ЕНКМ_4 часть

короткой длиной волны. Поэтому говорят о фиолетовом смещении света приближающегося к наблюдателю источника. Напротив, если источник света удаляется, то волны света идут реже, и частота света кажется ниже (а длина волны больше), чем обычно. Самой большой длиной волны из всех цветов радуги обладают красные фотоны, и поэтому говорят о красном смещении света удаляющегося от наблюдателя источника.

Точное значение сдвига длины волны находится в прямой зависимости от относительной скорости источника и наблюдателя. Когда скорость мала, сдвиг незначителен, но если скорость очень велика, то сдвиг может быть чрезвычайно большим. Представьте себе, например, что вы приближаетесь к обычной электрической лампочке со скоростью, равной 99,9% скорости света. При такой колоссальной скорости сдвиг в сторону коротких волн настолько велик, что от лампочки к вам будут приходить рентгеновские лучи. Если же удаляться от обычной лампочки со скоростью, равной 99,9% скорости света, то

квам придут лишь радиоволны. В обоих случаях, хотя лампочка излучает видимый свет, ее нельзя увидеть простым глазом.

Важно осознать, что, хотя, длина волны или цвет приходящего от источника света зависят от относительной скорости источника и наблюдателя, сама скорость света всегда остается одной и той же. Если измерять скорость света, приходящего от приближающегося или удаляющегося источника, результат будет всегда один и тот же: 300 000 км/с.

Если вернуться к наблюдению неба в иллюминатор космического корабля, то нетрудно понять, что из-за эффекта Доплера цвет звезд будет сильно меняться. Свет звезд, наблюдаемых впереди корабля, будет испытывать фиолетовое смещение, так как они приближаются

кнаблюдателю. Напротив, свет звезд, видимых в кормовой иллюминатор, будет подвержен красному смещению, так как они удаляются от космического корабля. Но такая картина будет наблюдаться лишь при сравнительно малых скоростях полета. Если скорость космиче-

111

ского корабля велика и составляет заметную долю скорости света, то начинает проявляться новый эффект.

Атомы, которые испускают видимый нами свет, подобны крошечным часам, а, как известно, движущиеся часы замедляют ход, причем замедление течения времени происходит независимо от направления движения. Отстают все часы: и приближающиеся и удаляющиеся. Значит, помимо эффекта Доплера частота света движущихся атомов будет понижаться (а длина волны увеличиваться) просто вследствие замедления течения времени. Иными словами, одновременно действуют два эффекта. Вдобавок к смещению, связанному с эффектом Доплера, замедление времени также вызывает некоторое красное смещение. Вклад замедления времени в сдвиг длины волн света меньше, чем вклад эффекта Доплера. Однако при субсветовых скоростях необходимо учитывать оба эффекта. По мере приближения к скорости света красное смещение, вызванное эффектом замедления течения времени, становится все заметнее. В результате область неба, в которой наблюдается фиолетовое смещение, непрерывно сокращается.

Любое обсуждение специальной теории относительности было бы неполным без упоминания о странных свойствах тахионов. Хотя обычное вещество нельзя разогнать до скорости, равной или превышающей скорость света, преобразования Лоренца формально математически допускают движение по пространственно подобным траекториям, если только вещество, совершающее такие путешествия, обладает некоторыми необычными свойствами. В обычном мире можно говорить о массе покоя, собственной длине и собственном времени в следующем смысле. Представьте себе, что вы держите кирпич. Масса покоя кирпича – это масса, которую вы измерите, когда находитесь в покое относительно кирпича. Собственные размеры кирпича – это те значения длин его ребер, которые вы измерите линейкой у покоящегося относительно вас кирпича. Если бы кирпич был радиоактивным, например, был сделан из урана, то собственным периодом полураспада этого радиоактивного вещества был бы период полураспада, ко-

112

торый вы измерили бы по вашим часам, покоящимся относительно кирпича. Эти «собственные» величины описывают свойства вещества в его, как говорят, системе покоя. Величины же, наблюдаемые в движущихся системах отсчета, будут связаны с собственными величинами в соответствии с преобразованиями Лоренца.

