Т.Редже "Этюды о Вселенной", Мир/НиТ<< 1.2. Парадокс близнецов | Оглавление | 1.4. Черные дыры >>
1.3. Свет и гравитация
Принцип эквивалентности
Все слышали о знаменитом эксперименте Галилея, в котором он сбросил с Пизанской башни два камня с различными массами. Камни упали на землю через одинаковое время, тем самым опровергнув привычные, но ошибочные предсказания Аристотеля. Многие считают, правда, что речь идет о легенде, не имеющей под собой исторической почвы; однако, как бы то ни было, факт остается фактом и служит основой принципа эквивалентности, на котором Эйнштейн воздвиг здание общей теории относительности. Чтобы пояснить этот принцип, остановимся сначала на понятии массы. Если мы приложим к телу постоянную силу F, то оно начнет перемещаться с ускорением а (в соответствии со знаменитой формулой F = ma), которое тем слабее, чем больше масса тела т. Масса, таким образом, служит мерой инерции тела.
Закон всемирного тяготения Ньютона допускает и другое определение массы: два тела притягиваются с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной расстоянию между ними. Измеряя притяжение между двумя телами, мы можем определить их массы. Хоть это и не кажется очевидным, но на самом деле мы ежедневно с помощью весов измеряем силу притяжения между килограммом хлеба и нашей Землей.
По счастливому стечению обстоятельств оба определения массы совпадают точно или во всяком случае в пределах чрезвычайно малых экспериментальных ошибок. По этой причине вес (т.е. сила притяжения к Земле) какого-либо груза в точности пропорционален его инертной массе, а ускорение свободного падения не зависит от массы. Этот результат эквивалентен результату эксперимента Галилея. Он и воодушевил Эйнштейна на проведение любопытного мысленного эксперимента с лифтом.
Говоря о лифте, мы, конечно, имеем в виду идеальную лабораторию, помещенную в специально сконструированном ящике, исключающем всякое общение с внешним миром. Итак, вначале лифт подвешен где-то на Земле. Наблюдатель внутри его замечает, что все предметы падают с ускорением свободного падения (одинаковым для всех тел). Затем лифт мысленно переносится в космическое пространство, далеко от каких-либо других объектов, где ракетный двигатель сообщает ему ускорение, в точности равное ускорению свободного падения. Физик внутри лифта снова видит, что все предметы перемещаются с ускорением (отдачи), но, как мы уже знаем, он не имеет никакой возможности различить эти две ситуации, т.е. отличить гравитационную массу от инертной.
Точно так же невозможно, находясь внутри лифта, сказать, падает ли он свободно или просто парит неподвижно в пространстве. В обоих случаях наблюдается полное отсутствие веса. Таким образом, при внимательном рассмотрении оказывается, что проявления тяготения и инерции неразличимы, во всяком случае в пределах кабины лифта и ограниченного интервала времени. Указанная неразличимость известна под названием "принципа эквивалентности".
Искривление луча света гравитационным полем
Мы не можем, разумеется, входить здесь в детали математического аппарата, который позволяет лаконично, хотя и непонятно для большинства читателей выразить этот принцип. Но мы можем задаться вопросом: какое все это имеет отношение к свету?
На первый взгляд свет представляет собой такую форму материи, которая полностью игнорирует существование гравитационного поля (тяготения). Но если бы это действительно было так, то мы могли бы отличить первую ситуацию в эксперименте с лифтом от второй (и по этой же причине третью от четвертой). В самом деле, если бы свет не "падал" в поле тяжести, то в неподвижном лифте он двигался бы по прямой линии; во втором случае ускоренное движение кабины лифта совместно с собственным движением света хотя и незначительно, но все же изменило бы траекторию света и придало ей вид параболы. Чтобы спасти принцип эквивалентности и иметь возможность применять его в любых условиях, приходится допустить, что поле тяготения действует и на свет, хотя и немного. Этот эффект был неоднократно подтвержден наблюдениями, проведенными во время затмений Солнца, когда можно было проследить траекторию луча света от звезды в непосредственной близости от поверхности Солнца. Для подтверждения "падения" радиоволн использовался и такой космический объект, как квазар (буквально "почти звездный объект") ЗС273.
Но пойдем дальше. Так же как камень, брошенный вверх, теряет энергию движения (кинетическую), замедляясь при этом, свет, казалось бы, тоже должен "замедляться". Свет, однако, вынужден всегда двигаться со скоростью с (300000 км/с) и может терять энергию, только уменьшая частоту. Частота светового луча, оставляющего поверхность Земли, меняется меньше чем на одну миллиардную часть; при отправлении с Солнца эффект примерно в тысячу раз сильнее.
Тем не менее малость этого эффекта не должна приводить к недооценке громадного философского значения рассмотренного явления.
Гравитация влияет на течение времени
Свет – это волновой процесс, т.е. такой процесс, который повторяется через регулярные интервалы времени. В этом смысле свет представляет собой "часы", которые отбивают удары, преданно следуя ритму источника; частота света равна частоте колебаний излучающего его атома (кстати, современные атомные часы используются именно в качестве источников точного времени). Если внешнему наблюдателю кажется, что на Земле "световые часы" идут медленнее, то во избежание противоречий все земные процессы должны казаться ему протекающими во столько же раз медленнее.
