Человек, теория относительности и космос

Человек, теория относительности и космос

В главке «Масштабные эффекты» мы видели, меняются размеры тела — меняется соотношение сил, действующих на него: одни силы увеличиваются относительно других, другие уменьшаются. Человек, который вздумал бы выявлять законы природы, изучая механическое поведение различных объемов воды, пожалуй, мог бы прийти к выводу, что законы эти различны, и «на уровне росинки» совсем не те, что «на уровне стакана».

Мы видели, почему это неверно. Материальный мир един, едины и управляющие им физические законы. Но так уж он устроен, что на любом «размерном уровне» выпячиваются одни силы и подавляются другие. Резкое уменьшение размеров тел приводит человека в мир, где усиливаются и даже господствуют эффекты, не наблюдаемые в повседневности, хотя они бесспорно есть и здесь. Чтобы их учесть, физики разработали механику микрочастиц — квантовую механику, законы которой в частном случае (при движении больших тел, когда «эффекты малости» приравнивают к нулю) принимают форму обыкновенных законов классической физики.

Оказалось, что и очень резкое увеличение скоростей движения тел делает явными своеобразные эффекты, не наблюдаемые обычно. Их изучает раздел физики, известный под названием «теория относительности».

Пока человек имел дело со скоростями, не превышающими одного-двух (редко больше) километров в секунду, он мог пренебрегать релятивистскими эффектами: они в этом случае исчезающе малы. Успехи атомной физики, описывающей частицы, летящие со скоростями, близкими к световой, уже не допускают подобного пренебрежения.

Что же представляет собой эта знаменитая, но непонятная еще для очень многих физическая теория?

Среди людей, далеких от физики, название теории порой вызывает смутную мысль, что речь идет о чем-то вроде того, что якобы «все в мире относительно». Нет ничего более далекого от истины, чем это утверждение, хотя ссылка на относительность в теории и имеется.

Теория относительности, как мы видели (стр. 75 и далее), состоит из двух частей: специальной теории относительности и общей теории относительности, или, как ее теперь часто называют, теории тяготения. Обе части разработаны Альбертом Эйнштейном и интересны, помимо всего прочего, тем, что в их основе нет ничего нового: только твердо установленные и давно, до Эйнштейна, известные факты. На эту сторону обратил особое внимание еще С. И. Вавилов.

В любой науке наступает момент, когда существующая теория не может объяснить новые явления. Тогда ищут более общую теорию. Теория относительности вобрала в себя классическую физику, не опровергая и не исключая ее.

Создавая первую часть своей теории, Эйнштейн исходил из следующих двух бесспорных, основанных на опыте положений. Одно из них называется обычно (и очень неудачно) принципом относительности: во всех инерциальных системах отсчетов все физические явления протекают по одинаковым законам. Другое основное положение — принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах, она близка к 300 тысячам км/сек и не зависит от того, движется ли источник света или покоится.

Можно показать, что оба эти положения противоречат одно другому, если придерживаться обычных представлений о физических свойствах пространства и времени, точнее говоря, представлений, бывших обычными до Эйнштейна.

Более того, тем, прежним представлениям противоречит и одно лишь утверждение о постоянстве скорости света. В самом деле, возьмем пример. Пассажир разгуливает по палубе теплохода, держа в руках электрический фонарик. Сразу получается парадокс. Пассажир движется с различными скоростями по отношению к теплоходу, к берегу, к Солнцу. А по второму положению теории Эйнштейна луч света от его фонарика струится с одной и той же скоростью по отношению и к палубе, и к берегу, и к Солнцу.

Эйнштейн был первым, кто имел мужество сказать, что если оба положения верны, то они не могут быть противоречивыми, что противоречие надо искать в наших представлениях о явлениях природы, о пространстве и времени.

Эйнштейн нашел путь примирения двух принципов. Для этой цели надо было пересмотреть физические понятия пространства и времени, признать за ними свойства, непохожие на те, что признавала классическая физика.

Как результат примирения противоречия родилась, в частности, формула:

Е = mс²,

гласящая, что полная энергия, содержащаяся в теле, равна его массе, помноженной на невыразимо большую величину — квадрат скорости света.

Теория относительности содержит в себе много совершенно фантастических на первый взгляд утверждений. Например, оказывается, что длина движущегося тела сокращается в направлении движения, причем тем больше, чем больше скорость тела приближается к скорости света. Однако масса тела при этом возрастает. Возрастает и длительность явлений. В будущем космическом корабле, летящем со скоростью, близкой к световой, затормозятся все процессы, если измерять их по часам, оставшимся на Земле. Медленнее будет биться сердце, медленнее будут расти растения, перемещаться часовая стрелка, колебаться электроны в атомах и т. д.

Стал широко известен часто приводимый пример, что если молодой человек, оставив годовалого сына, слетает на околосветовой ракете к звезде Вега и через год вернется, то сын его будет старше своего отца: ведь отец жил в замедленном ритме: его год может оказаться равным пятидесяти и более годам людей, оставшихся на Земле.

Все это кажется настолько невероятным, настолько противоречит здравому смыслу, что вначале даже многие физики не соглашались с Эйнштейном. Известен случай, когда один американский профессор, прослушав лекцию творца теории относительности, сказал ему:

— Мой здравый смысл не принимает вашу теорию. Он отклоняет все, чего нельзя увидеть собственными глазами.