Поразмыслив о преобразованиях Лоренца, математик придет к заключению, что путешествия со сверхсветовыми скоростями могут совершаться лишь, если у движущегося вещества все собственные величины «мнимые». Для математика слово «мнимый» имеет вполне определенный смысл (пропорциональность квадратному корню из минус единицы), но в повседневной жизни ничто и никогда не описывается мнимыми числами. Однако гипотетическое вещество, способное двигаться быстрее света, должно обязательно характеризоваться мнимой массой покоя, мнимыми собственными размерами и мнимым собственным временем. Такое вещество состоит из тахионов (от греческого корня, означающего «быстрый»). Тахионы всегда движутся быстрее скорости света в отличие от частиц обычного реального мира, называемых тардионами, которые всегда движутся медленнее света. Между тардионами и тахионами лежат люксоны – частицы, которые движутся со скоростью, равной скорости света (к ним относятся фотоны и нейтрино). Если тардионы, как правило, покоятся в реальном мире, а чтобы ускорить их до субсветовых скоростей, нужно затратить много энергии, то тахионы, напротив, обычно имеют бесконечно большую скорость, и требуется много энергии, чтобы замедлить их до скоростей, лишь незначительно превышающих световую.

Пожалуй, одно из самых серьезных возражений против существования тахионов – это нарушение причинности. Мы привыкли к вполне определенному соотношению между причиной и следствием в окружающем нас мире. Все события происходят по той или иной причине, и причина всегда предшествует следствию. Но для тахионов соблюдение принципа причинности вовсе необязательно.

113

За последние десятилетия ученые неоднократно ставили эксперименты, чтобы найти тахионы. Либо тахионы слабо взаимодействуют с обычным веществом, либо они просто не существуют. Эти эксперименты обычно заключаются в поиске какого-то совершенно неожиданного явления для ядерной физики. Представим себе, например, такой дорожный инцидент: тяжело нагруженный грузовик на полной скорости врезается в стоящий «Запорожец». Ясно, что небольшой автомобиль при таком столкновении будет отброшен по шоссе в том направлении, в котором двигался грузовик. Однако если бы в столкновении участвовали тахионы, то «Запорожец» мог быть отброшен и в противоположную сторону. В некоторых экспериментах легкие ядра обстреливаются тяжелыми ядрами. Если бы легкие ядра при этом отскакивали в сторону, противоположную первоначальному полету тяжелого ядра, то это свидетельствовало бы о присутствии тахионов. Но все эксперименты, предназначенные для обнаружения тахионов, закончились полной неудачей.

Гравитация и общая теория относительности. Основная зада-

ча, с которой встретились древние астрономы, – это объяснение движения планет. Наблюдая их на протяжении тысячелетий, люди узнали, что планеты движутся лишь в узкой полосе двенадцати созвездий, опоясывающих небосвод и получивших название Зодиака. При этом каждая планета описывает на протяжении недель или месяцев сложный путь среди неподвижных звезд этих созвездий. Именно поэтому слово «планета» происходит от древнегреческого глагола, означающего «странствовать».

В XVII в. Исаак Ньютон сформулировал три основных закона о природе движения. Согласно его первому закону, все тела сохраняют состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения, если на них не действуют внешние силы. Однако планеты движутся не по прямолинейным траекториям. Следовательно, должна существовать сила, действующая на планеты и вынуждающая их двигаться по эллиптическим орбитам. Ньютон установил, что эта сила всегда направлена в сторону Солнца; ему удалось также определить, как имен-

114

но зависит эта сила от расстояния от Солнца до планеты, получившая название всемирного тяготения (гравитации), а Ньютоново описание того, как она действует, выражено в его законе всемирного тяготе-

ния.

Можно привести наглядный пример поведения гравитации. Представьте себе человека, весом 60 кг, стоящего на поверхности Земли (рис. 8.5). Округляя значение радиуса Земли, можно сказать, что человек находится на расстоянии 6 500 км от центра источника тяготения. Пусть теперь он поднимется на вершину лестницы - стремянки высотой 6 500 км. Он окажется тогда вдвое дальше от центра Земли и будет весить поэтому вчетверо меньше, чем прежде. Если поставить на верх стремянки обычные напольные весы, то он найдет, что его вес равен всего 15 кг.

