Геометрия Вселенной. Продолжение.
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Эйнштейн предложил три опыта, которые должны были показать, что геометрия мира не подчиняется законам Эвклида, а механика — законам Ньютона. Эти три опыта, ставшие классическими, состоят в определении движения перигелия Меркурия, отклонения луча света возле Солнца и красного смещения спектральных линий. Рассмотрим же эти опыты.
Первый. Движение планет вокруг Солнца по эллипсу имеет одну очень важную особенность. Через определенный отрезок времени период обращения — планета возвращается точно в одно и то же место в пространстве, ее орбита является замкнутой кривой. Таким свойством планета обладает только тогда, когда сила, действующая на планету, строго обратно пропорциональна квадрату расстояния (в согласии с законом всемирного тяготения Ньютона). Если этот закон несколько нарушен, то эллипс не замкнется. Но если нарушение мало, то орбита почти замкнется, и движение можно описывать как движение по эллипсу, перигелий которого, то есть ближайшая к Солнцу точка, медленно перемещается.
Перигелии всех членов «семьи Солнца» перемещаются из-за действия планет друг на друга, но наблюдаемое на опыте перемещение не совпадает с тем, которое вычисляется с помощью законов механики Ньютона. Эйнштейн показал, что из-за неэвклидовости пространства около Солнца существует добавочное отклонение перигелия. Для Меркурия за 100 лет оно должно составлять 43 дуговые секунды, а для Земли — 3,3 секунды. (А еще было бы интересно смоделировать условия окружающей среды Меркурия в земных условиях. Но для этого придется приобрести камеру окружающей среды, которая сделана специально для такого моделирования).
Второй. Когда луч света от какой-нибудь звезды проходит около Солнца, то он отклоняется от эвклидовой прямой. Это отклонение происходит, грубо говоря, от двух причин: вследствие искривления пространства и вследствие того, что свет имеет массу и подобно комете движется по кривой.
Вычисленное Эйнштейном по теории отклонение составило около 1,75 дуговой секунды. Проверка этого эффекта оказалась нелегкой. Глазная трудность состояла в том, что надо сравнивать положение звезды во время затмения Солнца с ее положением ночью (и полгода спустя), когда состояние атмосферы совсем другое. Первая экспедиция Эддингтона в 1919 году обнаружила отклонение 1,98 градуса. Русский ученый А. А. Михайлов заново проанализировал данные всех наблюдений и считает, что среднее значение отклонения составляет около 2. Оно несколько больше предсказанного, значит, кривизна пространства вблизи Солнца, во всяком случае, не меньше той, что предсказана Эйнштейном.
Третий эффект относится к связи геометрии и времени. Один из выводов теории относительности говорит о том, что кривизна пространства влияет на ход часов. Чем больше поле тяготения, тем медленнее протекают физические процессы. В частности, вблизи тяжелого тела свет, излучаемый атомами, должен иметь меньшую частоту. Это должно давать смещение спектральных линий излучения в сторону красных полос. Подтверждение пришло при сравнении спектральных линий излучения некоторых элементов тяжелых звезд со спектрами тех же элементов на Земле. В 1960 году подобный эффект был обнаружен и на Земле, когда с помощью очень тонких опытов было показано, что частота излучения ядра радиоактивного железа уменьшается при поднятии источника над поверхностью нашей планеты. Опыты позволили найти разницу даже тогда, когда источник располагался на высоте всего 20 метров над земной поверхностью.
РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ
Эти три опыта в значительной степени вселили уверенность в справедливость общей теории относительности. Но опыты относились лишь к геометрии ближайшей окрестности Солнца. Эйнштейну принадлежит и заслуга применения идей его теории ко всей метагалактике, то есть совокупности галактик, образующих Вселенную. Однако решающая идея теории геометрических свойств метагалактики была выдвинута русским математиком А. А. Фридманом в 1922 году. Он показал, что геометрия метагалактики не может оставаться неизменной, а должна меняться со временем. Это значит: все наблюдаемые расстояния между галактиками должны меняться с течением времени.
Открытие Фридмана нашло блестящее подтверждение в астрономических наблюдениях, когда американский астроном Хаббл обнаружил, что все галактики и их скопления удаляются от нас с большой скоростью. Хаббл установил и закон такого удаления. Он нашел, что скорость, с которой галактика удаляется от земного наблюдателя, пропорциональна ее расстоянию от него. Например, туманность, находящаяся на расстоянии 1 миллиона парсеков (3*10 в 19-й степени километра), удаляется со скоростью 75 км/сек. В последнее время астрономы проникли на очень большие расстояния и обнаружили скопление галактик, удаляющееся со скоростью 140 000 км/сек.
Трудно представить себе, что этот разлет туманностей действительно происходит так, что Земля или даже солнечная система остается в покое. С другой стороны, это явление хорошо объясняется, если мы последуем за Фридманом и примем, что геометрия меняется со временем. Далекие галактики мы видим такими, какими они были, когда дошедший до нас свет покинул их. Поэтому разные части Вселенной мы видим в разные моменты времени. Как показывает теория Фридмана, это и приводит к наблюдаемому «расширению Вселенной» — одному из наиболее удивительных явлений, объяснение которого стало великим достижением естествознания.
По поводу расширяющейся Вселенной часто высказывается много неверных или, по крайней мере, неточных утверждений. Главное из них — о возрасте Вселенной. Если считать, что расширение, по закону Хаббла, происходило всегда, то примерно 13 миллиардов лет назад размеры Вселенной были равны нулю. Отсюда делаются выводы о начале мира. Такой вывод в действительности физически не обоснован. Наиболее серьезные возражения следуют из недавно опубликованных работ физиков Е. М. Лифшица, В. В. Судакова, И. М. Халатникова, которые выяснили, что действительное решение уравнений скорее всего не содержало «особенности», как называют физики явление обращения в нуль размеров вселенной. Поэтому свойства мира в прошлом, его геометрия требуют еще тщательного изучения, для того чтобы можно было сделать какие-либо определенные заключения.
Еще меньше можно сейчас сказать о том, какая судьба ожидает геометрию мира в будущем. Данные наблюдений еще настолько неточны и малочисленны, что они не позволяют делать сейчас сколько-нибудь убедительные предсказания. Одной из очень важных величин является, например, средняя плотность вещества во Вселенной.
При большой неопределенности наших сведений о геометрии Вселенной два главных факта остаются твердо установленными. Во-первых, что геометрия мира отличается от геометрии Эвклида и, во-вторых, эта геометрия изменяется со временем. Тот факт, что астрономы и физики смогли выйти за границы галактики и найти доказательства наиболее смелых теоретических выводов, заслуживает глубокого восхищения.
Автор: А. Я. Смродинский.