Число n и сила тяготения в космосе. От Ньютона к Эйнштейну

Спустя более двух столетий по окончании Ньютона Эйнштейн предложил свою теорию тяготения, названную «общая теория относительности» (ОТО (Общая теория относительности)). В соответствии с данной теории, планеты в действительности следуют прямым методом в «пространстве-времени», но данный путь искривляется из-за присутствия Солнца. Время от времени говорят, что Эйнштейн «сверг с пьедестала» ньютоновскую физику, но это заблуждение. Законы Ньютона так же, как и прежде с высокой точностью обрисовывают движение объектов в Солнечной системе (самым известным несоответствием теории Ньютона есть маленькая аномалия орбиты Меркурия, объяснимая посредством теории Эйнштейна). Данный закон в полной мере отвечает требованиям, нужным для программирования траекторий автоматических аппаратов, отправляющихся на Луну и другие планеты. Однако теория Эйнштейна, в отличие от теории Ньютона, объясняет явления, происходящие с объектами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, в условиях огромной силы тяготения, которая возможно обстоятельством таких огромных скоростей, и с эффектом гравитационного отклонения самого света. Куда ответственнее то, что Эйнштейн углубил познание самого явления гравитации. Для Ньютона оставалось тайной, по какой причине все предметы падают одинаково и следуют по схожим орбитам – по какой причине сила тяготения и инерция для любых веществ имеют одно да и то же соотношение (в отличие от электрических сил, где «заряд» и «масса» непропорциональны), но Эйнштейн доказал, что это естественное следствие того, что все тела следуют прямым методом в пространстве-времени, но данный путь искривляется из-за массы и энергии. ОТО (Общая теория относительности), так, стала понятийным прорывом – особенно большим, потому, что данный прорыв стал следствием озарения Эйнштейна, а не появился в следствии какого-либо отдельного опыта либо наблюдения.

Эйнштейн не обосновывал, что Ньютон ошибался, он вышел за рамки теории Ньютона, включив ее в что-то более глубокое и более обширно применимое. В действительности было бы куда лучше (и помогло бы избежать неправильного понимания ее культурного значения), если бы теория Эйнштейна взяла другое наименование. Ее бы стоило назвать не «теорией относительности», а «теорией инвариантности». Достижение Эйнштейна пребывало в том, что он создал систему уравнений, каковые возможно применить для любого наблюдателя, и распознал замечательное событие: скорость света, измеренная в любом месте, есть одной и той же, не обращая внимания на то что наблюдатель движется.

Вехами в развитии любой науки есть создание все более обобщенных теорий, каковые сосредотачивают в себе прежде не связанные факты и расширяют широту охвата тех теорий, каковые существовали до них. Физик и историк Джулиан Барбур применяет метафору о восхождении в горы, которая, как мне думается, выглядит весьма правдоподобно:

Чем выше мы поднимаемся, тем более всеохватывающий перед нами раскрывается вид. Любая новая точка обзора дает лучшее познание взаимосвязи вещей. Более того, постепенное накопление понимания перемежается неожиданным и ошеломляющим расширением горизонта, в то время, когда мы добираемся до перевала и видим что-то, что и вообразить себе не могли на протяжении подъема. Стоит только отыскать направление в открывшемся пейзаже, наш путь к сравнительно не так давно покоренной вершине делается очевидным и занимает почетное место в новом мире.

Опыт формирует наше восприятие и здравый суть: мы усваиваем те физические законы, каковые напрямую воздействуют на нас. Законы Ньютона в какой-то мере были усвоены мартышками, перепрыгивающими с дерева на дерево. Но на далеких просторах космического пространства среда весьма отличается от нашей. Мы не должны удивляться тому, что знания, основанные на здравом смысле, не приложимы к огромным космическим расстояниям, высоким скоростям либо к большой силе тяготения.

Разумное существо, талантливое быстро перемещаться по Вселенной, но ограниченное фундаментальными физическими законами (а не уровнем развития техники), развило бы свое интуитивное восприятие пространства и времени, соединив характерные и кажущиеся немыслимыми следствия из ОТО (Общая теория относительности). Особенное значение, как выяснилось, имеет скорость света: к ней возможно приблизиться, но ее нереально превышать. Но это «космическое ограничение скорости» не ограничивает вас в том, куда вы имеете возможность добраться за время вашей жизни, в силу того, что, в то время, когда космический корабль разгоняется практически до скорости света, часы идут медленнее и время на его борту «растягивается». Однако если вы совершите путешествие до звезды, находящейся в 200 св. годах, а позже возвратитесь на Землю, тут преодолеет больше 200 лет, каким бы молодым вы ни оставались. Ваш космический корабль не имеет возможности лететь со скоростью большей, чем свет (с точки зрения оставшегося дома наблюдателя), но чем ближе ваша скорость приближается к световой, тем меньше вы состаритесь.

Эти явления находятся за пределами интуитивного восприятия лишь по причине того, что наш опыт ограничен низкими скоростями. Самолет развивает всего миллионные доли скорости света и слишком мало стремителен, дабы подметить замедление времени: кроме того для самых активных воздушных путешественников эта задержка составит меньше миллисекунды за всю жизнь. В наше время это маленькое действие, однако измерено посредством опытов, где употреблялись ядерные часы, отмеряющие миллиардные доли секунды, и оказалось, что полученные результаты согласуются со значением, предсказанным Эйнштейном.

Относительное замедление времени вызывает сила тяготения: около громадных масс часы идут медленнее. Это кроме этого фактически нереально почувствовать на Земле, потому, что точно так же, как мы привыкли лишь к «мелким» скоростям, мы испытываем лишь «не сильный» притяжение. Однако это замедление нужно учитывать, наровне с явлениями орбитального движения, в программировании потрясающе правильной системы глобального позиционирования (GPS).

Мера измерения силы, с которой тяготение действует на тело, – это скорость, с которой должно лететь метаемое тело, дабы вырваться за пределы притяжения. Для Земли эта скорость образовывает 11,2 км/с. По сравнению со скоростью света – 300 000 км/с – это ничтожная скорость, но и ее достижение – задача громадной сложности для инженеров-ракетчиков, вынужденных применять химическое горючее, только миллиардная часть так называемой энергии массы спокойствия (mc2 Эйнштейна) которого трансформируется в действенную мощность. Скорость убегания с поверхности Солнца образовывает 600 км/с – и это всего лишь пятая часть 1 % скорости света.