Открытие законов относительности

Все в природе движется относительно чего-то. Одно из тел является точкой отсчета, с которой связана выбранная система координат. Например, спрыгнувшие с самолета одновременно и держащиеся при этом за руки парашютисты движутся относительно самолета и земной поверхности, тогда как относительно друг друга они неподвижны! Система отсчета, принятая для решения большинства задач в механике, связана с Землей. Она кажется нам неподвижной, а сами мы движемся относительно нее.

Приведенный здесь принцип относительности был сформулирован Галилеем, который утверждал, что в инерциальной системе отсчета нельзя обнаружить какими-либо физическими опытами ее движения.

Конечно, Земля не является идеальной системой отсчета. Уже древние египтяне, проводя астрономические наблюдения, смутно догадывались, что планета обращается вокруг Солнца. Циклоны, пассатные ветра, искривление течения рек под влиянием кориолисовой силы и ход маятника Фуко свидетельствуют о действительном вращении планеты.

Тем не менее подавляющее большинство механических опытов, проводимых в системе отсчета, связанной с Землей, не выдают ее космического движения. Вот почему такую систему можно с полным правом считать инерциальной. Из принципа относительности Галилея следует, что любые природные явления — химические, биологические, ядерные, электрические и пр. — протекают во всех инерциальных системах отсчета абсолютно одинаково и подчиняются общим законам. В таком случае результат наблюдений никак не зависит от наблюдателя.

Отталкиваясь от этих положений, великий немецкий физик А. Эйнштейн разработал в 1905–1915 гг. свою теорию относительности. Учение Эйнштейна в целом образовано двумя взаимодополняющими теориями — специальной и общей (СТО и ОТО). Эйнштейн выдвинул положение, согласно которому инертные и гравитационные свойства тел эквивалентны. Гравитация и инерция настолько тесно связаны, что образуют неразрывные части единого целого. Другой постулат теории относительности гласит, что скорость света постоянна во всех системах отсчета. Она неизменна и равна 300 000 км/с. Это максимальная скорость передачи взаимодействия в природе.

Из физики Эйнштейна следуют интересные выводы. Оказывается, физика Ньютона во многих положениях неверна и не может применяться для исследования Вселенной. Классическая механика представляет собой частный случай теории относительности, который допустимо применять лишь с оговорками. Одним из главных отличий ньютоновой и релятивистской (англ. relative — относительный) физик является учение о строении мирового пространства и сущности времени.

По Ньютону, пространство и время абсолютны и не зависят от материи, которая существует и реализуется в них. Для Эйнштейна пространство-время — единая форма материи, на которую влияет распределение энергии и вещества. Пространство, как сейчас установлено, расширяется, закручиваясь в виде винтовой лестницы вокруг однонаправленной стрелы времени. Это определяет видимое разбегание галактик и необратимость хода физических процессов, в т. ч. и неуклонного роста энтропии.

Гравитационные поля массивных тел и вещества в целом искривляют пространство. Оно, будучи материальным и зависимым от остальных форм материи, не может существовать без гравитации, его сила действует даже при свободном движении тел, когда прочие силы удается устранить. Вот почему искривленность является естественным и единственно возможным свойством пространства.

Таким образом, если Ньютон ошибался, то почему его все еще превозносят как великого ученого и не отказываются от его устарелой механики? Причиной тому служит один-единственный факт. Теория относительности дает точность, которая не может быть соблюдена в промышленности, да и не требуется никому. Например, если мы посредством классической формулы для измерения скорости (скорость = путь/время) получим значение, то оно будет отличаться от истинного — полученного посредством релятивистской механики — на ничтожную долю от поперечника атомного ядра.

Следовательно, погрешность ньютоновой физики настолько мала, что ошибкой можно смело пренебречь при инженерном конструировании. Всякое современное устройство представляет собой совокупность простых машин, объединенных в более сложные системы. А действие всех простых машин подробно описывается законами классической механики. Одним из наиболее любопытных доказательств правоты теории относительности является искривление световых лучей под действием гравитации. Еще Ньютон предупреждал, что световой луч отклоняется в поле тяжести и изменяет свой путь. Релятивистские эффекты вносят существенные поправки в формулы классической теории гравитации, поэтому если ученые смогли бы измерить величину такого отклонения, то сразу стало бы ясным, какая формула справедлива — Ньютона или Эйнштейна.

