Решение загадки меркурия

Хотя Ньютон и открыл закон тяготения, он не смог ответить на вопрос, почему все тела притягивают друг друга. Только общей теории относительности удалось про­лить на это свет.
Всякое тело искривляет пространство возле себя, и тем больше, чем больше его масса. Солнечная система представляет собой совокупность тел в искривленном про­странстве. Особенно велика искривленность пространства в окрестностях Солнца, тогда как планеты с их относи­тельно небольшими массами не могут вызвать значитель­ного искривления пространства. Движение планет нужно рассматривать как инерциальиое движение свободных тел в искривленном пространстве. Значит все особенности движения определяются уже структурой пространства, последняя же, в свою очередь, зависит от расположения и движения масс.
В теории тяготения Ньютона говорится о гравита­ционном поле. В общей теории относительности гравитационное поле заменяется искривленностью простран­ства, но можно показать, что и здесь вместо искривленно­сти пространства можно говорить о гравитационном поле в пространстве. Оба эти явления (искривленность прост­ранства и гравитационное поле) в общей теории относи­тельности описываются одной и той же математической величиной. Говорить о гравитационном поле или говорить об искривленности пространства — это значит только по-разному называть одну и ту же физическую реальность. Следует заметить при этом, что описываемое уравнения­ми общей теории относительности гравитационное поле имеет более сложное строение, чем гравитационное поле в теории Ньютона. Соотношение между этими полями, грубо говоря, такое же, как между электромагнитными электростатическим полями.

Хотя Ньютон и открыл закон тяготения, он не смог ответить на вопрос, почему все тела притягивают друг друга. Только общей теории относительности удалось про­лить на это свет.
Всякое тело искривляет пространство возле себя, и тем больше, чем больше его масса. Солнечная система представляет собой совокупность тел в искривленном про­странстве. Особенно велика искривленность пространства в окрестностях Солнца, тогда как планеты с их относи­тельно небольшими массами не могут вызвать значитель­ного искривления пространства. Движение планет нужно рассматривать как инерциальиое движение свободных тел в искривленном пространстве. Значит все особенности движения определяются уже структурой пространства, последняя же, в свою очередь, зависит от расположения и движения масс.
В теории тяготения Ньютона говорится о гравита­ционном поле. В общей теории относительности гравитационное поле заменяется искривленностью простран­ства, но можно показать, что и здесь вместо искривленно­сти пространства можно говорить о гравитационном поле в пространстве. Оба эти явления (искривленность прост­ранства и гравитационное поле) в общей теории относи­тельности описываются одной и той же математической величиной. Говорить о гравитационном поле или говорить об искривленности пространства — это значит только по-разному называть одну и ту же физическую реальность. Следует заметить при этом, что описываемое уравнения­ми общей теории относительности гравитационное поле имеет более сложное строение, чем гравитационное поле в теории Ньютона. Соотношение между этими полями, грубо говоря, такое же, как между электромагнитными электростатическим полями.
Движение тел солнечной системы, согласно общей теории относительности, происходит так, что система в целом определяет условия движения каждой из планет. При этом движение планет (и Солнца) является естест­венным движением, т. е. в ближайших окрестностях пла­неты (точнее говоря, в центре массы планеты) отсутству­ет гравитационное поле других небесных тел. В том, что сказанное действительно справедливо, мы можем убеж­даться на каждом шагу. Подвесим, например, на шнуре груз массой в 1 кг. Получим маятник, который Земля притягивает с силой в 1 кг. С помощью формулы (10) можно вычислить, что притяжение этой массы Солнцем должно составить 0,6 г. Если такое притяжение действи­тельно существует, то мы должны заметить следующие явления.
В полдень, когда Солнце находится в зените, оно долж­но притягивать маятник в направлении, противоположном направлению Земли, и вес маятника должен быть только 0,9994 кг. В полночь наоборот, притяжение Солнца будет иметь то же направление, что и притяжение Земли, и маятник должен весить 1,0006 кг. Таким образом, вес те­ла маятника в течение суток должен колебаться в преде­лах 1,2 г. Кроме того, с изменением положения Солнца на небосводе свободно висящий маятник должен откло­няться в сторону Солнца. Подобных явлений, однако, ник­то никогда не замечал. Это обстоятельство подтверждает, что Земля движется в пространстве именно так, что в ее ближайших окрестностях влияние гравитационного поля других небесных тел устранено.
Вычисления показывают, что естественное движение планет вокруг Солнца не должно происходить точно так, как следует из закона тяготения Ньютона, что здесь име­ются небольшие отклонения. Так, например, орбита пла­неты не будет эллипсом, а будет несколько отличаться от него. Тем самым общая теория относительности уточнила и законы Кеплера. Второй закон Кеплера гласит: вооб­ражаемый отрезок прямой, соединяющий планету с Солн­цем, в равные времена описывает равные площади (рис. 55). Теория относительности показывает, что это не  совсем так. Чем ближе планета к Солнцу, тем меньшую площадь опишет воображаемый отрезок за единичный промежуток времени. Эта поправка ко второму закону Кеплера, однако, так мала, что ее невозможно обнару­жить современными астрономическими наблюдениями. Далее теория относительности показывает, что при естественном движении планеты перигелий орбиты дол­жен смещаться в направлении движения. И это смещение очень мало, но зато оно все время происходит в одном нап­равлении. По истечении многих лет благодаря накопле­нию незначительных смещений перигелия может образо­ваться уже вполне измеримый эффект. Формулы общей теории относительности показывают, например, что сме­щение перигелия Меркурия при естественном движении должно быть равно 40,03 секунды дуги за столетие. Это число с удивительной точностью совпадает с остаточным движением перигелия Меркурия. Загадочное движение Меркурия, над обоснованием которого ученые работали больше 50 лет, нашло в общей теории относительности совсем простое объяснение. Прекрасное согласие теорети­ческого значения смещения перигелия Меркурия с ре­зультатами наблюдений подтверждает, что общая теория относительности описывает движение планет точнее, чем теория тяготения Ньютона.
 
