Ник. Горькавый

Сказка о Королевстве Кривых Пространств и дневных звёздах

• Научные рассказы •

Ник. Горькавый.

Сказка о Королевстве Кривых Пространств и дневных звёздах

Научные сказки Ник. Горькавого см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 2010 г.; №№ 1-6, 9, 11, 2011 г.; №№ 6, 7, 8, 2012 г.

«Наука и жизнь» № 9, 2012.

Искривлённое пространство вокруг Земли. Иллюстрация Джонстоуна.

Королева Никки пришла навестить принцессу Дзинтару. Дети Дзинтары — Андрей и Галатея — обрадовались и после ужина сразу потребовали:

— Расскажи сказку!

Королева давно знает — идёшь в гости, неси сказку в зубах, а то принцессовы, то есть принцессины, дети живой не выпустят.

— Ох, и хитрую сказку вам сейчас поведаю, сразу извилины в узелок завяжутся.

— Не завяжутся! — смело воскликнул Андрей.

— А мы маму попросим, она развяжет, — осторожно заметила Галатея. — Она даже мои шнурки ухитряется развязывать.

И Никки начала сказку:

Альберт Эйнштейн (1879-1955), физик-теоретик, не побоявшийся искривить пространство. Фото Фердинанда Шмутцера.

— Жил-был мудрый учёный Эйнштейн. Любил он ставить мысленные эксперименты. Они очень удобны — ведь для них никакого оборудования не надо, кроме самого важного прибора — головы. И придумал Эйнштейн такой эксперимент: «Найдём огромный гладкий пустырь.

Поставим на пустыре пушку, которая стреляет круглыми ядрами параллельно земле, то есть горизонтально. Посадим рядом с пушкой невысокую яблоню с большими яблоками. Когда пушка выстрелит, одновременно с яблони сорвётся яблоко. И полетят с одной высоты два предмета: ядро — над землёй по пологой кривой, а яблоко — вниз по прямой. Кто быстрее достигнет земли — ядро или яблоко?»

Артур Эддингтон (1882-1944), британский астрофизик, измеривший искривление пространства вокруг Солнца.

Согласно Кеплеру, в простейшем случае (в задаче двух тел) эллиптическая орбита планеты должна быть неподвижной (красная линия). Согласно Эйнштейну, такая орбита должна смещаться или прецессировать (синие линии) из-за того, что тяготение Эйнштейна не совпадает с тяготением Ньютона.

Во время полного солнечного затмения «чёрное» Солнце позволяет увидеть звёзды средь бела дня. Фото А. Эддингтона, сделанное в Африке в 1919 году.

Провёл он мысленный эксперимент и получил удивительный результат: ядро и яблоко ударятся о землю одновременно, только очень далеко друг от друга.

Много «выстрелов» сделал Эйнштейн в своей голове — его соседи даже забеспокоились и стали жаловаться в полицию на странные вибрации дома. Какое бы тело он ни брал — свинцовое ядро, деревянное яблоко, лебединое пёрышко, — все они падали на землю одинаково. Конечно, без влияния воздуха — в его эксперименте весь воздух «откачали» с планеты одним движением мысли.

«Почему все тела так одинаково себя ведут?» — задумался Эйнштейн. Думал он десять лет, десять месяцев и десять дней. И наконец понял! Объяснить поразительно одинаковое поведение разных предметов в гравитационном поле можно, только предположив, что каждое тело во время падения катится по невидимой искривлённой поверхности, как по рельсам. А рельсы — они прочные, им всё равно, что по ним катится — тяжёлый поезд или лёгкая дрезина.

Так Эйнштейн открыл новый закон: тяготение — это движение в искривлённом пространстве вокруг массивных тел. Как санки с горы катятся вниз, так и все тела падают в искривлённом пространстве Земли или Солнца.

Галилей открыл закон, по которому тела двигаются по самым прямым линиям без всякого ускорения. Эйнштейн подтвердил — именно так и происходит даже в искривлённом пространстве возле Земли. Да вот только самая прямая линия в кривом пространстве тоже кривая и называется геодезической. Попробуйте нарисовать прямую линию на поверхности глобуса — у вас ничего не получится прямее кривого меридиана.

Крест Эйнштейна. В центре — галактика, которая превращает одно изображение более далёкого квазара в четыре миража вокруг себя. Фото НАСА, ЕСА и Института телескопа Хаббла.