Поскольку в лаборатории нельзя поставить соответствующий эксперимент, то на первый взгляд проверка релятивистской механики таким способом невозможна. Однако природа предоставила человеку возможность увидеть искривление лучей, которое имеет место во Вселенной. Космос является областью сверхбольших масс и звездных лучей.

Первым решил проверить, не отклоняются ли звездные лучи под действием чудовищной гравитации крупных космических объектов, астрофизик А. Эддингтон. Этого человека в шутку называли одним из трех физиков, которые действительно понимают теорию относительности. Эддингтон выбрал для астрономических наблюдений остров Принсипи близ африканского побережья. Здесь в мае 1919 г. можно было наблюдать солнечное затмение. Сияние солнца на время снижалось, и астрономы свободно смогли увидеть звезды, находящиеся близ солнечного диска. В таком случае можно было бы заметить и измерить искривление лучей, идущих от звезды под влиянием солнечного тяготения.

Подобное искривление представляется наблюдателю как изменение положения звезды на небосводе. Светило будто бы смещается, стремится удалиться от Солнца на большее расстояние. Фотографии звезд у Солнца во время затмения показали, что лучи отклонились на 1,5 секунды дуги, что прямо следовало из формул Эйнштейна.

Несколько позднее удалось обнаружить гравитационные линзы, существование которых объясняется теорией относительности. Так названы массивные космические тела, которые не только отклоняют световые лучи, но и посредством их строят новое изображение. Сходным образом действуют обычные преломляющие линзовые системы.

Вероятно, термин «гравитационная линза» появился в 1920-е гг., хотя двойных изображений во Вселенной в то время никто не наблюдал. Только в 1927 г. американский астроном Ф. Цвикки предложил способ поиска построенных изображений. Гравитационными линзами, раздваивающими или размножающими световые лучи от космических тел, могут служить далекие галактики и гипотетические «черные дыры», обладающие фантастической массой. Но, несмотря на столь удачную рабочую гипотезу, впервые «гравитационная линза» была открыта лишь по прошествии 40 лет.

В конце 1960-х гг. астрономам удалось наблюдать два квазара — радиоисточника большой мощности неизвестной природы — на расстоянии 2500 Мпк от Земли (1 мегапарсек приближенно равен 30,86 на 10¹⁸ км). Оба квазара были удалены на абсолютно одинаковое расстояние, имели полностью тождественную структуру и спектр излучения. Различий не было никаких, как если бы объекты являлись близнецами. Поскольку столь высокого сходства между двумя удаленными космическими телами быть не может, то оставалось предположить, что перед учеными находится раздвоенное изображение далекого квазара, созданное мощной «гравитационной линзой».

К такому заключению пришли астрофизики в 1979 г. после 10 лет проверок и дополнительных наблюдений. А спустя некоторое время удалось заметить массивное тело, порождающее иллюзию. Это гигантская галактика, удаленная от Земли на 1 Мпк. Она расположена ближе к Земле и загораживает собой далекий квазар. Зато галактика компенсирует свое вредное действие, искривляя его лучи и перенаправляя их к земному наблюдателю. Ход лучей менялся таким образом, что они как бы обтекали галактику и поступали на Землю с двух позиций. В результате создавались два изображения якобы совершенно разных тел, расположенных далеко друг от друга.

Самый значительный случай гравитационного линзирования в природе — т. н. крест Эйнштейна. Массивные галактики способны не только раздваивать изображение находящегося позади объекта, но и четырехкратно его размножать. В результате по краю галактики-линзы размещаются 4 мнимых изображения, которые образуют крестообразную фигуру. Сама галактика располагается в центре креста. Один такой крест находится в 2500 Мпк от Земли. Линзирующая галактика находится гораздо ближе — примерно в 120 Мпк.

Увы, крест Эйнштейна чрезвычайно редко наблюдается, впрочем, равно как и кольца Эйнштейна. Если смотреть сквозь дно стеклянного стакана на дома, то они будут казаться кругообразно искривленными. Сходную картину заметили астрономы в космосе. Гравитационные линзы в особых условиях способны влиять на световые лучи точно так же, как дно стакана. Вот только искривляется при этом изображение не домов, а далеких галактик. В 300 Мпк от нас находится скопление звездных систем, которое своим тяготением искривило свет от более далеких объектов (1500–2000 Мпк) и превратило его в яркое колечко, окаймляющее это скопление.

