В малой области пространства-времени поле силы тяжести Земля, как и любые другие гравитационные поля, практически однородно. Поэтому в ло-кальном опыте мы можем «убрать» притяжение, дав нашей лаборатории возможность свободно падать. При этом она будет подобна инерциальной системе в отсутствие гравитационных полей, т. е. предоставленные самим себе тела будут оставаться в ней в покое иди двигаться по прямой, а приложив к ним силу, мы обнаружим, что F=ma.

Однако в большем масштабе, скажем н пространстве около Земли иди около Солнца, мы должны использовать множество различных ускорений, чтобы устранить силу тяжести в каждой из локальных лабораторий. Чтобы согласовать прямолинейное движение в соответствии с первым законом Ньютона с его продолжением в соседней лаборатории, которая также свободно ускоряется, мы должны будем «искривить» траекторию. При переходе из лаборатории в лабораторию около тяготеющей массы придется изгибать ее еще больше. Как это объяснить? Вместо того чтобы говорить «мы обнаружим здесь, помимо всего, силу тяжести», мы могли бы сказать. «Евклидова геометрия не соответствует реальному миру вблизи массивной Земли и Солнца». Общая теория относительности выбирает второе. Как и при создании специальной теории относительности, Эйнштейн искал простейшую геометрию, которая удовлетворяла бы новому предположению о том, что запись законов физики всегда должна быть одинаковой. Он пришел к геометрии общей теории относительности, в которой сила тяжести как некая странная сила, порождаемая массой, исчезла, уступив место возмущению пространства-времени в окрестности масс.
«С незапамятных времен физики и чистые математики работали в определенном согласии друг с другом относительно их доли участия в изучении природы. Сначала приходили математики и, проанализировав свойства пространства и времени, строили предварительную геометрию и кинематику (чистое движение). Затем, когда сцена была подготовлена, физики выводили действующих лиц: материальные тела, магниты, электрические заряды, свет и так далее, и представление начиналось. Однако, согласно революционной концепции Эйнштейна, действующие лица теперь сами готовят подмостки, появляясь на них: геометрия уже не предшествует физике, а неразделимо слита с ней в единый предмет. Свойства пространства в общей теории относительности зависят от присутствия материальных тел и их энергии…».
Однако какая же геометрия более правильна — старая или новая? Вернемся к нашей точке зрения на математику как послушного слугу. Нельзя ли для описания физического мира воспользоваться любой геометрией, так сказать, деформировать картину мира, чтобы втиснуть его в геометрию? Тогда нашей задачей будет не нахождение правильной геометрии, а выбор простейшей или наиболее удобной, которая описывала бы мир с минимальным искажением. Если это так, то мы должны понять, что, выбирая геометрию, мы имеем дело с нашей Вселенной, и если мы для подгонки безжалостно корежили ее, то это не пройдет нам даром.

Если бы наш мир представлял собой, например, апельсиновую кожуру, то подходящей моделью для него был бы шар. Если же мы подойдем к нему с непоколебимой верой в плоскую геометрию, то должны растянуть кожуру на плоском столе так, чтобы она плотно прилегла к его поверхности.”Тогда мы бы обнаружили, что клетки кожуры у внешнего края стали больше, но вынуждены были бы объявить это законом природы. Мы бы обнаружили странные силы, пытающиеся оторвать середину кожуры от стола,— снова «закон природы». Если мы заботимся об упрощении наших представлений о природе, то поведение апельсиновой кожуры подсказало бы нам в качестве модели пространства не плоскую, а сферическую геометрия». Все это звучит странно, но так оно и есть. Именно такие рассуждения в рамках тре-х- и четырехмерного пространства, вместо двумерного, использованы общей теорией относительности. Странные гравитационные силы могут быть непосредственным результатом стремления описать природу неподходящей геометрией — прекрасно развитой системой Евклида. Если бы мы выбрали другую геометрию, в которой материя возмущала бы вблизи системы отсчета, то гравитация из удивительного набора сил превратилась бы в простой вопрос геометрии. Теперь уже не нужно говорить, что ядро из-за силы тяжести летит, согласно старой геометрии, по «кривому» пути. Вместо этого мы можем считать, что оно следует по пути, который в новой геометрии представляет собой прямую линию в пространстве-времени, искаженном присутствием Земли.
Это было бы всего лишь простым изменением точки зрения (и как ученые, мы едва ли беспокоились бы об этом), если бы не открывало нам глаза на новые стороны природы или не улучшало понимания старых. А это так. С подобной геометрической точки зрения «криволинейный» путь свободно движущихся тел присущ новой геометрии пространства-времени и всякое летящее с данной скоростью тело, большое или маленькое, должно следовать по одному и тому же пути. Обратите внимание, как исчезает неожиданность символического эксперимента. Долговечная загадка равенства гравитационной и инертной масс оказалась решенной. Этим равенством, представляющим собой фундаментальное свойство природы, пренебрегали на протяжении веков, пока Эйнштейн не объявил его свойством пространства-времени, обусловленным присутствием вещества.
Даже световые лучи подобно пуле, движущейся со скоростью света, должны распространяться по криволинейному пути. В окрестности Земли эта кривизна незаметна, но лучи звезд, проходящие вблизи Солнца, должны отклоняться на угол около 0,0005°, измерение которого под силу лишь современным приборам. Фотографии, сделанные при полном солнечном затмении, показывают, что положение звезд, близких к краю Солнца, кажется сдвинутым на угол 0,0006°. С традиционной («классической») точки зрения Солнце создает поле силы тяжести, которое, по-видимому, видоизменяет прямолинейное распространение света в евклидовой геометрии. С точки зрения общей теории относительности мы заменяем силу тяжести Солнца таким локальным искажением геометрии, что по сравнению с простой евклидовой формой свет кажется нам «более медленным». Таким образом, лучи немного искривляются вблизи Солнца наподобие искривления лучей горячим воздухом над шоссе, когда возникает мираж, но в другую сторону.

Обнаружив простоту и плодотворность этой точки зрения, особенно когда она выливается в простейшую математическую форму, мы принимаем ее. Обычные лабораторные эксперименты показывают, что евклидова геометрия дает достаточно простое и точное описание пространства. Но в астрономических масштабах с громадными гравитационными полями мы должны либо пользоваться новой геометрией (в которой сетка «прямых линий» в пространстве-времени кажется нам слегка искривленной), либо как-то видоизменять законы физики. Современная наука предпочла изменения в геометрии. Это позволяет не только придать законам физики простой и универсальный вид, на вместе с тем иногда обнаруживать новые свойства.
Приспосабливая гравитацию к новой геометрической точке зрения, Эйнштейн обнаружил, что в простейшей, наиболее правдоподобной форме онаприво-дит к закону, несколько отличному от закона всемирного тяготения Ньютона.

 

Автор Эрик Роджерс

Физика для любозательных

Опыты

Задачи

Игрушки со спичками

На главную

ДРУГИЕ НАШИ ПРОЕКТЫ

Интересные  игрушки

Поделки дома

А Вам слабо?

Своими руками с детьми

От дачи до дома

Что готовите?