3. Гравитация – псевдосила?

Поразительное сходство с силами инерции

Одинаковые ускорения для всех объектов

Совершенно неожиданно рассуждения о силах инерции позволяют увидеть силу гравитации в совершенно новом аспекте. Посмотрим, что это значит.

Из-за сил инерции наш мяч, катящийся по карусели, испытывает ускорение по отношению к этой карусели (оно направлено к краю карусели и вправо, если карусель вращается против часовой стрелки). На самом деле мяч катится по прямой с постоянной скоростью по отношению к земной поверхности, а карусель просто вращается под ним. Инертность мяча не вмешивается в это равномерное прямолинейное движение: то есть траектория мяча остается постоянной, какой бы ни была его масса. Иначе говоря, по отношению к карусели мяч испытывает одинаковое ускорение, направленное к краю карусели и вправо, какой бы ни была его масса.

Вам это ничего не напоминает? Помимо сил инерции существует еще одна сила, которая вызывает одинаковое ускорение независимо от массы объекта: это гравитация. Исходя из этого наблюдения начальное рассуждение Эйнштейна было простым: не является ли сама сила гравитации чем-то вроде псевдосилы подобно силам инерции? Это означало бы, что эта сила существует лишь с определенной точки зрения.

Тем не менее в том, что касается сил инерции, точка зрения наблюдателя, сидящего около карусели, казалась простой: «мяч катится прямо с постоянной скоростью, а карусель вращается под ним, что с точки зрения карусели придает ему дугообразную траекторию». В то же время считать гравитацию полноценной силой, возможно, не совсем справедливо. Возможно, «Луна движется по прямой с постоянной скоростью в дугообразном пространстве-времени (которому еще предстоит дать определение!), и это придает ей дугообразную траекторию в традиционном пространстве».

Сила, которую легко удалить

Прежде чем идти дальше, возьмем еще один пример. Поднимитесь на борт космического корабля, который движется в межпланетном пространстве с ускорением 10 м/с². Из-за сил инерции вас прижимает к задней части ракеты (то есть ракета вынуждает вас набрать ускорение, тогда как вам «хочется» сохранить ту же скорость). То есть по отношению к ракете вы испытываете ускорение 10 м/с², направленное назад. Но ускорение 10 м/с² точно такое же, как и на Земле: иначе говоря, вам кажется, что вы весите столько же, сколько и на Земле. Вы могли бы пройти в хвост корабля так же свободно, словно гуляете по Земле. Поскольку здесь нет иллюминаторов, вы не можете понять, набирает ли корабль скорость или все еще стоит на Земле.

Иными словами, силу инерции и гравитацию невозможно отличить друг от друга. От того, чтобы признать силу гравитации всего лишь особым видом силы инерции, всего один шаг, который Эйнштейн сделал в общей теории относительности.

Возьмем последний пример, чтобы убедиться в справедливости этой идеи. Предположим, что вы в лифте, у которого лопнул канат. И вы и лифт находитесь в свободном падении. Но поскольку ускорение тяжести одинаково для всех предметов, вы падаете с одинаковой скоростью: иными словами, вы можете лететь по воздуху посреди лифта, не чувствуя ускорения по отношению к нему. Все происходит так, словно вы находитесь в ракете, затерянной очень далеко в межпланетном пространстве. Кажется, что гравитация исчезла, хотя вы по-прежнему находитесь на Земле!

Эта сила определенно может казаться фиктивной…

Кривое пространство

Плоская Вселенная: средневековое представление…

Чтобы переосмыслить понятие гравитации, Эйнштейну нужно было объяснить его с разных точек зрения:

• Традиционная точка зрения, согласно которой гравитация изгибает траекторию и придает предметам ускорение;

• Точка зрения, требующая определения, согласно которой предметы сохраняют равномерную прямолинейную траекторию, несмотря на присутствие рядом массивного тела.

Вторая точка зрения, которая выглядит абсурдной по отношению к установленному влиянию гравитации, на самом деле не так странна, как кажется. Чтобы ее понять, достаточно привести пример на земном пространстве.

Представим двух человек на экваторе на расстоянии 100 м друг от друга, которые двигаются на север по двум параллельным траекториям (➙ рис. 5.11). Если их траектории прямолинейны, можно представить, что эти люди никогда не встретятся, потому что их пути изначально параллельны. Однако они встречаются на Северном полюсе, к которому оба двигаются.

Так, некий наблюдатель, считающий Землю плоской, предсказал бы, что эти двое никогда не встретятся. Но поскольку поверхность Земли изогнута, в конечном итоге они встретятся.

То же самое в космосе. Два астероида, движущиеся равномерно, прямолинейно и параллельно, могут столкнуться, если «пространство искривлено». Если представить, что космическое пространство плоское, нам кажется, что два предмета притягиваются благодаря гравитации, – такова традиционная точка зрения. Но если пространство искривлено, нет необходимости ни в какой силе и ни в каком ускорении, чтобы два астероида встретились.

Иначе говоря, представление о том, что пространство плоское и гравитация «существует», так же устарело, как представление о том, что Земля плоская, как думали в Средние века.

Рис. 5.11 – Пересечение двух изначально параллельных траекторий

Как Вселенная может быть искривленной?

Что такое «кривое пространство»? Мы легко можем представить искривленную «поверхность», как, например, поверхность Земли: на самом деле пространство, искривленное в двух измерениях, создает предмет в трех измерениях (в данном случае сферу), которую можно представить. Но пространство в трех измерениях, которое искривится, создаст четырехмерный объект, который вообразить невозможно: очень трудно представить целиком пространство, которое искривилось бы в четвертом измерении.

