Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

оказалась совершенно невероятной. «Согласно теории относительности, в природе не существует средства, которое позволило бы нам посылать сигналы со сверхсветовой скоростью. С другой стороны, очевидно, что, если бы выполнялся закон Ньютона, мы могли бы использовать гравитацию для передачи мгновенных сигналов из точки А в отдаленную точку Б – так как движение гравитационной массы в А, должно было бы вызвать мгновенные изменения гравитационного поля в точке Б».

Самая удачная мысль

Гравитация не укладывалась в специальную теорию относительности, потому что тогда был бы недействительным факт, установленный Галилео Галилеем, что все тела падают на Землю с одинаковым ускорением (если сопротивление воздуха пренебрежимо мало) независимо от их массы и формы. Эйнштейн не хотел закрывать на это глаза. Он думал: «Если теория не может объяснить наблюдения естественными причинами, надо ее отбросить». И тогда его осенило:

«Я сидел в своем кресле в патентном бюро Берна, когда мне пришла в голову следующая мысль: в свободном падении мы не ощущаем собственного веса. Я был сбит с толку. Эта простая мысль ошеломила меня и привела к теории гравитации».

В тот день в патентном бюро в голову Эйнштейна пришла «самая удачная мысль» в его жизни. В 1920 году, оглядываясь назад, он писал:

«Для наблюдателя, который падает с крыши дома, гравитационного поля не существует – по крайней мере, в его непосредственном окружении. Если этот наблюдатель отбросит от себя какой-то предмет, то по отношению к нему тот будет находиться в покое или равномерном движении. Экспериментальное подтверждение независимости ускорения свободного падения[21] является веским аргументом в пользу того, что постулат относительности должен быть распространен и на системы, которые находятся в неравномерном движении по отношению друг к другу».

Таким образом Эйнштейн пошел дальше специальной теории относительности. Ведь она называлась «специальной» именно потому, что описывала движение тел только в особых, инерциальных системах отсчета, не касаясь тех, что двигались с ускорением, или тех, в которых действовала гравитация. Самая главная идея Эйнштейна была такой: инерция и сила тяжести родственны и даже более того – при определенных условиях они неразличимы по своим эффектам.

Человек в свободном падении невесом так же, как и в космосе вдали от источников гравитации.

Находясь внутри ракеты, он не сможет отличить «давление» ускорения от силы притяжения планеты, если не будет подходить к иллюминатору. Этот принцип эквивалентности гравитации и инерции (точнее, инертной и гравитационной масс) стал основой для общей теории относительности.

И Эйнштейн смог выдвинуть два постулата.

Принцип эквивалентности: инертная и гравитационная массы – это одно и то же (они имеют одинаковое значение, что предположил еще Исаак Ньютон). Таким образом, гравитационная масса в гравитационном поле, например та, которую показывают пружинные весы, и инертная масса, которая показывает величину «сопротивления» тела ускорению, имеют одинаковые значения.

Универсальность свободного падения: ускорение свободного падения не зависит от массы тела (что утверждал еще Галилео Галилей). В любой системе отсчета, которая находится в состоянии свободного падения, верны те же физические законы, что и в системе, на которую не действует гравитация, т.е. работает специальная теория относительности. Поэтому перо и тяжелый молот падают в вакууме с одинаковым ускорением (это проделал астронавт Дэвид Скотт на Луне в 1971 году). В повседневной жизни этот эффект может быть незаметен из-за влияния сопротивления воздуха.

Если физик в ракете обнаружит искривление луча света, то он не сможет определить причину этого, не глядя в окно: эффект будет одинаков, если ракета движется с ускорением или находится в гравитационном поле. Эти размышления привели Эйнштейна к предсказанию отклонения света в гравитационном поле – эффекта, который был доказан и принес ему всемирную известность в 1919 году.

Это равенство помешает, например, физику, сидящему в закрытой комнате, понять, почему его бутерброд упал на пол (и конечно же – маслом вниз). Произошло ли это под действием земного притяжения или потому, что комната на самом деле – это кабина космического корабля, который летит с постоянным ускорением в направлении, противоположном направлению падения бутерброда. И наоборот – вдали от всех источников гравитации все тела невесомы, точно так же, как и тела в свободном падении, как на аттракционах со свободным падением кабинки (так называемые башни свободного падения) или при прыжках с самолета, пока парашют еще не раскрылся. На самом деле астронавты на околоземной орбите, например на Международной космической станции, находятся в невесомости не оттого, что они улетели в космос. На высоте 400 километров гравитация все еще действует, и она достаточно сильна. Но космическая станция вместе с астронавтами летает вокруг Земли, а значит постоянно находится в свободном падении, но никак не может упасть на Землю.

В последующие годы Эйнштейн подтвердил эти положения. Они стали ключом к общей теории относительности, а она помогла их объяснить. Именно принцип эквивалентности мешает физику, находящемуся в ракете, понять, что искривило луч света – притяжение планеты или ускорение самой ракеты.

Эти соображения привели Эйнштейна к предсказанию, что свет искривляется в гравитационном поле, – эффект, обнаружение которого сделало его всемирно известным в 1919 году. Общая теория относительности подсказала поразительный вывод: гравитация влияет на световые лучи!

Во-первых, она уменьшает их частоту (гравитационное красное смещение), во-вторых, искривляет траекторию лучей, когда они проходят вблизи массивного тела.

Итак, Эйнштейн сделал два смелых предсказания новых физических эффектов: отклонение света и замедление времени в гравитационном поле. Но он считал эти эффекты слишком слабыми для того, чтобы их можно было измерить. На самом деле все обстояло не так плохо, но для того чтобы доказать эти эффекты, должно было пройти еще много лет.

Четырехмерное пространство-время

Об одном из важных следствий специальной теории относительности Эйнштейн сам не догадался. Его открыл математик Герман Минковский[22]. Эйнштейн когда-то слушал его лекции в цюрихском Политехникуме, или, вернее, должен был слушать, но часто прогуливал.

21 сентября 1908 года Минковский сделал доклад в Кельне и начал его торжественными словами: «Мои взгляды на время и пространство сложились на основе экспериментальной физики. В этом их сила. Пришло время для коренных изменений. С этого момента пространство «для себя» и время «для себя» больше не существуют, существует только союз между ними, и