Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Выводы из специальной теории относительности, например увеличение массы при движении и эквивалентность массы и энергии, были продемонстрированы без труда. Доказать же действительность общей теории оказалось гораздо труднее. Гравитация, рассматриваемая по Эйнштейну, производит результаты, столь похожие на ту гравитацию, какой ее видел Ньютон, что хочется посчитать обе теории равнозначными, а затем выбрать ту, что проще и больше соответствует «здравому смыслу», а это конечно же ньютоновская.

Однако есть области, где выводы из представлений Эйнштейна действительно несколько отличались от предполагаемых по теории Ньютона. Изучающий эти выводы должен будет выбирать между этими двумя теориями, найдя для этого более удовлетворительную причину, чем простота. Первая из таких областей касается планеты Меркурий.

Различные тела Солнечной системы, по представлениям Ньютона, движутся в соответствии с силами гравитации, которым они подвергаются. Каждое тело подвергается силе притяжения со стороны всех других тел во Вселенной, так что точно и полностью рассчитать движения любого тела вряд ли возможно. Однако в Солнечной системе сильнее всего воздействует гравитационное поле Солнца. Гравитационные поля нескольких других тел, находящихся близко к рассматриваемому телу, тоже имеют значение, но оно невелико.

Если учесть и их, то движение планет Солнечной системы может быть объяснено с достаточной степенью точности. Если, несмотря на это, все же существуют расхождения между рассчитанным и реальным движением, остается допустить, что имеется еще какое-то неучтенное гравитационное воздействие.

Например, присутствие расхождений в орбите Урана привело к поиску упущенного гравитационного воздействия и к открытию в середине XIX века планеты Нептун.

Во время открытия Нептуна изучалось также расхождение в движении Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты. Как и другие планеты, Меркурий движется по эллиптической орбите вокруг Солнца, где Солнце находится в одном из фокусов эллипса. Это означает, что планета не всегда находится на одном расстоянии от Солнца. На его орбите есть точка, в которой он наиболее близок к Солнцу, — перигелий, и точка на противоположном конце орбиты, на которой он наиболее далек от Солнца, — афелий. Соединяющая их линия называется главной осью. Меркурий не повторяет своей орбиты в точности, но двигается таким образом, что орбита получается как бы в форме розетки, и главная ось эллипса медленно вращается.

Это могло бы быть объяснено влиянием гравитации ближайших к Меркурию планет, но не полностью. После того как были приняты во внимание все известные гравитационные воздействия, угол, на который действительно поворачивалась главная ось (и две ее крайние точки — перигелий и афелий), оставался чуть больше, чем должен был бы быть, — больше на 43,03 секунды за столетие. Это означало, что главная ось орбиты Меркурия делала полный — и необъяснимый — поворот за 3 000 000 лет.

Леверье, один из первооткрывателей Нептуна, предположил, что между Меркурием и Солнцем находится неоткрытая планета и что воздействие гравитации этой планеты на Меркурий могло привести к этому дополнительному движению перигелия. Однако планета так и не была обнаружена, и, даже если бы она существовала (или если бы пояс планетоидов равной массы существовал бы вблизи Солнца), гравитационное воздействие оказывалось бы также на Венеру, а этого не было обнаружено.

Ситуация оставалась загадочной еще семьдесят лет, пока Эйнштейн в 1915 году не объявил, что общая теория относительности изменила взгляд на гравитацию ровно настолько, чтобы ввести дополнительный фактор, который мог бы просчитать необъяснимую часть движения перигелия Меркурия. (Должно иметь место такое же, но гораздо более слабое воздействие на планеты, находящиеся дальше от Солнца, — слишком маленькое, чтобы его можно было точно определить.)

Эйнштейн также предсказал, что гравитация должна влиять на лучи света, что отсутствовало в ньютоновских воззрениях. Свет звезд, проходящий очень близко от Солнца, например, подвергался бы влиянию геометрии пространства и изгибался бы по направлению к центру Солнца. Наши глаза следовали бы за лучом света, мысленно продолжая его новое направление, и мы видели бы звезду дальше от центра Солнца, чем она находится на самом деле. Это воздействие очень мало. Даже если свет проходил у самого края Солнца, видимое положение звезды сдвигалось бы всего на 1,75 секунды, а если свет проходил дальше от Солнца, сдвиг положения звезды был бы еще меньше.

Конечно, свет звезд, проходящий около Солнца, нельзя наблюдать обычным путем, разве что на протяжении нескольких минут во время полного затмения. В то время, когда была опубликована общая теория, шла Первая мировая война и ничего нельзя было сделать. Однако в 1919 году война была окончена и можно было наблюдать полное затмение с острова Принцип в Гвинейском заливе у берегов Западной Африки. Под британским покровительством на остров была выслана исследовательская экспедиция со специальной целью — проверить общую теорию.

Исследователи замерили положение близких к Солнцу звезд и сравнили с их положением полгода спустя, когда Солнце находилось на другом конце неба. Результаты исследований подтвердили общую теорию.

В конце концов теория Эйнштейна предсказала, что свет должен терять энергию, если он движется против гравитации, и приобретать ее, если «падает», так же как и любой обычный предмет; у предмета, например у мяча, эта потеря энергии будет выражаться в потере скорости. Однако свет может двигаться только с одной скоростью; следовательно, потеря энергии будет выражаться у него в уменьшении частоты и увеличении длины волны. Так, исходя из звезды, свет будет подвергаться небольшому «красному смещению» по мере потери энергии. Но это воздействие так мало, что его нельзя измерить.

Однако недавно были обнаружены такие звезды (белые карлики), которые обладают невероятной плотностью и гравитационное поле которых в тысячи раз сильнее, чем поле обычных звезд. Покидая такую звезду, свет теряет достаточно энергии, чтобы его спектральные линии демонстрировали отчетливое красное смещение. В 1925 году американский астроном Уолтер Сидни Адамс (1876–1956) смог изучить спектр белого карлика — звезды, парной звезде Синус, и подтвердить это предсказание Эйнштейна.

Общая теория относительности, таким образом, одержала три победы над прежними воззрениями на гравитацию, но все это были астрономические победы. Только в 1960 году общая теория была привнесена в лабораторную работу.

Ключ к этой лабораторной демонстрации обнаружил в 1958 году немецкий физик Рудольф Людвиг Моссбауэр (р. 1929), показавший, что при определенных обстоятельствах можно сделать кристалл, испускающий пучок гамма-лучей[96] одинаковой длины волны. Гамма-лучи такой длины волны могут поглощаться кристаллом, похожим на тот, которым были произведены. Если гамма-лучи имеют хоть немного отличную длину волны, они не будут поглощаться. Это называется эффектом Моссбауэра.