Пионеры атомного века (Великие исследователи от Максвелла до Гейзенберга) - Гернек Фридрих - Страница 56

Общую теорию относительности Эйнштейн рассматривал как "второй этаж" в здании своей теории. В сходном смысле Планк сравнивал переход от специальной к общей теории относительности с переходом от линейных функций ко всеобщей теории функций в математике. Общая теория относительности тем самым включает - если отвлечься от гравитации - специальную как частный случай. Она является как бы расширением и обобщением принципа относительности 1905 года.

Такое "классическое" толкование, отвечающее историческому развитию, предлагает также Макс фон Лауэ. Такие значительные физики-теоретики, как Луи де Бройль, Макс Борн, Вернер Гейзенберг и Леопольд Инфельд, разделяют его или склоняются к нему. В некоторых новых, более аксиоматически изложенных работах, особенно в тех, которые в последние годы опубликовал советский физик В.А. Фок, избранное Эйнштейном название "общая теория относительности" отвергается как не соответствующее содержанию и вводящее в заблуждение.

Фок не согласен с тем, что здесь речь идет об обобщении понятия относительности 1905 года, и расценивает теорию Эйнштейна 1915 года исключительно как геометрическую теорию гравитации. В книге "Теория пространства, времени и тяготения" Фок детально обосновывает свое толкование. Аналогичных взглядов придерживается и А.Д. Александров. Научная дискуссия по этому и другим вопросам продолжается.

По словам Лауэ, Эйнштейн искал возможность раскрыть тайны гравитационного поля на основе теории относительности. Исходя из закона тождества инертной и тяжелой массы, который знали уже Галилей и Ньютон и который экспериментально проверил венгерский физик Этвеш, Эйнштейн пришел к новой теории силы тяжести. Знаменитый мыслительный эксперимент со свободно падающим лифтом, в котором физики наблюдают поведение незакрепленных тел и при этом не замечают воздействия тяготения, помог решению проблемы.

После Фарадея и Максвелла, преобразовавших электродинамику, Эйнштейн применил идею близкодействия также к пониманию гравитации. Из его уравнений поля следует, что явления гравитации в изменяющихся во времени полях тяготения распространяются со скоростью света. Почта через два с половиной столетия после Ньютона удалось изгнать из учения о притяжении силы дальнодействия, действующие с бесконечно большой скоростью и непосредственно от тела к телу. Уже Ньютон рассматривал их с недоверием и недовольством, Гельмгольц и Герц натолкнулись на эти "подозрительные" силы, но не смогли указать никакого выхода.

В общей теории относительности Эйнштейн проложил новые пути в понимании пространства и его структуры - в согласии с идеей Римана, что соотношения масс в пространстве не остаются независимыми от физических процессов, которые в них протекают.

Гениальный немецкий математик Бернгард Риман создал в дополнение к теории Гаусса о криволинейных плоскостях неевклидову геометрию общего характера. Неевклидовой эта геометрия была постольку, поскольку она была построена без применения аксиомы Евклида о параллелях. Эта аксиома утверждает, что к одной данной прямой через точку, расположенную вне ее, можно провести одну и только одну параллельную прямую.

В римановской геометрии в отличие от геометрии Евклида сумма углов треугольника больше 180 градусов. В его "искривленных" пространствах которые соответствуют искривленным плоскостям, но наглядно не представимы нет прямых линий, как в "плоских" евклидовых пространствах; есть только "наиболее прямые" линии, так называемые геодезические линии. Они представляют собой кратчайшее расстояние между двумя точками в искривленном пространстве.

Эта геометрия прежде всего была математическим мыслительным допущением так же, как предшествующие неевклидовы геометрии русского ученого Лобачевского и венгра Больяи были чисто математическими построениями. До этого Гаусс развивал сходные геометрические представления, но не опубликовал их из боязни "дразнить гусей". Одновременно с Риманом и независимо от него Гельмгольц тоже придумал неевклидову геометрию.

