Чердак. Только физика, только хардкор! - Дмитрий Побединский

Невероятно трудно представить, как искривляется четырехмерное пространство. Чтобы это воочию увидеть, нужно быть пятимерным существом. Давайте рассмотрим более простой, хоть и не очень корректный пример.

Каждое массивное тело искривляет под собой пространство, создавая тем самым некую образную воронку. Другие тела, пролетающие мимо, не могут продолжить движение по прямой и изменяют свою траекторию согласно изгибам. Ну а если энергии у тела не очень много, его движение может стать даже замкнутым. Стоит отметить, что с точки зрения движущихся тел они перемещаются по прямой, по инерции, и не чувствуют ничего такого, что заставляет их повернуть. Просто они попали в плохую компанию, то есть в искривленное пространство, в котором, сами того не осознавая, скатываются по наклонной, то есть имеют непрямолинейную траекторию. Для них это равномерное движение. Конечно, не стоит забывать, что искривляется на самом деле четырехмерное пространство, в том числе и время, так что к этой аналогии нужно относиться очень осторожно.

Таким образом, в ОТО гравитация – это вообще не сила. Это не сила действует на падающее яблоко. Это пространство кривое, и нам кажется, что тела в нем притягиваются. Хотя это просто проявление искривления. Общая теория относительности на данный момент является самой рабочей теорией возникновения гравитации и хорошо согласуется с экспериментом.

Следствие № 1. Гравитационные линзы

Общая теория относительности порождает удивительные следствия. Например, искривление световых лучей около массивных объектов. Сейчас это называют гравитационным линзированием. Обнаружено очень много далеких космических объектов, которые прячутся от нас за другими. Но мы их все равно увидели. Ведь лучи света, пройдя мимо массивного объекта, искривляются и попадают к нам. В итоге мы даже видим несколько искаженных изображений объекта, а не одно.

Следствие № 2. Замедление времени

Время замедляется при наличии гравитации. Действительно, чем сильнее гравитация, тем медленней течет время. Поэтому у тех, кто работает на первом этаже, рабочий день длится чуть дольше, чем у тех, кто на последнем.

Этот факт, кстати, учитывается при работе GPS и ГЛОНАСС. На спутниках установлены точнейшие атомные часы, и необходимо точно отслеживать, как будет искажаться время на большом расстоянии от Земли. Если этого не делать, уже через сутки погрешность координаты будет составлять километра два! Так что, когда вы пользуетесь навигатором, помните: именно благодаря Эйнштейну вы можете найти, где этот клуб или где поблизости купить пончики.

Следствие № 3. Черные дыры

Возможно существование черных дыр, в которых гравитация настолько сильна, что на каком-то расстоянии время просто-напросто останавливается и свет оттуда не может вылететь. Однако в центре черной дыры из-за неконтролируемого гравитационного сжатия образуется объект с бесконечной плотностью, который называют сингулярностью. Теория относительности не дает ответа на вопрос, что происходит именно в сингулярности, этот вопрос пока остается открытым.

Парадоксы

Самым известным парадоксом теории относительности является парадокс близнецов. Представьте, что один из двух близнецов отправляется в космическое путешествие на супермегакосмическом корабле. Он разгоняется до околосветовой скорости и так летит 20 лет. Потом разворачивается и летит обратно на Землю. Для его земного близнеца пройдет 40 лет. Однако для космонавта пройдет всего 5 лет, ведь он двигался с большой скоростью, и время у него замедлилось. Это удивительно, но парадокс не в этом.

Парадокс вот в чем. А что, если считать, что космонавт был неподвижен, а это Земля удалялась от него и это у земного близнеца замедлилось время и он должен быть моложе? Как же на самом деле будет?

А будет так: моложе все-таки останется космонавт. И правда, все выводы специальной теории относительности подходят только для равномерно движущихся объектов, ведь всякое равномерное движение равнозначно другому. Однако здесь космонавт ускоряется, тормозит и чувствует это ускорение. Представьте даже: построили две ракеты без окон и дверей, только одна фальшивая, а другая настоящая. Посадили в каждую из них близнецов, и одна из ракет улетела. Когда один из близнецов поймет подвох? Да сразу же, ведь он не почувствует ускорения! Значит, ракеты не равнозначны, значит, нельзя их просто менять местами без дополнительных оговорок. Более детальный подсчет показывает, что именно космонавт будет моложе.