Рис. 8.5: Наглядное представление поведения гравитации.

Существенно, что точно такой же результат получится в том случае, когда радиус Земли возрастет вдвое. Если расстояние между

115

всеми атомами, составляющими Землю, удвоится, то удвоится и поперечник нашей планеты. Число атомов Земли останется прежним, так что мы не добавим и не убавим ни одного грамма вещества. Мы всего-навсего иначе разместим вещество, из которого состоит Земля. Тогда наш приятель, весивший 60 кг, окажется на расстоянии 13 000 км от центра Земли, и будет весить только 15 кг.

Поведение гравитации можно иллюстрировать и обратными примерами. Если сжать Землю вдвое по сравнению с ее исходными размерами, то наш приятель станет весить вчетверо больше, т.е. 240 кг. Сжав Землю до одной десятой ее прежних размеров, мы обнаружим, что стоящий на ее поверхности человек будет весить уже 6 т.

Отсюда ясно, что если бы можно было сжимать тела до очень малых размеров, то стало бы возможно создавать чрезвычайно сильные гравитационные поля. Если бы удалось заставить сжаться до ничтожно малых размеров звезду, Землю или просто песчинку, то сила тяжести на поверхности образовавшегося тела стала бы столь велика, что даже свет не мог бы ее покинуть.

В течении двухсот лет, прошедших после пионерских работ Ньютона, его закон тяготения получил множество убедительных и ярких подтверждений. Так, Вильям Гершель в 1781 г. совершенно случайно открыл в созвездии Близнецов планету Уран. После необходимых измерений ее положений на небе была рассчитана орбита Урана в соответствии с ньютоновским законом тяготения. Но к 1840 г. астрономы убедились, что Уран в своем движении по небосводу отклоняется от вычисленного пути. Быть может, на таком большом расстоянии от Солнца закон тяготения не верен? Едва ли! В Англии один студент-астроном произвел сложные вычисления и показал, что необычное поведение Урана можно полностью объяснить воздействием на него более далекой от Солнца, чем Уране, планеты. Такая дополнительная, хотя и незначительная сила слегка отклоняла движение Урана от теоретически вычисленного пути. К сожалению, на результаты вычислений этого юноши не обратили должного внимания – ведь он был только студентом. А вскоре независимо такие же

116

вычисления проделал один французский астроном, который также предсказал и положение на небосводе этой еще не открытой планеты. Он написал об этом в одну немецкую обсерваторию. В день получения письма погода была ясная и в ту же ночь человек впервые увидел восьмую планету Солнечной системы – Нептун. Закон всемирного тяготения Ньютона оказался столь точным и столь универсальным, что с его помощью удалось предсказать существование еще не известной ранее планеты! Нечего и говорить, какие бурные споры начались между английскими и французскими астрономами о том, кому принадлежит честь открытия…

Подумайте и ответьте:

1.В сем суть принципа ковариантности?

2.Что такое аберрация света?

3.В чем заключается эффект Доплера?

4.Что такое тахионы?

5.Расскажите о гравитации и общей теории относительности.

117

9. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

На протяжении многих тысячелетий люди пристально вглядывались в усыпанное звездами ночное небо, испытывая благоговейный трепет перед его величием и таинственностью. Еще в древнейшие времена, от которых не сохранилось никаких письменных свидетельств, людей повергал в изумление размеренный ход небесного механизма. Восход и заход Солнца, смена фаз серебристого диска Луны, драматическое зрелище солнечного затмения и странствия планет по созвездиям пояса Зодиака – всего этого было достаточно, чтобы пробудить наших предков заняться астрономией.

История астрономических наблюдений насчитывает много веков, и астрономия по праву зовется древнейшей из наук. Тем более поразительно, что большинство понятий, которые можно встретить в каждой книге по современной астрономии, появились менее ста лет назад, а многие проблемы, обсуждаемые ныне астрономами - профессионалами, вообще не существовали десять – двадцать лет назад. Например, до середины XIX в. у астрономов не было четкого представления о расстояниях до звезд. Видимые положения звезд на небе были, конечно, известны уже на протяжении тысячелетий, карты неба имелись почти у каждой цивилизации. Астрономы сознавали, что если звезды подобны нашему Солнцу, то они должны находиться на колоссальных расстояниях, поскольку они так слабо светят в ночном небе. Однако измерение этих расстояний было сопряжено с большими практическими трудностями.

