Ник. Горькавый - Небесные механики

– Я лично представляю искривлённое пространство в виде простой модели. Возьмите большой таз – или обруч. Натяните на него резиновую плёнку – например, от надувного шарика. Положите в середину плёнки тяжёлый металлический шарик. Он растянет плёнку и образует вокруг себя воронку. Теперь запустите по плёнке легкий шарик – например, от настольного тенниса. Он покатится по кривой – словно металлический шар его притягивает. Легкий шарик может даже выйти на спутниковую орбиту вокруг тяжёлого тела. Это прекрасная модель эйнштейновской теории гравитации.

– Хочу такой таз с плёнкой! – заявила Галатея.

– Сделаем! – уверенно кивнул Андрей. А Никки продолжала:

– За десять лет упорных трудов Эйнштейн сумел вывести математические уравнения, которые описывают движение в искривлённом пространстве самых разных тел: маленьких девочек и огромных планет, тяжёлых пушечных ядер и обычных яблок-ранеток.

Впрочем, Ньютон тоже неплохо с яблоками справлялся.

«Надо бы проверить мою теорию на том случае, который Ньютон не смог объяснить», – подумал Эйнштейн.

Вот, например, 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, покрутил, посчитал – и доказал, что орбита этой горячей планеты не ладит с законом Ньютона, зато охотно подчиняется его, Эйнштейна, уравнениям. Значит, они правильны! Обрадовался Эйнштейн и опубликовал свои уравнения и закон, по которому гравитация – это не сила, а искривление пространства. Вернее, искривление пространства-времени, что означает ещё и замедление времени возле Солнца и Земли.

Что тут началось! Шум, гам, обиды, крики.

«Как так пространство может быть кривым? Сомнительное дело!»

Уж больно хитрый закон открыл Эйнштейн. Кто не верит, те бурчат, а кто верит, те молчат. Доказательства искривлённости пространства нужны, да такие прямые, чтобы никто не посчитал их извилистыми.

Тогда Эйнштейн сказал: «Искривление пространства можно увидеть своими глазами возле Солнца. Наше светило двигается и искривляет пространство – будто линзапо небу плывёт. И звёзды вокруг Солнца начинают раздвигаться, словно огни далёкого города приближаются в бинокль. Понаблюдайте за звёздами возле Солнца, тогда и увидите искривлённость пространства!»

Королева Никки развела руками:

– Ох, 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 и не видны днём. Есть только один способ: дождаться времени, когда солнце днём не светит.

– Когда же солнце днём может не светить? – удивился Андрей.

Никки ответила зловещим голосом:

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

Голос королевы стал вкрадчивым, завывающим, страшным как привидение:

– …такое жуткое время называется… называется такое кошмарное время… …ПОЛНОЕ СОЛНЕЧНОЕ ЗАТМЕНИЕ!

– Ой! – взвизгнула Галатея.

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

– Да, и тогда на Земле наступает тьма среди бела дня. Солнечное затмение длится несколько минут, и за это время нужно успеть замерить положение звёзд возле Солнца. Вызвался решить такую непростую задачу знаменитый астроном и математик, английский лорд Артур 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 хорошо известный рисунок звёздного неба вокруг чёрного Солнца действительно изменился – словно к Солнцу была приклеена большая прозрачная линза.

– Вот здорово! – сказала Галатея. – Так, значит, мы все – жители Королевства Кривых Пространств!

Андрей спросил:

– А есть какой-нибудь способ попроще, чтобы увидеть искривлённое пространство? Не дожидаясь солнечного затмения?

– Сейчас уже есть такой способ. Когда появились крупные телескопы, то выяснилось, что вид далёких галактик искажается на искривлённом пространстве возле более близких галактик. Поэтому изображения далёких звёздных скоплений могут двоиться, троиться и даже размазываться в кольцо. А хитроумные физики сумели проверить теорию Эйнштейна об искривлении пространства и времени возле Земли. Они смогли показать, что на втором этаже любого здания время течёт чуть быстрее, чем на первом, – в точном согласии с формулами Эйнштейна.

– В долинах время течёт медленнее, чем в горах? – недоверчиво спросила Галатея.

– Да. А если взять не нашу рыхлую планету, а очень сильно сжатую звезду, то на её поверхности время вообще останавливается, а пространство искривляется до максимума. Такой объект называют чёрной дырой – и их немало открыто в космосе. Например, в центре нашей Галактики.

– То есть Солнце, Земля и мы сами вращаемся вокруг чёрной дыры, где время остановилось?! – с восторгом спросила Галатея.

– Да, это хорошо известный факт. Но в начале двадцатого века искривление пространства и замедление времени можно было обнаружить только по смещению звёзд возле Солнца.

Эддингтон послал из Африки телеграмму о том, что Эйнштейн оказался прав. И все мировые газеты опубликовали эту телеграмму.

В мире только что закончилась – а кое-где ещё даже не закончилась – большая война. Очень устали люди от этой войны, устали каждый день открывать газеты и читать про смерти и ужасы. В один прекрасный день открыли люди утренние газеты и узнали, что учёные нашли искривлённое пространство вокруг Солнца. Обрадовались люди тому, что встречаются такие чудеса на этом грустном свете. 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 нам после ужина так трудно вставать только из-за искривлённого пространства? – думали люди, почёсывая затылки. – Вот если штанами зацепиться за искривлённый гвоздь в стуле – то 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 домика Эйнштейна собралась большая толпа.

«Ты очень умный! Стань нашим президентом!» – закричали люди мудрому Эйнштейну, который выглянул в окошко.

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

Послушали-послушали Эйнштейна люди, ничего не поняли, и в сон их потянуло. Подумали люди: «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?

Евклидово пространство– плоское пространство, введённое великим греческим математиком Евклидом (ок. 325–265 гг. до н. э.), жившим в Александрии.

Риманово пространство– искривлённое пространство, открытое выдающимся немецким математиком Бернхардтом Риманом (1826–1866).

Тензорный анализ– раздел математики, который широко используется в физике и в общей теории относительности при изучении искривлённых пространств. Тензоры очень полезны в описании инвариантныхсвойств объектов – то есть свойств, которые не зависят от геометрических координат и движения наблюдателей.