Кеплер, Нютон и все, все, все... (1188447), страница 16
Текст из файла (страница 16)
В год столетия содня рождения Эйнштейна среди квазаров объявилась пара «однояйцовых близнецов»: объекты QSO 0957+561 A и B одинаково удаленыот нас, имеют одинаковые скорости (впрочем, это фактически одно ито же) и абсолютно точно совпадающие спектры. А между объектами,как раз на полпути к Земле, находится галактика, масса которой около 2 · 1019 M , радиус 7 килопарсеков. Близнец B виден совсем рядомс галактикой.76З а д а ч а 86. На каком угловом расстоянии от B виден A?Свет от единственного квазара — это, конечно, объект A — идётдвумя путями: прямо и по кривой, по пути, «изогнутому» галактикой, которая, играя роль линзы (эффект так и называется — гравитационная линза), создаёт «дубликат» — квазар B (рис.
19).c Квазар AДвойник BcmГалактикаЗемляcРис. 19И все же близнецы ведут себя не абсолютно одинаково. Свет отB, вернее свет от A, идущий по кривой, немного запаздывает. Покаквазар не меняется, A от B не отличить. Но вотЗ а д а ч а 87. На квазаре произошла вспышка, зарегистрированная земным наблюдателем. Двойник, возникший благодаря галактике, расположенной на расстоянииl = 109 св. лет от Земли, «мигнул» с запозданием в двоесуток (τ = 1,73 · 105 с). Угловое расстояние между квазароми двойником α = 3 · 10−5 рад. Определить расстояние доквазара.В общем ситуация такая же, как в предыдущей задаче (как нарис.
19). Но одно отличие не упустим из виду: расстояние от квазарадо галактики теперь не равно расстоянию от галактики до Земли.Свет всегда идёт по кратчайшему пути, точнее, по пути, требующему наименьшего времени. Если он идёт по кривой, значит, кратчайшийпуть (так называемая геодезическая) — кривая. Раз свет и в вакуумеизбирает непрямолинейный путь, значит само пространство, описываемое ОТО, — неевклидово, искривлённое пространство.
И искривляютего силы тяготения.***Так что же такое все-таки общая теория относительности? Математический аппарат теории довольно сложен, поэтому о нём постараемсядаже не упоминать. Но ведь как раз Эйнштейн сказал: «Главное всеже содержание, а не математика». Начать придётся издалека.77Ньютон был чуть ли не единственным человеком, который видел слабые места своей картины мира. Главная слабость — мгновенное дальнодействие. В процессе гравитационного взаимодействия тела«знают» о том, где в данный момент расположены все их партнеры.Неразрешимый вопрос — как это получается.
Сработала «бритва Оккама». Не уверен, что Ньютон читал старинного даже для его временибогослова. По-видимому, и до этого он дошёл сам, но посмотрите, какпохоже на Оккама звучат слова Ньютона:«Правило 1. Не должно принимать в природе иных причин сверхтех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений».А для объяснения явлений ньютонова механика была достаточнавплоть до конца XIX века. Одним из краеугольных камней этой механики был галилеев принцип относительности. Из него вроде бы однозначно вытекал закон сложения скоростей: если на корабле стреляютиз пистолета и пуля вылетает со скоростью v, а сам корабль движетсясо скоростью V , то скорость пули относительно Земли будет v + V .И вот, когда скорость света измерили, так сказать, вдоль и поперёк, оказалось, что свет не хочет реагировать на движение источника.Из какого бы пистолета ни выстрелили световым лучом, в какой бысистеме ни измеряли его скорость, всегда получается одно и то же —c = 300 000 км/с.
Новый закон сложения скоростей, при котором скорость света была бы всегда одна и та же, придумать удалось10 . Ноникак не удавалось его понять.Только в государственной службепознаешь истину.К. ПрутковВ 1900 году некто Альберт Эйнштейн, окончив Высшую техническую школу в Цюрихе, получил право преподавать физику. Право, ноне возможность: отзывы учителей не блестящие, взгляды слишком самостоятельные.
Кому нужен такой преподаватель? Только через двагода Эйнштейн получает, причём по протекции, постоянную работу,да и то — место технического эксперта в Патентном бюро. Одно хорошо — эта «государственная служба» оставляет достаточно времени,чтобы пытаться «познавать истину».10 Забавная, хотя и не столь редкая в науке, ситуация: соотношения, ведущие кновому закону сложения скоростей, придумал О.
Хевисайд, опубликовал В. Фохт,первым не без робости применил Дж. Фитцджеральд, обосновал А. Пуанкаре, объяснил А. Эйнштейн, и всё это называется. . . преобразования Лоренца (!) — и совершенно справедливо.78И вот в 1905 году этот, как он себя называл, «патентованный батрак» публикует статью под невыразительным названием «К электродинамике движущихся тел».
Что же сделал Эйнштейн?Движущееся и движениеудовлетворительно не различимы.У. ОккамЭйнштейн, как и Ньютон, вряд ли опирался на сомнительный авторитет Оккама. Просто он, говоря языком протокола, распространил принцип относительности на все физические явления. У Ньютонасохранялось абсолютное пространство. И если механические явленияне позволяли выделить абсолютно неподвижную систему отсчёта, токакие-нибудь другие, возможно, и могли позволить сделать это. Вот,например, свет, который как-то странно себя ведёт, — может быть,именно он? Нет, сказал Эйнштейн, ни свет, ни что-либо другое, потому что абсолютного пространства, как и абсолютного времени, несуществует.
