Текст книги "Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек"

Автор книги: Сергей Бердышев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 25 страниц)

Все относительно

Чтобы объяснить содержание теории относительности А. Эйнштейна, необходимо дать характеристику инерциальной системы отсчета. Для этого сначала стоит напомнить скандальную историю, случившуюся столетие назад и связанную с высказыванием видного французского математика и физика А. Пуанкаре. Он, известный многими шокирующими заявлениями, однажды высказал в прессе мысль, что планета Земля не вращается… Разумеется, журналисты ничего не поняли и задались вопросом, что же имел в виду Пуанкаре. Земля обращается вокруг Солнца, Солнце – вокруг центра Галактики, Галактика удаляется от остальных звездных систем, но относительно мирового пространства все эти объекты неподвижны. Получается, что Земля, если не принимать в расчет ее космическое окружение, стоит на одном месте. Вот такой оригинальный парадокс. А причиной его служит относительность явлений и процессов.

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.

Изобретены межпланетные зонды

Ученые настойчиво пытаются найти способ проверки и перепроверки такой неудобной для многих теории относительности. Слишком ничтожны ее эффекты, чтобы поверить в их существование. Однако для науки в целом и для наших представлений о мироздании в частности слишком важны последствия того, будут ли учтены эти эффекты.

Но пока ученые настойчиво ищут истину, инженеры пытаются с пользой употребить более или менее достоверные сведения, которыми располагает физическая наука. В учебниках и популярных изданиях теория относительности преподносится в большинстве случаев совершенно неверно. Она представляется учением без недостатков, учением без ограничений в применении и, наконец, учением настолько замечательным, что ему нельзя найти применения в реальной жизни. Это в корне неверно.

Во-первых, учение Эйнштейна, конечно же, не является безупречным, иначе бы его не критиковали. Во-вторых, оно имеет ограничения, подобно любой физической теории. Астрофизики, например, установили, что сфера применения теории относительности ограничена в науке о космосе эпохой рождения Вселенной. Состояние материи, предшествовавшее становлению мирового вещества, недоступно изучению методами теории относительности. Что находится за пределами сферы применения СТО и ОТО, неизвестно. Судить об этом пока рано.

Однако такая характеристика нисколько не принижает достоинств учения, но придает ему более конкретный и строгий научный вид. А достоинства СТО и ОТО впечатляют, именно поэтому нельзя считать физику Эйнштейна далекой от нужд и требований реальности. Теория относительности (общая и специальная) – это инженерная наука, на основе которой уже давно ведутся разработки большого практического значения. Специальная теория относительности используется при проектировании и постройке ускорителей заряженных частиц – огромных ядерно-физических лабораторий, где изучаются изначальные свойства материи.

Общая теория относительности применяется в космической навигации. Поскольку данная глава посвящена изучению и покорению космического пространства с помощью летательных аппаратов, то именно последний случай применения учения Эйнштейна представляет для нас интерес. К Солнечной системе, разумеется, теория относительности мало применима, т. к. релятивистские эффекты здесь ничтожно малы. Они ощутимы только в масштабах нашей Галактики и больших.

И все же в деле навигации учет небольших цифр бывает очень полезен, поэтому именно так и поступают ученые, занимающиеся расчетом и прокладкой межпланетных трасс для автоматических станций и зондов. Полеты к другим космическим телам стали для современного человека нормой, даже школьники сегодня знают, что полет до Луны занимает по времени 3 суток, до Венеры – 4 месяца, а до Марса – 7 месяцев. Человечество направляло летательные аппараты почти ко всем планетам Солнечной системы, за исключением далекого Плутона. И никто толком не знает, какой титанический труд скрывается за этой исследовательской «рутиной».

При всем этом проложить межпланетную трассу крайне затруднительно. Средневековый мореход был в праве рассчитывать на благоприятное плавание, если заранее учитывал действие всех ветров и течений на своем пути. Современный баллистик также должен подумать о течениях и ветрах на пути следования космической каравеллы. Вот только водовороты и ураганы, которые поджидают автоматическую станцию, невидимы, неуловимы и непредсказуемы. Речь идет о гравитационных полях, генерируемых планетами и прочими массивными телами, обращающимися вокруг Солнца.

Само солнце является объектом чудовищно большой массы, и эта масса порождает значительное гравитационное поле. Притяжение различных тел отклоняет летящий в космосе аппарат. Если заранее не учесть всех возможных воздействий, то добиться точности продвижения во время полета невозможно. При прокладке маршрута для межпланетной автоматической станции баллистики опираются преимущественно на построения механики Ньютона, а именно – его теории гравитации.

Релятивистские эффекты почти не сказываются на дистанциях между планетами, поэтому классической физики для таких вычислений бывает достаточно. Например, так происходит при вычислении гравитационного потенциала. Гравитационным потенциалом называют в теории Ньютона величину, которая соответствует степени напряженности поля тяжести.

Всем известна напряженность магнитного поля. Наблюдая за металлическими опилками вблизи магнита, можно видеть, как они выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля. Эти силовые линии обозначают направление напряженности поля в пространстве. Напряженность гравитационного поля определяется через гравитационный потенциал. Искусственные спутники с равной силой и притягиваются планетой, и сами притягивают планету, согласно третьему закону Ньютона.

Поскольку масса и размеры сателлитов не идут ни в какое сравнение с планетными габаритами, то и гравитационное поле этих тел оказывается слабым. Оно почти никак не сказывается на напряженности поля планеты. Принято говорить, что спутник обладает пробной массой, т. е. такой, которая позволяет изучить свойства мощного поля тяжести и не вызвать в нем возмущений. Пробная масса помогает найти гравитационный потенциал поля. Он будет количественно равен квадрату скорости вращения малого тела вокруг большого.

