|
|
|
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
ЭЙНШТЕЙНА И МОДЕЛИ
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ
СТРУКТУРЫ ВСЕЛЕННОЙ
Мы не погрешим против истины, если скажем, что в науке не было такого "безумного", такого парадоксального и резкого перехода к новой картине мира, как переход от ньютоновских представлений к идеям Альберта Эйнштейна. Переход был чрезвычайно радикальным, невзирая на то, что Эйнштейн продолжил и завершил дело, начатое Ньютоном. Ему удалось обобщить ньютоновский закон всемирного тяготения на случай сверхсильных гравитационных полей. Без такого обобщения применение теории тяготения в масштабах всей Вселенной невозможно.
Но не будем забывать, что к тому времени, когда появилась теория относительности, систему Ньютона считали окончательным ответом на коренные вопросы науки; окончательной, раз навсегда данной картиной мира. Такая оценка нашла выражение в известном стихотворении
Александра Попа:
Природа и ее законы были покрыты тьмой,
Бог сказал: "Да будет Ньютон!", и все осветилось.
После появления теории относительности Эйнштейна было написано продолжение этого двустишия:
...Но не надолго. Дьявол сказал: "Да будет Эйнштейн!", И все вновь погрузилось во тьму.
Конечно, это всего лишь шутка, но она отражала довольно распространенную мысль о том, что отказ от устоев ньютоновой механики - это отказ от научного познания объективного мира. Идеи Эйнштейна были слишком революционны, чтобы снискать немедленное признание. Тем не менее они смогли прочно утвердиться уже в первой четверти XX века, подвергнув тем самым сомнению целый ряд прежних представлений. И это тем более поразительно, если вспомнить предысторию вопроса.
ИЗМЕНЕНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИИ О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ
Вплоть до конца XIX века большинство физиков полагало, что оптические процессы в движущемся теле происходят по-иному, чем в неподвижном, и это различие придает смысл слову "движение" без ссылки на другое тело, относительно которого движется данное тело. Мировое пространство со времен Аристотеля считалось заполненным загадочным, абсолютно неподвижным веществом - эфиром, и потому думали, что в движущемся теле ощущается "эфирный ветер", подобный ветру, который овевает бегущего человека. Однако обнаружить эфир экспериментально никому не удавалось.
Именно такое представление и было отброшено скромным служащим Швейцарского патентного бюро в Берне Альбертом Эйнштейном в его поистине замечательной работе, опубликованной в 1905 году, - специальной теории относительности. В основу ее положены два универсальных допущения, делавших излишней гипотезу о существовании эфира: все законы физики одинаково применимы для любых двух наблюдателей, независимо от того, как они движутся относительно друг друга, свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения его источника.
Выводы, сделанные из этих допущений, изменили представления о пространстве и времени: ни один материальный объект не может двигаться быстрее света, свет же распространяется в пустоте со скоростью 300000 км/с; с точки зрения стационарного наблюдателя, размеры движущегося объекта сокращаются в направлении движения, а масса объекта возрастает; чтобы скорость света была одинаковой для движущегося и покоящегося наблюдателей, движущиеся часы должны идти медленнее. Даже понятие стационарности подлежит тщательному пересмотру. Движение или покой определяются всегда относительно некоего наблюдателя. Наблюдатель, едущий верхом на движущемся объекте, неподвижен относительно данного объекта, но может двигаться относительно какого-либо другого наблюдателя. Поскольку время становится такой же относительной переменной, как и пространственные координаты х, у и z, понятие одновременности также становится относительным. Два события, кажущиеся одновременными одному наблюдателю, могут быть разделены во времени с точки зрения другого.
Специальная теория относительности в определенном смысле стала уже достоянием классической физики. Эта теория дает детальное описание поведения частиц при ускорении и, в частности, утверждает, что никакую информацию нельзя передавать быстрее скорости света. В противном случае был бы нарушен фундаментальный закон причинности: причина всегда предшествует следствию. В таком случае во Вселенной нарушилась бы логическая связь событий: события стали бы абсолютно случайными и непредсказуемыми.
ИДЕЯ О КОНЕЧНОМ, НО НЕОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Однако наиболее поразительными оказались выводы другой теории Эйнштейна, так называемой общей теории относительности, опубликованной в 1915 году, в которой описывались самые общие и глубокие свойства всемирного тяготения. По существу эта теория заменила ньютоновскую теорию гравитационного притяжения тел пространственно-временным математическим описанием того, как массивные тела влияют на характеристики пространства вокруг себя. Согласно этой точке зрения, тела не притягивают друг друга, а изменяют геометрию пространства-времени, которая и определяет движение проходящих через
него тел.
Эксперименты показали, что общая теория относительности значительно совершеннее, чем теория тяготения Ньютона, и способна предсказывать эффекты, неподвластные последней. Господствовавшая ранее небесная механика становилась лишь частным случаем, удобным для описания движения при относительно малых скоростях. Но поскольку в обычных условиях гравитационное воздействие настолько слабо, что эффекты, выявляемые общей теорией относительности, практически неощутимы, а ее расхождение с теорией гравитации Ньютона в тех же условиях весьма незначительно (красное смещение спектральных линий в поле тяготения, дополнительное отклонение луча света при прохождении вблизи Солнца, небольшое возмущение движения Меркурия), то при расчетах движения небесных тел астрономы в основном пользуются механикой Ньютона, которая к тому же гораздо проще в приложениях.
