Файл: Рахматуллин К.Х. В мире Эйнштейна.pdf

время растерялись. Но уже через три года началось триумфальное шествие новой теории.

Создавая эту сложнейшую теорию, Эйнштейн исхо­ дил из двух положений: 1) никакое материальное взаимодействие (в том числе и тяготение) не может распространяться в пространстве со скоростью боль­ шей, чем скорость света; 2) инертная и тяготеющая массы совпадают численно.

Классическая физика говорила о возможности мгновенного взаимодействия тел, отстоящих друг от друга на сколь угодно большие расстояния. Старое представление прямо вело к выводу о нематериальной природе движения и взаимодействия. Это был так называемый принцип дальнодействия. Такова же пози­ ция религии в данном вопросе: на каком бы расстоя­ нии бог ни находился, информацию о событиях, проис­ ходящих в любой точке мира, он получает мгновенно. Его общение со своими «представителями» на Земле происходит так же.

А теория относительности показала, что если тяго­ тение, даже в вакууме, распространяется со скоростью, не превышающей скорость света, то ясно, что и вакуум является не абсолютной пустотой, а материальной сре­ дой, передающей гравитационные взаимодействия тел. Следовательно, нет пространства без материи, так же как нет и движения без его материального носителя.

В создании теории тяготения второе положение о численном совпадении инертной и тяготеющей масс

57

(или, как его часто называют, принцип эквивалентно­ сти), пожалуй, сыграло основную роль. Рассмотрим, в чем этот принцип состоит и к каким следствиям он приводит.

Этот принцип выведен Эйнштейном из закона паде­ ния тел, открытого еще Галилеем. Альберт Эйнштейн пришел к совершенно неожиданному для всех ученых выводу, что тяжесть и инерция — это совершенно одно и то же.

Опыт Галилея заключался в следующем: с верши­ ны знаменитой падающей башни в г. Пизе ученый бро­ сал вниз предметы различного веса (два железных ядра в сто и один фунт), стремясь доказать ошибочность утверждения древнегреческого ученого Аристотеля: «Скорость падения пропорциональна весу падающих тел». Галилей был прав, считая, что все тела падают с одинаковой скоростью независимо от их веса. Более то­ го, он сделал и другой вывод: тела во время своего па­ дения вообще не имеют веса. Это явление ныне мы называем невесомостью.

В результате этих опытов Галилей установил, что падающее тело сначала летит медленно,' а потом все быстрее. Причем ускорение возрастает ежесекундно на одинаковую величину. Сейчас установлено, что это ускорение свободного падения тела под действием силы тяжести (или просто ускорение силы тяжести) равно 9,81 м/сек. Это хорошо знают парашютисты, совершаю­ щие затяжные прыжки. Перед раскрытием парашюта

58

они падают (несмотря на сопротивление воздуха) с очень большой скоростью.

И еще одно, можно сказать, самое важное откры­ тие Галилея в этой области. Он установил, что для дви­ жения тела нет необходимости, чтобы сила действова­ ла непрерывно. Если тело не будет встречать никакого сопротивления (воздуха, трущихся поверхностей и т. д.), то оно, получив первоначальный толчок, будет двигаться равномерно и безостановочно. Впоследствии это открытие Галилея было названо законом инерции, а способность тел сохранять постоянную скорость дви­ жения — инерцией.

Законы механики, начало открытию которых поло­ жил Галилей, впоследствии изучались австрийским ученым И. Кеплером, голландским ученым X. Гюйген­ сом, французским ученым Р. Декартом и другими. Но стройную, классическую форму придал им великий английский физик И. Ньютон. Открытые им законы механики и особенно закон всемирного тяготения из­ вестны нам со школьной скамьи. На них опиралась вся наука до создания теории относительности.

Специальная теория относительности не учитывала явления всемирного тяготения. Но в мире нет экрана, задерживающего силу тяготения. Она пронизывает все тела, всю Вселенную. Закон всемирного тяготения Нью­ тона гласит: все тела притягиваются друг к другу пря­ мо пропорционально массе и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Говоря несколько

59

упрощенно, чем массивнее тела, тем больше их взаим­ ное притяжение, сила которого убывает быстро с уве­ личением их расстояния друг от друга.

Эйнштейн решил, что его теория не может не учи­ тывать влияния тяготения на движение тел, на свойст­ ва пространства и времени. А этот учет привел к выво­ дам общей теории относительности.

Масса всякого тела имеет, если можно так сказать, две стороны. Тяготеющая масса — это способность тела создавать поле тяготения (притягивать другие тела) и испытывать на себе действие поля тяготения (других тел). Инертная масса — это способность тела сопротив­ ляться ускорению. Казалось бы, это два совершенно отличные друг от друга свойства материальных тел. Но Эйнштейн говорит, что тяжесть и инерция — два различных слова для обозначения одного и того же явления, причем численно они совпадают. Принцип эк­ вивалентности исключает существование таких двух тел, из которых одно ускорилось бы легче другого (при­ обретало бы данное ускорение под действием меньшей силы), но порождало бы поле тяготения большее, чем другое тело.

Рассмотрим теперь, к каким результатам привел учет явления всемирного тяготения, каковы следствия этого принципа эквивалентности тяготеющей и инерт­ ной массы. Постараемся рассмотреть их в виде отдель­ ных положений, связанных друг с другом, вытекающих одно из другого.

