Чем мир держится?
Шрифт:
Отношения между теорией и экспериментом сложны и многообразны, хотя на первый взгляд все кристально ясно: на результатах экспериментов теорию строят, по результатам экспериментов ее проверяют. А эксперимент ставят на основе тех или иных теоретических положений. Надо ведь знать, что именно требуется проверить!
Экспериментаторы и теоретики подтрунивают друг над другом, но, в общем, понимают, что они — это левая и правая руки науки, и спор может идти только о том, кому зваться ее правой рукой. Да и то, наверное, придется признать, что у науки обе руки — правые. Только экспериментатор бывает прав, так сказать, абсолютно, теоретик же всегда — лишь относительно. Есть
Может быть, и сегодня есть в физике области, где можно чего-то добиться относительно простыми средствами, но, увы, к гравитации это не относится. Силы тяготения слабее электромагнитных на тридцать шесть, тридцать восемь, сорок и даже сорок три порядка — в зависимости от того, взаимодействие между какими частицами тут брать за эталон. Слон, имеющий массу пять тонн, больше микроба с массой в пять миллионных долей грамма всего-то в триллион раз. Остается еще минимум двадцать четыре порядка. Одна песчинка против целой Сахары, капля воды — против океана — даже так не вы глядит в земных условиях разница между гравитационными силами и электромагнитными. Не тому надо удив литься, что до сих пор немало предсказанных теорией гравитационных эффектов не открыто, а тому, сколько их все-таки открыто.
Прямо противоположные причины, как ни странно вывели науку о гравитации на передний план в теории и эксперименте. В теории — мощь гравитации, управляю щей движением небесных тел. В эксперименте — слабость гравитации, заставившая так изощрить соответствующую экспериментальную технику, что сейчас ее опыт перенимают ядерщики, которых бог тоже не обидел сложностями.
Как нигде, тонка в области гравитации грань между экспериментатором и теоретиком. Каждый опыт над; разрабатывать с такой максимальной тонкостью, что при этом случается делать открытия в теории.
Если уже применяемый геологами гравиметр достаточно совершенен, чтобы на его показания не влиял притяжение тела гравиметриста, то техника гравитационного эксперимента требует стократной защиты от любых посторонних помех. Вот одна поучительна история.
Группа физиков проверяла, как скажется во время солнечного затмения то обстоятельство, что в поле тяготения между Солнцем и Землею оказалась Луна. Бы, сделан очень тонкий и чувствительный прибор, который показал: притяжение к Солнцу уменьшилось.
Луна отошла в сторону, Солнце снова сияло, физики смотрели друг на друга, не зная, радоваться или paсстраиваться. С одной стороны, могла рассыпаться теория, с которой они были согласны, с другой стороны тем важнее результат для науки. Эксперимент подтверждающий— лишь подкрепление, эксперимент опровергающий — открытие.
А в конце концов оказалось, что прибор приходит в движение и тогда, когда Солнце… закрыто облаками. Это уже было невероятно: как облако, закрыв Солнце, могло воздействовать на аппаратуру?
Оказалось, могло. Понижение температуры воздуха, вызванное сначала солнечным затмением, потом облаком, прикрывшим Солнце, чуть-чуть охладило стену дома, у которой стоял прибор, произошли ничтожнейшие изменения в его равновесии — и результат оказался налицо. Хорошо еще, что день был облачным. Иначе итоги эксперимента были бы опубликованы, а потом репутация экспериментаторов пострадала бы. Но до этого пострадала бы наука.
Общая теория относительности при своем появлении объяснила движение перигелия Меркурия, а спустя три года была подписана Солнцем. Но затем дело с новыми ее экспериментальными проверками застопорилось. Слишком незначительно по величине было большинство
Вот как пишут об этом Мизнер, Торн и Уилер: «В первые полвека своего существования общая теория относительности была раем для теоретиков и адом для экспериментаторов. Нельзя было представить себе теорию более прекрасную, но в то же время с таким трудом поддающуюся проверке. Но ситуация изменилась. За последние несколько лет общая теория относительности превратилась в одну из наиболее оживленных и плодотворных областей экспериментальной физики. Спустя полвека развитие техники наконец-то достигло уровня эйнштейновского гения — не только в области астрономии, но и в лабораторных экспериментах». Закапчивается это рассуждение фразой: «Теперь она (общая теория относительности. — Р. П.) рай для всех…»
Любопытно отметить, что большая доля проверок закона всемирного тяготения Ньютона тоже пришлась на время, отделенное от публикации закона примерно полувеком.
Еще десять — пятнадцать лег назад пересчитать все пункты, по которым теория гравитации Эйнштейна была проверена, удалось бы по пальцам одной руки. Теперь соответствующих экспериментов проведено и планируется столько, что рассказать в этой книге удается далеко не о всех из них.
Ну, во-первых, проверка принципа эквивалентности тяжелой и инертных масс идет в актив общей теории относительности.
В ее пользу высказывается и сумма выводов, полученных в некоторых областях физики элементарных частиц.
Наблюдения Эддингтона за поведением звездного луча вблизи Солнца были повторены многократно. Но очень долго при этом результаты наблюдений (степень искривления луча) довольно сильно отклонялись в сторону от предсказания Эйнштейна. Правда, то в одну сторону, то в другую, но разброс был слишком велик, чтобы не огорчать и не беспокоить привыкших к точности астрономов.
Совсем недавно удалось решить эту проблему, только уже не с волнами света, а с сантиметровыми радиоволнами от ярких небесных радиоисточников. Точность совпадения наблюдений с предсказанием достигла двух процентов. И ни в одном из многих измерений не удалось обнаружить каких-либо «противопоказаний» против общей теории относительности.
Новые подтверждения предсказанным теорией относительности фактам были неожиданно (неожиданно ли?) обнаружены в старых звездных каталогах — списках звезд с указанием их характеристик и особенностей.
Лет десять назад советские ученые Л. Я. Арифов и Р. К. Кадыев нашли еще целых сто тридцать пять «звездных автографов», выданных Эйнштейну.
Чтобы стала понятна самая суть дела, придется коснуться метода определения расстояний до звезд. Один из двух главных способов (а до конца XIX века и единственный) заключается в измерении расстояния, на которое звезда смещается на нашем небе за полгода в зависимости от того, в какой точке своей орбиты находится Земля. Астрономы строят прямоугольный треугольник, его гипотенуза — расстояние от Солнца до звезды, а малый катет — большая полуось эллипса земной орбиты. Малый угол (при звезде) в том треугольнике называют годичным звездным параллаксом. Вычисление его размера по законам тригонометрии и позволяет затем определить расстояние до звезды. Годичный параллакс в одну секунду соответствует здесь одному парсеку, причем чем меньше параллакс, тем дальше от нас звезда. К слову сказать, для самой близкой к Земле звезды, которую так и зовут Ближайшая Центавра, параллакс равен семидесяти шести сотым секунды.