При релятивистском изучении гравитации физику приходится иметь дело не столько с гравитационным потенциалом, сколько с зависящим от него параметром |φ|/c², т. е. модулем потенциала, деленным на квадрат скорости света. Поправка значительна, поскольку скорость света равняется 300 000 км/с! Лишь при большом значении потенциала можно получить достаточно большой параметр. Один из самых больших параметров, встречающихся в природе, характеризует взаимодействия между нейтронными звездами и равняется всего 0,1. Для космического аппарата, совершающего маневры на орбите Марса или Юпитера, параметр просто ничтожен.

Вот почему баллистики почти не принимают во внимание релятивистские эффекты в Солнечной системе. Но когда речь идет о заходе автоматической станции на околопланетную орбиту, то ученым приходится добиваться высокой точности движения аппарата. Сходным образом наши «Венеры» и американский «Магеллан» стали искусственными спутниками планеты Венера.

При этом зонду «Магеллан» предстояло выйти сначала на простейшую круговую орбиту, а затем путем баллистического маневрирования перейти на околопланетную эллиптическую орбиту. Двигаясь по эллипсу, зонд то сближался с Венерой и проводил ее картирование, то удалялся от нее и связывался с Землей, передавая собранные данные.

Во время управления аппаратом при выполнении подобных задач счет ведется на метры, тогда как сам автомат пребывает более чем в сотне миллионов километров от Земли. При таком соотношении расстояний следствия общей теории относительности играют немаловажную роль. Успех многих космических программ связан с внесением поправок ОТО в ньютоновские формулы баллистики.

Начиная с конца 1990-х гг. специалисты Национального американского агентства по аэронавтике и космическим исследованиям (НАСА) спланировали полет космического зонда к Плутону. Проект был в целом завершен в 1998–1999 гг., и теперь перед учеными стоит задача его реализации. Полет настолько длителен, что релятивистские эффекты на всем его протяжении дадут о себе знать. По изучению траектории зонда физики смогут в который раз проверить теорию Эйнштейна. Они собираются измерить влияние солнечного тяготения на тело, стремительно удаляющееся от Солнца в бесконечность.

Недавние открытия убеждают ученых, что релятивистские эффекты придется в обозримом будущем учитывать также при составлении орбит для спутников и орбитальных станций. Выше уже говорилось, что единое четырехмерное пространство-время представляет собой особую форму материи, неразрывно связанную с полем и веществом. Поэтому гравитационные поля могут искривлять пространство, в результате чего оно преображается и приобретает кривизну. Земля не обладает достаточной массой, чтобы сколько-нибудь значительно искривлять пространство. Оттого для исследования всей Солнечной системы справедливо применение евклидовой геометрии.

Однако Земля вращается вокруг своей оси, чем создает дополнительное воздействие на мировую материю. В процессе такого вращения планета значительно закручивает близлежащее пространство-время. Сходным образом возникают завихрения в креме, который сбивают лопаточки миксера. Вязкая кремовая масса закручивается и как бы наматывается на лопаточки по мере их вращения. Пока невозможно количественно измерить наматывание пространства-времени «на земную ось», т. е. закручивания в виде водоворота вокруг вращающейся планеты.

Но уже сегодня можно обнаружить данный эффект, поскольку он сказывается на обращении орбитальных искусственных спутников Земли (ИСЗ). Ученые провели анализ орбит двух долговечных сателлитов «Лагеос-I и II» за четырехлетний период. В течение столь длительного срока обращения релятивистские эффекты, вызванные закручиванием пространства-времени в окрестностях планеты, становятся доступны измерению. Необходимо помнить, что пространственно-временные завихрения крайне слабы и возмущают орбиты ИСЗ в 1 млн раз слабее, чем Луна.

Физики проанализировали элементы орбит и смещение сателлитов «Лагеос». Посредством ньютоновой механики было учтено действие лунной и солнечной гравитации, неоднородность поля тяжести Земли, тормозящее влияние разреженного воздуха, который присутствует вплоть до высот около 10–15 тыс. км над земной поверхностью. Все эти факторы возмущают орбиты спутников и заставляют сателлиты смещаться. Оказалось, что, помимо указываемых классической физикой, существуют неопознанные факторы, влияющие на околоземные орбиты.

Очевидно, эти «икс-факторы» являются вышеназванными релятивистскими эффектами. Закручивание пространства-времени вызывает прецессию плоскости спутниковых орбит, иными словами, смещение их плоскости на 2 м за год. Длительные космические программы, осуществление которых на околоземной орбите запланировано на ближайшие несколько лет, не смогут быть успешно реализованы без учета предсказанного Эйнштейном завихрения пространства-времени. Другим примером того, как использовалось учение Эйнштейна в космонавтике, служат реализованные в 1986 г. проекты полета к комете Галлея. Аппарат европейского космического агентства «Джотто» совершил очень сложный маневр и прошел в 1000 км от кометного ядра. Еще более сложный маневр выполнили отечественные аппараты «Вега», которые использовали приобретенное у Венеры ускорение, чтобы достичь кометы Галлея и пройти вблизи ее ядра.

Как видно, теория относительности уже в наши дни, несмотря на сравнительную неразвитость космической техники, вышла за рамки чистой теории. Это прикладная наука, которая все чаще и чаще применяется при проведении вычислений, связанных с прокладкой космических трасс.