Время..

В 1676 году датский астроном О.Рёмер при наблюдении за движением спутников Юпитера заметил, что периоды их обращения, определяемые по моменту выхода или входа в тень Юпитера, периодически изменяются. Данные изменения оказались связан-ными с годичным движением Земли вокруг Солнца. Были измерены параметры одного из них – Ио. В моменты наибольшего сближения Земли с Юпитером — противостояния, и максимального удаления — соединения, то есть в положении, когда Земля и Юпитер неподвижны друг относительно друга, периоды Ио оказались равны между собой и со-ставляют 1,77 суток. В состоянии же удаления или приближения Земли к Юпитеру с максимальной скоростью период увеличивается на 15 секунд или на столько же умень-шается. Во всех остальных положениях изменение периода пропорционально составля-ющей скорости Земли по отношению Юпитера по прямой Земля—Юпитер. Из¬менение длительности периода вызвано следующим. Отраженный в течение пе¬риода спутником Ио свет образует в пространстве поток, — назовем его звеном, — протяженность которого равна скорости света в системе Юпитера, умноженной на длительность периода. Звено, преодолев расстояние от Юпитера до Земли в момент противостояния, воспринимается на Земле в течение того же времени, что был образован. То же самое происходит и в соединении, только начало периода видно с опозданием, так как свету необходимо время для преодоления дополнительного расстояния, равного диаметру орбиты Земли. Определив время опоздания, и зная протяженность диаметра орбиты Земли, Ремер вычислил ско¬рость движения света. В момент удаления Земли от Юпитера свет догоняет Землю, его скорость относитель-но Земли уменьшается, и звено регистрируется на 15 секунд продол¬жительнее. Примерно через полгода Земля приближается с той же скоростью к Юпитеру, скорость звена от Ио в системе Земли увеличивается, и время его наблюдения на Земле уменьшается на те же 15 сек. Непонятно, знал ли Эйнштейн в момент создания своей теории о наблюдениях Ремера. Но достоверно известно, что другие физики, в том числе и те, кто издает учебники с изложением теории относительности, знают, так как пишут об этих наблюдениях, правда, в разделе об определении скорости света. Но при этом допускают какие-то странности. Например, в учебном пособии для студентов фи-зических специальностей высших учебных заведений "Оптика" академика Г. С. Ландсберга, издание пятое, 1978 г, о методе Ремера определения скорости света читаем: "Астрономические наблюдения над спутниками Юпитера показывают, что средний промежуток между двумя последовательными затмениями какого-ни¬будь определенного спутника Юпитера зависит от того, на каком расстоянии друг от друга находится Земля и Юпитер во время наблюдений" (выделено мною. -В.С.). И ни слова о законе сложения скоростей света и Земли.

На самом деле свет нельзя рассматривать как пушечные ядра в теории тяготения Ньютона, потому что скорость света фиксирована. (Пушечное ядро, вылетевшее вверх с поверхности Земли, из за гравитации будет замедлять полет и в конце концов остановится, а потом начнет падать. Фотон же должен продолжать движение вверх с постоянной скоростью. Как же тогда ньютоновская гравитация может воздействовать на свет?)

