T.Redzhe "Etyudy o Vselennoi", Mir/NiT<< 1.2. Paradoks bliznecov | Oglavlenie | 1.4. Chernye dyry >>
1.3. Svet i gravitaciya
Princip ekvivalentnosti
Vse slyshali o znamenitom eksperimente Galileya, v kotorom on sbrosil s Pizanskoi bashni dva kamnya s razlichnymi massami. Kamni upali na zemlyu cherez odinakovoe vremya, tem samym oprovergnuv privychnye, no oshibochnye predskazaniya Aristotelya. Mnogie schitayut, pravda, chto rech' idet o legende, ne imeyushei pod soboi istoricheskoi pochvy; odnako, kak by to ni bylo, fakt ostaetsya faktom i sluzhit osnovoi principa ekvivalentnosti, na kotorom Einshtein vozdvig zdanie obshei teorii otnositel'nosti. Chtoby poyasnit' etot princip, ostanovimsya snachala na ponyatii massy. Esli my prilozhim k telu postoyannuyu silu F, to ono nachnet peremeshat'sya s uskoreniem a (v sootvetstvii so znamenitoi formuloi F = ma), kotoroe tem slabee, chem bol'she massa tela t. Massa, takim obrazom, sluzhit meroi inercii tela.
Zakon vsemirnogo tyagoteniya N'yutona dopuskaet i drugoe opredelenie massy: dva tela prityagivayutsya s siloi, proporcional'noi ih massam i obratno proporcional'noi rasstoyaniyu mezhdu nimi. Izmeryaya prityazhenie mezhdu dvumya telami, my mozhem opredelit' ih massy. Hot' eto i ne kazhetsya ochevidnym, no na samom dele my ezhednevno s pomosh'yu vesov izmeryaem silu prityazheniya mezhdu kilogrammom hleba i nashei Zemlei.
Po schastlivomu stecheniyu obstoyatel'stv oba opredeleniya massy sovpadayut tochno ili vo vsyakom sluchae v predelah chrezvychaino malyh eksperimental'nyh oshibok. Po etoi prichine ves (t.e. sila prityazheniya k Zemle) kakogo-libo gruza v tochnosti proporcionalen ego inertnoi masse, a uskorenie svobodnogo padeniya ne zavisit ot massy. Etot rezul'tat ekvivalenten rezul'tatu eksperimenta Galileya. On i voodushevil Einshteina na provedenie lyubopytnogo myslennogo eksperimenta s liftom.
Govorya o lifte, my, konechno, imeem v vidu ideal'nuyu laboratoriyu, pomeshennuyu v special'no skonstruirovannom yashike, isklyuchayushem vsyakoe obshenie s vneshnim mirom. Itak, vnachale lift podveshen gde-to na Zemle. Nablyudatel' vnutri ego zamechaet, chto vse predmety padayut s uskoreniem svobodnogo padeniya (odinakovym dlya vseh tel). Zatem lift myslenno perenositsya v kosmicheskoe prostranstvo, daleko ot kakih-libo drugih ob'ektov, gde raketnyi dvigatel' soobshaet emu uskorenie, v tochnosti ravnoe uskoreniyu svobodnogo padeniya. Fizik vnutri lifta snova vidit, chto vse predmety peremeshayutsya s uskoreniem (otdachi), no, kak my uzhe znaem, on ne imeet nikakoi vozmozhnosti razlichit' eti dve situacii, t.e. otlichit' gravitacionnuyu massu ot inertnoi.
Tochno tak zhe nevozmozhno, nahodyas' vnutri lifta, skazat', padaet li on svobodno ili prosto parit nepodvizhno v prostranstve. V oboih sluchayah nablyudaetsya polnoe otsutstvie vesa. Takim obrazom, pri vnimatel'nom rassmotrenii okazyvaetsya, chto proyavleniya tyagoteniya i inercii nerazlichimy, vo vsyakom sluchae v predelah kabiny lifta i ogranichennogo intervala vremeni. Ukazannaya nerazlichimost' izvestna pod nazvaniem "principa ekvivalentnosti".
Iskrivlenie lucha sveta gravitacionnym polem
My ne mozhem, razumeetsya, vhodit' zdes' v detali matematicheskogo apparata, kotoryi pozvolyaet lakonichno, hotya i neponyatno dlya bol'shinstva chitatelei vyrazit' etot princip. No my mozhem zadat'sya voprosom: kakoe vse eto imeet otnoshenie k svetu?
