Дорогие друзья!
Специальная теория относительности противоречила закону всемирного тяготения Ньютона, согласно которому объекты притягиваются друг к другу с силой, зависящей от расстояния между ними. При этом дальнодействие между небесными телами должно было быть мгновенным.
Но в соответствии со СТО ни одно тело не может двигаться быстрее, чем со скоростью света, и мгновенного действия быть не может.
С 1908 по 1914 год Эйнштейн предпринял ряд безуспешных попыток построить такую модель гравитации, которая согласовалась бы со специальной теорией относительности.
Чтобы понять грандиозность замысла Эйнштейна, представьте себе, что вы ночью стоите в поле и смотрите в звездное небо. Огромное пространство вокруг вас. Бездонная чернота со светящимися звездами. Как можно описать эту беспредельность каким-то уравнением? Да еще связать с той силой, которая удерживает вас на земле?
Наконец, в 1915 году Эйнштейн опубликовал теорию, которая сегодня называется общей теорией относительности – ОТО (выстроил, как он сам говорил, второй этаж дома).
В этой теории гениальность Эйнштейна проявилась еще в одном объединении: геометрические свойства пространства были объединены с чисто физической сущностью гравитации. Как Эйнштейну удалось «впрячь в одну телегу коня и трепетную лань», объединить физическое понятие гравитации с геометрией пространства?
Основная трудность заключалась в бесконечности Вселенной. Бесконечная Вселенная Ньютона потому и представляла для математиков и физиков непреодолимые трудности, что была бесконечной.
C бесконечностью столкнулся и Эйнштейн. Мучительно и напряженно искал он граничные условия, пытаясь описать уравнениями бесконечность Вселенной, и, наконец, пришел к выводу: «Мне не удалось установить граничные условия для пространственной бесконечности. Если бы можно было рассматривать мир в его пространственной протяженности как замкнутый, то подобного рода граничные условия были бы вообще не нужны» [1]. Хорошая идея пришла к нему очень вовремя, поскольку работы Лобачевского и Римана об искривленном и конечном пространстве уже были известны.
Чтобы избавиться от пороков бесконечности, Эйнштейн заменил бесконечную «плоскую» ньютонову Вселенную конечной. Конечное пространство по необходимости должно быть замкнутым и искривленным, подобно тому, как обязательно искривлена любая замкнутая поверхность. Замкнутое и конечное пространство имеет положительную кривизну, речь идет о пространстве Римана.
Затем Эйнштейн выдвинул предположение революционного характера: гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским; оно искривлено распределенными в нем массой и энергией.
Эта безграничная Вселенная наполнена различными космическими телами: звездами, планетами. Подобно тому, как вокруг движущихся электрических зарядов создается электромагнитное поле, так и в пространстве, окружающем всякое небесное тело, создается поле гравитации. И это поле гравитации проявляет себя в виде искривленного пространства. То есть искривленное пространство и есть гравитационное поле!
Таким образом, материальной средой, передающей взаимодействия, у Эйнштейна является само мировое пространство. Поле стало первичной физической реальностью, а не следствием какой-то другой реальности. Эйнштейн писал: «Силовое поле является самостоятельной физической реальностью, не нуждающейся в субстрате…» [2].
Такие тела, как Земля, вовсе не принуждаются двигаться по искривленным орбитам гравитационной силой; они движутся по линиям, которые в искривленном пространстве более всего соответствуют прямым в обычном пространстве и называются геодезическими. Геодезическая – это самый короткий путь между двумя соседними точками.
Например, поверхность на Земле есть искривленное двумерное пространство. Геодезическая на Земле называется большим кругом и является самым коротким путем между двумя точками. Согласно ОТО, тела всегда перемещаются по прямым в четырехмерном пространстве-времени, но мы видим, что в нашем трехмерном пространстве они движутся по искривленным траекториям. Понаблюдайте за самолетом над холмистой местностью. Сам он летит по прямой в трехмерном пространстве, а его тень перемещается по кривой на двумерной поверхности.
Если раньше считали, что после исчезновения вещества останется пустое пространство, то теория относительности утверждает, что после исчезновения материи исчезнет и пространство! То есть вещество и пространство следует воспринимать как непрерывно связанные понятия. Пространство и время перестали быть независимыми от движущейся материи.
Время возникает или исчезает вместе с пространством там, где существуют для него системы отсчета. А эти системы в свою очередь возникают и исчезают в зависимости от масс, энергий и скоростей. Единственная устойчивая величина в этом хаосе, которую оставил нам Эйнштейн, – скорость света в вакууме. Она предельна и непреодолима.
