Закон тяготения Ньютона и попытки Эйнштейна связать его с теорией относительности

 

 

Ньютон рассматривал гравитацию как силу притяжения, которая возникает между любыми двумя объектами во Вселенной. Чем больше эти объекты и чем ближе они друг к другу, тем сильнее притяжение. Если быть точнее, сила притяжения пропорциональна произведению масс объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Появление этого закона стало настоящим прорывом в науке. В сочетании с ньютоновскими законами движения он объяснял орбиты, по которым планеты движутся вокруг Солнца, а спутники вокруг планет, причину возникновения океанских приливов и отливов,

давал ответ на вопрос, почему все предметы падают на землю. Этот закон дал возможность Ньютону и его соотечественникам определить массу Земли и Солнца[31].

В течение двух столетий, разделявших Ньютона и Эйнштейна, точность астрономических измерений повысилась многократно, что позволило подвергнуть теорию тяготения Ньютона еще более строгим испытаниям. Иногда результаты таких измерений казались противоречащими законам Ньютона, но затем неизбежно оказывалось, что либо сами измерения, либо их интерпретация ошибочны. Законы Ньютона одерживали победу вновь и вновь. Например, когда выяснилось, что движение планеты Уран (открытой в 1781 г.) противоречит предсказаниям ньютоновского закона тяготения, возникло подозрение, что это результат воздействия на Уран другой, еще не открытой планеты. Вычисления, сделанные У.Ж. Леверье и основанные исключительно на законах Ньютона и наблюдениях за движением Урана, позволили предсказать, в какой точке небесной сферы эта планета должна находиться. В 1846 г. И.Г. Галле обнаружил эту планету, невидимую для невооруженного глаза, направив в эту точку свой телескоп. Эта новая планета, открытие которой стало триумфом ньютоновского закона гравитации, получила название Нептун.

В начале XX века оставалось лишь два очень слабых, но необъяснимых несоответствия астрономических наблюдений с законом тяготения Ньютона. Как оказалось, первое из них, касающееся особенностей орбиты Меркурия, действительно было результатом ошибочности закона тяготения Ньютона. Другое несоответствие — некоторая странность в движении Луны была просто результатом неверной интерпретации астрономических наблюдений. И, как это обычно бывает в случае чрезвычайно точных измерений, было очень сложно понять, заслуживают ли внимания результаты этих двух наблюдений, или хотя бы одно из них.

Эйнштейн чувствовал, что особенность движения Меркурия (аномальное смещение его перигелия, см. Врезку 2.2) — это реальность, а особенности движения Луны — нет. Но даже подозрение, что противоречие между наблюдениями и законом Ньютона действительно имеет место, было для Эйнштейна куда менее интересным и значимым, чем то, что этот закон нарушал недавно сформулированный им (Эйнштейном) принцип относительности («метапринцип», согласно которому все законы физики должны быть одинаковы во всех инерциальных системах отсчета). Поскольку Эйнштейн твердо ^*

верил в свой принцип относительности, это означало для него, что закон гравитации Ньютона нуждается в изменении[32].

Врезка 2.2

Смещение перигелия Меркурия

Согласно Кеплеру, орбита Меркурия должна представлять собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце (левая диаграмма, на которой эксцентриситет орбиты показан в увеличенном виде). Однако в конце XIX века астрономы обнаружили, что орбита Меркурия не совсем эллиптична. После каждого оборота Меркурий оказывался сдвинутым относительно той точки, где он был во время предыдущего витка. Этот сдвиг можно описывать, используя величину смещения ближайшей к Солнцу точки на орбите Меркурия за один оборот (смещение его перигелия). Астрономы измерили эту величину, и она оказалась равна 1,38 угловой секунды.

 

Вычисления с помощью законов Ньютона предсказывали смещение величиной 1,28 угловой секунды: оно было результатом притяжения Юпитера и других планет. Оставалась необъяснимой 0,1 угловой секунды — аномальный сдвиг перигелия Меркурия. Астрономы утверждали, что погрешность их измерений не превышает 0,01 угловой секунды, однако, если принять во внимание, как малы величины, о которых идет речь (0,01 угловой секунды — это угол, под которым человеческий волос виден с расстояния в 2 километра), легко понять, почему многие физики того времени относились к этим утверждениям с недоверием, и предполагали, что, в конце концов, законы Ньютона все равно окажутся верны.

- ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И СКЛАДКИ ВРЕМЕНИ

Рассуждения Эйнштейна были просты: согласно Ньютону, сила гравитационного притяжения зависит от расстояния между притягивающимися объектами (например, Солнцем и Меркурием), но, согласно теории относительности, это расстояние различно в различных системах отсчета. Так, теория относительности Эйнштейна предсказывала, что расстояние между Солнцем и Меркурием будет отличаться примерно на одну миллиардную часть, если измерять его с поверхности Солнца или с поверхности Меркурия соответственно. Если обе системы отсчета, связанная с Солнцем и связанная с Меркурием, одинаково хороши с точки зрения законов физики, какая же из них должна быть использована при определении того расстояния, которое входит в формулу Ньютона? Какую бы из них мы не выбрали, принцип относительности будет нарушен! Это противоречие убедило Эйнштейна в том, что закон тяготения Ньютона неточен.

Дерзость Эйнштейна была беспримерной. Отвергнув ньютоновские понятия об абсолютном пространстве и времени, при том, что для этого практически не было экспериментальных предпосылок, он собирался теперь отказаться от закона тяготения Ньютона, столь успешно применяемого, хотя экспериментальных свидетельств его некорректности было еще меньше! На самом деле, Эйнштейн руководствовался не результатами опытов, а собственным, глубочайшим интуитивным видением того, какими должны быть физические законы.

отсчета, на которые не действовало тяготение, гравитацию попросту игнорировала. Поэтому, работая над обзором, Эйнштейн все время искал возможность включить гравитацию в теорию относительности. Как это часто бывает с людьми, увлеченными какой-либо проблемой, даже тогда, когда он не думал непосредственно об этой проблеме, она крутилась у него в подсознании. Озарение пришло ноябрьским днем 1907 г. Эйнштейн позднее писал: «Я сидел на стуле в патентном офисе в Берне, когда внезапная мысль пронзила меня — если человек находится в свободном падении, он не чувствует свой собственный вес!»

Сейчас такая мысль может прийти в голову и вам, и мне, но вряд ли мы с вами сделаем из нее далеко идущие выводы. Но Эйнштейн был не таким, как все. Каждую идею он доводил до логического завершения, выжимая из нее все до последней капли. И для него эта мысль стала шагом к совершенно новому взгляду на гравитацию. Позднее он говорил: «это была самая счастливая мысль в моей жизни».

Рассуждения, немедленно последовавшие за этой мыслью, были включены Эйнштейном в обзор. Если вы свободно падаете (например, спрыгнув с обрыва), вы не только не будете чувствовать свой собственный вес, вам будет казаться, что возле вас гравитация вообще исчезла. Например, если вы выпустите из рук несколько камешков во время своего падения, эти камешки будут продолжать падать рядом с вами. Глядя только на эти камешки, вы не сможете отличить, падаете ли вы вместе с ними на Землю или находитесь в состоянии покоя вдали от Земли и других притягивающих тел. В самом деле, понял Эйнштейн, в вашем непосредственном окружении гравитация оказывается столь несущественной, практически не обнаружимой, что все законы физики в малой системе отсчета (лаборатории), которая падает вместе с вами, должны быть такими же, как если бы вы двигались свободно во вселенной без гравитации. Другими словами, ваша малая, свободно падающая система отсчета «эквивалентна» инерциальной системе отсчета в пространстве без гравитации, и все законы физики в этих системах будут одинаковыми; для них будет полностью справедлива теория относительности (позднее мы узнаем, почему свободно падающая система отсчета должна быть малой, а слово «малая» означает, что ее размеры много меньше, чем размеры Земли или, в общем случае, много меньше расстояний, на которых направление и величина гравитационных сил существенно изменяются).

В качестве примера эквивалентности между инерциальной системой отсчета в пространстве без гравитации и вашей малой свободно падающей системой рассмотрим закон специальной теории относительности, который описывает движение свободно движущегося предмета (пусть это будет пушечное ядро) во вселенной без гравитации. В любой инерциальной системе отсчета в этой идеализированной вселенной ядро должно двигаться по прямой линии с постоянной скоростью. Сравним это с движением ядра в нашей реальной, наделенной гравитацией, Вселенной: если ядро вылетело из пушки, стоящей на травянистом лугу, то с точки зрения собаки, сидящей на траве, оно опишет дугу и упадет обратно на Землю (см. рис. 2.2). Оно будет двигаться по параболе (сплошная линия) в системе отсчета этой собаки. Теперь давайте рассмотрим движение ядра в малой, свободно падающей системе отсчета. Проще всего это будет сделать, если луг находится у края обрыва. Тогда вы сможете спрыгнуть с обрыва в тот момент, когда пушка выстрелит, и наблюдать за ядром в процессе своего падения.

Для того чтобы изобразить ваши наблюдения, представьте, что вы держите перед собой оконную раму с переплетом из двенадцати частей, и что вы смотрите на ядро через нее (центральная часть на рис. 2.2). Последовательность ваших наблюдений представлена на рисунках, расположенных по часовой стрелке (рис. 2.2 а— д). Глядя на нее, не обращайте внимания на собаку, пушку, дерево и обрыв: сосредоточьтесь на раме и ядре. Вы увидите, что по отношению к раме ядро движется по прямой с постоянной скоростью.

