Гравитационное красное смещение. Если выпустить из рук какой-либо предмет, то при движении в поле тяготения Земли его скорость и кинетическая энергия будут увеличиваться. Аналогично «при падении» света в гравитационном поле энергия света будет увеличиваться благодаря наличию у света массы, связанной с энергией излучения. Увеличение кинетической энергии падающего тела или частицы обусловлено возрастанием скорости (Е = mv2/2). Однако, поскольку свет всегда распространяется с постоянной скоростью, увеличение его энергии связано с возрастанием частоты световой волны. Было установлено также, что если направление распространения света противоположно вектору напряженности гравитационного поля, то свет будет терять энергию, а его частота будет уменьшаться. Действительно, оказалось, что частота видимого света, испускаемого Солнцем в гравитационном поле Земли, уменьшается, а длина волны увеличивается. А это означает смещение света в гравитационном поле к красному концу спектра. Величина этого смещения мала, но измерима (Δν/ν = 2,5 · 10-15) и с точностью до 10% совпадает со значением, предсказанным ОТО. Это очень малое изменение частоты удалось измерить с помощью эффекта Р. Мёссбауэра (р. 1929). Эффект красного смещения был предсказан А. Эйнштейном в 1907 г.

В 1972 г. сотрудниками Вашингтонского университета и военно-морской лаборатории США Хефеле и Китингом были проведены эксперименты по проверке теории относительности Эйнштейна, связанные с изучением течения времени на разной высоте от Земли в самолетах Боинг (10 км) и Конкорд (20 км), летящих по направлению вращения Земли и против ее вращения, по сравнению с часами, находящимися на поверхности Земли. Как и предсказывается теорией относительности, при полете на восток часы, находившиеся на борту самолетов, отставали, а при полете на Запад уходили вперед относительно часов, оставшихся на Земле. Фактический ход времени меняется в зависимости от относительного движения наблюдателей. И это удалось измерить.

102

Поскольку самолет находился на большой высоте над поверхностью Земли и гравитация там меньше в 1/r2 раз и учитывая изменение скорости перемещения часов на самолетах в одну и другую сторону, было установлено, что гравитация изменяет ход часов. Это подтверждается также и тем, что одни и те же часы на Луне идут быстрее, чем на Земле, поскольку гравитационное поле на Луне в б раз слабее земного.

Американский физик Д. Шредер на основании этого предлагает считать, что выводы теории относительности уже не являются чисто теоретическими, а могут считаться эмпирически подтвержденным законом. Теория относительности превратилась в закон относительности. Отсюда же можно сделать вывод, что при рассмотрении физики Вселенной (гл. 6) нужно учитывать различия в движении и гравитационных силах различных галактик или даже звезд в одной галактике, и это превращает абсолютное время в сугубо локальный феномен [27]. В разных частях Вселенной время может протекать по-разному. Поэтому каждая звезда имеет свои собственные гравитацию, скорость движения и пространственно-временную систему отсчета. В ранней Вселенной кривизна пространства и времени была другая. Отсюда можно сделать фантастический для нас вывод — со времени Большого Взрыва время текло неравномерно!

4.2.3. Гравитация и искривление пространства

ОТО предсказывает также наличие гравитационных волн. Подобно тому как ускоренно движущийся электрический заряд испускает излучение, движущееся в гравитационном поле массивное тело должно испускать гравитационные волны, носителем которых и может быть гравитон. Заметим также, что ОТО предсказывает искривление четырехмерной геометрии пространства—времени, так называемого мира Минковского. Г. Минковский писал: «Отныне пространство и время, взятые по отдельности, обречены влачить призрачное существование, и только единство их обоих сохранит реальность и самостоятельность». (Заметим, что в честь Г. Минковского такой четырехмерный мир называют пространством-временем Минковского.) Представления о четырехмерном пространстве—времени не так наглядны даже для специалистов по теории относительности. Так, С. Хокинг (р. 1942) замечает:

«Невозможно вообразить четырехмерное пространство. Я сам с трудом представляю фигуры в трехмерном пространстве!» Однако автор таких представлений в теории относительности А. Эйнштейн говорил: «Мистический трепет охватывает нематематика,

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

103

когда он слышит о «четырехмерном», — чувство, подобное чувству, внушаемому театральным приведением. И тем не менее нет ничего банальнее фразы, что мир, обитаемый нами, есть четырехмерная пространственно-временная непрерывность».

Тот факт, что четырехмерное пространство может быть искривленным, теоретически был открыт в начале XIX в. русским математиком Н. И. Лобачевским и одновременно венгерским математиком Я. Больяй (1802—1860). В середине XIX в. немецкий геометр Б. Риман (1826—1866) стал рассматривать «искривленные» пространства не только с тремя измерениями, но и четырехмерные и вообще с любым числом измерений. С того времени геометрию искривленного пространства и стали называть неевклидовой. Ученые, разрабатывающие неевклидову геометрию, не знали, в каких конкретно условиях может проявиться их геометрия, хотя отдельные догадки об этом высказывали. Созданный ими и их последователями математический аппарат был использован при формулировке общей теории относительности.

Конечно, представление гравитационного поля так же, как и понятия времени и пространства, совсем не простое, тем не менее в рамках ОТО появление гравитации связывается именно с искривлением пространства-времени.

Рассмотрим пример. Если А и В движутся с экватора Земли на север (рис. 4.8), то через какое-то время расстояние l между ними уменьшится (l' < l). Это дает основание утверждать, что А и В как бы притягивает некая «сила», которую можно называть гравитацией. Разумеется, здесь нет никакой «силы». В заблуждение вводит то обстоятельство, что геометрия пространства, в котором движутся А и В, криволинейная, а для описания их положения используется геометрия Евклида на плоскости. То же самое происходит и в нашем реальном мире. Если мы считаем, что Вселенная может быть описана геометрией Евклида, а это мы постоянно интуитивно и делаем, то возникает таинственная сила — гравитация, происхождение которой мы не можем объяснить.

В ОТО все эффекты гравитации приписываются неевклидовой геометрии Вселенной

—четырехмерной геометрии искрив-

Рис. 4.8. Движение субъектов А и В с экватора точно на север по параллельным траекториям.

104

ленного пространства—времени. Это и есть криволинейная геометрия Римана для больших пространств. Можно сказать, что наличие во Вселенной вещества искажает геометрию и вещество «заявляет» о своем присутствии посредством гравитации. Таким образом, в теории относительности гравитация определяется распределением и движением материи в пространстве. При наличии в пространстве тяготеющих масс, а следовательно, и сил тяготения, пространство—время искривляется, становится неевклидовым. Известно также, что

A. Эйнштейн до конца своей жизни пытался обосновать идею, что не только гравитацию, но и всю физическую Вселенную можно целиком описать на основе одной лишь геометрии. Такое представление о природе имели еще древние греки. Платон говорил: «Бог — это геометр».

Ньютон завершил начатое Г. Галилеем, а А. Эйнштейн — начатое Ньютоном. Эйнштейну приписывается фраза: «Прости меня, Ньютон» За что великий физик одной эпохи просил прощения у великого физика другой эпохи? Может быть, за то, что одному из них пришлось исправлять другого? Ведь Эйнштейн, вскрыв закономерности развития физического мира, наглядно продемонстрировал незавершенность казавшейся незыблемой механики Ньютона. Эйнштейн-физик развил и дополнил физика Ньютона. Но Эйнштейн просил прощения не только за это. Эйнштейн-мыслитель сломал стереотип религиозного мышления Ньютона-богослова.

Хотя для Эйнштейна областью приложения знаний всегда была физика, он ставил

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.