаточно простыми и понятными, но гораздо более сложными и парадоксальными были рассуждения Эйнштейна о различных эффектах, возникающих при приближении к световому порогу скорости, поскольку для их объяснения ученый пользовался необычной смесью из здравого смысла, собственных интуитивных озарений и весьма сложных математических уравнений. Однако еще более сложной для восприятия широкой общественности оказалась обобщающая концепция пространства-времени, которая вытекала из предлагаемой Эйнштейном теории.

Учет времени в качестве четвертой координаты означает фактически, что мы не можем указать положение какого-либо тела в пространстве без указания точного времени измерения, и обратно. Ни одну пару событий в мире нельзя считать одновременной, поскольку все они разделены существованием порогового значения скорости, неким общим ограничением на передачу информации, которое относится ко всем видам электромагнитного излучения. Никакие командиры кораблей с релятивистскими скоростями никогда не узнают, насколько синхронны залпы их лазерных излучателей, поскольку каждый будет пользоваться собственной системой отсчета, собственными критериями времени и расстояния.

Математически положение тел в четырехмерном пространстве-времени можно описывать столь же легко и удобно, как координаты точки на листе обычной миллиметровки, однако это обстоятельство не облегчает понимания теории, поскольку почти все мы привыкли к обычному, трехмерному восприятию пространства (в котором, как нам кажется, и проходит наша жизнь). Поэтому читателю лучше не напрягать свое воображение, а просто попытаться понять «принципы действия» предлагаемой теории.

О наглядности физических моделей или теорий следует сказать хотя бы несколько слов, поскольку именно наглядность была характерной особенностью классических представлений. Все мы, например, привыкли воспринимать гравитацию в качестве силы, которая заставляет яблоко падать на голову юного Исаака Ньютона в соответствии с общеизвестной гравюрой в школьных учебниках. Позднее историки выяснили, что история с яблоком является легендой, возникшей через много лет после смерти Ньютона, но она до сих пор наглядно демонстрирует детям действие закона всемирного тяготения и прекрасно запоминается. Строго говоря, никто не понимает механизма гравитации, которая столетиями остается загадкой, несмотря на приятную и столь понятную всем картинку с яблоком (Эйнштейн безуспешно размышлял о гравитации несколько десятков лет, но и ему не удалось создать точную теорию этого явления).

Через 10 лет после публикации первой работы по специальной теории относительности Эйнштейн занялся проблемами гравитации и создал так называемую общую теорию относительности, ставшую его вторым главным научным открытием. Именно она позволила Эйнштейну предсказать величину отклонения света удаленных звезд в гравитационном поле Солнца, поразившую британских астрономов, наблюдавших затмение 1919 года. Это предсказание и сделало его мировой знаменитостью, хотя в действительности всё гораздо более сложно (Эйнштейн предсказывал, что гравитационное поле Солнца будет искривлять пространство-время, а свет от звезд должен был лишь двигаться по искривленным траекториям.)

Новая теория и ее наглядное астрономическое подтверждение знаменовали собой революционные изменения в научном описании и понимании мира вообще (начиная с нашей маленькой, уютной Солнечной системы и кончая далекими галактиками). Древние греки когда-то полагали, что Солнце, планеты и звезды закреплены на огромных прозрачных сферах, вращающихся вокруг Земли. Позднее, благодаря Галилею и Копернику, мы поняли, что Земля и остальные планеты вращаются вокруг Солнца, а в начале XX века Хаббл доказал, что даже гигантские звездные системы вращаются и убегают друг от друга в просторы космоса с огромной скоростью. Все эти системы объединяло одно – в них предполагалось, что эти немыслимо сложные движения обусловлены какими-то силами (которые мы пока просто не понимаем), связанными с взаимодействием между объектами.