Искривление пространства. Сфера Римана

Как уже было сказано, невероятно трудно представить, как искривляется четырехмерное пространство. Мы, трехмерные создания, легко можем увидеть только то, как искривляется двухмерное пространство – плоскость. Оно даже может стать замкнутым. И в этом искривленном пространстве могут происходить необычные вещи. Например, представьте, что двухмерные существа поругались, расстались, решили никогда не видеться и разошлись под углом в 90 градусов друг к другу. Если бы пространство было плоское, то они никогда бы и не встретились. Но если оно кривое, то, долго-долго бредя по прямой линии, они снова увидят друг друга! Простят, забудут все обиды… Эх, как хорошо, что оно искривлено!

Этим можно объяснить движение, например, яблока, брошенного вверх. По одной оси отложено время, по другой координата яблока. Я бросаю яблоко вверх, по координатной оси. И оно, согласно общей теории относительности, будет лететь равномерно и прямолинейно вдоль этой оси. Но все кривое, и эта ось как бы опять пересечет временную. Таким образом яблоко опять окажется в той точке, откуда стартовало.

Такая аналогия не совсем корректна, так как искривляется еще и время, но не стоит преуменьшать ее значимость – она очень понятная. Не стоит также забывать, что искривляется не двухмерное пространство, и даже не трехмерное, а четырехмерное!

6.4. Левитация. Реальные способы

Согласитесь, было бы здорово, если бы мы умели летать благодаря только силе мысли. Становиться легкими, как пушинка, парить над землей, преодолевать огромные расстояния по воздуху, словно сказочный Питер Пэн… Эх, мечты, мечты! Такое возможно только в далеком будущем. А может быть, нет?

Что такое левитация?

Это состояние, в котором объект парит в пространстве без какой-либо механической поддержки и опоры и не отталкивается от воздуха, как птица или насекомое. Для левитации необходимо выполнение двух условий: наличие силы, противодействующей силе тяжести, и стабилизация в устойчивом положении равновесия.

Существует огромное количество простых и неинтересных способов, благодаря которым небольшие тела могут парить в воздухе и которые технически можно назвать левитацией. Например, благодаря выталкивающей силе Архимеда. Если мы возьмем прозрачный газ тяжелее воздуха, например элегаз, то легкие объекты будут плавать на его поверхности, как корабли на поверхности воды. Невесомость на орбите или специальном самолете – тоже в какой-то степени левитация. Существует левитация в акустических стоячих волнах, которые всегда представляют собой волны сжатия-разрежения. Небольшие предметы могут зависать в областях разрежения, где плотность ниже.

Есть и более интересные способы. Например, магнитная левитация с обратной связью. Магниты могут притягиваться друг к другу. Однако повесить один магнит на другой невозможно, ведь такое состояние неустойчиво. Но если вместо верхнего магнита использовать электромагнит, который можно включать и выключать, и систему обратной связи, то можно добиться левитации. Действительно, как только нижний магнит начинает притягиваться, система обратной связи отключает верхний. Нижний начинает падать, верхний включается. Если очень точно отслеживать положение магнита, то эти колебания будут незаметны, и можно сказать, что возникает левитация. На этом принципе основаны высокоскоростные поезда на магнитной подвеске – маглевы, а также левитирующие глобусы, продающиеся во многих сувенирных магазинах.

Но мы вряд ли станем в будущем пользоваться этими громоздкими и затратными способами, для того чтобы парить в воздухе. Есть ли что-то более простое, эффектное и элегантное? Есть!

Эффект Мейснера

Для начала рассмотрим очень интересный эффект. Что будет, если уронить магнит? Да ничего особенного, он просто упадет. Но если мы посмотрим, как он будет падать в медной трубе, то увидим: он многократно замедляется и медленно опускается, словно возникает сила, противоположная притяжению к земле.