Это во-первых. А во-вторых, раз Природа нам твердит —скорость света ни от чего не зависит, так что же упрямиться, давайтеповерим ей.И оказывается, если принять эти два постулата, все результатыизмерений можно логично объяснить. Правда, нужна ещё одна «мелочь»: надо ясно понять, что и как мы измеряем. И вот этот, логически самый сложный пункт программы, Эйнштейн тоже выполнил.Все стало на свои места. Преобразования Лоренца — не какой-то способ подгонки под ответ, а необходимое следствие специальной теорииотносительности.Изумительно! Просто, как всё гениальное!Изумились все.
Признали, пусть даже не гениальным, а только правильным, не все и не сразу. Чтобы проиллюстрировать, насколько Эйнштейн «видел дальше других», приведём два факта из его биографии.В 1913 году Эйнштейна избирают действительным членом Берлинской академии наук. Представление составляет Планк. Он характеризует Эйнштейна как талантливейшего исследователя, но отмечает, чтотот «в своих спекуляциях может иногда заходить слишком далеко, как,например, в гипотезе световых квантов». И это пишет «изобретатель»кванта11 !11 Своё мнение о «спекуляциях» Эйнштейна М. Планк со временем изменил. Ноне о его таланте.
И он не побоялся высказать это мнение даже в 1933 году, когда Эйнштейн был объявлен «врагом нации»: «Эйнштейн — это физик, работыкоторого. . . можно сравнить только с достижениями Иоганна Кеплера и ИсаакаНьютона».79В 1921 году, уже давно признанный великим учёным, уже создавший свой главный шедевр — общую теорию относительности, Эйнштейн получает Нобелевскую премию «за заслуги в области математической физики и особо за открытие закона фотоэлектрического эффекта» — за спекуляции о световых квантах! Но вот о двух теорияхотносительности — молчок.Почему же их все-таки две?Принцип относительности — Галилея ли, Эйнштейна ли, все равно — говорит о равноправии инерциальных систем отсчёта.
А какиесистемы инерциальны? Которые движутся равномерно и прямолинейно относительно других инерциальных систем. Давайте найдём какуюнибудь одну инерциальную систему, и тогда. . . Но где её взять? Гдепроверить, что «тело, на которое не действуют никакие силы, сохраняет состояние. . . » и т. д.? Можно ли найти место, где не действуютникакие силы? Вряд ли это удастся, и в первую очередь трудностивозникают с силами тяготения — ведь тяготение всемирное.А нельзя ли его «выключить»? Можно.
Примером может служитьневесомость в свободно падающем лифте, на спутниках. «Несправедливость», неприменимость второго закона Ньютона в неинерциальных системах (там приходится вводить для его спасения силы инерции) как раз устраняется благодаря тому, что гравитационные силыи силы инерции компенсируют друг друга. Для этого, правда, надо, чтобы гравитирующая масса — та, которая фигурирует в законеF = GM m/r2 , была бы в точности равна инерционной, входящей вформулу второго закона Ньютона: F = ma.До сих пор мы об этом умалчивали, учёные до Эйнштейна считалиравенство масс экспериментальным фактом, в какой-то мере счастливым совпадением. Однако Эйнштейн опять вместо стыдливой подгонки под ответ рубит Гордиев узел — постулирует равенство масс какзакон природы.Итак, свободно падающий ящик — вот идеально инерциальная система отсчёта.
Там уж тело будет покоиться или двигаться прямолинейно и равномерно; всё можно убрать, кроме тяготения и инерции, аони компенсируют друг друга. А разве «крышка Леонова» двигаласьравномерно и прямолинейно? Сначала — да. А за период обращенияспутника? Конечно, нет.Верно, говорит Эйнштейн, поле тяжести легко выключить, еслионо однородно. А в масштабах целой орбиты спутника разве можноговорить об однородности поля тяготения Земли?Как же ведёт себя поле тяготения? Вполне прилично и достаточнопросто. Но, конечно, это на вкус Эйнштейна.
Во-первых, его можно80«кое-где порой» выключить — двух масс нет, масса одна. Во-вторых,оно распространяется с конечной скоростью — сигнал об изменении положения притягивающего тела летит к притягиваемому телу не быстрее света.И третье: поле имеет энергию, а значит массу, поскольку E = mc2 .Следовательно, гравитационное поле само создаёт гравитационное поле! Последнее заявление кажется не вполне корректным — вспомнимрассуждения на с.
73. Так оно, конечно, и есть. Говоря чуть строже, тела (массы) искривляют пространство, но это искривление само вноситдополнительное искривление.Может быть, немного пояснит ситуацию аналогия. Расчёт гравитационного поля по Ньютону сравним с расчётом удара абсолютноупругого шара об абсолютно упругую стенку: со стенкой ничего непроизойдёт, нетрудно сообразить, как должен вести себя шарик. А вотесли шарик налетает на шарик, надо рассматривать сразу поведениеих обоих: не знаешь, что будет со вторым шариком, не поймёшь, какбудет вести себя первый.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