Именно поэтому в общей теории относительности пространство в трех измерениях представляют простой двухмерной поверхностью (ради простоты схемы третье измерение упраздняется). Таким образом, мы можем сложить его в третьем измерении, которое для нас символизирует невидимое измерение (без связи с тремя измерениями пространства).

Как должно быть искривлено пространство, чтобы было удобно наблюдать? Ответить сложно, потому что здесь кривизна должна быть связана с присутствием массивных объектов в космосе. Эти массивные тела больше не имеют гравитационной силы, а просто искривляют пространство вокруг себя, и именно это искривление чисто «геометрическим» способом создает траекторию предметов.

С помощью очень упрощенного метода мы можем представить, что пространство формирует нечто вроде «углублений» в местах, где находятся массивные тела (➙ рис. 5.12.а). Представим себе планету, чья изначальная скорость перпендикулярна направлению центральной звезды. Из-за своей массы эта звезда создает вокруг себя обширную «яму», которая искривляет пространство, то есть планета движется по наклонному краю этой ямы. Поскольку в общей теории относительности гравитации не существует, планета двигается по прямой по отношению к поверхности, на которой она находится. Но поверхность, в свою очередь изогнута вокруг звезды: так, поверхность приведет планету в начальную точку после того, как она сделает полный оборот, в то время как планета всего лишь движется своим путем, не отклоняясь от него.

Можно провести аналогию с поездом на американских горках: предположим, что трасса изогнута под углом 90° (болид практически на боку) и образует ровный замкнутый круг (➙ рис. 5.12.b). Предположим, что рельсы отсутствуют, а у болида есть только шины: то есть ничто не заставляет болид поворачивать вправо или влево. Как поведет себя болид, запущенный по окружности по часовой стрелке?

Рис. 5.12 – Эффект искривления на траектории предмета

Он поедет прямо по трассе, но, поскольку трасса замкнута, болид вернется на место старта, даже не поворачивая. Пассажир на борту не почувствует поворота вправо или влево, а только движение «вверх», которое прижмет его к сиденью. И в этом случае кривизна поверхности, на которой находится объект, позволяет сделать круг, хотя объект движется прямо.

Если данные рассуждения позволяют понять некоторые аспекты общей теории относительности, многие вопросы все-таки остаются без ответа. Подбросьте мяч в воздух: он замедлит движение, остановится, полетит обратно и упадет. Тогда как в кривом пространстве мяч, движущийся равномерно и прямолинейно, может отклониться от траектории, но ни в коем случае не остановиться и не двинуться в обратном направлении.

На самом деле, согласно теории относительности, изогнуто не только пространство, но и время. «Искривленное время»? Ну да, в этом есть смысл! Относительность времени и расстояния в зависимости от системы отсчета и понятие «пространства-времени», которое из этого вытекает, стала основой теории относительности Эйнштейна задолго до того, как он заинтересовался гравитацией. Именно это позволяет предсказывать многие явления, которые не понять с помощью старой доброй механики Ньютона. К этой теме мы вернемся только в конце книги.

«ГРАВИТАЦИЯ ДЕЙСТВУЕТ НА СВЕТ» – РЕВОЛЮЦИОННОЕ ОТКРЫТИЕ?

Кривизна пространства влияет на все, что по нему движется, в частности на свет: так, свет, как любой другой материальный объект, вынужден отклоняться от своей траектории вблизи массивного тела, которое изгибает пространство.

Это было подтверждено опытом в 1919 г.: благодаря солнечному затмению выяснилось, что световые лучи дальних звезд искажались вблизи от Солнца. Иначе говоря, благодаря этому гравитационному воздействию мы видим звезды не там, где они находятся на самом деле.

Такой результат был предсказуем еще 250 лет назад. В доброй старой механике Ньютона говорится, что ускорение, возникающее из-за притяжения, оказываемого массивным телом, одинаково для всех объектов. Этот закон действителен также не только для объектов с малой массой, но даже с самой ничтожной. А ведь свет состоит из частиц с ничтожной массой (фотонов). То есть он тоже должен притягиваться и испытывать ускорение: траектория света, проходящего вблизи от Солнца, должна искажаться.

В этом смысле общая теория относительности более совершенна, потому что в ней учитываются релятивистские эффекты, о которых мы говорили (искривление расстояния и времени в зависимости от системы отсчета) и последствия которых наблюдаются. Но некоторые заслуги классической физики слишком часто забываются.

СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ

• Силы инерции являются псевдосилами: они не зависят от материального окружения и свойственны определенной системе отсчета.

• Сила переноса зависит от положения объекта. Она вызывает ускорение объекта, противоположное ускорению системы отсчета по отношению к инерциальной системе отсчета.

• Сила Кориолиса зависит от скорости объекта. Она не меняет скорость объекта, но заставляет его изменить траекторию вправо или влево.

• Силы инерции проявляются на Земле разными способами: приплюснутость полюсов, ветра и течения, направленные к западу в тропиках и к востоку в умеренных зонах, направление вращения ветров вокруг циклонов и антициклонов.

• С точки зрения общей теории относительности гравитация является псевдосилой: массивные тела искажают пространство, что изменяет траекторию объекта по отношению к плоскому пространству. Такая точка зрения существует благодаря равенству гравитационной и инертной масс, что подразумевает, что все тела испытывают одинаковое ускорение.