С точки зрения Эйнштейна путешествие со сверхсветовой скоростью означало бы путешествие из будущего в прошлое. При этом причина стала бы следствием, а следствие – причиной. Именно это не позволяло Эйнштейну признать даже гипотетическую возможность преодоления барьера скорости света.
Как заметил Павел Флоренский, свет, преодолевший барьер скорости света в вакууме, становится «тем светом». Но потусторонний мир – это уже не физика, а метафизика. Новая метафизика стала возможной благодаря открытию Эйнштейна, хотя сам он был строгим рационалистом, избегающим мистических построений [1].
В общей теории относительности пространство и время – динамические величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства-времени, а его структура влияет на то, как движутся тела и действуют силы. То есть пространство и время не только влияют на все, что происходит во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего, в ней происходящего. В теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной.
Итак, теория относительности объяснила движение всех масс, всей материи – от лучей света до звездных галактик. Объяснила открытой ею «обратной связью» космических масштабов: движение масс вызывается искривлением пространства, а искривление пространства вызывается населяющей его материей.
Однако наделив пространство физическими свойствами, Эйнштейн стал нуждаться в переносчике взаимодействий и решил вернуть эфир в науку.
Это естественно. Как сказал академик АН СССР В. Ф. Миткевич: «Пустое пространство не может быть ареной каких бы то ни было взаимодействий».
В 1923 году Эйнштейн писал в своей статье: «Согласно общей теории относительности, пространство немыслимо без эфира. Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами. В пространстве без эфира не только было бы невозможно распространение света, но не могли бы существовать масштабы и часы, и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле» [2]. Но было поздно.
С призывом вернуть в науку термин «эфир» Эйнштейн опоздал.
К 1923 году власть над миром вместе с теорией относительности уже делила новая наука, квантовая физика. И она уже обнаружила в пространстве Эйнштейна (пустом, по его мнению) специфическую материальную среду с необычными свойствами. Не решаясь вернуться к названию «эфир», эту необычную среду назвали «физический вакуум». Надо сказать, что сегодня ученые все чаще возвращаются к старому названию – эфир. Хотя стоит отметить, что физический вакуум и эфир – это не совсем одно и то же.
Считая, что физическое поле гравитации и искривленное пространство суть одно и то же, Эйнштейн сумел составить вакуумные уравнения, описывающие гравитационные поля через кривизну пространства.
На основании своей теории Эйнштейн предсказал два неизвестных ранее эффекта. Прежде всего, это искривление луча света в гравитационном поле Солнца. Оказывается, огромная масса нашего Солнца действует не только на соизмеримые по массе планеты, но и на ничтожные кванты света – фотоны. Эйнштейн дал рекомендации того, как искривление светового луча можно обнаружить опытным путем. И в 1919 году этот факт был подтвержден экспериментально.
Кроме того, он объяснил странности в смещении перигелия[5] Меркурия. Оказалось, что у Меркурия (а Меркурий – ближайшая к Солнцу планета) перигелий за столетие смещается значительно больше, чем должен был бы сместиться из-за действия на Меркурий остальных планет Солнечной системы.
Этот эффект теория тяготения Ньютона не объясняла. А теория относительности позволила понять, в чем дело. Оказывается, добавочное смещение перигелия есть результат искривления пространства, вызванного массой Солнца.
Теоретические расчеты Эйнштейна совпали с измеренной астрономами величиной смещения.
«Представьте себе мою радость, когда я добился того, что уравнения согласуются со смещением перигелия у Меркурия. Несколько дней я был вне себя от радостного возбуждения», – писал Эйнштейн своему ближайшему другу – физику Эренфесту [1].
Когда предсказания Эйнштейна подтвердились экспериментально, общая теория относительности получила всеобщее признание.
Еще одно предсказание ОТО состоит в том, что вблизи массивного тела типа Земли время должно течь медленнее. Это следует из того, что должно выполняться определенное соотношение между энергией света и его частотой: чем больше энергия, тем выше частота. Если свет распространяется вверх в гравитационном поле Земли, то он теряет энергию, и его частота уменьшается. Наблюдателю, расположенному на большой высоте, должно казаться, что внизу все происходит медленнее. Это предсказание было проверено в 1962 году с помощью очень точных часов: одни были расположены на самом верху водонапорной башни, а вторые – у ее подножия. Оказалось, что часы, находящиеся внизу, шли медленнее [3].
Если законы движения Ньютона покончили с абсолютным положением в пространстве, то общая теория относительности освободила нас от абсолютного времени.
