 |
Альберт
Эйнштейн (1879—1955), физик-теоретик,
не
побоявшийся искривить пространство.
|
Королева Никки пришла
навестить принцессу Дзинтару. Дети Дзинтары — Андрей и Галатея — обрадовались и
после ужина сразу потребовали:
— Расскажи сказку!
Королева давно знает —
идёшь в гости, неси сказку в зубах, а то принцессовы, то есть принцессины, дети
живой не выпустят.
— Ох и хитрую сказку
вам сейчас поведаю, сразу извилины в узелок завяжутся.
— Не завяжутся! — смело
воскликнул Андрей.
— А мы маму попросим,
она развяжет, — осторожно заметила Галатея. — Она даже мои шнурки ухитряется
развязывать.
 |
| Искривлённое пространство вокруг Земли. Иллюстрация Джонстоуна |
И Никки начала сказку:
— Жил-был мудрый учёный
Эйнштейн. Любил он ставить мысленные эксперименты. Они очень удобны — ведь для
них никакого оборудования не надо, кроме самого важного прибора — головы. И
придумал Эйнштейн такой эксперимент:
«Найдём огромный гладкий пустырь. Поставим на пустыре пушку, которая стреляет круглыми ядрами параллельно земле, то есть горизонтально. Посадим рядом с пушкой невысокую яблоню с большими яблоками. Когда пушка выстрелит, одновременно с яблони сорвётся яблоко. И полетят с одной высоты два предмета: ядро — над землёй по пологой кривой, а яблоко — вниз по прямой. Кто быстрее достигнет земли — ядро или яблоко?»
 |
Артур
Эддингтон (1882—1944), британский астрофизик,
измеривший
искривление пространства вокруг Солнца
|
Провёл он мысленный
эксперимент и получил удивительный результат: ядро и яблоко ударятся о землю
одновременно, только очень далеко друг от друга.
Много «выстрелов»
сделал Эйнштейн в своей голове — его соседи даже забеспокоились и стали жаловаться
в полицию на странные вибрации дома. Какое бы тело он ни брал — свинцовое ядро,
деревянное яблоко, лебединое пёрышко, — все они падали на землю одинаково.
Конечно, без влияния воздуха — в его эксперименте весь воздух «откачали» с
планеты одним движением мысли.
 |
| Во время полного солнечного затмения «чёрное» Солнце позволяет увидеть звёзды средь бела дня. Фото А. Эддингтона, сделанное в Африке в 1919 году |
«Почему
все тела так одинаково себя ведут?» — задумался Эйнштейн.
Думал он десять лет, десять месяцев и десять дней. И наконец понял! Объяснить
поразительно одинаковое поведение разных предметов в гравитационном поле можно,
только предположив, что каждое тело во время падения катится по невидимой
искривлённой поверхности, как по рельсам. А рельсы — они прочные, им всё равно,
что по ним катится — тяжёлый поезд или лёгкая дрезина.
Так Эйнштейн открыл
новый закон:
Тяготение — это движение в искривлённом пространстве вокруг массивных тел
Как санки с горы катятся вниз, так и все тела падают в
искривлённом пространстве Земли или Солнца.
 |
| Согласно Кеплеру, в простейшем случае (в задаче двух тел) эллиптическая орбита планеты должна быть неподвижной (красная линия). Согласно Эйнштейну, такая орбита должна смещаться или прецессировать (синие линии) из-за того, что тяготение Эйнштейна не совпадает с тяготением Ньютона |
Галилей открыл закон,
по которому тела двигаются по самым прямым линиям без всякого ускорения.
Эйнштейн подтвердил — именно так и происходит даже в искривлённом пространстве
возле Земли. Да вот только самая прямая линия в кривом пространстве тоже кривая
и называется геодезической. Попробуйте нарисовать прямую линию на поверхности
глобуса — у вас ничего не получится прямее кривого меридиана.
На геодезической линии
жизнь и движение кажутся прямыми и равномерными, но пространство искривлено,
поэтому никому из его обитателей верить нельзя, только мистеру Тензорному
анализу.*
Сами жители Кривландии не замечают, как они ускоряются возле Земли. При падении они испытывают невесомость — летят, нежатся, а потом — хлоп! — прибыли, вылезай: рельсы закончились на земной поверхности. Кто ушибся — Эйнштейн не виноват.