Когда, наконец, стали известны расстояния до звезд, потребовалось ввести новые единицы измерения. Выражать эти расстояния в километрах так же нелепо, как выражать расстояния между городами на поверхности Земли в дюймах или миллиметрах. Одна из наиболее удобных измерительных линеек или единиц длины, введенная для этой цели, – световой год. Световой год – это расстояние, которое проходит свет, движущийся со скоростью 300 000 км/с, за один год. Значит, один световой год приблизительно равен десяти триллионам

118

километров. Таким образом, расстояния до звезд можно выразить довольно компактными числами. Например, ближайшая к нам звезда Центавра находится на расстоянии приблизительно 4 световых лет. Сириус – самая яркая звезда на небе – удалена на 9 световых лет, до Бетельгейзе, яркой красной звезды в созвездии Ориона, 590 световых лет.

Световой год – удобная единица для измерения межзвездных расстояний, и почему бы нам не задуматься, не намекает ли природа тем самым на нечто гораздо более фундаментальное. К примеру, до Альдебарана, яркой красной звезды в созвездии Тельца, 68 световых лет. Это означает, что свет, улавливаемый глазом, когда мы смотрим на это звезду, был испущен 68 лет назад, т.е. мы видим эту звезду такой, какой она была 68 лет назад, перед второй мировой войной. Еще более далекие звезды мы видим такими, какими они были в еще более далеком прошлом. Итак, глядя в ночное небо, мы смотрим в прошлое; взгляд в глубины пространства равносилен взгляду назад во времени. Таким образом, мы пришли к неизбежному выводу, что время и пространство теснейшим образом связаны друг с другом, и чтобы понять Вселенную, необходимо с признания союза пространства и времени как единого континуума, именуемого пространствовремя. Наблюдая звездное небо подобно многим поколениям наших предков, мы пронизываем взглядом не только все три измерения пространства, но и четвертое измерение – время.

Что же такое пространство-время? Еще в детстве мы с легкостью усвоили интуитивные представления о пространственных и временном измерениях. Мы узнали, что есть три пространственных измерения – вперед и назад, влево и вправо, вверх и вниз. Мы – трехмерные существа в трехмерном пространстве – вольны перемещаться в любом направлении. Но по мере того, как проходят часы, месяцы и годы, мы перемещаемся также и во времени. Будучи трехмерными существами, мы не вольны двигаться взад и вперед в четвертом измерении – во времени. Мы рождаемся, стареем и умираем, и мы бес-

119

сильны заставить стрелки часов двигаться назад или ускорить их ход

(рис. 9.1).

Рис. 9.1: Трехмерное пространство и пространство-время.

Смысл пространства-времени лучше всего проиллюстрировать простым примером. Допустим, что вы садитесь в Лос-Анджелесе в самолет, направляющийся в Сиэтл с посадкой на один час в СанФранциско. Этот полет можно изобразить графически (рис. 9.2). Будем откладывать по горизонтальной оси расстояние, пройденное самолетом, а по вертикальной оси – время по часам. Вылет из ЛосАнджелеса в 9 часов утра, а прибытие в Сан-Франциско в 10 часов утра. После часовой стоянки ваш самолет летит дальше в Сиэтл, куда прибывает в 13 часов дня. Зная расстояния между этими городами, нетрудно построить окончательный график.

На двумерной диаграмме пространства-времени ось с пометкой «расстояние» указывает ваше положение в пространственном измерении, а ось с пометкой «время» – ваше положение во временном измерении. Ваш путь в таком пространстве-времени (мировая линия) показан на рис. 9.2 когда вы находитесь на земле, мировая линия идет вертикально на диаграмме, так как ваше положение в пространстве остается неизменным, а время продолжает течь. Когда вы находитесь

120