Таким образом, в системе отсчета собаки ядро подчиняется законам Ньютона: оно движется по параболе. В вашей малой свободно падающей системе отсчета оно подчиняется законам специальной теории относительности: оно движется вдоль прямой линии с постоянной скоростью. Эйнштейн назвал это принципом эквивалентности.

В любой малой свободно падающей системе отсчета где-либо в нашей реальной Вселенной, где есть гравитация, законы физики должны быть такими же, какими они являются в инерциальной системе отсчета в идеализированной вселенной без гравитации.

Этот принцип утверждает, что при наличии гравитации малая свободно падающая система отсчета эквивалентна инерциальной системе отсчета в отсутствие гравитации. Эйнштейн понял, что этот принцип имеет чрезвычайно важное следствие: оно означает, что, если мы просто будем называть «инерциальными» не только инерциальные, но и все малые свободно падающие системы отсчета в нашей реальной, гравитирующей Вселенной (в частности, малую лабораторию, которая падает вместе с вами с обрыва), то все, что специальная теория относительности говорит об инерциальных системах

 

- ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И СКЛАДКИ ВРЕМЕНИ

отсчета в идеализированной вселенной, автоматически станет справедливо и для нашей реальной Вселенной. Самое главное, будет выполняться принцип относительности: все малые свободно падающие системы отсчета в нашей реальной Вселенной, где есть тяготение, будут эквивалентны, ни одна из них не является предпочтительной с точки зрения законов физики. Более строго это должно звучать так: Сформулируем какой-нибудь закон физики применительно к измерениям, сделанным в маленькой инерциальной (свободно падающей) системе отсчета. Тогда для измерений в любой другой маленькой инерциальной (свободно падающей) системе отсчета он будет иметь абсолютно такой же математический и логический вид. Это должно быть справедливо везде: летит ли такая система в межгалактическом пространстве, падает ли она с обрыва на Земле или проваливается сквозь горизонт черной дыры.

Дополнив таким образом свой принцип относительности, Эйнштейн сделал первый шаг к созданию новой системы законов гравитации: первый шаг от специальной теории относительности к общей  теории относительности.

Наберись терпения, мой дорогой читатель. Эта глава, возможно, самая сложная в книге. Мой рассказ уже не будет содержать столько технических подробностей в следующей главе, когда мы будем изучать черные дыры.

Всего через несколько дней после того, как принцип относительности был сформулирован, Эйнштейн использовал его для того, чтобы сделать удивительное предсказание о гравитационном замедлении времени: если наблюдатель находится вблизи массивного тела, то чем ближе он к этому телу, тем медленнее течет его время. Например, в любом доме на Земле время на первом этаже течет медленнее, чем на втором. Правда, эта разница оказывается столь малой (Зх10^-16, или 300 долей на миллиард миллиардов), что ее крайне сложно обнаружить. Однако (как мы увидим в следующей главе) вблизи черной дыры гравитационное замедление времени может быть колоссальным: если черная дыра имеет массу в 10 раз больше Солнца, на высоте в 1 сантиметр над ее горизонтом время будет течь в 6 миллионов раз медленнее, чем вдали от горизонта, а на самом горизонте оно вообще останавливается (неплохая возможность для путешествий во времени: если вы снизитесь до высоты в 1 сантиметр над горизонтом черной дыры, проведете там один год, а затем вернетесь на Землю, вы обнаружите, что на ней прошло 6 миллионов лет!).

Эйнштейн открыл гравитационное замедление времени путем достаточно сложных рассуждений, однако позднее он придумал простой и элегантный пример, который объясняет это замедление, кроме того, является иллюстрацией великолепной физической логики самого Эйнштейна. Этот пример представлен на Врезке 2.4, а эффект Доплера, на который там есть ссылка, объясняется на Врезке 2.3.

* * *

Начиная работать над обзорной статьей в 1907 г., Эйнштейн намеревался описать в ней теорию относительности для вселенной без гравитации. Однако в процессе работы он сделал 3 важных открытия, которые должны были помочь объединению гравитации со специальной теорией относительности: принцип эквивалентности, гравитационное замедление времени и возможность распространить принцип относительности на системы с гравитацией и, конечно, он включил их в статью. Наконец, в начале декабря, он отправил статью редактору Jahrbuch der Radioaktivitat und Electronik и направил все свои силы на разработку полного, релятивистского описания гравитации.