Сами жители Кривландии не замечают, как они ускоряются возле Земли. При падении они испытывают невесомость — летят, нежатся, а потом — хлоп! — прибыли, вылезай: рельсы закончились на земной поверхности. Кто ушибся — Эйнштейн не виноват.
— Готово дело, у меня
ни одной незапутанной извилины не осталось! — воскликнула Галатея.
— Не мешай, —
нетерпеливо махнул рукой Андрей. — Потом я сам тебе всё распутаю.
Королева улыбнулась и
продолжила:
— За десять лет упорных
трудов Эйнштейн сумел вывести математические уравнения, которые описывают
движение в искривлённом пространстве самых разных тел: и огромных планет, и
пушечных ядер, и обычных яблок. Впрочем, Ньютон тоже неплохо с яблоками
справлялся.
«Надо бы проверить мою теорию применительно к случаю, который Ньютон не смог объяснить»,— подумал Эйнштейн. Планета Меркурий, которая движется ближе всех к Солнцу, давно доставляла хлопоты астрономам, двигаясь немного быстрее, чем нужно по законам Ньютона. Эйнштейн мысленно поймал Меркурий, засунул его в мясорубку своих уравнений, прокрутил, посчитал и доказал, что орбита этой горячей планеты не ладит с законом Ньютона, зато охотно подчиняется его, Эйнштейна, уравнениям. Значит, они правильны! Учёный обрадовался и опубликовал свои уравнения и закон, по которому гравитация — это не сила, а проявление искривления пространства.
Что тут началось! Шум,
гам, обиды, крики:
«Как пространство может быть кривым?! Сомнительное дело!»Уж больно хитрый закон открыл Эйнштейн. Кто не верит, те бурчат, а кто верит, те молчат. Доказательства нужны, да такие прямые, чтобы никто не посчитал их извилистыми.
Тогда Эйнштейн сказал:
«Искривление пространства можно увидеть своими глазами возле Солнца. Наше светило движется и искривляет пространство — будто линза по небу плывёт. И звёзды вокруг Солнца начинают раздвигаться. Понаблюдайте за звёздами возле Солнца, тогда и увидите искривлённость пространства!»
 |
| Крест Эйнштейна. В центре — галактика, которая превращает одно изображение более далёкого квазара в четыре миража вокруг себя. Фото НАСА, ЕСА и Института телескопа Хаббла |
Королева Никки развела
руками:
— Непростое условие
поставил мудрый Эйнштейн. Как же увидеть звёзды возле самого Солнца, если днём
светло и звёзд не видно? Долго ломали голову учёные, но всё-таки придумали.
Ну-ка, кто из вас догадается, какой есть способ увидеть звёзды днём, да ещё
возле самого Солнца?
— Из колодца звёзды
видны днём! — воскликнул Андрей.
— Нет, это миф: не
научная, а простая сказка.
— А если в телескоп
посмотреть? — спросила Галатея.
— Тоже не получится.
Голубое небо светит ярче звёзд, поэтому они не видны днём. Есть только один
способ: дождаться времени, когда солнце днём не светит.
— А что, солнце днём
может не светить? — удивился Андрей.
 |
| Чёрная дыра в десять солнечных масс на фоне Млечного Пути (так она могла бы выглядеть с расстояния 600 км). Картина Юте Крауса. Автор фоновой картины Аксель Меллингер |
Никки ответила зловещим
голосом:
— Есть такое страшное
время, когда солнце днём становится чёрным-чёрным, оно висит над головой, но не
светит... И небо тоже превращается из голубого в чёрное-чёрное... даже в
полдень на таком чёрном небе видны все звёзды. И называется...
Голос королевы стал
завывающим, страшным, как у привидения.
— ...такое жуткое время
называется... полное солнечное затмение!
— Ой! — взвизгнула
Галатея.