Термин «черная дыра» появился совсем недавно. Его ввел в обиход в 1969 г. американский ученый Джон Уилер как метафорическое выражение представления, возникшего по крайней мере 200 лет назад, когда существовали две теории света: в первой, которой придерживался Ньютон, считалось, что свет состоит из частиц; согласно же второй теории, свет – это волны. Сейчас мы знаем, что на самом деле обе они правильны. В силу принципа частично волнового дуализма квантовой механики свет может рассматриваться и как частицы, и как волны. В теории, в которой свет – волны, было непонятно, как будет действовать на него гравитация. Если же свет – поток частиц, то можно считать, что гравитация действует на них так же, как на пушечные ядра, ракеты и планеты. Сначала ученые думали, что частицы света перемешаются с бесконечной скоростью и поэтому гравитация не может их замедлить, по когда Рёмер установил, что скорость света конечна, стало ясно, что влияние гравитации может оказаться существенным.
Исходя из этого, Джон Мичел, преподаватель из Кембриджа, в 1783 г. представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» (Philosophical Transactions of the Royal Society of London) свою работу, в которой он указывал на то, что достаточно массивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное ноле, что свет не сможет выйти за его пределы: любой луч света, испущенный поверхностью такой звезды, не успев отойти от нее, будет втянут обратно ее гравитационным притяжением. Мичел считал, что таких звезд может быть очень много. Несмотря на то что их нельзя увидеть, так как их свет не может до нас дойти, мы тем не менее должны ощущать их гравитационное притяжение. Подобные объекты называют сейчас черными дырами, и этот термин отражает их суть: темные бездны в космическом пространстве. Через несколько лет после Мичела и французский ученый Лаплас высказал, по видимому, независимо от него аналогичное предположение. Небезынтересно, что Лаплас включил его лишь в первое и второе издания своей книги «Система мира», но исключил из более поздних изданий, сочтя, наверное, черные дыры бредовой идеей. (К тому же в XIX в. корпускулярная теория света потеряла популярность. Стало казаться, что все явления можно объяснить с помощью волновой теории, а в ней воздействие гравитационных сил на свет вовсе не было очевидным).
На самом деле свет нельзя рассматривать как пушечные ядра в теории тяготения Ньютона, потому что скорость света фиксирована. (Пушечное ядро, вылетевшее вверх с поверхности Земли, из за гравитации будет замедлять полет и в конце концов остановится, а потом начнет падать. Фотон же должен продолжать движение вверх с постоянной скоростью. Как же тогда ньютоновская гравитация может воздействовать на свет?) Последовательная теория взаимодействия света и гравитации отсутствовала до 1915 г., когда Эйнштейн предложил общую теорию относительности. Но даже после этого прошло немало времени, пока стало наконец ясно, какие выводы следуют из теории Эйнштейна относительно массивных звезд.

То, что свет распространяется с конечной, хотя и очень большой скоростью, установил в 1676 г. датский астроном Оле Христенсен Рёмер. Он обнаружил, что моменты прохождения спутников Юпитера за его диском следуют один за другим не через равные интервалы, как должно быть, если спутники вращаются вокруг Юпитера с постоянной скоростью. При вращении Земли и Юпитера вокруг Солнца расстояние между этими двумя планетами изменяется. Рёмер заметил, что затмения лун Юпитера тем больше запаздывают, чем дальше мы от него находимся. Он объяснил это тем, что свет от спутников идет до нас дольше, когда мы находимся дальше. Однако Рёмер не очень точно измерял изменения расстояния от Земли до Юпитера, и поэтому полученное им значение скорости света оказалось равным 140.000 миль/с, тогда как современное значение составляет 186.000 миль/с (1 миля = 1,609 км. Современное значение скорости света равно 299.792.458 м/с. – прим. перев.). Тем не менее достижение Рёмера было выдающимся, ибо он не только доказал, что свет распространяется с конечной скоростью, но и измерил ее, причем все это за одиннадцать лет до выхода в свет книги Ньютона «Математические начала».

Пигмалион был греческим скульптором, который по преданию изваял статую столь прекрасную, что влюбился в нее и умолил богов оживить ее. Американский психолог Розенталь (1966) назвал именем Пигмалиона явление, состоящее в том, что экспериментатор, твердо убежденный в обоснованности какой-то гипотезы или верности какой-то информации, непроизвольно действует так, что она получает фактическое подтверждение.