24 декабря Эйнштейн писал своему другу: «В настоящее время я занимаюсь теорией относительности применительно к законам гравитации... Я надеюсь объяснить аномальный сдвиг перигелия Меркурия,... хотя пока, похоже, мне это не удается». В начале 1908 г., будучи разочарован отсутствием прогресса в этом направлении, Эйнштейн оставил его и занялся физикой атомов, молекул и их взаимодействием с излучением (физикой микромира), поскольку нерешенные проблемы в этой области в тот момент казались более интересными и разрешимыми[33].

Врезка 2.3

Эффект Доплера

Всегда, когда передатчик, излучающий волны, и приемник приближаются друг к другу, приемник будет регистрировать сдвиг частоты вверх: длина волны и период колебаний будет становиться меньше. Если же приемник и передатчик удаляются друг от друга, то частота принимаемых колебаний будет уменьшаться — длина волны и период колебаний, измеренные приемником, будут больше. Это явление называется эффектом Доплера и является общим свойством волн любой природы: звуковых волн, волн на поверхности воды, электромагнитных волн и т. д.

 

Применительно к звуковым волнам эффект Доплера вам хорошо знаком. Вы наверняка обращали внимание на внезапное понижение звука, когда машина скорой помощи со включенной сиреной проносилась мимо вас или когда идущий на посадку самолет пролетал у вас прямо над головой. Легко понять происхождение этого сдвига частоты, из приведенных здесь рисунков.

То, что верно для волн, справедливо и для импульсов. Если источник излучает вспышки света (или какие-то другие импульсы) с постоянной частотой (через равные промежутки времени), то приемник, к которому этот источник приближается, будет принимать эти импульсы с более высокой частотой, чем частота, с которой они излучались (промежутки станут меньше).

Врезка 2.4

Возьмем пару одинаковых часов. Одни часы положим на пол возле дырки в нем так, чтобы можно было их туда столкнуть, вторые подвесим к потолку за веревочку. Ход часов на полу будет задаваться течением времени возле пола, а ход часов, висящих на веревочке, — течением времени возле потолка.

Предположим, что висящие часы испускают очень короткий импульс света при каждом «тике» в направлении часов, лежащих на полу. Непосредственно перед тем, как висящие часы должны будут испустить свой первый импульс, перережем веревочку, чтобы они начали свободно падать. Если время между «тиками» очень мало, то к моменту второго «тика» (и испусканию второго импульса) они будут находиться почти на том же месте и их скорость будет все еще

близка к нулю (рисунок а). Это означает, что часы все еще чувствуют течение времени возле потолка, которое определяет интервал времени между импульсами.

За мгновение до того, как первый импульс света достигнет пола, столкнем нижние часы в дырку. Второй импульс придет почти сразу после первого, так что эти часы незначительно сместятся за время

 

между импульсами и будут почти неподвижны на уровне пола, поэтому они по-прежнему будут чувствовать течение времени возле пола.

При помощи такой модели Эйнштейн свел задачу сравнения того, как течет время возле потолка и возле пола, к задаче сравнения хода двух свободно падающих часов. Принцип эквивалентности позволял ему произвести такое сравнение при помощи законов специальной теории относительности.

Поскольку часы, которые были подвешены у потолка, начали свое падение раньше тех, что были на полу, их скорость всегда будет больше (см. рисунок б), т. е. часы всегда будут сближаться. Это значит, что часы у пола будут «видеть» световые импульсы, посланные часами у потолка, с меньшим интервалом между ними из-за эффекта Доплера (Врезка 2.3). Поскольку время между ними задавалось «тиками» часов, находящихся у потолка, это означает, что время около пола течет медленнее, чем около потолка; иными словами, гравитация замедляет течение времени.

В течение 1908 г. (игнорируя работы Минковского, в которых тот объединил пространство и время), а также последующих трех лет Эйнштейн занимался физикой микромира. В это время он оставляет патентное бюро в Берне и становится сначала доцентом в университете Цюриха, а затем полным профессором в Праге — культурном центре Австро-Венгерской империи.

Жизнь профессора оказалась нелегкой. Эйнштейна раздражала необходимость регулярно читать лекции, тема которых была далека от его исследований. Ему не удавалось ни мобилизовать себя на подготовку к таким лекциям, ни сделать их интересными, хотя разделы, близкие его сердцу, он читал блестяще. С другой стороны, теперь он был полноправным членом Европейского академического сообщества. Несмотря на все трудности, его исследования в данной области продвигались чрезвычайно успешно, и впоследствии именно за их результаты он был удостоен Нобелевской премии (см. Врезку 4.1).

В середине 1911 г. интерес Эйнштейна к микрофизике стал угасать и он вновь обратился к гравитации, борьбе с которой ему предстояло посвятить все время до ноября 1915 г., когда им была сформулирована общая теория относительности.

Вначале внимание Эйнштейна было обращено на приливные гравитационные силы.