В качестве пояснения рассмотрим так называемый парадокс близнецов. Например, один из близнецов отправился жить на вершину горы, а другой остался на уровне моря. Поскольку время на вершине бежит быстрее, то житель вершин состарится быстрее. Конечно, разница во времени между вершиной горы и подножьем очень мала. Более ярким оказался бы пример с полетом одного из близнецов на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света. По возвращении он оказался бы моложе своего брата-близнеца, оставшегося на Земле. То есть каждый индивидуум имеет свой собственный масштаб времени – в зависимости от того, где он находится и как движется.
Сегодня на теорию относительности Эйнштейна опираются такие разделы науки, как теория элементарных частиц и космология, исследующие самые малые тела и самый большой объект природы – Вселенную как единое целое. А уж исследования в Большом адронном коллайдере просто немыслимы без теории относительности. Правда, ОТО не может объяснить, что произошло в момент времени t = 0, где t – время рождения Вселенной, хотя довольно правильно описывает ситуацию при t больше нуля. Ученым уже удалось подобраться ко времени 10–34 секунды после Большого взрыва, хотя материя, которую они так хотят получить, пока не обнаружена.
Надо сказать, что общая теория относительности Эйнштейна не отвергла теорию тяготения Ньютона: она отвела ей более скромное место науки, справедливой для движений, медленных по сравнению со скоростью распространения света.
В своей автобиографии Эйнштейн писал: «Ньютон, прости меня. В свое время ты нашел тот единственный путь, который был пределом возможного для человека величайшего ума и творческой силы» [1].
Появление теории относительности привело к такому прорыву, о котором даже не мечтали, например, к овладению атомной энергией и коренному изменению научных представлений о мире.
И, тем не менее, желание проверить теорию относительности Эйнштейна никогда не оставляло ученых. Что-то все-таки смущало ученых в этой теории.
Еще в 1959 году было выдвинуто предложение проверить теорию Эйнштейна экспериментальным путем, но пришлось ждать почти полвека, прежде чем эта проверка стала технически возможной. Она была проведена в 2004 году силами американского Национального аэрокосмического агентства НАСА.
Специалисты НАСА запустили в 2004 году специальный спутник, внутри которого находились четыре кварцевых шара, покрытых ниобием. Их температура поддерживалась близкой к абсолютному нулю. Они были помещены в самую «спокойную» среду из существующих, а именно в емкость со сверхжидким гелием. При выведении на орбиту шарам задали вращательный импульс. Если теория Эйнштейна правильна, то под влиянием массы и вращения Земли, которая будет находиться на расстоянии 640 километров от шаров, шары должны будут сместиться на некоторое расстояние [4].
Полученные с помощью спутников данные выявили смещение этих шаров, хотя и весьма незначительное. Если бы Эйнштейн ошибся, то оси кварцевых шаров не отклонились бы от своего положения.
Искривление пространства и времени вокруг Земли оказывает влияние на близлежащие объекты. С большими трудностями удалось установить, что за год отклонение оси шариков составило всего одну тысячную угловой секунды.
«Одна тысячная угловой секунды – это толщина человеческого волоса, видимая на расстоянии 16 километров. То есть это очень маленький угол, и вот такой точности должен был достичь созданный аппарат», – пояснил руководитель группы ученых, профессор Стэнфордского университета Френсис Эверетт.
Уже после 2004 года ученые еще и еще раз проверяли правильность теории относительности, и в 2011 году руководитель проекта Френсис Эверетт, наконец, подвел черту под этими проверками. Он заявил: «Представьте, если бы Земля была погружена в мед. При вращении планеты вокруг своей оси и Солнца мед вокруг нее деформировался бы и закручивался». Лучше общую теорию относительности не объяснить.
И, тем не менее, проверки правильности теории относительности продолжаются.
Другая точка зрения на общую теорию относительности. Доктор технических наук, академик РАЕН В. А. Ацюковский утверждает следующее: «В основе ОТО лежат десять постулатов, пять из которых использованы в СТО и о которых мы упоминали выше.
Шестой постулат распространяет все предыдущие постулаты на гравитационные явления, что может быть сразу же опровергнуто, ибо рассматриваемые выше явления световые, то есть электромагнитные. Гравитация же никакого отношения к электромагнетизму не имеет. Поэтому надо было бы такое распространение постулатов как-то обосновать. Но оно не обосновывается, потому что в этом нет нужды, ведь это постулат!
Седьмой постулат заключается в том, что свойства масштабов и часов определяются гравитационные полем. Почему они так определяются? Это постулат!
