Мартин Гарднер - Теория относительности для миллионов

Имеется много других космических моделей. Некоторые из них были выдвинуты серьезно, некоторые — в виде шутки. Есть модели, в которых пространство закручивается само на себя, как листок Мебиуса (односторонняя поверхность, которая получается, если перевернуть один из концов полоски бумаги и затем склеить оба конца). Если вы обойдете такую Вселенную один раз, вы окажетесь там же, откуда начали свое путешествие, только все будет перевернутым, как в зеркале. Разумеется, вы можете обойти ее еще раз и поставить все на место. Имеются модели осциллирующей Вселенной, в которых Взрывы чередуются с периодами расширения и сжатия.

Этот цикл повторяется непрерывно, как в доктринах вечного возрождения некоторых философов и восточных религий. (Любопытно отметить, что Эдгар По в своей странной космологической работе под названием «Эврика», которую он высоко ценил, защищал модель осциллирующей Вселенной, находящейся в настоящее время в стадии сжатия.) Наиболее эксцентричной из всех моделей, по-видимому, является модель «кинематической относительности», предложенная астрономом из Оксфордского университета Эдуардом Милном. В ней вводится два существенно различных вида времени. В терминах одного времени возраст и размер Вселенной бесконечны, и она совсем не расширяется. В терминах другого времени она имеет конечный размер и расширяется только с момента создания. Какой вид времени выбрать в качестве основного — это вопрос удобства.

Английский математик Эдмунд Уиттекер однажды предложил (в виде шутки) теорию уменьшающейся Вселенной, в которой конечный космос не только сокращается, но и материя непрерывно уходит туда, откуда она приходит в теории Хойлa. Мир в конце концов полностью исчезает, но не со Взрывом, а с последним Вздохом. «Эта теория имеет то преимущество, — пишет Уиттекер, — что она дает очень простую картину конца Вселенной». Конечно, такая теория должна была бы объяснить, почему мы наблюдаем не фиолетовое, а красное смещение в спектре галактик, но это сделать нетрудно. Для этого нужно заимствовать у де Ситтера один из его приемов и предположить, что время ускоряет свой ход (один из физиков в шутку отметил, что это могло бы объяснить, почему по мере того, как мы становимся старше, кажется, что годы летят, как месяцы. Они действительно летят, как месяцы). Свет, который приходит на Землю от далекой галактики, был бы тогда светом той галактики, которая была миллионы лет назад, когда электромагнитные колебания происходили медленнее. Это могло привести к достаточно большему красному смещению, которое превысило бы допплеровский сдвиг в сторону фиолетового края спектра. Разумеется, чем дальше галактика, тем старше и краснее она кажется.

Тот факт, что можно сформулировать модель уменьшающейся Вселенной, показывает, насколько гибки уравнения теории относительности. Они могут быть согласованы с множеством различных моделей космоса, каждая из которых очень хорошо объясняет все, что можно наблюдать в настоящее время. Интересно отметить, что английский философ Фрэнсис Бэкон в 1620 г. в своем труде «Novum Organum» писал: «О небесах можно создать много отличающихся друг от друга гипотез, которые, однако, достаточно хорошо согласуются с явлениями». Современная космология не изменилась в этом отношении, хотя число наблюдаемых явлений стало гораздо большим; следовательно, имеются основания предполагать, что современные модели ближе к истине, чем старые. Конечно, космические модели, которые будут через сто лет, основанные на астрономических данных, неизвестных в настоящее время, могут совершенно не походить на любую из наших моделей, рассматриваемых сейчас всерьез.

Есть забавная маленькая сказка ирландского писателя лорда Дансэни (в его книге «Человек, который ел Феникса»), в которой Атлас рассказывает Дансэни, что произошло в тот день, когда благодаря науке смертные перестали верить в древнегреческую модель Вселенной. Атлас говорит, что его задача была довольно глупой и неприятной. Ему было холодно, так как он держал на шее южный полюс Земли, а его руки были всегда мокрыми от двух океанов. Но он продолжал выполнять свое дело до тех пор, пока люди верили в него.

Затем, говорит печально Атлас мир начал становиться «слишком ученым». Атлас решил, что в нем больше не нуждаются. Он оставил мир и ушел.

«Но, — говорит Атлас, — не без раздумий, не без больших раздумий. Однако я был глубоко удивлен; ужасно удивлен тем, что произошло, когда я это сделал».

«А что же произошло?»

«Ровным счетом ничего. Просто совсем ничего».

В этой книге я попытался рассказать историю о том, что произошло в результате более близкого к нам события, когда ньютоновский бог абсолютного движения, после того как Эйнштейн ткнул его пару раз, оставил Землю и ушел. С Землей ничего особенного не произошло, по крайней мере пока. Она продолжала вращаться вокруг своей оси, растягиваться по экватору, обращаться вокруг Солнца. Но в физике все-таки кое-что произошло. Ее возможности объяснять, ее возможности предсказывать и более всего ее возможности изменять лицо Земли в хорошую или плохую сторону стали больше, чем они были когда-либо раньше.

В предисловии уже отмечалось, что освещение некоторых вопросов в книге Гарднера нуждается в уточнении. Следует обратить внимание на следующие моменты.

При построении общей теории относительности Эйнштейн исходил из принципа эквивалентности (гравитационного поля и инерции). С помощью этого принципа он и получил основные уравнения теории.

Однако необходимо помнить, что принцип эквивалентности не является общим принципом и имеет лишь ограниченную область применимости; как отмечает сам Гарднер, инерции эквивалентно лишь однородное (т. е. постоянное по величине и направлению) гравитационное поле.

Но поле можно считать однородным лишь в случае очень небольших участков пространства. Например, силовые линии гравитационного поля Земли расходятся радиально от ее центра. Только внутри объемов пространства, линейные размеры которых во много раз меньше размеров Земли, гравитационное поле Земли можно считать однородным. Поэтому говорят, что принцип эквивалентности локален, т. е. что с помощью перехода в ускоренную систему координат можно исключить гравитационное поле в отдельных участках пространства, но отнюдь не везде.

Общим принципом, применимым без всяких ограничений, является принцип равенства инертной и гравитационной масс . Пользуясь этим принципом, можно построить всю теорию гравитации. Если же исходить из принципа эквивалентности, то для построения теории необходимо сделать дополнительное предположение, что явление гравитации целиком сводится к геометрическим свойствам пространства — времени.