Na pervyi vzglyad svet predstavlyaet soboi takuyu formu materii, kotoraya polnost'yu ignoriruet sushestvovanie gravitacionnogo polya (tyagoteniya). No esli by eto deistvitel'no bylo tak, to my mogli by otlichit' pervuyu situaciyu v eksperimente s liftom ot vtoroi (i po etoi zhe prichine tret'yu ot chetvertoi). V samom dele, esli by svet ne "padal" v pole tyazhesti, to v nepodvizhnom lifte on dvigalsya by po pryamoi linii; vo vtorom sluchae uskorennoe dvizhenie kabiny lifta sovmestno s sobstvennym dvizheniem sveta hotya i neznachitel'no, no vse zhe izmenilo by traektoriyu sveta i pridalo ei vid paraboly. Chtoby spasti princip ekvivalentnosti i imet' vozmozhnost' primenyat' ego v lyubyh usloviyah, prihoditsya dopustit', chto pole tyagoteniya deistvuet i na svet, hotya i nemnogo. Etot effekt byl neodnokratno podtverzhden nablyudeniyami, provedennymi vo vremya zatmenii Solnca, kogda mozhno bylo prosledit' traektoriyu lucha sveta ot zvezdy v neposredstvennoi blizosti ot poverhnosti Solnca. Dlya podtverzhdeniya "padeniya" radiovoln ispol'zovalsya i takoi kosmicheskii ob'ekt, kak kvazar (bukval'no "pochti zvezdnyi ob'ekt") ZS273.
No poidem dal'she. Tak zhe kak kamen', broshennyi vverh, teryaet energiyu dvizheniya (kineticheskuyu), zamedlyayas' pri etom, svet, kazalos' by, tozhe dolzhen "zamedlyat'sya". Svet, odnako, vynuzhden vsegda dvigat'sya so skorost'yu s (300000 km/s) i mozhet teryat' energiyu, tol'ko umen'shaya chastotu. Chastota svetovogo lucha, ostavlyayushego poverhnost' Zemli, menyaetsya men'she chem na odnu milliardnuyu chast'; pri otpravlenii s Solnca effekt primerno v tysyachu raz sil'nee.
Tem ne menee malost' etogo effekta ne dolzhna privodit' k nedoocenke gromadnogo filosofskogo znacheniya rassmotrennogo yavleniya.
Gravitaciya vliyaet na techenie vremeni
Svet – eto volnovoi process, t.e. takoi process, kotoryi povtoryaetsya cherez regulyarnye intervaly vremeni. V etom smysle svet predstavlyaet soboi "chasy", kotorye otbivayut udary, predanno sleduya ritmu istochnika; chastota sveta ravna chastote kolebanii izluchayushego ego atoma (kstati, sovremennye atomnye chasy ispol'zuyutsya imenno v kachestve istochnikov tochnogo vremeni). Esli vneshnemu nablyudatelyu kazhetsya, chto na Zemle "svetovye chasy" idut medlennee, to vo izbezhanie protivorechii vse zemnye processy dolzhny kazat'sya emu protekayushimi vo stol'ko zhe raz medlennee.
Itak, vremya techet bystree v kosmicheskom prostranstve, chem na poverhnosti Zemli. A na Zemle ono techet bystree na gornyh vershinah, chem v dolinah. Vpervye podtverzhdenie etogo udivitel'nogo yavleniya (s pomosh'yu chasov) bylo polucheno v Turine v Elektrotehnicheskom institute im. Galileo Ferrarisa, gde moi drug Leshutta ispol'zoval v svoei rabote celuyu kollekciyu tochneishih atomnyh chasov, kak raz teh, po kotorym sveryayut tochnoe vremya. Vmeste s sotrudnikami Laboratorii kosmogeofiziki Nacional'nogo soveta issledovanii im bylo provedeno sravnenie dvuh identichnyh chasov, prichem odni chasy nahodilis' v Turine, a drugie vysoko v gorah na Plato Roza; v rezul'tate vyyasnilos', chto vtorye chasy uhodili vpered na 30 nanosekund v den' (odna nanosekunda ravna odnoi milliardnoi chasti sekundy). Etot edva zametnyi effekt porodil celuyu seriyu ostroumnyh shutok. Na samom zhe dele rech' zdes' idet o ves'ma ser'eznyh veshah: podobnye eksperimenty byli postavleny v Merilendskom universitete i Tokiiskoi astronomicheskoi observatorii, i poluchennye rezul'taty okazalis' v polneishem soglasii s einshteinovskoi teoriei otnositel'nosti.
V skorom vremeni vstupit v stroi navigacionnaya sistema, ispol'zuyushaya sputniki svyazi; v etoi sisteme budet celoe sozvezdie iz 24 sputnikov s atomnymi chasami (vodorodnyh mazerov), kotorye, nahodyas' na orbite, budut peredavat' po radio svoi signaly vo vse koncy Zemli. Mestonahozhdenie lyubogo korablya mozhno budet opredelyat' po otnositel'nym zaderzhkam prinyatyh signalov s oshibkoi, ne prevyshayushei pyati metrov. Takaya tochnost' mozhet byt' dostignuta, tol'ko esli uchityvat' voznikayushee soglasno principu otnositel'nosti razlichie v techenie vremeni na orbite i na Zemle. A dlya siciliiskih rybakov, naprimer, ezhednevno podvergayushih sebya risku pri lovle ryby vblizi territorial'nyh vod Tunisa, pyat' metrov imeyut ochen' bol'shoe znachenie.