Чёрная дыра в десять солнечных масс на фоне Млечного Пути (так она могла бы выглядеть с расстояния 600 км). Картина Юте Крауса. Автор фоновой картины Аксель Меллингер.

На геодезической линии жизнь и движение кажутся прямыми и равномерными, но пространство искривлено, поэтому никому из его обитателей верить нельзя, только мистеру Тензорному анализу*. Сами жители Кривландии не замечают, как они ускоряются возле Земли. При падении они испытывают невесомость — летят, нежатся, а потом — хлоп! — прибыли, вылезай: рельсы закончились на земной поверхности. Кто ушибся — Эйнштейн не виноват.

____________________

[* Тензорный анализ — раздел математики, широко применяемый в физике и в общей теории относительности при изучении искривлённых пространств. Тензоры используют в описании инвариантных (не зависящих от геометрических координат и движения наблюдателей) свойств объектов.]

— Готово дело, у меня ни одной незапутанной извилины не осталось! — воскликнула Галатея.

— Не мешай, — нетерпеливо махнул рукой Андрей. — Потом я сам тебе всё распутаю.

Королева улыбнулась и продолжила:

— За десять лет упорных трудов Эйнштейн сумел вывести математические уравнения, которые описывают движение в искривлённом пространстве самых разных тел: и огромных планет, и пушечных ядер, и обычных яблок. Впрочем, Ньютон тоже неплохо с яблоками справлялся.

«Надо бы проверить мою теорию применительно к случаю, который Ньютон не смог объяснить», — подумал Эйнштейн. Планета Меркурий, которая движется ближе всех к Солнцу, давно доставляла хлопоты астрономам, двигаясь немного быстрее, чем нужно по законам Ньютона. Эйнштейн мысленно поймал Меркурий, засунул его в мясорубку своих уравнений, прокрутил, посчитал и доказал, что орбита этой горячей планеты не ладит с законом Ньютона, зато охотно подчиняется его, Эйнштейна, уравнениям. Значит, они правильны! Учёный обрадовался и опубликовал свои уравнения и закон, по которому гравитация — это не сила, а проявление искривления пространства.

Что тут началось! Шум, гам, обиды, крики: «Как пространство может быть кривым?! Сомнительное дело!» Уж больно хитрый закон открыл Эйнштейн. Кто не верит, те бурчат, а кто верит, те молчат. Доказательства нужны, да такие прямые, чтобы никто не посчитал их извилистыми.

Тогда Эйнштейн сказал: «Искривление пространства можно увидеть своими глазами возле Солнца. Наше светило движется и искривляет пространство — будто линза по небу плывёт. И звёзды вокруг Солнца начинают раздвигаться. Понаблюдайте за звёздами возле Солнца, тогда и увидите искривлённость пространства!»

Королева Никки развела руками:

— Непростое условие поставил мудрый Эйнштейн. Как же увидеть звёзды возле самого Солнца, если днём светло и звёзд не видно? Долго ломали голову учёные, но всё-таки придумали. Ну-ка, кто из вас догадается, какой есть способ увидеть звёзды днём, да ещё возле самого Солнца?

— Из колодца звёзды видны днём! — воскликнул Андрей.

— Нет, это миф: не научная, а простая сказка.

— А если в телескоп посмотреть? — спросила Галатея.

— Тоже не получится. Голубое небо светит ярче звёзд, поэтому они не видны днём. Есть только один способ: дождаться времени, когда солнце днём не светит.

— А что, солнце днём может не светить? — удивился Андрей.

Никки ответила зловещим голосом:

— Есть такое страшное время, когда солнце днём становится чёрным-чёрным, оно висит над головой, но не светит… И небо тоже превращается из голубого в чёрное-чёрное… даже в полдень на таком чёрном небе видны все звёзды. И называется…

Голос королевы стал завывающим, страшным, как у привидения.

Жёлтая галактика искривляет пространство и превращает изображение более далёкой голубой галактики в подкову. Фото ЕСА, Института телескопа Хаббла и НАСА.

— …такое жуткое время называется… полное солнечное затмение!

— Ой! — взвизгнула Галатея.

— А-а… — разочарованно сказал Андрей, ожидавший какого-нибудь дракона или волшебника. — Это когда Луна загораживает от нас Солнце.

