Геометрія Всесвіту. Продовження.

Ейнштейн запропонував три досліди, які мали показати, що геометрія світу не підкоряється законам Евкліда, а механіка – законам Ньютона. Ці три досліди, що стали класичними, полягають у визначенні руху перигелію Меркурія, відхилення променя світла біля Сонця і червоного зсуву спектральних ліній. Розглянемо ж ці досліди.

Перший. Рух планет навколо Сонця по еліпсу має одну дуже важливу особливість. Через певний відрізок часу період обігу – планета повертається точно в одне і те ж місце в просторі, її орбіта є замкнутою кривою. Такою властивістю планета володіє тільки тоді, коли сила, що діє на планету, суворо обернено пропорційна квадрату відстані (у згоді з законом всесвітнього тяжіння Ньютона). Якщо цей закон дещо порушений, то еліпс не замкнеться. Але якщо порушення мало місце, то орбіта майже замкнеться, і рух можна описувати як рух по еліпсу, перигелій якого, тобто найближча до Сонця точка, повільно переміщається.

Перигелії всіх членів «сім’ї Сонця» переміщаються через дії планет одна на одну, але спостережуване на досліді переміщення не збігається з тим, яке обчислюється за допомогою законів механіки Ньютона. Ейнштейн показав, що через неевклідовий простір біля Сонця існує додаткове відхилення перигелію. Для Меркурія за 100 років воно повинно складати 43 дугові секунди, а для Землі – 3,3 секунди.

Другий. Коли промінь світла від якої-небудь зірки проходить біля Сонця, то він відхиляється від евклідової прямої. Це відхилення відбувається, грубо кажучи, від двох причин: внаслідок викривлення простору і внаслідок того, що світло має масу і подібно кометі рухається по кривій.

Обчислене Ейнштейном з теорії відхилення склало близько 1,75 дугової секунди. Перевірка цього ефекту виявилася нелегкою. Очна складність полягала в тому, що треба порівнювати стан зірки під час затемнення Сонця з її положенням вночі (і через півроку), коли стан атмосфери зовсім інший. Перша експедиція Еддінгтона в 1919 році виявила відхилення 1,98 градуса. Російський вчений А. А. Михайлов заново проаналізував дані всіх спостережень і вважає, що середнє значення відхилення становить близько 2. Воно дещо більше передбаченого, значить, кривизна простору поблизу Сонця, у всякому разі, не менше тієї, що передбачена Ейнштейном.

Третій ефект відноситься до зв’язку геометрії і часу. Один з висновків теорії відносності говорить про те, що кривизна простору впливає на хід годинника. Чим більше поле тяжіння, тим повільніше протікають фізичні процеси. Зокрема, поблизу важкого тіла світло, що випромінюється атомами, повинно мати меншу частоту. Це повинно давати зміщення спектральних ліній випромінювання в бік червоних смуг. Підтвердження прийшло при порівнянні спектральних ліній випромінювання деяких елементів важких зірок зі спектрами тих же елементів на Землі. У 1960 році подібний ефект був виявлений і на Землі, коли за допомогою дуже тонких дослідів було показано, що частота випромінювання ядра радіоактивного заліза зменшується при піднятті джерела над поверхнею нашої планети. Досліди дозволили знайти різницю навіть тоді, коли джерело розташовувалося на висоті всього 20 метрів над земною поверхнею.

РОЗШИРЕННЯ ВСЕСВІТУ

Ці три досліди в значній мірі вселили впевненість у справедливість загальної теорії відносності. Але досліди ставилися лише до геометрії найближчої околиці Сонця. Ейнштейну належить і заслуга застосування ідей його теорії до всієї метагалактики, тобто сукупності галактик, що утворюють Всесвіт. Однак вирішальна ідея теорії геометричних властивостей метагалактики була висунута російським математиком А. А. Фрідманом в 1922 році. Він показав, що геометрія метагалактики не може залишатися незмінною, а повинна змінюватися з часом. Це означає: всі спостережувані відстані між галактиками повинні змінюватися з плином часу.

Відкриття Фрідмана знайшло блискуче підтвердження в астрономічних спостереженнях, коли американський астроном Хаббл виявив, що всі галактики і їх скупчення віддаляються від нас з великою швидкістю. Хаббл встановив і закон такого віддалення. Він знайшов, що швидкість, з якою галактика віддаляється від земного спостерігача, пропорційна її віддалі від нього. Наприклад, туманність, що знаходиться на відстані 1 мільйона парсеків (3*10 в 19-й ступеня кілометра), віддаляється зі швидкістю 75 км/сек. Останнім часом астрономи проникли на дуже великі відстані і виявили скупчення галактик, що віддаляються зі швидкістю 140 000 км/сек.

Важко уявити собі, що цей розліт туманностей дійсно відбувається так, що Земля або навіть сонячна система залишається у спокої. З іншого боку, це явище добре пояснюється, якщо ми підемо за Фрідманом і приймемо, що геометрія змінюється з часом. Далекі галактики ми бачимо такими, якими вони були, коли дійшовше до нас світло покинуло їх. Тому різні частини Всесвіту ми бачимо в різні моменти часу. Як показує теорія Фрідмана, це і призводить до спостережуваного «розширенню Всесвіту» – одного з найбільш дивовижних явищ, пояснення якого стало великим досягненням природознавства.

З приводу розширення Всесвіту часто висловлюється багато невірних або, принаймні, неточних тверджень. Головне з них – про вік Всесвіту. Якщо вважати, що розширення, за законом Хаббла, відбувалося завжди, то приблизно 13 мільярдів років тому розміри Всесвіту були рівні нулю. Звідси робляться висновки про початок світу. Такий висновок насправді фізично не обґрунтований. Найбільш серйозні заперечення слідують з недавно опублікованих робіт фізиків Е. М. Ліфшиця, В. В. Судакова, І. М. Халатникова, які з’ясували, що дійсне рішення рівнянь швидше за все не містило «особливості», як називають фізики явище обернення в нуль розмірів всесвіту. Тому властивості світу в минулому, його геометрія вимагають ще ретельного вивчення, для того щоб можна було зробити які-небудь певні висновки.

Ще менше можна зараз сказати про те, яка доля чекає геометрію світу в майбутньому. Дані спостережень ще настільки неточні і нечисленні, що вони не дозволяють робити зараз скільки-переконливі передбачення. Однією з дуже важливих величин є, наприклад, середня щільність речовини у Всесвіті.

При великій невизначеності наших відомостей про геометрію Всесвіту два головних факти залишаються твердо встановленими. По-перше, що геометрія світу відрізняється від геометрії Евкліда і, по-друге, ця геометрія змінюється з часом. Той факт, що астрономи і фізики змогли вийти за межі галактики і знайти докази найбільш сміливих теоретичних висновків, заслуговує глибокого захоплення.

Автор: А. Я. Смродінський.