Итак, время течет быстрее в космическом пространстве, чем на поверхности Земли. А на Земле оно течет быстрее на горных вершинах, чем в долинах. Впервые подтверждение этого удивительного явления (с помощью часов) было получено в Турине в Электротехническом институте им. Галилео Феррариса, где мой друг Лещутта использовал в своей работе целую коллекцию точнейших атомных часов, как раз тех, по которым сверяют точное время. Вместе с сотрудниками Лаборатории космогеофизики Национального совета исследований им было проведено сравнение двух идентичных часов, причем одни часы находились в Турине, а другие высоко в горах на Плато Роза; в результате выяснилось, что вторые часы уходили вперед на 30 наносекунд в день (одна наносекунда равна одной миллиардной части секунды). Этот едва заметный эффект породил целую серию остроумных шуток. На самом же деле речь здесь идет о весьма серьезных вещах: подобные эксперименты были поставлены в Мэрилендском университете и Токийской астрономической обсерватории, и полученные результаты оказались в полнейшем согласии с эйнштейновской теорией относительности.
В скором времени вступит в строй навигационная система, использующая спутники связи; в этой системе будет целое созвездие из 24 спутников с атомными часами (водородных мазеров), которые, находясь на орбите, будут передавать по радио свои сигналы во все концы Земли. Местонахождение любого корабля можно будет определять по относительным задержкам принятых сигналов с ошибкой, не превышающей пяти метров. Такая точность может быть достигнута, только если учитывать возникающее согласно принципу относительности различие в течение времени на орбите и на Земле. А для сицилийских рыбаков, например, ежедневно подвергающих себя риску при ловле рыбы вблизи территориальных вод Туниса, пять метров имеют очень большое значение.
Теория относительности уже не является заумной, отвлеченной теорией – она начинает влиять на нашу жизнь посредством неожиданных технических новинок. Как мы говорили, замедление времени на Солнце намного больше, чем на Земле. Это уже давно доказано с помощью спектроскопии. Существуют звезды, на которых эффект еще значительнее: так, например, Сириус на самом деле – это система из двух звезд, Сириуса А и Сириуса В; Сириус В представляет собой так называемый "белый карлик", плотность которого такова, что масса, равная массе Солнца, занимает там объем, равный объему Земли. Относительная задержка времени на этой звезде достигает одной десятитысячной, т.е. приблизительно восьми секунд в сутки.
Пульсар, обнаруженный внутри Крабовидной туманности (M1 по каталогу Мессье, или NGC 1952;) и являющийся остатком взрыва сверхновой около девятисот лет назад, представляет собой следующую стадию еще большего сжатия звездного вещества, а именно "нейтронную звезду", плотность массы которой достигает десяти миллионов тонн на кубический сантиметр. По современным представлениям она имеет форму почти правильной сферы диаметром порядка 20 км, что сравнимо с размерами, например, города Турина. Задержка времени на ее поверхности по сравнению с внешним пространством достигает 10%, а вторая космическая скорость (скорость, которую необходимо превысить для преодоления силы притяжения) достигает 100000 км/с.
В черной дыре
Но даже плотность пульсара не предел. Имеются весьма веские причины, чтобы признать существование так называемых "черных дыр", где гравитация наконец побеждает все прочие силы и приводит звезду в состояние коллапса (катастрофического сжатия).
В черной дыре вторая космическая скорость достигает скорости света, т.е. 300000 км/с; при этом преодолеть силу притяжения не может ни один объект, включая свет. Задержка времени здесь доходит до 100%; хотя это звучит парадоксально, но на поверхности черной дыры течение времени останавливается. Окончательный коллапс должен был бы наступить менее чем за одну тысячную секунды, но этот короткий интервал времени растягивается гравитационными эффектами в вечность.
Если бы отважные (и безрассудные) исследователи осмелились войти в черную дыру на космическом корабле, то в таком случае растяжение времени возымело бы обратное действие. Астронавты увидели бы, что события во внешнем пространстве стали развертываться с внезапным ускорением, и в считанные доли секунды субъективного времени астронавтов они вместе со своей черной дырой оказались бы в самом отдаленном будущем нашей Вселенной. Так что путешествие в черную дыру – это одновременно и путешествие в будущее.
Но что же увидел бы астронавт, достигнув "конца времен"? Ответ очень сложен и зависит от грядущей судьбы Вселенной; мы даже не знаем, будет ли она и в дальнейшем расширяться, или же галактики снова соберутся вместе через миллиарды лет, как утверждают некоторые. Во всяком случае, что бы ни увидел астронавт, он никогда не смог бы сообщить нам об этом, поскольку радиоволны не могут отойти от коллапсирующей звезды. Скорее всего, в течение доли секунды он был бы раздавлен чудовищными силами тяготения, существующими внутри черной дыры.
<< 1.2. Парадокс близнецов | Оглавление | 1.4. Черные дыры >>
|
Публикации с ключевыми словами:
Галилео Галилей - солнечная система - космогония - астрофизика - Общая теория относительности - электрослабое взаимодействие - элементарные частицы
Публикации со словами: Галилео Галилей - солнечная система - космогония - астрофизика - Общая теория относительности - электрослабое взаимодействие - элементарные частицы | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