В последние годы ученые все чаще подвергают критике общую и специальную теории относительности, указывая при этом различные недостатки. В роли критиков нередко выступают далекие от науки люди, узнавшие о том, будто бы Эйнштейн в чем-то ошибся и не вникающие в суть споров между физиками. Раздаются даже призывы отбросить релятивистскую физику, поскольку она тормозит науку.

Конечно, теория относительности принесла немало вреда любителям фантастики, которые увлечены межзвездными перелетами и т. п. Однако учение Эйнштейна построено верно, во многих своих положениях доказано экспериментальным путем, сформулировано четко, строго и гармонично. Один из крупнейших отечественных специалистов в данной области В. Л. Гинсбург справедливо утверждает, что эта физическая теория обладает исключительной глубиной и красотой.

Но никто не приносит учению так много пользы, как его рьяные противники, если их критика, конечно, обоснована. Нельзя сказать, чтобы ученые, выступающие против СТО и ОТО, строили свои контрверсии на пустом месте. Среди релятивистских учений, идущих вразрез с эйнштейновской физикой, найдется немало надуманных гипотез. Но есть и здравые учения. Среди них следует упомянуть как наиболее удачную и корректную в физическом плане т. н. релятивистскую теорию гравитации (РТГ).

Автор новой теории гравитации — академик А. А. Логунов, разрабатывавший свое учение на основе релятивистской физики в течение многих лет. Еще в конце 1970-х гг. Логунов выступил с критикой теории Эйнштейна и начал развивать другое релятивистское учение в противовес СТО и ОТО. В 1984 г. РТГ приняла в целом свой нынешний вид, т. е. была окончательно сформулирована как научная теория.

Один из главных недостатков теории относительности создатель РТГ видит в отсутствии в ней согласования с законами сохранения. Как известно, законы сохранения лежат в основе всей современной физики. Они настолько справедливы и неоднократно доказаны многочисленными экспериментами, что нет оснований сомневаться в их правоте. Отрицать сохранение материи бессмысленно, эти законы незыблемы. А потому они обязательно должны содержаться в теории гравитационного поля, равно как и любого другого.

ОТО не содержит в себе законов сохранения, она как бы обходится без них, хотя объясняет мировые явления. На первый взгляд учению Эйнштейна нисколько не вредит то обстоятельство, что какие-то вопросы ученый не затрагивает. Однако физическая теория с таким размахом не может себе этого позволить. Ведь при желании, как полагает Логунов, всякий ловкач сможет придумать вечный двигатель. Если перпетуум мобиле первого и второго рода невозможен, то ОТО оставляет шанс для двигателя любого другого рода. Главное, чтобы у изобретателей хватило воображения.

Релятивистская теория гравитации Логунова полностью отрицает существование «черных дыр», которые беспокоят воображение астрономов, астрофизиков, физиков-теоретиков и, конечно, фантастов. Любопытно, что некоторые ученые после знакомства с загадкой этих гипотетических объектов брались за перо. Например, знаменитый планетолог К. Саган описал в литературно-художественной форме способ межзвездных путешествий через «черные дыры» в удаленные области Вселенной. К слову, такой способ весьма эффективен и не имеет теоретических запретов. «Дыры» вполне могут поглощать материю и выбрасывать ее в другой точке искривленного пространства.

Таким образом, если бы «черных дыр» не существовало, то их следовало бы выдумать. Одним из косвенных доказательств их наличия (а значит, и правоты Эйнштейна) считаются «гравитационные линзы» и двойные звезды с невидимым карликовым компонентом. Однако непосредственные факты не подтверждают наличия во Вселенной «черных дыр».

Обнаруженные и хорошо изученные астрономами линзирующие тела оказались галактиками, а массивные звездные спутники — карликовыми звездами (коричневыми и белыми карликами). Коричневые и белые карлики являются в большинстве случаев невидимыми компонентами двойных звезд. Таким образом, существование «дыр» все еще находится под вопросом. Астрономы не имеют возможности утверждать, что предсказанные объекты реальны.

Вокруг теории относительности по-прежнему ведутся оживленные споры. Но это не должно пугать читателя, поскольку именно в таких спорах и рождается истина. Новые открытия и эксперименты в ближайшем будущем покажут, как в дальнейшем сложится судьба эйнштейновской теории. Возможно, от нее откажутся или захотят исправить, возможно, ее пополнят или определят четкие границы применимости СТО и ОТО, а затем создадут новую теорию, обладающую большим охватом. А учение Эйнштейна будет всего лишь частным случаем в этой теории, как в свое время стала частным случаем в релятивистской физике классическая механика Ньютона.