Свет и гравитация

Свет и гравитация

После того как Эйнштейн в 1905 году сформулировал специальную теорию относительности, он понял, что теория была неполной по крайней мере по двум причинам. Во-первых, в ней утверждалось, что никакое физическое взаимодействие не может распространяться с большей скоростью, чем скорость света, а это противоречило теории тяготения Ньютона, согласно которой сила тяжести между удаленными объектами возникает мгновенно. Во-вторых, теория была справедлива только для движения с постоянной скоростью. Поэтому в течение следующих десяти лет Эйнштейн напряженно работал, стараясь сформулировать новую полевую теорию гравитации и распространить свою теорию относительности на движение с ускорением¹.

Впервые он заметно продвинулся в конце 1907 года, когда работал над большой статьей о теории относительности для научного ежегодника. Как я говорил раньше, мысленный эксперимент со свободно падающим лифтом, в котором находится наблюдатель, привел его к осознанию принципа, гласящего, что локальные эффекты в ускоренной системе и системе, находящейся в гравитационном поле, неразличимы[43].

Человек в закрытом лифте без окон чувствует, что его ноги прижимает к полу, но он не в состоянии сказать, из-за того ли это происходит, что лифт в космическом пространстве ускоренно движется вверх, или из-за того, что лифт находится в состоянии покоя в гравитационном поле. Если он вынет монетку из кармана и отпустит ее, она в обоих случаях будет падать на пол с ускорением. А человек, который плавает в невесомости в закрытом лифте, не будет знать, парит ли он потому, что лифт находится в свободном падении, или потому, что завис в невесомости в космическом пространстве².

Эти соображения привели Эйнштейна к формулировке “принципа эквивалентности”, которым он будет руководствоваться, когда будет работать и над созданием теории гравитации, и над обобщением специальной теории относительности. “Я понял, что смогу продолжить или обобщить принцип относительности, распространив его на движение в ускоренных системах, а не только в тех, которые движутся с постоянной скоростью, – позже пояснил он, – и считал, что таким образом я одновременно буду в состоянии решить проблему гравитации”.

Он понял, что так же, как эквивалентны инертная и гравитационная массы, эквивалентны и все инерционные и гравитационные эффекты, например “поле ускорения” [44] и гравитационное поле. Он понял, что все они – проявления одного и того же явления, которое мы сейчас иногда называем инерционно-гравитационным полем³.

Как заметил Эйнштейн, одним из следствий этой эквивалентности является то, что гравитация должна искривить световой луч. Это легко показать, используя мысленный эксперимент с лифтом. Представьте себе, что лифт ускоренно движется вверх, а лазерный луч входит через небольшое отверстие в одной из стенок. К тому времени, как он достигнет противоположной стены, пятно окажется немного ближе к полу, поскольку лифт продвинулся вверх. Если бы вы нарисовали его траекторию при движении через кабину лифта, она оказалась бы изогнутой из-за ускоренного движения лифта вверх. Принцип эквивалентности требует, чтобы этот эффект был одинаковым, когда лифт движется ускоренно вверх и когда он находится в состоянии покоя в гравитационном поле. Таким образом, при прохождении через гравитационное поле луч света должен казаться искривленным.

За почти четыре года, прошедшие после формулировки этого принципа, Эйнштейн не очень продвинулся в этом направлении, поскольку его отвлекла проблема световых квантов, и тогда он сосредоточился в основном на ней. Но в 1911 году он признался Мишелю Бессо, что устал заниматься квантами и опять вернулся к теории гравитационного поля, которая должна помочь ему обобщить теорию относительности. Решение этой проблемы заняло у него еще почти четыре года, и кульминацией этих усилий стало создание гениальной теории в ноябре 1915 года.

В статье “О влиянии силы тяжести на распространение света”, которую он послал в Annalen der Physik в июне 1911 года, он вернулся к своей идее 1907 года и сформулировал ее в виде строгого принципа. “В статье, опубликованной четыре года назад, мы уже пытались ответить на вопрос, влияет ли тяготение на распространение света, – начал он. – Мы теперь еще раз убедились в том, что один из самых важных выводов указанной работы поддается экспериментальной проверке”[45]. В процессе вычислений Эйнштейн предсказывает величину отклонения света, проходящего вблизи Солнца, его гравитационным полем: “Луч света, проходя мимо Солнца, будет отклоняться на 0,83 угловой (дуговой) секунды”[46].

И на этот раз он формулировал теорию из первых принципов и постулатов, а затем, пользуясь уравнениями этой теории, вычислял значения некоторых характеристик, которые экспериментаторы могли бы проверить в своих опытах. Как и прежде, он закончил свою статью рекомендацией поставить эксперимент: “Так как звезды в соседней с Солнцем области неба становятся видимыми при полных солнечных затмениях, это следствие теории можно сравнить с опытом. Было бы очень желательно, чтобы астрономы поставили такой эксперимент” [47]⁴.

Эрвин Финлей Фрейндлих, молодой астроном из Берлинской университетской обсерватории, прочитал статью и загорелся идеей провести описанный эксперимент. Но это невозможно было сделать до тех пор, пока не произойдет затмение и не будет виден свет от звезд, расположенных вблизи Солнца, а подходящего затмения не предвиделось еще три года.

Тогда Фрейндлих предложил попытаться измерить отклонение света звезд, вызванное гравитационным полем Юпитера. Увы, Юпитер оказался недостаточно тяжелым для решения этой задачи. “Если бы только у нас имелась гораздо большая планета, чем Юпитер! – пошутил Эйнштейн в письме Фрейндлиху в конце этого лета. – Но природа не считает нужным облегчать нам работу по открытию ее законов”⁵.

Теория, согласно которой световые лучи могут искривляться, поставила некоторые интересные вопросы. Повседневный опыт показывает, что свет распространяется по прямой линии. Плотники и строители сейчас используют лазерные уровни для проведения прямых линий при строительстве домов. Если лучи света искривляются при прохождении через области изменяющегося гравитационного поля, как можно определить прямую линию?

Траекторию светового луча, проходящего через меняющееся гравитационное поле, можно представить в виде линии, проведенной на сфере или деформированной поверхности. В этом случае самым коротким путем между двумя точками окажется кривая линия – например, геодезическая, которая на нашей планете представляет собой большую дугу или большую окружность. Возможно, искривление луча света означает, что ткань пространства, через которое проходит световой луч, изгибается под действием силы тяжести. Кратчайший путь через область пространства, деформированную вследствие гравитации, может оказаться довольно сильно отличающимся от прямых линий в евклидовой геометрии.

Появился еще один намек на то, что, возможно, понадобится новый тип геометрии. Эйнштейну это стало очевидно, когда он рассмотрел случай вращающегося диска. Когда диск вращается, с точки зрения наблюдателя, не участвующего в движении, длина окружности, которую он описывает, сокращается в направлении его движения. Диаметр окружности, однако, не претерпевает никаких сокращений. Таким образом, отношение длины окружности диска к ее диаметру уже не будет равно п. В таких случаях евклидова геометрия неприменима.

Вращательное движение является одной из форм движения с ускорением, так как в каждый момент времени точка на окружности претерпевает изменение направления движения, а это значит, что направление ее скорости изменяется (то есть возникает ускорение). В соответствии с принципом эквивалентности, поскольку для описания этого типа ускорения требуется неевклидова геометрия, она же должна описывать и гравитацию⁶.

К сожалению, как видно по результатам экзаменов Эйнштейна в Цюрихском политехникуме, в неевклидовой геометрии он был не слишком силен. К счастью, в Цюрихе у него нашелся старый друг и одноклассник, который как раз хорошо ее знал.