Восьмой постулат гласит, что все системы уравнений относительно координатных преобразований ковариантны, то есть преобразуются одинаково. Почему? Это постулат!
Девятый постулат радует нас тем, что скорость распространения гравитации равна скорости света. Постулат!
Десятый постулат сообщает, что пространство, оказывается, „немыслимо без эфира, поскольку общая теория относительности наделяет пространство физическими свойствами“. Эйнштейн догадался об этом в 1920 году и подтвердил свою прозорливость в 1924 году. Понятно, если бы ОТО не наделила пространство физическими свойствами, то и эфира в природе бы не было. Но раз наделила – имеет право быть, несмотря на то, что в СТО эфира нет, и в ней он права на существование не заработал» [5].
В конце октября 2011 года появилось сообщение, что итальянские физики получили доказательства возможности движения со скоростями больше скорости света [6].
Сенсация состоялась в сентябре 2011 года, когда международная группа физиков-экспериментаторов объявила, что нейтрино, посылаемые сквозь земной шар из исследовательского центра Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в подземную итальянскую лабораторию Гран-Сассо (Апенинский хребет) на расстояние в 732 километра, прибывают в детектор на 60 наносекунд раньше, чем положено по знаменитой теории, то есть движутся быстрее света в вакууме.
Заявление последовало после двух лет опытов и кропотливой работы по отсеиванию любых ошибок в измерениях. Тем не менее, остается возможным, что какую-то погрешность экспериментаторы не учли. Раскрыть истину очень важно, так как даже скромное превышение знаменитой константы приведет к необходимости пересмотра ряда основополагающих теорий о строении мира.
«Вот почему несколько дней назад физики начали отправлять из ЦЕРНа в Гран-Сассо новые пучки нейтрино», – пояснил директора ЦЕРНа по экспериментальным исследованиям итальянский профессор Серджо Бертолуччи. Он добавил, что ученые не могут измерить время пробега между двумя научными установками каждой частицы по отдельности. Свои цифры физики получают после статистической обработки результатов огромного числа событий – отправки импульса и его прохождения.
Чтобы повысить точность измерений, в новой серии опытов, которая продлится до ноября, ученые используют гораздо более короткие нейтринные импульсы – длительностью в 1–2 наносекунды с паузой по 500 наносекунд между ними. Раньше каждый импульс длился 10 микросекунд, и приборы различали его начало и конец.
Эксперимент по посылке пучков нейтрино из Швейцарии в Италию, приведший к сенсационным результатам, теперь повторяется с иными начальными условиями. Ученые намерены или убедиться, что имеют дело с превышением константы, или найти ошибку в своих подсчетах [6].
Тем временем, как отмечает РАН, по результатам предыдущего цикла исследований, начиная с сентября, уже выпущено более восьмидесяти научных работ: в одних статьях авторы предлагают объяснение полученного эффекта, а в других сообщают о научных проблемах, которые это явление может повлечь за собой.
Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Валерий Трубицин пояснил, что теоретически может измениться в нашей жизни в связи с полученным итальянскими учеными результатом [7].
«Я слышал об открытии, – говорит Трубицин. – Итальянские ученые пишут, что уже 15 тысяч раз повторили опыт, и все подтвердилось. Тогда все сильно поменяется. И в первую очередь будет опровергнута теория Эйнштейна, который говорит о том, что быстрее скорости света в мире ничего нет. Придется писать новые формулы для физиков-ядерщиков. Получится, что Вселенная моложе, чем мы полагали. Кстати, от размера невидимого протона до размера десятисантиметрового яблока она расширилась во много раз быстрее, чем если бы делала это со скоростью света. Но это было только в самом начале, а дальнейшее расширение пошло даже медленнее скорости света. Если этот постулат будет опровергнут, изменится вся наука о частицах. Тогда, может быть, зря все искали „частицу Бога“ – бозон Хиггса, может, его и нет вовсе».
Словом, все это надо еще многократно проверить. Если теория относительности была ошибочной (а от ошибок никто не застрахован), то слишком уж высока цена этой ошибки гения. Уж слишком большие изменения ожидаются в науке. Второй подобной ошибки допустить нельзя. Но очень интересно, прав ли Эйнштейн?
Как мы уже знаем, великий древнегреческий философ Демокрит, основоположник атомизма, считал, что все вещества состоят из атомов, а атомы из амеров – неделимых и невесомых элементов. Вся совокупность амеров, перемещающихся в пустоте и соударяющихся друг с другом, является общемировой средой, которую Аристотель назвал эфиром. К концу XIX века эфир был утерян, и основой мироздания, его «кирпичиком», стал считаться неделимый атом.