Эйнштейн. Теория относительности

Подтверждение теории привлекло внимание не только журналистов и обывателей, но и ученых. Действительно, ее главное уравнение могло бы найти применение и в других областях, но космос казался естественной средой принципа относительности. И если в движении ядер и электронов этот принцип оставался незамеченным, то среди звезд и галактик он блистал во всю силу. Двери для первого закона постньютоновской механики распахнулись.

Свет, пленник темноты

Во время дуэли с Гильбертом Эйнштейн, в погоне за быстрым экспериментальным подтверждением, дополнил свое уравнение тремя частными случаями: расчетом аномалии на орбите Меркурия, отклонением луча света и красным смещением (это явление мы объясним ниже). Два последних эффекта были вызваны воздействием силы тяжести. Однако время поджимало, и Эйнштейн ограничился приблизительными выводами.

Вскоре его теория перестала вызывать интерес исключительно у физиков. Первые точные вычисления сделаны астрономом Карлом Шварцшильдом (1873-1916). Астрономия была у него в крови: Шварцшильд опубликовал свою первую статью об орбите двойных звезд в возрасте 16 лет, будучи еще учеником школы. За три дня до нового 1915 года он писал Эйнштейну, рассказывая о собственных вычислениях аномалий на орбите Меркурия: «Вы видите, несмотря на пушечный огонь, война относится ко мне с милосердием, позволяя мне уклоняться от нее и прогуливаться по земле ваших идей».

Шварцшильд нашел точное решение уравнений Эйнштейна для изолированной точечной звезды. Для простоты астроном посчитал небесное тело сферически симметричным, незаряженным и неподвижным. Метрика Шварцшильда достаточно точно описывает гравитационное поле изолированной невращающейся и незаряженной массы и искажение пространства-времени снаружи от изолированного сферического небесного тела. Он обратил внимание на то, что по мере приближения к звезде, то есть по мере увеличения плотности ее гравитационного поля, течение времени замедляется. Видимым подтверждением этого феномена служит эффект красного смещения, которому подвергается свет, исходящий от звезды.

При изучении света обнаружилось, что электроны создают электромагнитное излучение в виде волн различной длины. Так же как солнечный свет раскладывается на отдельные цвета, можно проанализировать любое излучение и выявить его составляющие с помощью соответствующего оборудования. Атомный спектральный анализ дает ответ на вопросы об элементарной и молекулярной структуре звезды на основании спектра ее излучения.

Вычисления Шварцшильда показывали, что для атома любого вещества на поверхности звезды время течет медленнее, чем для атома того же вещества на Земле (с точки зрения наблюдателя с Земли), поэтому их временные шкалы не совпадают (рисунок 1).

Эта разница влияет на то, как мы воспринимаем излучение звезд. Хотя для каждой системы звезды и Земли при одной и той же температуре образуются одинаковые атомы с одинаковым спектром, астрономы открыли, что излучение звезды имеет большую длину волны, или период (Т) (рисунок 2).

РИС. 1

РИС. 2

Сравнение шкал времени на поверхности звезды и на поверхности Земли.

Несовпадения свидетельствуют о том, что плотность гравитационного поля вблизи звезды больше, чем вблизи нашей планеты.

Период – это единица, обратная частоте (Т= 1/v). По мере роста Т спектральные линии химических элементов смещаются в длинноволновую сторону (в сторону красного цвета); в пространстве это смещение под влиянием звездной массы называется гравитационным, оно увеличивается с ростом плотности гравитационного поля. Чем больше плотность и масса звезды, тем более явным станет красное смещение и тем медленнее будет протекать время рядом со звездой. Продолжив рассуждения, мы обнаружим, что при критической плотности время практически останавливается, и красное смещение резко усиливается, заполняя весь спектр. Шварцшильд посчитал этот крайний случай математической иллюзией, которая не имеет ничего общего с реальностью. Сам того не зная, он писал о черной дыре – странном астрономическом явлении, которое в будущем поразит воображение физиков и любителей научной фантастики. Этот термин введет Джон Уилер на осенней конференции Института Годдарда в НАСА в 1967 году.

Эйнштейн очень внимательно следил за работой Шварцшильда. К сожалению, блестящие исследования астронома, дополнявшие общую теорию относительности, были прерваны. Когда Шварцшильд находился на восточном фронте, у него началось аутоиммунное заболевание кожи, исследователь вернулся в Потсдам и через два месяца умер.