Teoriya otnositel'nosti uzhe ne yavlyaetsya zaumnoi, otvlechennoi teoriei – ona nachinaet vliyat' na nashu zhizn' posredstvom neozhidannyh tehnicheskih novinok. Kak my govorili, zamedlenie vremeni na Solnce namnogo bol'she, chem na Zemle. Eto uzhe davno dokazano s pomosh'yu spektroskopii. Sushestvuyut zvezdy, na kotoryh effekt eshe znachitel'nee: tak, naprimer, Sirius na samom dele – eto sistema iz dvuh zvezd, Siriusa A i Siriusa V; Sirius V predstavlyaet soboi tak nazyvaemyi "belyi karlik", plotnost' kotorogo takova, chto massa, ravnaya masse Solnca, zanimaet tam ob'em, ravnyi ob'emu Zemli. Otnositel'naya zaderzhka vremeni na etoi zvezde dostigaet odnoi desyatitysyachnoi, t.e. priblizitel'no vos'mi sekund v sutki.
Pul'sar, obnaruzhennyi vnutri Krabovidnoi tumannosti (M1 po katalogu Mess'e, ili NGC 1952;) i yavlyayushiisya ostatkom vzryva sverhnovoi okolo devyatisot let nazad, predstavlyaet soboi sleduyushuyu stadiyu eshe bol'shego szhatiya zvezdnogo veshestva, a imenno "neitronnuyu zvezdu", plotnost' massy kotoroi dostigaet desyati millionov tonn na kubicheskii santimetr. Po sovremennym predstavleniyam ona imeet formu pochti pravil'noi sfery diametrom poryadka 20 km, chto sravnimo s razmerami, naprimer, goroda Turina. Zaderzhka vremeni na ee poverhnosti po sravneniyu s vneshnim prostranstvom dostigaet 10%, a vtoraya kosmicheskaya skorost' (skorost', kotoruyu neobhodimo prevysit' dlya preodoleniya sily prityazheniya) dostigaet 100000 km/s.
V chernoi dyre
No dazhe plotnost' pul'sara ne predel. Imeyutsya ves'ma veskie prichiny, chtoby priznat' sushestvovanie tak nazyvaemyh "chernyh dyr", gde gravitaciya nakonec pobezhdaet vse prochie sily i privodit zvezdu v sostoyanie kollapsa (katastroficheskogo szhatiya).
V chernoi dyre vtoraya kosmicheskaya skorost' dostigaet skorosti sveta, t.e. 300000 km/s; pri etom preodolet' silu prityazheniya ne mozhet ni odin ob'ekt, vklyuchaya svet. Zaderzhka vremeni zdes' dohodit do 100%; hotya eto zvuchit paradoksal'no, no na poverhnosti chernoi dyry techenie vremeni ostanavlivaetsya. Okonchatel'nyi kollaps dolzhen byl by nastupit' menee chem za odnu tysyachnuyu sekundy, no etot korotkii interval vremeni rastyagivaetsya gravitacionnymi effektami v vechnost'.
Esli by otvazhnye (i bezrassudnye) issledovateli osmelilis' voiti v chernuyu dyru na kosmicheskom korable, to v takom sluchae rastyazhenie vremeni vozymelo by obratnoe deistvie. Astronavty uvideli by, chto sobytiya vo vneshnem prostranstve stali razvertyvat'sya s vnezapnym uskoreniem, i v schitannye doli sekundy sub'ektivnogo vremeni astronavtov oni vmeste so svoei chernoi dyroi okazalis' by v samom otdalennom budushem nashei Vselennoi. Tak chto puteshestvie v chernuyu dyru – eto odnovremenno i puteshestvie v budushee.
No chto zhe uvidel by astronavt, dostignuv "konca vremen"? Otvet ochen' slozhen i zavisit ot gryadushei sud'by Vselennoi; my dazhe ne znaem, budet li ona i v dal'neishem rasshiryat'sya, ili zhe galaktiki snova soberutsya vmeste cherez milliardy let, kak utverzhdayut nekotorye. Vo vsyakom sluchae, chto by ni uvidel astronavt, on nikogda ne smog by soobshit' nam ob etom, poskol'ku radiovolny ne mogut otoiti ot kollapsiruyushei zvezdy. Skoree vsego, v techenie doli sekundy on byl by razdavlen chudovishnymi silami tyagoteniya, sushestvuyushimi vnutri chernoi dyry.
<< 1.2. Paradoks bliznecov | Oglavlenie | 1.4. Chernye dyry >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy
Publikacii so slovami: Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