— Ну что ж! — сказал Эйнштейн. — Кладите свой здравый смысл сюда, на стол. Начнем с того, что проверим его наличие.

Общая теория относительности отличается от специальной тем, что наряду с двумя основными положениями специальной теории принимает еще один — третий — принцип: эквивалентность (равноценность) сил тяготения и инерционных сил.

На крутом повороте дороги вас прижало к стенке автомобиля. «Инерция!» — говорите вы лаконично другу, сидящему рядом с вами и о чем-то мечтающему с закрытыми глазами. «Какая же это инерция, — может возразить ваш друг, не открывая глаз, — когда мы неподвижны? Сбоку появилось массивное тело, и оно притягивает нас».

При всей фантастичности ответа, вы не сможете переубедить приятеля, если он не откроет глаз или если окна автомобиля хорошо завешены. Приборы, захваченные для измерения инерции, ничего вам не дадут, потому что и на приборах по измерению силы тяжести будет то же количество килограммов, действующих в ту же сторону. В этом состоит наглядный смысл принципа эквивалентности инерции и тяготения.

Мир общей теории относительности отличается от мира специальной теории относительности тем, что во втором движение систем отсчета друг относительно друга происходит прямолинейно и равномерно, иначе говоря, без ускорения.

Первый же учитывает общий случай: когда системы отсчета движутся и с ускорениями, например вращаются. Космический корабль с установившимся равномерным движением по прямой подчиняется специальной теории относительности. В моменты же набора скорости, полета по кривой и поворота на обратный курс к нему надо применить выводы общей теории Эйнштейна.

Теория относительности гласит, что релятивистские эффекты времени возникают не только за счет создания больших или меньших разниц равномерных скоростей двух тел. Время замедляется и на более массивных телах (например, на Солнце или на белых карликах). Наоборот, на небольших телах длительности явлений сокращаются: часы на искусственных спутниках убыстряют ход по сравнению с часами на Земле.

Эквивалентность тяготения и инерции проявляет себя в том, что совсем не обязательно увеличивать массу тела, чтобы получить на нем релятивистские эффекты: достаточно придать ему большое ускорение. «Искусственные килограммы» — за счет ускорения — удлинят промежутки времени на ракете так же, как удлинили бы естественные килограммы за счет роста массы.

Самым убедительным подтверждением правильности физической теории является, конечно, опыт. Какими же опытами проверялась теория относительности?

Пожалуй, самыми известными из них являются те, что связаны с наблюдением лучей звезд у края солнечного диска во время затмений. Если световые волны обладают, как утверждает теория, массой, то они, по закону всемирного тяготения, должны притягиваться другими массами, допустим Солнца. Так в действительности и происходит. Наблюдения во время солнечных затмений показывают, что лучи звезд отклоняются от прямолинейного пути, проходя мимо нашего светила. Это выражается в кажущемся смещении звезд, расположенных в непосредственной близости к краю Солнца.

Другая важная проверка теории Эйнштейна касалась того утверждения общей теории относительности, которое гласило, что свет, обладая инертной массой, частично теряет энергию, чтобы вырваться из поля тяготения испускающего его тела (например, звезды). Физика утверждает, что при этом должно произойти «покраснение» света, точнее говоря, некоторое удлинение световых волн и сдвиг их в красную сторону спектра. Явление это называется гравитационным красным смещением.

И что же! Такое смещение на самом деле наблюдается в спектральных линиях Солнца и тяжелых звезд.

Интересная проверка эффекта замедления хода часов в поле силы тяжести была проделана совсем недавно (но уже многократно) с помощью точнейшего прибора для измерения частот, основанного на так называемом эффекте Мёссбауэра (по имени молодого физика из ФРГ Рудольфа Мёссбауэра, работающего теперь в США и открывшего этот эффект). Из теории относительности следует, например, что если двое совершенно одинаковых часов поместить друг от друга на расстоянии 1 метр по высоте, то нижние часы должны отставать от верхних на 10^-16 секунды, так как они находятся ближе к центру Земли и на них действует большая сила тяготения, чем на верхние часы. Эффект Мёссбауэра позволил найти такую разницу!

Можно было бы назвать и другие примеры успешных проверок теории относительности, но мы ограничимся приведенными. Скажем лишь одно.

Положения теории относительности теперь настолько убедительно подтверждены, что к ним нельзя относиться иначе, как к законам природы. Допустить нарушение какого-нибудь из этих положений можно лишь с попутным допущением нарушения того порядка вещей в природе, который нам представляется незыблемым.

Правда, среди нефизиков встречаются активные противники идей Эйнштейна. Но доводы их — по логике — не отличаются от тех, что приводили в свое время противники шарообразности Земли.

В науке спор о справедливости теории относительности решен давно, и решен на опыте: теория эта верна. Если же она не в ладах со «здравым смыслом», то тем хуже тому «здравому смыслу», который противоречит научным выводам. Важно, что теория в ладах с экспериментом, с практикой, а, как известно, нет критерия истинности более надежного, чем этот чрезвычайно строгий материалистический критерий.