 |
Гравитация и теория относительности.
|
|
|
|
L-theory
Летний проливной дождь. Миллионы, миллиарды капель обрушиваются на Земную поверхность. Далее, просачиваясь через почвы, вливаясь в течения речных систем, вода попадает в моря, а затем и в Мировой океан. Там, испаряясь с поверхности, вода уходит в атмосферу, собираясь в облака, чтобы где-то шли дожди. Круговорот воды в природе, окружающий мир, 2 класс начальной школы.
Представьте, что Вы едете в автомобиле по трассе «Москва – Ленинград» со скоростью около 100 км/ч и читаете очень интересную книгу. Увлеченный чтением, Вы не замечаете, что жаркая солнечная погода внезапно сменилась на пасмурную. В какой-то момент в небольшую щелочку приоткрытого окна автомобиля залетает капля дождя и попадает прямо в книгу. Вы аккуратно стряхиваете это порождение атмосферы со страницы, закрываете окно и продолжаете наслаждаться книгой.
Теория Бога.
«Вы верите в Бога?»
На этой короткой фразе заканчиваются многие диалоги, а некоторые даже и не начинаются.
А верите ли Вы в Бога Тяжести? В невидимую силу, не позволяющую простым смертным покинуть поверхность Земли без специальных приспособлений? Бог Тяжести крайне могуч, ибо его силами создавется рельеф планеты. По Его воле текут реки, размывая горные породы и образуя долины. Это Его силы Вы вынуждены преодолевать, поднимаясь по лестнице. В конце концов, именно Его подлой волей бьются бокалы с шампанским, упавшие с подноса зазевавшегося официанта. А если Вы вдруг решите бросить вызов Богу Тяжести, прыгнув с моста или высотного здания, то будете неминуемо наказаны ускорением свободного падения. Однако, Бог Тяжести не всемогущ. Его сила убывает с расстоянием. Официант может зевать сколь угодно много на борту МКС: там его не достанут пакости Бога Тяжести.
|
|
|
Расскажите образованному человеку про Бога Тяжести, и он вполне закономерно покрутит пальцем у виска, предложив заглянуть на пару лет в школу. Однако с точки зрения природы, то есть физики, гравитационное поле никак не поменяет своих свойств, если будет носить гордое звание Бога Тяжести, или гравитации. Хоть горшком назови. Более того, «Бог Гравитации» не отличается мстительностью и не станет тянуть неверующих сильнее к земле, заставляя прилагать больше усилий для перемещения. Ему абсолютно не важно, как Вы выглядите, Ваше умственное развитие, или агрегатное состояние. Однако скушайте тортик и поправьтесь на пару килограмм, как гравитация вас «полюбит» сильнее. Более того. Каждый из нас является в той или иной мере «Богом Тяжести», ибо каждый создает гравитационное поле, пусть и в миллиарды миллиардов (~1023) раз слабее, чем гравитационное поле Земли. Физика гравитации никак не изменится в результате её отождествления с условным «существом» или субстанцией, то есть Богом.
А верно ли обратное утверждение? Что некий привычный Бог – это некое физическое поле?
Гравитация и теория относительности.
Остановимся пока что на гравитации, ибо в ответе на последний вопрос очень помогут некоторые её свойства и особенности.
В существование гравитации, точнее, порождаемого ей эффекта – силы притяжения, не верить крайне сложно, ибо все мы её прекрасно ощущаем. Камни летели на мамонтов, стрелы взлетали и падали, деревья валились от топоров. Разные умы размышляли над вопросом: почему же все падает вниз? В XVII веке Исаак Ньютон подарил миру восхитительную формулу, описывающую закон тяготения.
Формула «говорит» о том, что сила гравитационного взаимодействия между двумя точечными телами пропорциональна произведению их масс. То есть скомканный газетный лист бумаги испытывает ровно такое же притяжение, как и только что вышедший из-под печатного пресса. Подтвержденный бесчисленными экспериментами закон иллюстрирует лишь следствие гравитации, но совершенно не объясняет её причины. Также, закон Ньютоновского тяготения имеет уязвимое место: в формулировке оговаривается, что взаимодействие происходит мгновенно. Эта роковая оговорка и послужила поводом для низвержения (хотя на мой взгляд, расширения) Ньютоновских представлений о гравитации.
|
|
|
В середине XIX века Джеймс Клерк Максвелл, основываясь на многочисленных экспериментах и трудах Майкла Фарадея, формализует систему интегрально-дифференциальных уравнений, описывающих электромагнетизм. Из этой системы прямо следует, что свет – электромагнитная волна. В начале ХХ века Хенрик Лоренц находит преобразования, из которых Анри Пуанкаре добивается полной инвариантности уравнений электродинамики. Постулат относительности. Термин, введенный Пуанкаре, как причина инвариантности. Далее, Эйнштейн расширяет связь лучистой энергии, импульса и скорости света до всех форм энергии, тем самым получая знаменитую формулу, обобщенную для любой материи. [Александр Петров: Гравитация]
Как бы там ни было в истории, вряд ли кто-то сможет абсолютно точно пересказать события тех времен, существуют конкретные выводы из так называемой специальной теории относительности, или СТО. И один из важнейших, это постоянство скорости света для любых систем отсчета и невозможность её превышения. Из этого совершенно неочевидного факта следует масса еще более неочевидных выводов. Один из таких – это разное течение времени для двух тел, перемещающихся относительно друг друга. Причем согласно принципу относительности, в инерциальной системе отсчета совершенно невозможно однозначно определить, какое из двух тел движется, а какое покоится.
