Книга: Царство Солнца. От Птолемея до Эйнштейна

ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА

ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА

Но 1900 г. стал годом научной революции, еще более значительной, чем та, что  произошла в 1600-х гг. во времена Коперника и  Галилея. Ученые обнаружили, что атомы,  считавшиеся самыми маленькими частицами, можно разбить на гораздо более мелкие элементы. Разрабатывались странные понятия в  области энергии. Оказывалось, что энергия  существует в виде маленьких порций, называемых квантами, точно так же, как материя состоит из атомов.

И что важнее всего, два американских физика, Альберт Майкельсон и Э.У. Морли, в 1887 г. попытались измерить скорость света, когда свет двигался в разных  направлениях. С помощью очень чуткого  прибора, называемого интерферометром, эти двое измерили скорость света, когда он двигался в направлении движения Земли и поперек этого направления. Они надеялись, что по разнице в этих скоростях смогут определить скорость, с которой движется Земля.

Видите ли, все были согласны с тем, что Земля движется вокруг Солнца с  определенной скоростью, 32 километра в секунду.  Однако и само Солнце не стоит на месте. Все звезды движутся, хотя они расположены  настолько далеко, что изменения их  положения нельзя различить невооруженным  глазом, пока не пройдет несколько веков (вот почему их всегда и считали «неподвижными звездами»).

Солнце тоже движется, вращаясь вокруг некоторой точки в Млечном Пути и тратя на один оборот миллионы лет. Эта центральная точка Млечного Пути тоже движется.

Тогда встает вопрос: есть ли во  Вселенной что-то, что не двигалось бы, оставалось бы абсолютно неподвижным? Если это так, то скорость Земли можно было бы сравнить с ним.

В 1887 г. считалось, что вся Вселенная заполнена веществом, называемым «эфир». Именно эфир переносил световые волны, магнитные силы и тому подобное. Более того, предполагалось, что он совершенно неподвижен. Майкельсон и Морли надеялись, что, обнаружив различие в скорости света, когда она складывается с видимой  скоростью Земли и направлена перпендикулярно к ее движению, они измерят  «истинное»  движение.

К изумлению Майкельсона и Морли,  скорость света оказалась одинаковой, вне  зависимости от направления. Они повторили этот эксперимент, как это сделали и другие люди, но результат всегда оставался таким. Скорость света (в вакууме) не менялась,  независимо от движения объекта, который  испускал свет.

Это истолковали так, что эфира не  существует и во Вселенной нет ничего, что  можно было бы считать неподвижным. Однако наличие Вселенной, в которой все движется и ничто не находится «в состоянии покоя», с которым можно сравнивать все движение, опрокидывало некие основополагающие  понятия, которые ученые имели со времени Ньютона.

В 1905 г. двадцатишестилетний немецкий математик но имени Альберт Эйнштейн,  работавший в тот момент в патентном  ведомстве в Швейцарии, опубликовал статью, в которой выдвинул то, что называют  специальной теорией относительности. В ней он попытался разработать систему вселенной, где свет в вакууме всегда двигался с  одинаковой скоростью. Оказалось, что такая вселенная должна сильно отличаться от той, которую знали ученые.

Например, длина объекта изменялась в  соответствии с его скоростью, и то же  происходило с количеством материи в нем. В старой вселенной системы Ньютона длина и  количество материи никак не были связаны со  скоростью. Опять же, во вселенной Эйнштейна материя была эквивалентом энергии, а  энергия — материи, в соответствии с очень  простой формулой; одно могло превращаться в другое. В системе Ньютона материя и энергия не были связаны.

Ну, так какая же система правильная? Обе они не могли быть правильными.  Проблема в том, что это трудно определить. При обычных условиях система Эйнштейна дает ту же картину, что и система Ньютона.  Например, при обычных скоростях, скажем, до полутора тысяч километров в секунду,  изменения длины или количества материи  настолько малы, что их невозможно  обнаружить. При обычных условиях столь малая часть материи переходит в энергию или  наоборот, что заметить нельзя.

Только при экстремальных условиях, при скоростях в сотни тысяч километров в  секунду или при радиоактивном распаде,  появляется огромное различие между системами  Эйнштейна и Ньютона, и тогда мы можем вынести решение.

Например, в 1915 г. Эйнштейн  опубликовал еще одну статью, где была выдвинута общая теория относительности, в которой он применил новые принципы Вселенной к гравитации. В соответствии с теорией  Эйнштейна, гравитация — это не сила, которая удерживает объекты. На самом деле  оказывалось, что она появлялась потому, что пространство рядом с массивным телом  искривлялось. Чем больше тело, тем более сильным было искривление.

Небольшое скопление материи,  приближающееся к более крупному телу, просто следует по изгибу и вращается вокруг него. Это вполне естественная вещь: так сани, быстро мчащиеся с горы и  подкатывающиеся к крутому склону, естественно  взбираются на этот склон, начиная двигаться по изогнутой траектории.

Конечно, искривление пространства  действует так, что движение планет  оказывается приблизительно таким, как если бы между ними и Солнцем действительно  существовали гравитационные силы, как это предположил Ньютон. Разница становится заметной только при экстремальных  условиях.

Одним из экстремальных условий  можно назвать ситуацию, когда маленькое  тело оказывается очень близко от крупного. В нашей Солнечной системе Меркурий — единственная планета, которая находится достаточно близко от Солнца, так что  условия становятся достаточно экстремальными, чтобы продемонстрировать различие между системами Ньютона и Эйнштейна. Это  добавочное перемещение перигелия в 40  секунд за сто лет не может быть объяснено с помощью гравитационной математики, зато его можно точно объяснить с помощью  релятивистской механики.