Иллюстрация ко второму закону Кеплера
Рис. 55. Иллюстрация ко второму закону Кеплера. Бели планета проходит от­резки эллипса АВ, CD и EF за равные промежутки времени, то все заштри­хованные площади равны между собой
 
С помощью формул теории относительности можно вычислить остаточное движение перигелия и для других планет. Результаты вычислений представлены в табл. 10. Из таблицы видно, что у всех других планет это остаточ­ное движение перигелия меньше, чем у Меркурия. При­чина заключается в более медленном, чем у Меркурия, Движении планет, вследствие чего эффекты, предсказан­ ные теорией относительности, для них соответственно меньше. Кроме того, все остальные планеты за столетие успевают сделать меньше полных оборотов, чем Мерку­рий, так что у них за это время не успевает накопиться такого большого смещения.
 
Таблица   10
Остаточное движение перигелия планет (в секундах дуги) по теории относительности и по современным данным наблюдений
 
Остаточное движение перигелия планет
 
Сравнивая вычисленное теоретически остаточное дви­жение перигелия планет с измеренным, видим, что для Ве­неры и Меркурия согласие очень хорошее. Прекрасное сог­ласие имеется и в случае Земли, где новые измерения обнаружили остаточное смещение перигелия, равное 5,0 ± ± 1,2 секунды дуги за столетие. Неприятности получаются только с Марсом: теоретически остаточное движение пери­гелия должно быть 1,35 секунды дуги, а измеренное зна­чение равно 8 секундам дуги. Что обусловливает такое несогласие, сейчас сказать невозможно. Вероятно, причина заключается просто в неточности определения этого оста­точного движения перигелия, должно быть, к нему оши­бочно отнесены смещения, вызванные другими небесными телами.
В последнее время высказано мнение, что смещение перигелия орбиты должно быть легко измеримо для малой планеты Икар, открытой в 1948 г. Малые планеты, или, как их иначе называют, астероиды,— это небольшие небесные тела, движущиеся между орбитами Марса и Юпитера. Особенно вытянутую орбиту имеет Икар, его перигелий находится внутри орбиты Меркурия.   Теория относительности предсказывает, что остаточное движение перигелия Икара должно равняться 10,05 секунды дуги за столетие. Благодаря вытянутости орбиты точность измере­ний движения перигелия для Икара должна быть даже больше, чем для Меркурия (чем более вытянут эллипс, тем легче заметить его вращение). Так как движение Икара наблюдалось немногим больше 15 лет, то смещение его перигелия пока еще не измерили.