60

Во-первых, свет, как и электромагнитные явления вообще, обладает энергией. Если это так, то из закона пропорциональности энергии и массы ( Е=т- с2) следу­ ет, что свет обладает инертной массой. Это было дока­ зано еще до Эйнштейна тончайшим экспериментом вы­ дающегося русского физика П. Н. Лебедева по измере­ нию давления света. Установление давления света на твердые тела (а впоследствии и на газы) говорило о том, что свет обладает инертной массой. Далее. Нам извест­ но, что инертная масса эквивалентна его тяжелой (или тяготеющей) массе. Следовательно, свет обладает и тя­ готеющей массой.

Во-вторых, масса, находящаяся в поле тяготения, испытывает действие этого поля, и поэтому ее движе­ ние не будет прямолинейным. Чем больше сила тяготе­ ния, тем больше оно отклоняет движение тела от пря­ молинейного. Частная теория относительности рассмат­ ривала движение света в свободном от вещества прост­ ранстве, не учитывала влияния поля тяготения. Но в действительном мире нет абсолютно пустого простран­ ства без поля тяготения. Следовательно, свет распрост­ раняется в поле тяготения, и коль скоро он имеет тя­ готеющую массу, то и испытывает на себе влияние это­ го поля. Иными словами, в действительности свет не может иметь прямолинейное движение, его путь будет искривленным. Кстати, это обстоятельство и было под­ тверждено опытным путем во время солнечного затме­ ния 1919 г.: поле тяготения Солнца искривляет путь

61

света далеких звезд, проходящего вблизи него. В обыч­ ное время это искривление пути света звезд незаметно из-за яркого блеска Солнца.

В-третьих, мы уже знаем, что закон распростране­ ния света с постоянной скоростью раскрывает универ­ сальный характер связи пространства и времени. А ес­ ли наличие поля тяготения искривляет путь света, то ясно, что тяготение тесно связано со свойствами прост­ ранства и времени. Отсюда, далее, следует, что метрика пространства и времени (их геометрические свойства) является более сложной, чем это считала частная тео­ рия относительности. Эта метрика зависит от распреде­ ления тяготеющих масс. В этом, пожалуй, заключается основная идея теории тяготения Эйнштейна. Скажем несколько проще: поскольку решительно все физиче­ ские объекты в мире обладают тяготеющей массой и в мире нет пространства, свободного от поля тяготения, то никакое движение не может быть прямолинейным, оно обязательно более или менее искривлено. Иначе го­ воря, само пространство искривлено. Величина искрив­ ления пространства в данном месте зависит от силы по­ ля тяготения.

Математическим выражением этих свойств прост­ ранства и времени является не геометрия Эвклида, ко­ торая рассматривала прямые линии, а так называемая риманова геометрия. Одной из форм последней и явля­ ется геометрия Лобачевского. Вот почему, оказывается, в природе, строго говоря, нет параллельных линий: все

62

линии искривлены, и потому параллельные не парал­ лельны. Метрика пространства и времени является эв­ клидовой лишь тогда, когда мы не учитываем действия поля тяготения. Правда, при слабом поле тяготения, как у Земли, отличие метрики от эвклидовой настолько мизерно, что практически оно незаметно и обычно по­ этому не учитывается. Но когда мы имеем дело с силь­ ным полем тяготения, с большими участками простран­ ства и большими промежутками времени, обязательно надо учитывать факт искривления и перейти на риманову геометрию.

В-четвертых, Эйнштейн установил, что связь метри­ ки пространства и времени с распределением тяготею­ щих масс и их движением является взаимной: а) рас­ пределение и движение тяготеющих масс определяют метрику пространства и времени; б) движение масс в поле тяготения обусловлено отклонениями метрики от эвклидовой. Таким образом, получается, что массы соз­ дают метрику пространства и времени, а метрика опре­ деляет их движение. Формально эта взаимосвязь мате­ матически проявляется в том, что уравнение Эйнштей­ на представляет собой не только уравнение поля, но и уравнение движения.

Сущность теории тяготения, следовательно, состоит в установлении ряда общих связей: пространства и времёни, массы и энергии, структуры пространства и вре­ мени и материи, законов поля тяготения и законов дви­ жения в поле тяготения. Взаимодействие тел в их тяго­

63

тении и изменение структуры пространство — время оказывается сторонами одного явления, но без сведения одной стороны к другой, как это пытаются делать идеа­ листы. Общая теория относительности может быть опре­ делена как теория тяготения, но она, по-видимому, не есть теория относительности любых движений, как это считал сам Эйнштейн. Главное ее значение в физике состоит в том, что она решила проблему, стоявшую со времени открытия тяготения,— выдвинула теорию это­ го фундаментального явления и, показав его связь со структурой пространство — время, дала основу для изучения влияния тяготения на разнообразные физиче­ ские процессы.

Советскими физиками проделана большая работа по вскрытию объективного физического содержания об­ щей теории относительности Эйнштейна, а преодоле­ ние нечеткости ряда ее положений дало возможность отбить попытки извращения некоторых выводов из тео­ рии относительности религиозно настроенными буржу­ азными учеными.

Общая теория относительности, или теория тяготе­ ния, вскрывает ограниченность частной теории, спра­ ведливой лишь для условий, когда можно пренебречь полем тяготения. При наличии сильных полей тяготе­ ния закон постоянства скорости света нарушается, а от­ сюда — нарушаются законы частной теории относи­ тельности. При этом закон взаимосвязи пространства и времени не только сохраняется, но подвергается даль­

64