Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Шрифт:
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
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
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.