— Да, и на Земле наступает тьма среди дня. Солнечное затмение длится несколько минут. За такое короткое время трудно успеть замерить положения звёзд возле Солнца. Вызвался решить непростую задачу знаменитый астроном и математик английский лорд Эддингтон. Он поплыл на корабле в далёкую Западную Африку, где ожидалось полное затмение Солнца. Много приключений пережила экспедиция Эддингтона в южных морях, но сумела сфотографировать «чёрное» Солнце и звёзды возле него.

— И как? Удалось лорду Эддингтону увидеть искривлённое пространство? — нетерпеливо спросил Андрей.

— Да, учёные обнаружили, что известный рисунок звёздного неба вокруг чёрного Солнца действительно изменился — словно к Солнцу приклеили большую прозрачную линзу.

— Вот здорово! — сказала Галатея. — Значит, мы все — жители Королевства Кривых Пространств!

— А есть какой-нибудь более простой способ увидеть искривлённое пространство? — поинтересовался Андрей. Не дожидаясь солнечного затмения?

— Сейчас уже есть такой способ. Когда появились крупные космические телескопы, выяснилось, что вид далёких галактик искажается в искривлённом пространстве возле более близких галактик. Изображение далёких звёздных скоплений может двоиться, троиться и даже размазываться в кольцо. Но в начале двадцатого века можно было увидеть только смещение звёзд возле Солнца.

Эддингтон послал из Африки телеграмму о том, что Эйнштейн оказался прав. И все мировые газеты опубликовали текст телеграммы. В мире как раз только что закончилась — а кое-где она ещё продолжалась — большая война. Люди очень устали от неё, устали каждый день открывать газеты и читать про смерти и ужасы. И вот, в один прекрасный день они открыли утренние газеты и узнали, что учёные нашли искривлённое пространство вокруг Солнца. Все обрадовались, что встречаются такие чудеса на этом свете.

Скромный дом Эйнштейна в Принс-тоне. Ни музея, ни мемориальной доски, но память о великом учёном в этих традиционных атрибутах не нуждается.

Альберт Эйнштейн сразу стал самым знаменитым учёным в мире, хотя многие всё равно не понимали, что такое кривое пространство, которое на вид такое прямое, и как оно заставляет Землю притягивать к себе все предметы.

«Неужели после сытного ужина нам трудно встать из-за искривлённого пространства? — думали люди, почёсывая затылки. — Вот если штанами зацепиться за искривлённый гвоздь в стуле — это как-то понятнее…»

Даже став самым знаменитым в мире учёным, Эйнштейн продолжал жить в скромном домике на тихой улице в университетском городке Принстоне. Как-то раз у его дома собралась большая толпа. «Ты очень умный! Стань нашим президентом!» — закричали жители мудрому Эйнштейну, который выглянул в окошко.

«Извините, не могу, — ответил учёный. — Я сейчас обдумываю удивительную идею. Оказывается, если взять искривлённое пространство из пяти измерений, то можно вывести уравнения, которые будут описывать не только гравитацию возле ветки, но и электричество в розетке…»

Послушали, послушали люди, ничего не поняли и подумали: «Ох уж этот Эйнштейн, часы всем перепутал, пространство искривил, энергию с массой перемешал, а всё никак не успокаивается…» — и разбрелись по своим домикам, улеглись в мягкие кроватки и забылись мирным сном. Может, и вам, дети, спать пора?

Content

Ник. Горькавый
Сказка о Королевстве Кривых Пространств и дневных звёздах

• Научные рассказы •

Сказка о Королевстве Кривых Пространств и дневных звёздах

Искривлённое пространство вокруг Земли. Иллюстрация Джонстоуна.

Альберт Эйнштейн (1879-1955), физик-теоретик, не побоявшийся искривить пространство. Фото Фердинанда Шмутцера.

Согласно Кеплеру, в простейшем случае (в задаче двух тел) эллиптическая орбита планеты должна быть неподвижной (красная линия). Согласно Эйнштейну, такая орбита должна смещаться или прецессировать (синие линии) из-за того, что тяготение Эйнштейна не совпадает с тяготением Ньютона.

Крест Эйнштейна. В центре — галактика, которая превращает одно изображение более далёкого квазара в четыре миража вокруг себя. Фото НАСА, ЕСА и Института телескопа Хаббла.

Жёлтая галактика искривляет пространство и превращает изображение более далёкой голубой галактики в подкову. Фото ЕСА, Института телескопа Хаббла и НАСА.

Скромный дом Эйнштейна в Принс-тоне. Ни музея, ни мемориальной доски, но память о великом учёном в этих традиционных атрибутах не нуждается.