Вот задача, которую предлагал своим студентам в Ленинграде академик В. А. Фок. Представим себе, что из пушки вылетает ядро и оно летит вертикально вверх. Достигнув предельной высоты, оно падает затем обратно. Пусть на ядре имеются часы, и мы дважды сравниваем их показания с покоящимися часами — один раз в момент вылета ядра из пушки и второй раз в момент возвращения ядра. Какие часы покажут меньшее время — те, что на ядре, или те, что на Земле? Часы на ядре совершили полет по замкнутому маршруту; сначала они удалялись от нас, затем изменили направление скорости и вернулись в точку вылета. Это очень похоже на полет космонавта с разворотом в дальней точке пути и возвращением на Землю, и потому можно сразу сказать ... Но лучше все же еще немного поразмыслить. Когда ядро вылетает из пушки, ускоряющее действие порохового заряда уже прекратилось, и после этого ядро движется свободно — на нею действует только земное тяготение. Можно сказать, что ядро свободно падает, только сначала это «падение вверх», а потом уже вниз. На ядре, как в свободно падающем лифте или на спутнике, отсутствуют силы тяготения и все время имеется состояние невесомости. Все физические явления разыгрываются в этом состоянии точно так же, как и в инерциальной системе отсчета . И потому, как это ни покажется на первый взгляд странным, полет ядра следует признать инерциальным движением.Мы пренебрегаем, конечно, слабым сопротивлением воздуха.). А часы на Земле? Вот тут-то и нужно учесть, что циальность системы отсчета, связанной с Землей, является лишь приближенной. Ранее ее неинерциальностью мы пренебрегали. Но теперь стоит внимательно к ней приглядеться. Система отсчета, опирающаяся на поверхность Земли,— пусть это будет, например, просто стол, на котором стоят часы, — и в самом деле неинерциальна. Ведь относительно нее свободно падающие тела движутся не равномерно, а с ускорением, равным ускорению свободного падения. Вот если бы этот стол сам свободно падал, тогда часы находились бы в невесомости, и другие свободно падающие тела двигались бы относительно него равномерно и прямолинейно или покоились. Свободному падению стола мешает упругость земной поверхности — сила упругости, уравновешивающая силу тяготения, и делает эту нашу систему отсчета неинерциальной. Степень ее неинерциальности измеряется земным ускорением свободного падения. Стоит заметить, что круговое движение Земли по орбите вокруг Солнца не вносит дополнительной неинерциальности, хотя это и не прямолинейное движение. Важно, что это свободное движение под действием тяготения Солнца. Наоборот, если задержать и остановить Землю, появится неинерциальность, так как ее состояние стало бы уже не свободным. Неинерциальность создается из-за всего того, что мешает свободному падению. И только эти препятствия свободному падению и способны вызывать неинерциальность. Мы видим, что система отсчета, связанная со свободно летящим ядром, гораздо ближе к инерциальной, чем система отсчета, связанная с поверхностью Земли. Так какие же часы окажутся отстающими? Теперь ясно, что отстанут часы, покоящиеся на Земле. Они испытывают действие тяготения, они весят, а часы на ядре находятся в невесомости. Сходство с полетом космонавта оказалось только внешним, и оно подсказывало неправильный ответ. Но если бы космонавт не включал свой ракетный двигатель, его полет был бы, как полет пушечного ядра, свободным и инерциальным на всем участке пути после начального ускорения и перед конечным торможением. Ну, а если на всем своем пути космонавт хотя и испытывает ускорение, но меньшее, чем g, он сам окажется старше своего брата, остававшегося на Земле. С этим дополнением, полученным из решения задачи Фока, мы имеем теперь уже полный ответ на все вопросы о парадоксе часов, или парадоксе близнецов.

Обычно говорилось, что квантовая теория поля — наиболее точная из всех когда-либо существовавших физических теорий, дающая точность до 11 знаков после запятой. Однако, я хотел бы указать, что общая теория относительности в настоящее время проверена с точностью до 14 знаков после запятой (и эта точность очевидно ограничена только точностью часов, идущих на Земле). Я имею в виду бинарный пульсар Hulse-Taylor PSR 1913+16, пара нейтронных звезд вращающихся друг относительно друга, одна из которых — пульсар. Общая теория относительности предсказывает, что подобная орбита медленно сжимается (а ее период уменьшается), потому что происходит потеря энергия вследствие излучения гравитационных волн. Этот процесс действительно был зафиксирован экспериментально, а полное описание его движения, наблюдаемого в течение 20 лет ... находится в согласии с общей теорией относительности (которая включает в себя Ньютоновскую теорию) с замечательной точностью, отмеченной выше. Исследователи этой звездной системы по праву получили Нобелевские премии за свою работу. Квантовые теоретики всегда утверждали, ссылаясь на точность их теории, что общая теория относительности должна брать с нее пример, но я думаю теперь, что пример должна брать квантовая теория поля.