logo Книжные новинки и не только

«Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная ее создателями» Джон фон Нейман, Энрико Ферми, Нильс Бор читать онлайн - страница 12

Если вам понравилась книга, вы можете купить ее электронную версию на litres.ru

Если вести эти исследования и дальше, то неизбежно будут сделаны два вывода, свидетельствующие, что тяготение существенным образом отличается от электричества и магнетизма.

Во-первых, в результате воздействия тяготения на стержни и часы измеряемое ими пространство, которое на небольшом протяжении и в течение короткого времени всегда кажется плоским, на большом протяжении оказывается искривленным, подобно поверхности двухмерного яйца. Кривизна пространства может изменяться от точки к точке и сама является выражением гравитационных воздействий, происходящих в данном пространстве.

И во-вторых, поскольку поле тяготения, так же как и электромагнитное поле, обладает потенциальной энергией и поскольку тяготение создается любой массой, а следовательно, любой энергией, тяготение создает тяготение и гравитационные поля не являются линейными в том смысле, что, если имеется две гравитационные волны, эффект одной не просто накладывается на эффект другой, а эти волны взаимодействуют. Точно так же, если вокруг Солнца имеется гравитационная волна и гравитационное поле, они взаимодействуют. Ко всем этим выводам можно прийти довольно банальным путем — на основании аналогии с электричеством и магнетизмом.

Подход же Эйнштейна был совершенно иным. Он изучал вопрос с двух точек зрения. Во-первых, с точки зрения единообразия движения в гравитационном поле, что привело его к возможности геометрического толкования явления. Во-вторых, с точки зрения того, что принцип относительности в философском аспекте не следует ограничивать рамками равномерного движения.

Если вокруг нет ничего, как можно установить, происходит ускорение или нет? Это можно определить только в сравнении с чем-то, что не имеет ускорения. Но ведь известно, что ускоренное движение отличается от равномерного, поскольку последнее мы не чувствуем, в то время как ускорение ощущается нами, а кроме того, различные явления реагируют на него.

Эйнштейн обнаружил, что равномерное ускорение во всех своих физических проявлениях есть абсолютно то же самое, что и однородное гравитационное поле. Это еще один из принципов эквивалентности. Поэтому Эйнштейн пришел к мысли, что проблема изучения неравномерных движений и проблема объяснения гравитации взаимосвязаны и даже идентичны.

Если вы движетесь в некотором свободном от каких-либо объектов пространстве, вы не можете сказать, как велика ваша скорость, покуда не сравните свое движение с каким-либо другим телом, например с Землей, Солнцем или звездами. При движении же рывками, с ускорением и замедлением, можно даже при задвинутых шторах, без каких-либо ориентиров определить, что что-то происходит, и даже измерить происходящие изменения. Поэтому нельзя говорить об относительном характере движения вообще, движения по кругу, движения с ускорениями и замедлениями, движения рывками в железнодорожном вагоне, так как внутри движущегося предмета (железнодорожного вагона, лифта или ракеты) можно ощущать толчки, тягу, повороты, рывки и т. п., а также измерять все это с помощью приборов. Можно было бы сказать, что относительное равномерное движение в самом деле относительно, что ни один закон природы не должен оказывать предпочтения одному виду такого движения в ущерб другому, но ускоренные движения, хотя бы те, которые имеют место в нашей части Вселенной, не относительны, так как рывки нами явно ощущаются. Тем не менее теория Эйнштейна об ускоренном движении называется общей теорией относительности. Этот термин неудачен. Теорию Эйнштейна скорее следовало бы назвать общей теорией неотносительности, если бы не один ключевой момент чрезвычайной важности, который хотя и был ранее известен, был осознан и выдвинут на первый план только Эйнштейном.

Находясь в ящике, из которого невозможно выглянуть, в котором можно делать лишь внутренние измерения, человек, ощущающий равномерное ускорение, не может определить, вызвано ли это ускорение прямым воздействием на ящик какой-либо силы или же указанное ощущение вызвано однородным гравитационным полем. Проще всего это подтверждается свободным падением, во время которого можно заметить, что ни тяготение, ни ускорение не ощущаются. На самом же деле и ускорение, и гравитационное поле налицо, но они взаимно аннулируют друг друга. Не следует это проверять, выпрыгивая из окна, но если человек часто летает на самолетах, то он может оказаться в подобном положении. Поэтому Эйнштейн пришел к выводу, что изучать движение более общего характера можно только с учетом явлений гравитации. Надо сказать, что этот принцип (т. е. то, что гравитационные поля и ускорения в значительной мере эквивалентны) часто называется принципом эквивалентности. Он тесно связан с принципом Галилея, гласящим, что если действуют исключительно гравитационные силы, то все тела движутся одинаковым образом. Если бы принцип Галилея был иным, нельзя было бы заменить гравитацию ускорением, которое для всех тел явно одинаково. В формулировке Эйнштейна теория гравитации и теория общего движения неразрывно связаны.

