Теория относительности

Теория относительности

Теория относительности, которая произвела революцию в наших представлениях о времени и пространстве, и которая приводит к очень важным следствиям, до 1918 г. (до конца конец Первой мировой войны) оставалась неизвестной широким кругам, за исключением немногих специалистов. Затем ситуация изменилась, и она привлекла всеобщее внимание благодаря новому способу мышления и новой философии.

Это случилось в то время, когда все устали от войны и победители и побежденные. Люди хотели чего-то нового. Теория относительность давала именно то, что было нужно, и она стала центральным аргументом преобразований. Это позволило людям забыть на время ужасы войны и проблемы, которые она вызвала.

Об относительности было написано фантастическое число статей в газетах и журналах. Никогда прежде и затем специфическая идея не вызывала такого огромного интереса. Большинство из того, что писалось и говорилось, относилось к общим философским идеям, а не являлось серьезным научным обсуждением. Было мало точной информации, но многие люди были счастливы изложить свои идеи.

В Великобритании только один человек, астроном и математик, сэр Артур Эддингтон (1882—1944) по-настоящему понял, что такое теория относительности, и стал авторитетнейшим специалистом в этой области в своей стране. Его крайне интересовали астрономические следствия теории и возможность проверки теории с помощью астрономических наблюдений. Три возможных проверки теории, основанные на предсказаниях Эйнштейна, были сделаны в его работе 1915 г. Первая связана с движением планеты Меркурий. Было установлено, что перигелий (точка траектории планеты, ближайшая к Солнцу) Меркурия смещается за оборот приблизительно на 43 угловые секунды. Это не укладывалось в теорию Ньютона и долго озадачивало астрономов.

Новая теория Эйнштейна точно предсказывала этот эффект, и измерения Эддингтона подтвердили эти предсказания. Это было большим успехом теории, но оставило Эйнштейна безучастным, когда он узнал о подтверждении Эддингтона, так как нисколько не сомневался в справедливости своей теории.

Второе подтверждение связано с отклонением света, который проходит вблизи Солнца. Теория гравитации Эйнштейна утверждает, что свет, проходящий вблизи Солнца, должен отклоняться. Согласно теории Ньютона, также должно быть отклонение, но оно в два раза меньше того, что предсказывается Эйнштейном (рис. 20). Поэтому, наблюдая звезды вблизи солнечного диска, чей свет проходит вблизи Солнца, прежде чем достигает Земли, можно проверить теорию. Однако мы можем наблюдать звезды вблизи солнечного диска только в момент полного затмения, когда свет Солнца блокирован Луной. Подходящее затмение происходило в 1919 г., и Эддингтон организовал две экспедиции для его наблюдения: одну в Бразилию под руководством А. С. Кроммелина (1865— 1939) из Гринвичской обсерватории, а другую на Принцевы Острова, около побережья Испанской Гвинеи, руководимую им самим. Обе экспедиции получили результаты, подтверждающие теорию Эйнштейна. В Лондоне, 6 ноября, на объединенном собрании Королевского Общества и Королевского астрономического общества, президент Королевского общества, нобелевский лауреат Дж. Дж. Томсон, услышав результаты Эддингтона, превознес работу Эйнштейна как «одно из высочайших достижений человеческой мысли».

Рис. 20. Во время затмения Солнца можно наблюдать свет, приходящий от двух звезд сбоку от диска Солнца. Из-за того, что гравитационное поле Солнца искривляет свет, звезды, наблюдаемые с Земли в направлении продолженных лучей, кажутся разнесенными дальше, чем на самом деле

Однако точность этих подтверждений была недостаточно высока из-за трудностей таких наблюдений. Совсем недавно этот эффект смог подвергнуть проверке за счет использования вместо света микроволн. Были открыты объекты звездного типа, сильно излучающие в радиодиапазоне (квазизвездные радиоисточники, или квазары). Когда один из них находится позади Солнца, мы можем наблюдать, отклоняются ли радиоволны, проходящие вблизи Солнца. Для этого нет необходимости ожидать затмения, поскольку Солнце слабо испускает радиоволны. Результат, с необходимыми коррекциями побочных эффектов, показал, что теория Эйнштейна подтверждается с более высокой точностью, чем на световых волнах.

