Университеты и ВУЗы Белгорода

Три описанных выше эффекта — искривление светового луча вблизи Солнца, движение перигелия планет и грави­тационное смещение спектральных линий звезд — были до последних лет единственными наблюдательными под­тверждениями общей теории относительности. Все другие предсказания этой теории говорят о таких мало заметных явлениях, которые не могут быть обнаружены из-за недо­статочной чувствительности современных способов измере­ний. Это, конечно, не означает, что роль общей теории от­носительности в современной науке мала. Мало имеется теорий, которые дали бы столь же много для понимания природы, как общая теория относительности. Однако в общей теории относительности еще много вопросов, над раз­решением которых работают ученые многих стран, в том числе и физики нашей страны.
Интересные и очень перспективные идеи для дальней­шей опытной проверки общей теории относительности вы­двинул советский физик, академик В. Л. Гинзбург, кото­рый посоветовал использовать для этого искусственные спутники Земли.
Спутник движется вокруг Земли так же, как и планеты вокруг Солнца по эллиптической орбите. Различные воз­мущения вызывают движения перигея орбиты спутника в пространстве. Так, например, под влиянием Солнца пе­ригей искусственного спутника Земли должен смещаться на 7,6 секунды дуги за столетие. Смещение перигея, кото­рое предсказывает общая теория относительности, много больше. Оно достигает около 1500 секунд дуги за столетие. Вычисления показывают, что наблюдение за искусствен­ным спутником Земли в течение одного года даст возмож­ность точнее проверить общую теорию относительности, чем измерения смещения перигелия Меркурия на протя­жении нескольких сотен лет.

Из общей теории относительности следует, что чем сильнее гравитационное поле в заданной точке простран­ства, тем медленнее там течет время. Это значит, что всег­да на больших небесных телах время течет медленнее, чем на малых. Если бы в мире не было материи, то не было бы и пространства и времени. Неотделимость времени от ма­терии проявляется в существовании конкретной связи между массой и временем. Все процессы с массами проис­ходят во времени, скорость же течения времени, в свою очередь, зависит от величины ближайших масс.
Рассмотрим теперь подробнее, как измеряется ско­рость течения времени на других небесных телах.
Атом каждого элемента излучает определенный прису­щий только этому элементу спектр света. Так, например, свет, излученный атомом водорода, состоит из четырех спектральных линий: первая из них имеет частоту 457 млн. Мгц (красная линия), вторая — 617 млн. Мгц (светло-синяя линия), третья — 691 млн. Мгц (темно-си­няя линия) и, наконец, четвертая — с частотой 755 млн. Мгц (фиолетовая линия).

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.

Со времен Кеплера известно, что планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Когда расстоя­ние планеты от Солнца становится наименьшем, говорят, что планета находится в перигелии своей орбиты. Ньютон был твердо уверен, что точка перигелия покоится в про­странстве, т. е. планеты все время обращаются по непод­вижным эллипсам. Однако более поздние наблюдения об­наружили нечто иное. Оказалось, что с каждым оборотом планеты ее перигелий несколько смещается в направле­нии движения; таким образом, орбита планеты не явля­ется замкнутым эллипсом, а напоминает розетку (рис. 54).
Впервые движение перигелия было открыто у Мерку­рия. Сравнение данных старых наблюдений с новыми по­казало, что точка перигелия орбиты Меркурия сместилась за сто лет приблизительно на 565,3 секунды дуги в нап­равлении движения планеты. Леверье занялся отыскани­ем причины этого смещения. Выяснилось, что основная часть смещения была обусловлена влиянием других пла­нет, главным образом Венеры и Земли. Воздействие всех планет, однако, вызвало сдвиг перигелия только на 527 секунд дуги за столетие. Расхождение на 38,3 секун­ды дуги, так называемое остаточное увеличение периге лия, было загадкой, которая долгие годы приковывала вни­мание ученых.

В основных чертах общая теория относительности сло­жилась уже к 1916 г. Это было основанное главным образом на логических рассуждениях математически строгое и гар­моничное учение, которое не имело ни одного опытного или наблюдательного подтверждения. Последние, однако, не заставили себя долго ждать.
Уже в частной теории относительности выяснилось, что энергии всегда соответствует инертная масса. Из принципа эквивалентности следует, что с энергией связана и тяжелая масса — ведь инертная и тяжелая масса всегда равны. На­пример, свет несет определенную энергию, а значит, ему присуща и тяжелая масса. Гравитационная сила должна оказывать воздействие на распространение света. По этой причине можно ожидать, что движущийся в мировом про­странстве луч света будет отклоняться в сторону больших масс. Вычисления, которые Эйнштейн проделал в 1911 г., показали, что отклонение луча света под воздействием не­бесных тел в общем должно быть чрезвычайно малым; за­метным оно может быть только тогда, когда луч света прой­дет очень близко от звезды с большой массой. Рассмотрим, например, Солнце. Диаметр Солнца равен 1,4 млн. км. Это значит, что, проходя мимо Солнца, луч света будет нахо­диться около 5 сек в непосредственной близости к нему, где притяжение особенно велико. Вычисления Эйнштей­на показали, что отклонение луча света, прошедшего мимо Солнца, должно быть немногим меньше одной угло­вой секунды.