Но эту проблему можно, кажется, решить более прямым путем, и в последние годы был разработан менее блистательный метод. Можно предполагать, что гравитационные силы, так же как и электромагнитные, являются дальнодействующими силами, влияние которых медленно ослабляется по мере увеличения расстояния. Отсюда вытекает, что теорию гравитации, естественно, следует строить по аналогии с интуитивными представлениями Фарадея и уравнениями Максвелла, описывающими явление электромагнетизма, поведение электромагнитных волн, а также поля вокруг магнитов и зарядов. Однако с самого начала необходимо учитывать один немаловажный факт, определяющий различие между этими явлениями, а именно: в то время как одноименные заряды отталкиваются, любые массы взаимно притягиваются. С учетом всего сказанного можно получить результат, который воспроизводит теорию тяготения Ньютона для не слишком сильных полей (а в мире, возможно, вообще не существует сильных гравитационных полей), которые, кроме того, не слишком быстро меняются во времени, так что вопрос о конечности скорости света не играет никакой роли. Такая теория включает оба принципа эквивалентности, как принцип Галилея, так и принцип Эйнштейна. Помимо того, из нее вытекают некоторые интересные физические следствия, которые также были предсказаны Эйнштейном. Например, обе теории предсказывают, что при падении света в гравитационном поле он становится более синим, так как частота увеличивается, а длина волны уменьшается и свет из красного превращается в синий. Недавно в Гарвардском университете был проведен чрезвычайно точный и, по-моему, очень изящный эксперимент. Во время этого эксперимента свет свободно падал с третьего этажа здания физического факультета в подвал. Можно было наблюдать степень увеличения голубизны света, которая соответствовала относительному изменению длины волны на 10−14, что не так уж много. Кроме того, как и предвидел Эйнштейн и как ранее предполагалось другими учеными, свет при прохождении через гравитационное поле вблизи Солнца или вблизи какой-либо звезды отклоняется.

Наконец, и это важнее всего, если еще дальше развивать аналогию между гравитацией и электромагнетизмом, окажется, что между ними существует одно очень большое и глубокое различие.

Чтобы объяснить причину этого различия, потребуется не так уж мало писать на доске. Однако чтобы понять, в чем заключается суть различия, много писать, по-моему, не придется.

Я буду применять слово «пространство» для обозначения четырехмерного многообразия, состоящего из привычного трехмерного мира, к которому добавлено четвертое измерение — время; последнее нельзя полностью и безоговорочно отделять от пространственных интервалов, поскольку эти понятия взаимосвязаны, как мы уже выяснили при рассмотрении равномерного движения. При исследовании пространства с помощью простых линеек и часов оказывается, что это реальное пространство не есть пространство Евклида, это не есть пространство геометров-классиков, поскольку оно имеет некую структуру и некие присущие ей искажения. Это не есть пространство, которое изображается на бумаге и измеряется при помощи линейки. Весьма трудно представить, по крайней мере мне, четырехмерные континуумы, в особенности если одно из измерений не расстояние, а время. Но можно ведь представить обычную двухмерную плоскость и предположить, что четырехмерный континуум — аналогичная математическая абстракция, которая легко поддается математическому описанию, но которую визуально представить себе намного труднее.

То, о чем мы говорим, не есть аналог плоской поверхности, а аналог чего-то имеющего своеобразно изогнутую форму. Локально, в пределах небольших размеров любая искривленная поверхность, если у нее нет хребта, ровная и выглядит как плоскость. Но если по ней пройти некоторое расстояние, то присущее пространству искажение начинает явственно выступать. Например, сумма углов треугольника не составит развернутый угол (180°), и теорема Пифагора не будет правильной. Кроме того, здесь возникнут многие геометрические осложнения. В достаточно сильном и неупорядоченном гравитационном поле такого рода искажения выражаются в характере пространства и времени, и их даже можно обнаружить путем конкретных измерений. Отсюда вытекает, что, если принять гравитационную аналогию электромагнетизма, можно прийти к результатам, подобных которым нет в электромагнетизме. И если внимательно к ним присмотреться, можно обнаружить, что это и есть теория Эйнштейна или же что-то весьма близкое и подобное теории Эйнштейна.