Отклонение света за счет гравитации оказалось даже еще более впечатляющим в недавние годы. Масса галактики может действовать как линза и фокусировать свет, который приходит от удаленного источника, расположенного позади нее (рис. 21). Если этот источник, галактика, действующая как линза, и телескоп расположены (настроены) должным образом, тогда «гравитационная линза» дает совершенное круговое изображение («кольцо Эйнштейна»), наблюдаемое на некоторых фотографиях, полученных различными методами в разных ситуациях.

Третье подтверждение относится к предсказанию общей теорией относительности того, что световые волны, испускаемые источником, находящемся в гравитационном поле, подвержены изменению длины в сторону более длинных волн, т.е. к красному концу спектра. Этот эффект известен как красное смещение. Он был проверен путем исследования света, испускаемого звездами типа белых карликов, содержащих вещество в высокосжатом состоянии. Гравитационный потенциал на поверхности белого карлика значительно больше, чем на поверхности нашего Солнца, это дает возможность проверить этот эффект, предсказанный Эйнштейном. Другие следствия теории гравитации Эйнштейна были получены в последующие годы. Одно из самых ярких — открытие черных дыр, коллапсированных звезд, диаметр которых сжимается до бесконечно малой доли их первоначального состояния. Свет, испускаемый черной дырой, не может покинуть ее, так как он затягивается обратно огромным гравитационным полем, получающимся при сжатии. По существу черная дыра — это точка в пространстве с массой обычной звезды. В настоящее время существование черных дыр признается, и получены некоторые наблюдательные доказательства этого.

Рис. 21. Гравитационная линза. Свет, приходящий от далекого объекта (квазар на рисунке), искривляется сильными гравитационными полями вблизи галактики или черной дыры. Наблюдатель на Земле, продолжая лучи, которые приходят к нему, воссоздает два изображения объекта, как показано на рисунке. Если объект, наблюдатель и галактика расположены совершенным образом, то вся система обладает аксиальной симметрией и изображения представляются кругом с объектом в его центре (круг Эйнштейна)

В течение 1921—1923 гг. Эйнштейн совершил путешествия по США, Европе и Азии. Вайтцман убеждал его присоединиться к сионистскому движению. В 1921 г. он получил Нобелевскую премию по физике, но не за теорию относительности, а «за его служение теоретической физике, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта». В следующей главе мы опишем фотоэлектрический эффект.

Важной экспериментальной проверкой специальной теории относительности был отрицательный результат эксперимента, проведенного в 1887 г. Майкельсоном и Морли, поставленного для обнаружения движения Земли относительно эфира. В конце 19 столетия полагали, что колебания электрических и магнитных полей световой волны должны с необходимостью представлять колебания некоторой среды и что эта среда является знаменитым эфиром, уже введенным Декартом и Гюйгенсом. Электрические колебания эфира идентифицировались со светом, и возникала проблема установить свойства этого эфира. Если, например, источник света движется по отношению к эфиру или наблюдатель движется по отношению к нему, то это движение можно обнаружить. Но эксперимент Майкельсона и Морли показал, что никакой эффект такого движения не обнаруживается. Этот эксперимент является одной из экспериментальных опор теории относительности, хотя представляется, что он не повлиял на работу Эйнштейна в 1905 г. Вероятно, что он не был известен ему в то время. В 1921 г. Д.С. Миллер (1886—1941), который тогда был молодым сотрудником Майкельсона, поставил аналогичный эксперимент на горе Маунт Вильсон в Калифорнии, где располагалась астрономическая обсерватория, и объявил, что он смог наблюдать малые влияния движения Земли на скорость света. Он теоретизировал, что на уровне моря эфир увлекается Землей, а на больших высотах малый эффект «эфирного ветра» может сказаться на распространении света. Эти результаты он опубликовал несколькими годами позже. В то время Эйнштейн посещал Принстон, и когда он услышал об этом, сказал знаменитую фразу: «Бог коварен, но Он не злонамерен».

Результат Миллера вызвал огромную радость у врагов теории относительности. Германские реакционные круги никогда не признавали факт поражения военной машины Кайзера в Первой мировой войне и объясняли его как результат «злобного заговора» евреев и социалистов. Эйнштейн был в их поле зрения. Его пацифистские и социалистские идеи были хорошо известны. Он отказался подписать декларацию немецких профессоров в поддержку вторжения в Бельгию и всегда призывал к заключению мира, даже тогда, когда казалась близкой победа Германии. Разумеется, результаты Миллера оказались ошибочными, что немедленно продемонстрировал Георг Йосс, который выполнил серию отличных экспериментов, подтверждающих предсказания Эйнштейна.