В принципе несложно проверить, имеет ли мировое про­странство положительную или отрицательную кривизну, или же оно плоское. Для этого нужно учесть, что луч света в пустом пространстве распространяется всегда по прямой. Наблюдатели, которые захотели бы определить геометрию мирового пространства, в принципе должны были бы дейст­вовать следующим образом.
Один наблюдатель посылает световой луч. Вслед за ним другой наблюдатель также посылает световой луч в этой же плоскости, пытаясь направить его параллельно первому лучу. Если окажется, что это вообще невозможно, т. е. если второй луч всегда будет пересекать первый, то это будет означать, что мировое пространство имеет положительную кривизну. Если второму наблюдателю удастся послать па­раллельные лучи, то это будет означать, что мировое прост­ранство евклидово, т. е. его кривизна равна нулю. И, нако­нец, если второй наблюдатель может послать лучи, которые будут находиться в той же плоскости, что и луч первого на­блюдателя, но они не будут пересекать этот луч, это будет означать, что кривизна мирового пространства отрицате­льна.
Подобную проверку, разумеется, практически нельзя осуществить; нужно использовать другие, косвенные мето­ды. Позже мы увидим, что общая теория относительности согласуется с некоторыми наблюдениями. Поэтому утверж­дение теории о том, что мировое пространство во всяком случае должно быть кривым, можно считать косвенно под­твержденным. Но мы пока ничего не можем сказать, поло­жительна или отрицательна кривизна мирового простран­ства.

Вернемся снова к вопросу о геометрии мирового прост­ранства. Можем ли мы описывать геометрические фигуры, построенные (мысленно) в мировом пространстве с помо­щью геометрии Евклида, или здесь необходимо применять геометрию Лобачевского либо Римана? Евклидова геомет­рия нам хорошо известна из школьного курса. В этой гео­метрии утверждается, например, что сумма внутренних углов треугольника равна 180°, а длина окружности равна 2Пr, где r — радиус этой окружности. Геометрия Римана и Лобачевского не содержит таких утверждений. Казалось бы, выбор геометрии в принципе не сложен. Для этого нужно «только» измерить геометрические фигуры в кос­мическом пространстве и установить, отвечают ли резуль­таты измерений евклидовой геометрии или нет. Если бы можно было, например, построить окружность гигантских (космических) размеров с радиусом R и измерить ее дли­ну, то сразу же можно бы сделать выводы о геометриче­ских свойствах пространства. Если бы длина такой окруж­ности оказалась равной 2ПR, то мы смогли бы утверждать, что в мировом пространстве справедлива геометрия Евкли­да. Если бы длина окружности оказалась больше или меньше 2ПR, то мы смогли бы сделать заключение, что в мировом пространстве справедлива геометрия, отличная от евклидовой. Остановимся на проблеме измерения длины окружности.

В главе, посвященной специальной теории относитель­ности, мы видели, что конкретный вид электромагнитного поля зависит от системы отсчета, в которой это поле опи­сывается. В одной системе отсчета поле имеет один вид, в другой — иной. Однако для электромагнитного поля ха­рактерна одна существенная черта: если электромагнит­ное поле имеется в некоторой заданной системе отсчета, то невозможно найти другую систему отсчета, в которой бы это поле отсутствовало. Электромагнитное поле нельзя устранить с помощью движения. Гравитационное поле об­личается от электромагнитного главным образом именно этим свойством. Величина напряженности гравитацион­ного ноля зависит от системы отсчета, в которой мы опи­сываем ноле. Однако в противоположность электромагнит­ному нолю здесь всегда можно найти такую систему от­счета, в которой гравитационное поле в данной точке про­странства равно нулю. Именно это и подразумевается в принципе эквивалентности, когда говорится об эквива­лентности гравитационного поля и поля относительного ускорения. О принципе эквивалентности всегда говорится в связи с общей теорией относительности. В действитель­ности принцип эквивалентности следует уже из закона свободного падения, открытого Галилеем, и относится по своему содержанию к классической физике. Значение прин­ципа эквивалентности состоит не только в том, что он поз­воляет лучше понять сущность гравитационного поля, но у него есть и определенное методическое значение. Исполь­зование этого принципа позволяет уяснить некоторые во­просы и логически просто объяснить ряд явлений природы. Примерами могут служить уже рассмотренные проблемы, связанные с поведением силы тяжести в космическом по­лете. Поясним теперь, как использовать принцип эквива­лентности для объяснения возникновения приливов и от­ливов.

Что касается общей теории относительности, то физи­ки еще не пришли к единому мнению о ней. Некоторые ученые разделяют точку зрения академика В. А. Фока, считая, что общая теория относительности является всего лишь теорией гравитации и ни с какой относительностью ускорения мы здесь дола не имеем. Большинство же физи­ков утверждает, что точка зрения академика Фока слиш­ком узка. И сам Эйнштейн был убежден, что общая теория относительности прежде всего — теория относительности ускорения. Правда, пока в общей теории относительности наиболее существенные физические результаты получены только при объяснении гравитационных явлений. Но это вовсе не означает, что общая теория относительности этим и ограничивается. Для развития общей теории относитель­ности и для выяснения ее содержания исследователям предстоит еще многое сделать.

Создание общей теории относительности является ве­личайшим достижением человеческой мысли. Если потреб­ность в создании специальной теории относительности бы­ла очевидна (новые экспериментальные факты не уклады­вались в старую систему физики), то в общей теории от­носительности не нуждался ни один эксперимент. Необхо­димости в новой теории не чувствовали и физики. Лишь сам Альберт Эйнштейн видел в частной теории относи­тельности пробелы, которые требовалось устранить. После опубликования частной теории относительности Эйнштейн посвящает многие годы созданию еще более общей теории.
Первая работа, в которой были изложены начала новой теории, опубликованная в 1911 г., носила название «Влия­ние силы тяжести на распространение света». В этой ра­боте еще содержались некоторые неточные положения. Основы общей теории относительности были разработаны только к 1916 г.