Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
Теперь, когда великий труд давно завершен, все выглядит поразительно просто и ясно. Пусть две звезды вращаются вокруг общего центра тяжести. Астрономы наблюдают множество таких «двойных» звезд. Любая третья звезда испытывает с их стороны притяжение, изменяющееся со временем в темпе вращения этой пары. Закон Ньютона позволяет вычислить эти изменения, но предсказывает, что они будут проявляться одновременно на любых расстояниях от двойной звезды. При этом даже не возникает вопроса о том, тратит ли эта звездная пара часть своей энергии на то, чтобы притягивать окружающие тела. Иное дело в теории относительности. Поле тяготения, окружающее звезду, представляет собой определенное свойство окружающего ее пространства. Вблизи звезды пространство не подчиняется геометрии Евклида. Кратчайшие линии в нем не являются прямыми. Это неевклидово пространство. В нем движению по инерции соответствует
Если поле тяготения образовано двумя близкими двойными звездами, то для каждой из них движению по инерции соответствует вращение вокруг общего центра тяжести. Это же, но в других терминах, говорит и теория Ньютона. Различие начинается при описании сил, действующих на третье тело. Теория относительности говорит, что пространство, окружающее двойную звезду, искривлено более сложно, чем его искривление в окрестности одиночной звезды, и, главное, это искривление не вращается вместе с ними как единое целое, не охватывает одновременно все беспредельное пространство. Искривление разбегается во все стороны постепенно, в виде волн. От вращающейся пары звезд разбегаются волны, искривляющие пространство, или волны искривления пространства. Это и есть гравитационные волны, волны тяготения. Их скорость очень велика, она равна скорости света. Но она конечна. Поэтому волны тяготения достигают удаленных частей пространства позже, чем их действие проявляется вблизи их источника.
Вспомним наш опыт с куском холста, натянутым на обруч. Если на холсте лежит не один тяжелый шар, а два, они образуют в поверхности холста впадину более сложной формы, чем в случае, когда шар один. Если теперь придать этим шарам вращение вокруг оси, проходящей между ними, можно увидеть, как по поверхности холста по направлению к обручу побегут впадины сложной формы. Это наглядная модель гравитационных волн, излучаемых двойной звездой. Теперь маленький шарик не сможет спускаться от края обруча к его центру по простейшим кривым, напоминающим меридианы на глобусе. Он должен следовать по более сложным кривым. Нужно, однако, помнить, что реальный мир существует в четырехмерном «пространстве — времени», а наша модель представляет трехмерное «пространство — время». В модели поверхность холста двумерна, но при наличии шаров она не плоская, а криволинейная — неевклидова. Волны искривления холста будут увлекать маленький шарик в сторону вращения массивных центральных тел.
Модель отображает природу гравитационных волн и в том, что, при туго натянутом холсте, его искривления, хорошо видимые вблизи центра, быстро убывают к периферии и очень мало заметны вблизи обруча. Гравитационные волны, возбуждаемые вращением двойных звезд, тоже убывают с увеличением расстояния, а расстояния от них до Земли очень велики. Поэтому ученые пока не сумели зафиксировать существование гравитационных волн.
В отличие от теории Ньютона из теории тяготения следует: вращающаяся пара звезд расходует энергию на возбуждение гравитационных волн. Гравитационные волны уносят с собой часть энергии этих звезд. Речь идет о кинетической энергии их вращения вокруг общего центра тяжести.
Значит, двойные звезды не могут вращаться вечно по стационарным орбитам. Излучая энергию в виде гравитационных волн, они должны приближаться одна к другой по очень пологим спиралям, постепенно увеличивая частоту своего вращения. Это потрясающее предсказание казалось Эйнштейну не поддающимся проверке из-за малости энергии, уносимой гравитационными волнами и вследствие трудности измерения периодов обращения двойных звезд. Но совсем недавно радиоастрономы сумели подтвердить это предсказание! В излучении одного из пульсаров (звезд, излучающих периодические, пульсирующие импульсы радиоволн) обнаружены изменения, которые нельзя объяснить иначе, чем постепенным уменьшением периода его обращения вокруг незримого компаньона. Увеличение скорости вращения (уменьшение периода) этой пары не может быть вызвано ничем иным, как потерей энергии на излучение гравитационных волн. Оценки, проведенные для учета возможного действия других эффектов, например, учета влияния приливного трения, подтвердили, что речь может идти только о результате излучения гравитационных волн.
