Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Решающий шаг
Ценой огромных усилий, изучив и применив не известное ему ранее тензорное исчисление (разработанное специально для решения сложных задач механики твердых тел), Эйнштейн пришел к системе уравнений, объединяющей все механические и электромагнитные процессы.
Новые уравнения показали существование удивительных связей: свойства пространства зависят от распределения в нем вещества. В свою очередь движения материальных тел зависят от свойств этого же пространства.
Теперь стало понятно: движение любого тела во Вселенной, если на него действуют только силы тяжести, определяется лишь расположением рассматриваемого тела относительно всех остальных тел, разбросанных в пространстве. Конечно, основное воздействие оказывают близкие тела. Новые уравнения описывают любые движения, и поэтому они сложнее прежних.
Несмотря на сложность уравнений, Эйнштейну удалось решить их. Он обнаружил, что они объясняют одно непонятное явление и предсказывают два неизвестных явления.
Простейшей задачей вычислительной астрономии является исследование движения планеты вокруг Солнца. Конечно, она становится простой, только если пренебречь влиянием остальных планет на движение рассматриваемой планеты. Эту задачу впервые решил Ньютон.
Оказалось, что установленные им законы механики, включая закон всемирного тяготения, приводит к движениям по орбитам, форму которых установил Кеплер. Планеты движутся по эллипсам. В одном из фокусов этих эллипсов находится Солнце. Ньютон получил этот результат не из наблюдений, как Кеплер, а из закона тяготения и уравнений механики.
Естественно, что Эйнштейн начал проверку своих новых уравнений с решения той же задачи. Он не сомневался в том, что придет к результату, полученному Ньютоном. Это подтвердило бы правильность новых уравнений. Будь результат другим, он противоречил бы наблюдениям астрономов.
Результат оказался неожиданным. Конечно, он был близок результату Ньютона. В первом приближении, на первом этапе приближенного решения новых уравнений получалось, что планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых расположено Солнце. Однако было и различие. На втором этапе, при уточнении полученного решения, оказалось, что эти эллипсы не неподвижны. Они сами очень медленно вращаются вокруг Солнца.
Все знали, что это не так. Знал это и Эйнштейн. Но он верил в правильность новых уравнений и в то, что при их решении не допущена ошибка. Он не пал духом. Может быть, астрономы просто не заметили этого медленного вращения?
Эйнштейн начал тщательно изучать статьи астрономов, исследовавших движение планет. И был вознагражден. Несколько астрономов сообщали о странном и необъяснимом движении орбиты планеты Меркурий. Это вращение не могло быть следствием влияния других известных планет. Такие гипотезы не подтверждались расчетами. Оставалась единственная гипотеза: может быть, между Меркурием и Солнцем существует еще одна планета, орбита которой очень близка к Солнцу? Столь близка, что ее не удается увидеть на фоне зари. Но астрономы с сомнением относились к этой гипотезе. Они просто приняли к сведению, что существует еще не объясненное медленное вращение орбиты планеты Меркурия, в результате которого Меркурий описывает в пространстве сложную кривую. Эйнштейн понял всю важность этого факта для его теории. Ведь уравнения новой теории относительности предсказывали медленное смещение орбиты Меркурия. Замечательно, что полученная величина скорости вращения орбиты точно совпала с величиной, известной из непонятных ранее астрономических наблюдений.
Итак, новая теория объяснила загадку Меркурия. Теперь о предсказаниях. Из теории следовало, что луч света проходящий вблизи края диска Солнца, должен изменить свое направление — искривиться, — причем величина этого искривления складывается из двух равных величин. Первая возникала из-за того, что, в соответствии с первоначальной теорией относительности, кванты света (фотоны) обладают определенной массой и поэтому притягиваются к Солнцу. Вторая величина, равная первой, обусловлена тем, что само пространство вблизи Солнца искривлено силой тяготения. Эти две причины приводят к тому, что лучи света, распространяющиеся вблизи Солнца, перестают быть прямыми и искривляются вместе с искривлением пространства.
Это предсказание было блестяще подтверждено специальной экспедицией астрономов, наблюдавшей под руководством А. Эддингтона солнечное затмение 1919 года.
Сообщение о том, что луч света — символ прямизны — искривился в соответствии с предсказанием теории, вышло за пределы ученых собраний и разнеслось по всему миру, порождая славу создателю удивительной теории, ранее известному только узкому кругу специалистов.
Новая теория получила название «Общая теория относительности», а первоначальную теорию начали называть «Специальная теория относительности», так как она относится только к специальному случаю равномерных и прямолинейных движений.
Создатель теории понимал то, что еще оставалось скрытым от многих. Общая теория относительности есть прежде всего теория тяготения. Она впервые объяснила тайну тяготения, мучившую Ньютона. Ньютон был вынужден считать, что сила тяготения мгновенно и полностью схватывает все мировое пространство, что она распространяется бесконечной скоростью. Он не мог объяснить, как она действует, как возникает.
Бесконечную скорость распространения силы тяжести отвергала уже Специальная теория относительности. В ее основе лежало убеждение Эйнштейна в том, что нет и не может быть движений или передачи сигналов со скоростью, превышающей скорость света. Общая теория относительности объяснила, как и почему возникает сила тяготения. Это объяснение казалось парадоксальным даже крупным ученым. Теперь нам кажется естественной суть теории и ее вывод: сила тяготения есть не что иное, как проявление искривления пространства под действием массивных тел. Это искривление распространяется во все стороны не бесконечно быстро, а со скоростью света. Таково второе предсказание теории относительности — предсказание существования гравитационных волн. Эти волны действуют на материальные тела очень слабо, и поэтому, несмотря на все усилия, до сих пор их не удалось обнаружить в земных лабораториях.
Но Эйнштейн понимал, что, несмотря на малую величину энергии, уносимой гравитационными волнами, они приводят к важному ограничению созданной им Общей теории относительности. Здесь прослеживается аналогия с ситуацией, приведшей к возникновению квантовой механики.
Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом после открытия им атомных ядер, противоречила электродинамике Максвелла. Электрон, вращающийся вокруг ядра, в соответствии с уравнениями Максвелла обречен излучать электромагнитные волны, затрачивая на это энергию своего движения. Если это так, электрон постепенно приблизится к ядру атома и в конце концов упадет на ядро. Это должно привести к разрушению всех атомов, что противоречит опыту.
Как известно, Бор устранил это противоречие, предположив, что теория Максвелла неприменима к атомам что в микромире действуют иные законы, не приводящий к излучению электромагнитных волн электронами, вращающимися по устойчивым орбитам вокруг ядра. Впоследствии первоначальный