Теория Эйнштейна вступает в силу только тогда, когда речь идет о крупномасштабной структуре Вселенной или о сверхмощных гравитационных полях, порождаемых массивными телами огромной плотности. По этой причине она играет важную роль в космологии, поскольку открывает новые возможности при рассмотрении строения Вселенной.
В общей теории относительности содержится понятие о кривизне пространства, которое распространяется на всю Вселенную. "Искривление" Вселенной связано с наличием движущейся тяготеющей материи. Как однажды заметил коллега Эйнштейна, американский физик Дж. А. Уилер, "пространство говорит материи, как ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться".
К искривленному пространству нельзя применять законы обычной (евклидовой) геометрии. Аналогией такого пространства может служить искривленная поверхность. Различие между обычным, или евклидовым, пространством и искривленным пространством можно проиллюстрировать, сравнив плоскость с искривленной поверхностью, скажем с поверхностью Земли. Если бы Земля представляла собой плоский диск, то, двигаясь достаточно долго в некотором направлении, можно было бы достичь края этого диска (естественно, при условии, что размеры Земли конечны). Но поскольку земная поверхность искривлена, то даже если она имеет конечные размеры, достичь ее границ невозможно. Иначе говоря, если мы будем двигаться, скажем, по экватору все время вперед, то рано или поздно вернемся к исходной точке, хотя ни разу не свернем с избранного направления.
Тот же подход можно применить и к Вселенной вцелом, с той только разницей, что тут мы имеем дело не с поверхностью, а с объемом, а потому все это гораздо труднее себе представить. И тогда,
рассуждая по аналогии, можно прийти к понятию конечного, но неограниченного пространства. Если в этом пространстве мы отправимся в путь, взяв все тот же курс "вперед", то в конце концов придем в исходную точку. Причем на своем пути мы не встретим никакой "границы", однако это не означает, что пространство бесконечно.
Общая теория относительности приводит к заключению о том, что Вселенная может быть безграничной, но замкнутой. Иными словами, пространство безгранично, но может оказаться конечным по объему. В известной мере его можно сравнить с поверхностью сферы (безусловно, это только аналогия), по которой можно двигаться в любых направлениях, нигде не находя границы, но которая имеет вполне определенные размеры (площадь). Но как же в таком случае согласовать представления Эйнштейна с космологическим принципом, который как будто подразумевает бесконечную Вселенную? Возможна ли такая Вселенная, которая при конечном объеме все же будет содержать бесконечное число галактик?.. Космологи говорят, что да, возможна. К примеру, выдающийся американский фантаст и плодотворный популяризатор науки Айзек Азимов в своей книге "Вселенная" приводят следующие аргументы, свидетельствующие в пользу такого предположения.
"...Согласно теории относительности Эйнштейна, необходимо считать, что предмет, движущийся по отношению к нам, будет, как покажут все доступные нам способы измерения, короче в направлении своего движения, чем он был бы в состоянии покоя. Чем больше скорость, тем заметнее это "укорачивание". Если предмет движется со скоростью света, его длина в направлении движения равна нулю.
Удаляющиеся от нас галактики должны представляться нам укороченными - и чем они дальше, тем укороченнее кажутся, так как с увеличением расстояния растет и скорость удаления. Вблизи края Вселенной галактики становятся тоньше листка бумаги и в самую границу их может быть втиснуто бесконечно много. В этом случае мы получаем бесконечную Вселенную, втиснутую в конечный объем...
Для наблюдателя, находящегося на одной из таких приграничных галактик, разумеется, ни он сам, ни его галактика не покажутся тонкими, как листок бумаги. Его галактика для него будет выглядеть нормально, как и соседние галактики. На дальних же расстояниях он тоже будет наблюдать бесконечное число галактик, втиснутое в конечную границу, и наша Галактика, если она будет доступна его наблюдению, покажется ему тоньше листка бумаги. (Все тут зависит от точки наблюдения: так, если бы Земля была прозрачной, мы видели бы вверх ногами австралийцев, а они - нас)".
Справедливости ради отметим, что идея о конечном, но неограниченном пространстве имеет смысл по отношению в конечной части Вселенной, масштабы которой сравнимы с размерами наблюдаемой ее части - Метагалактики. Однако если предположить, что Метагалактика не охватывает всю Вселенную, что кроме нее существует еще множество Метагалактик, совокупность которых образует систему громадных размеров, а та, в свою очередь - еще более колоссальную систему, и так до бесконечности, тогда нельзя исключить возможность того, что мир конечен. Но такой мир должен иметь размеры, намного большие по сравнению с размерами Метагалактики. Таким образом, при рассмотрении структуры Метагалактики можно предположить, что мировое пространство бесконечно.
|
|
|
|
|