Эйнштейн, конечно, не мог знать об этом опыте. Но его уверенность в справедливости общей теории относительности и ее предсказаний была столь велика, что он еще в 1916 году увидел в гравитационных волнах явление, делающее неизбежным дальнейшее развитие теории. Трудности, возникшие перед теорией тяготения, так же как затруднения теории Максвелла, связаны с существованием атомов. Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, должны, в соответствии с теорией Максвелла, излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро. Теория Максвелла не может объяснить устойчивость атомов, их длительное существование. Выход из тупика дала гипотеза стационарных орбит, предложенная Бором. В атомах существует набор стационарных орбит, вращаясь по которым, электрон не излучает, не расходует энергию. В то время ни сам Бор, никто другой не могли объяснить, почему так происходит. Но с этим нужно было примириться. Ведь атомы существуют! Значит, внутри атомов теория Максвелла теряет силу.
А как же с гравитационными волнами, как обстоит дело с общей теорией относительности? Вот ответ ее автора: «Однако при всем этом атом, вследствие внутриатомного движения электронов, должен излучать не только электромагнитную, но и гравитационную энергию, хотя и в ничтожном количестве. Поскольку в природе в действительности ничего подобного не должно быть, то, по-видимому, квантовая теория должна модифицировать не только максвелловскую электродинамику, но также и новую теорию гравитации».
Эйнштейн понимает: задача еще более осложнилась, возможно, все придется начинать сначала. Одиннадцать лет назад ему пришлось ввести в науку представление о квантах света. Теперь потребовались кванты гравитации. Иначе атом, спасенный Бором, погибнет из-за излучения гравитационных волн. Предсказание гравитационных волн и необходимости существования квантов гравитации — еще одно великое достижение Эйнштейна.
Так прошел год после рождения общей теории относительности, год первых признаний со стороны крупнейших ученых, первых нападок невежд, первых шагов к неведомым вершинам, скрытым густым туманом незнания, маскирующим и неприступные стены и глубокие провалы. Следующий 1917 год, помимо обширного популярного изложения теории относительности, принес лишь одну работу, посвященную этой теории. Ее рамки были раздвинуты для того, чтобы охватить всю Вселенную. Теория Ньютона, связавшая единым уравнением движение планет и падение тел на Земле, натолкнулась на непреодолимые противоречия при попытке объяснить строение Вселенной, включающей всю совокупность звездного мира. Законы Ньютона говорят, что звезды должны быть сосредоточены в определенной, очень большой, но конечной области пространства. Из этого следует и Другое. Излучение звезд должно покидать занятую ими область и теряться в безграничном пространстве. Это же относится к отдельным звездам. Тяготение всей совокупности звезд не может удержать отдельные, наиболее быстро движущиеся звезды, и они, подобно молекулам газа, расширяющегося в пустоте, должны убегать в бесконечность. Однако этот процесс разбегания не может остановиться, он не имеет конца, поэтому возникает противоречие с первоначальным выводом об ограниченности пространства, занятого звездами. Это лишь один из парадоксов, проявляющийся при попытке применить уравнения Ньютона ко всей Вселенной. Здесь невозможно обсуждать остальные. Ученые давно установили, что эту и другие подобные ей трудности нельзя преодолеть, оставаясь в рамках теории Ньютона. Можно было бы попытаться изменить закон Ньютона, но опыт не показывает, как это сделать, не поступая совершенно произвольно.
Обсудив еще раз трудности теории Ньютона, Эйнштейн пишет: «В дальнейшем я предлагаю читателю последовать пройденному мной самим извилистому и неровному пути, поскольку, как мне кажется, только так будет интересен конечный результат. Я пришел к убеждению, что уравнения гравитационного поля, которых я до сих пор придерживался, нуждаются еще в некоторой модификации, чтобы можно было на базе общей теории относительности избежать тех принципиальных трудностей, которые в предыдущем параграфе были указаны для теории Ньютона».
Читатель, вспомни, что это написал человек, лишь незадолго до того завершивший десятилетний тяжкий труд по созданию теории, признанной специалистами выдающимся творением человеческого разума. Теперь этот труженик готов к дальнейшему походу. Он приглашает нас, а не только своих современников последовать за ним. Давайте же примем его приглашение, держась, однако, в почтительном отдалении от сложнейших математических формул.
Вот исходный пункт: «В последовательной теории относительности нельзя определить инерцию по отношению к «пространству», но можно определять инерцию масс относительно друг друга. Поэтому, если я удаляю какую-нибудь массу на достаточно большое расстояние от всех других масс Вселенной, то инерция этой массы должна стремиться к нулю. Постараемся сформулировать это условие математически».