Между тем, уравнения и мысленные эксперименты Эйнштейна принципиально изменяли сам подход к проблеме. Гравитация переставала быть просто силой, удерживающей Землю на орбите (подобно тому, как мы держим на поводке собаку), а превращалась в нечто совершенно иное. Масса Солнца создавала не просто гравитационные силы, а непосредственно линии и поверхности того, что можно назвать геометрией или «тканью» пространства-времени, а небольшие объекты (вроде Земли) двигались по этим искривленным линиям и поверхностям, подобно мальчишкам, катающимся на роликовых досках-скейтбордах.

Читатель наверняка уже заметил, что любая попытка разъяснить или проиллюстрировать идеи Эйнштейна скорее порождает новые вопросы и сомнения, чем разрешает старые, однако именно это, совершенно неожиданное и необычное представление об искривлении линий в едином пространстве-времени, создаваемом гравитационными массами, позволило ученым более точно описать окружающий нас мир. Сам Эйнштейн объяснял необходимость развития общей теории относительности желанием преодолеть очевидную ограниченность описанной выше специальной теории относительности. Вспомним, что еще с первой работы 1905 г. в исходной теории рассматривалось движение различных объектов (совершенно неважно, идет речь о движении поездов, космических кораблей, пароходов или лифтов) лишь с постоянной скоростью относительно других, считающихся неподвижными, систем отсчета. Естественно, что Эйнштейн пытался (хотя бы только мысленно) рассмотреть гораздо более сложную ситуацию, в которой сами системы отсчета движутся с ускорением.

Давайте еще раз, вслед за Эйнштейном, пофантазируем на тему галактических сражений и представим себе, что наш космический корабль резко ускоряется, пытаясь просто побыстрее ускользнуть от противника в глубинах Млечного Пути. Мы не можем определить скорость движения, но в какой-то момент видим, как лазерный луч противника пробивает обшивку корабля и создает выходное отверстие на противоположной стенке (эксперимент мысленный, так что не стоит беспокоиться о последствиях и ранениях). Эйнштейн логически пришел к выводу, что в ускоряющемся корабле мы с удивлением должны заметить «кривизну» траектории лазерного выстрела, хотя свет всегда должен двигаться по прямой линии. Изгиб траектории соответствует изменению пространства под воздействием того, что мы на своем обычном языке (исходя из законов Ньютона) называем гравитацией. Иными словами, Эйнштейн вдруг пришел к выводу, что искривление пространства, обусловленное ускорением, эквивалентно искривлению, связанному с гравитацией, т. е. гравитация и ускорение системы отсчета представляют собой одно и то же физическое явление. Именно это он назвал позднее «счастливейшей мыслью всей моей жизни».Эйнштейн пришел к этому выводу после многих лет напряженной работы и кропотливых расчетов, но очень многие физики не смогли понять и признать это великое открытие из-за сложности используемого математического аппарата, а также из-за того, что предлагаемая теория вела, по их мнению, к слишком революционной ломке основных понятий классической физики. Картина непрерывно меняющегося, искривляющегося или деформируемого пространства-времени противоречила «здравому смыслу» не только обывателей, но и самих физиков-теоретиков.

Входящие в теорию Эйнштейна уравнения, действительно, настолько сложны, что неспециалисту легче отработать неделю землекопом, чем проследить за логикой их вывода в самых простейших случаях, поэтому нам остается лишь принимать к сведению ошеломляющие выводы предлагаемой теории. Подчеркнем еще раз две основные особенности творчества Эйнштейна: во-первых, он всегда следовал логике математических выкладок (даже в тех случаях, когда выводы теории противоречили фундаментальным представлениям, выработанным человечеством в течение тысячелетий); во-вторых, если какие-то интуитивные прозрения казались ему разумными, то он продолжал упорно отстаивать их, несмотря на отсутствие прямых доказательств. Читатель, всерьез заинтересовавшийся теорией относительности, имеющий некоторые познания в высшей математике и сохранивший страсть к игре воображения и интеллекта, может задуматься над некоторыми из выведенных Эйнштейном уравнений хотя бы для того, чтобы получить представление о том, как логически безупречные математические построения могут приводить к внешне абсурдным результатам теории относительности.