Самое классное объяснение «замедления» времени был увиден мною в книге Брайана Грина «Элегантная вселенная». Он приводит в пример фотонные часы. На картинке 1 схематично изображены 2 зеркала, между которыми мечется фотон. Мы спокойно сидим в кресле и смотрим, как перед нами на столе стоят эти самые часы, то есть не перемещаемся относительно этой системы, V1 = 0. При попадании на зеркало происходит «тик», таким образом часы тикают с периодом ω1.
|
|
|
Однако, если мы начнем перемещаться относительно стола с часами, или сами часы вдруг решать ринуться с места, то время для нас станет идти медленнее, чем для часов, что верно и в обратную сторону. А происходит следующее: пока часы покоились, фотон летал между зеркалами, преодолевая путь L1 и тикая с периодом ω1. Когда мы встали с кресла, чтобы сварить чашечку кофе, то начали перемещаться в пространстве относительно часов со скоростью V2. Принимая систему отсчета инерциальной, получаем, в соответствии с принципом относительности ситуацию, в которой часы начали двигаться относительно нас с той же самой скоростью V2. Однако в сложившейся ситуации фотону необходимо преодолевать расстояние L2, большее, чем L1.
Немного конкретнее. На рисунке 2 помоментно изображено движение часов в пространстве. В момент т1 происходит отражение от нижнего зеркала. Стоит понимать, что фотон никуда не улетает из зеркальной «клетки», ибо двигаемся непосредственно мы, а часы стоят спокойно на столе. Однако с позиции принципа относительности, совершенно не важно, кто движется, обе точки зрения равноправны. Поэтому мы в праве считать, что часы сошли с ума и двинулись во все тяжкие. В таком случае верхнее зеркало «уехало» от нижнего (точнее они оба двигаются, просто в отличие от стационарной ситуации, из-за движения обоих зеркал в пространстве, расстояние между зеркалами увеличивается с увеличением скорости).
Таким образом оказывается, что в случае движения часов относительно покоящегося наблюдателя, путь фотона увеличился от L1 до L2. И тут заявляет о себе постоянство скорости света (причем скорость света не просто постоянна, она максимальна). Скорость есть расстояние, деленное на время. Достаточно очевидно, что при постоянной скорости увеличение расстояния влечет за собой увеличение времени. А если времени потрачено больше, то время замедлилось относительно этих двух тел. Только задумайтесь, если вы компанией друзей едите в машине и обгоняете старого деда на древней «Оке» то для вас время течет медленнее, относительно пассажира и самой «Оки», но с совершенно «нормальной» скоростью, относительно пассажиров на заднем сидении. И еще медленнее вы двигаетесь во времени относительно сумасшедшего мотоциклиста, несущегося вам навстречу.
|
|
|
Однако даже если Вы несетесь по шоссе в Bugatti Chiron, спидометр которого оканчивается отметкой 500 км/ч, а вам навстречу летит мотоциклист на Dodge Tomahawk, способный развить 480 км/ч, то вы вряд ли сможете наблюдать разницу в идеально точно синхронизированных часах, ибо эти эффекты проявляются на около световых скоростях, порядка 300 тысяч км/с. В приведенной выше книге Брайана Грина гораздо подробнее и в разы нагляднее описан «эксперимент» с фотонными часами и масса других интересностей с течением времени относительно движущихся наблюдателей.
Вспомним ту самую небольшую оговорку в теории тяготения Ньютона, а именно: «Взаимодействие происходит мгновенно». Несложно заметить, что наша Вселенная слишком тесна для теории Ньютона и специальной теории относительности. Ибо ничто не превышает скорость света. И Альберт Эйнштейн пояснил, кто батя в здании, предоставив миру общую теорию относительности.
Важнейшим прорывом стало привлечение геометрии Лобачевского (Римановой геометрии). Таким образом, оказалось, что массивные тела искривляют пространство-время, подобно искривлению поверхности батута, когда Вы готовитесь прыгнуть.
Этот крайне непростой момент требует особого внимания, ибо такое представление очень наглядно описывает структуру пространства-времени и гравитации в нем. Гравитация – непосредственно и есть искривление пространства-времени. Стоит понимать, что на рисунке ниже представлено двумерная картина, где по вертикальной оси откладывается «степень искривления», то есть это не планета Земля давит вниз на невидимую пленку, это степень отклонения кривизны пространства-времени от нуля кривизны (плоскости). Иными словами, где нет массивных тел, там пространство-время плоское, там нет «Бога Тяжести», то есть гравитации. И наоборот, массивные тела порождают искривление пространства-времени, то есть гравитацию.
В книге «Элегантная вселенная» гораздо детальнее и красочнее описаны многие особенности специальной и общей теорий относительности, также очень наглядно раскрывает эти невероятно сложные теории Стивен Хокинг в трудах «Краткая история времени» и «Мир в ореховой скорлупке».
|
|
|