В связи с принципом Маха необычайно гибкая геометрия Римана приобрела отныне в общей теории относительности и учении о гравитации непосредственный физический смысл. Эйнштейн открыл новую эру мировой геометрии, указав на то, что структура пространства - времени, четырехмерное единство пространства и времени, полностью зависит от распределения масс, и гравитационное поле "полностью определяется через массы тел".

Планетные орбиты нашей солнечной системы выглядят благодаря этому истолкованию как следствие искривления пространства, обусловленного массой Солнца. Они являются геодезическими линиями, по которым планеты движутся благодаря присущей им инерции. Законы тяжести были тем самым сведены к геометрии Римана. Закон гравитации стал особым случаем принципа инерции.

Геометрическая теория гравитации Эйнштейна в первом приближении включает в себя гравитационное учение Ньютона. Она завершила классическую физику. Две большие, до сих пор лишь внешне связанные области, гравитация и механика, составили благодаря ей единое целое.

Эйнштейн верно понял, что пробелы, которые выявились в классической механике, могут быть заполнены только путем создания нового учения о гравитации. Поэтому он искал теорию, в фундамент которой был бы встроен закон гравитации, в ньютоновской механике он был почти что инородным телом. С созданием новой теории гравитации Эйнштейн сделал и первый большой шаг к геометризации физики.

Проверка эйнштейновской теории гравитации в лаборатории была в ближайшее время невозможна даже в ограниченном объеме. Поле тяготения по способности к изменению является самым слабым из известных физических полей, и еще не создано технических устройств, искусственно испускающих гравитационные лучи. Поэтому Эйнштейн назвал три астрономических явления, лежащих на границе измеримого, которые позволяли проверить правомерность новой теории.

Первым эффектом является так называемое смещение Меркурия в перигелии. Астрономам уже давно было известно, что перигелий, ближайший к Солнцу пункт на эллиптической орбите планеты Меркурий, смещается на протяжении одного столетия примерно на сорок три дуговые секунды больше, чем это допустимо ньютоновским законом притяжения масс. Выдвигались различные гипотезы для объяснения этого загадочного превышения. Из эйнштейновской теории гравитации следовала наблюдаемая величина без каких-либо допущений. Это с самого начала стало аргументом в пользу новой теории.

Вторым эффектом является искривление световых лучей звезд в поле тяготения солнца. Это было особенно смелое предположение, противоречившее всем фактам и привычному образу мыслей. Ни один физик до Эйнштейна даже и во сне не пытался исходить в своих расчетах из того, что свет в свободном пространстве распространяется иначе, чем прямолинейно.

Уже в 1911 году в Праге Эйнштейн теоретически вывел искривление лучей из релятивистского положения об инертности энергии и "принципа эквивалентности". Он, однако, получил слишком малую величину, так как все еще исходил из классических представлений. Только в конце 1915 года в Берлине он нашел правильную величину в 1,7 дуговой секунды, которая четыре года спустя была в пределах возможностей измерения подтверждена английской экспедицией по наблюдению солнечного затмения под руководством астрофизика Эддингтона.

Подтверждение столь невероятного физического предположения практикой астрофотографии и астрономического вычисления произвело на мир специалистов большое впечатление и возбудило невиданный интерес. Оно означало триумф теоретического естествознания и превратилось в мировую сенсацию, которая едва ли не превзошла открытие спутников Юпитера Галилеем и открытие Х-лучей Рентгеном.

Третьим эффектом для проверки новой теории гравитации является релятивистское красное смещение. Оно основывается на том, что атомы в сильном поле тяготения испускают свет, спектральные линии которого показывают сравнительно большую длину волн, то есть смещены в длинноволновую, красную сторону спектра. Сильное гравитационное воздействие уменьшает число колебаний лучей света, и в соответствии с этим увеличивается длина волны.