— А-а... —
разочарованно сказал Андрей, ожидавший какого-нибудь дракона или волшебника. —
Это когда Луна загораживает от нас Солнце.
— Да, и на Земле
наступает тьма среди дня. Солнечное затмение длится несколько минут. За такое
короткое время трудно успеть замерить положения звёзд возле Солнца. Вызвался
решить непростую задачу знаменитый астроном и математик английский лорд
Эддингтон. Он по-плыл на корабле в далёкую Западную Африку, где ожидалось
полное затмение Солнца. Много приключений пережила экспедиция Эддингтона в
южных морях, но сумела сфотографировать «чёрное» Солнце и звёзды возле него.
 |
| Жёлтая галактика искривляет пространство и превращает изображение более далёкой голубой галактики в подкову. Фото ЕСА, Института телескопа Хаббла и НАСА |
— И как? Удалось лорду
Эддингтону увидеть искривлённое пространство? — нетерпеливо спросил Андрей.
— Да, учёные
обнаружили, что известный рисунок звёздного неба вокруг чёрного Солнца
действительно изменился — словно к Солнцу приклеили большую прозрачную линзу.
— Вот здорово! —
сказала Галатея. — Значит, мы все — жители Королевства Кривых Пространств!
— А есть какой-нибудь
более простой способ увидеть искривлённое пространство? — поинтересовался
Андрей. Не дожидаясь солнечного затмения?
— Сейчас уже есть такой
способ. Когда появились крупные космические телескопы, выяснилось, что вид
далёких галактик искажается в искривлённом пространстве возле более близких
галактик. Изображение далёких звёздных скоплений может двоиться, троиться и
даже размазываться в кольцо. Но в начале двадцатого века можно было увидеть
только смещение звёзд возле Солнца.
 |
| Скромный дом Эйнштейна в Принстоне. Ни музея, ни мемориальной доски, но память о великом учёном в этих традиционных атрибутах не нуждается |
Эддингтон послал из
Африки телеграмму о том, что Эйнштейн оказался прав. И все мировые газеты
опубликовали текст телеграммы. В мире как раз только что закончилась — а
кое-где она ещё продолжалась — большая война. Люди очень устали от неё, устали
каждый день открывать газеты и читать про смерти и ужасы. И вот, в один
прекрасный день они открыли утренние газеты и узнали, что учёные нашли
искривлённое пространство вокруг Солнца. Все обрадовались, что встречаются
такие чудеса на этом свете.
Альберт Эйнштейн сразу
стал самым знаменитым учёным в мире, хотя многие всё равно не понимали, что
такое кривое пространство, которое на вид такое прямое, и как оно заставляет
Землю притягивать к себе все предметы.
«Неужели после сытного ужина нам трудно встать из-за искривлённого пространства? — думали люди, почёсывая затылки. — Вот если штанами зацепиться за искривлённый гвоздь в стуле — это как-то понятнее...»
Даже став самым
знаменитым в мире учёным, Эйнштейн продолжал жить в скромном домике на тихой
улице в университетском городке Принстоне. Как-то раз у его дома собралась
большая толпа.
— закричали жители мудрому Эйнштейну, который выглянул в окошко.«Ты очень умный! Стань нашим президентом!»
«Извините, не могу, — ответил учёный. — Я сейчас обдумываю удивительную идею. Оказывается, если взять искривлённое пространство из пяти измерений, то можно вывести уравнения, которые будут описывать не только гравитацию возле ветки, но и электричество в розетке...»
Послушали, послушали
люди, ничего не поняли и подумали:
«Ох уж этот Эйнштейн, часы всем перепутал, пространство искривил, энергию с массой перемешал, а всё никак не успокаивается...»— и разбрелись по своим домикам, улеглись в мягкие кроватки и забылись мирным сном.
Может, и вам, дети,
спать пора?
_____________________________
- * Тензорный анализ — раздел математики, широко применяемый в физике и в общей теории относительности при изучении искривлённых пространств. Тензоры используют в описании инвариантных (не зависящих от геометрических координат и движения наблюдателей) свойств объектов.
Николай Николаевич
Горькавый,
доктор
физико-математических наук
________________________
Научные сказки: