Antonio Duran Guardeno - Ньютон. Закон всемирного тяготения. Самая притягательная сила природы.
Открытие Нептуна стало очередным подтверждением закона гравитации Ньютона. И хотя в Солнечной системе были и другие отклонения, в середине XIX века многие считали, что все их можно объяснить с помощью теории Ньютона.
Самое важное из этих отклонений было связано с перигелием Меркурия – самой ближней к Солнцу точкой на его орбите, которая каждый год немного перемещалась вокруг Солнца, вызывая смещение целой орбиты. Проблема, как объявил Леверье, состояла в том, что это смещение происходило быстрее, чем требует теория гравитации.
И наконец, этот «непорядок» мог бы означать, что хотя теория гравитации Ньютона объясняет устройство Солнечной системы, на самом деле в ней есть ошибки. Пространство Ньютона – это своего рода вместилище планет и звезд, которые двигаются в соответствии с законом гравитации. По Ньютону, пространство абсолютно, и тела, существующие в нем, не могут его изменить, как не могут сделать этого по отношению ко времени, которое также абсолютно и течет везде в одинаковом безвозвратном ритме. Однако окружающая нас Вселенная сложнее, чем представлял Ньютон.
Теория относительности Альберта Эйнштейна (1905) предложила идею неразрывно связанных времени и пространства. Время, масса, скорость относительны, и эти признаки меняются, если мы будем двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света.
С другой стороны, общая теория относительности (1915) говорит нам, что пространство меняется под воздействием того, что в нем находится, что небесные тела изгибают его в зависимости от своей массы; например Солнце воздействует на пространство сильнее, чем Земля или Луна. Во время своей поездки в Соединенные Штаты в 1921 году сам Эйнштейн так объяснил свою идею толпе журналистов, которые попросили кратко рассказать, что такое общая теория относительности:
«Если вы не примете мой ответ слишком всерьез, а посчитаете его наполовину шуткой, я могу вам сказать, что раньше люди верили в то, что если все материальные тела в один момент исчезнут из Вселенной, время и пространство в ней останутся. Согласно моей теории относительности, напротив, время и пространство исчезнут, как только исчезнут тела».
Общая теория относительности идеально объясняет, что происходит с Меркурием. Если тело в Солнечной системе движется не слишком быстро и на достаточном отдалении от крупной массы, законы Ньютона описывают его движение с великолепной точностью, а если и существует определенная погрешность, то она не фиксируется нашими измерительными приборами. Но Меркурий, приближаясь к своему перигелию, двигается слишком быстро, гораздо быстрее, чем другие планеты, и находится очень близко к Солнцу, поэтому его орбита выявляет ограничения закона тяготения Ньютона. Мы знаем, что Эйнштейн был более озабочен тем, чтобы объяснить явления, а не исправлять недочеты существующих физических теорий, будь то теория гравитации или движения эфира, хотя он и считал, что его идеи могут объяснить то, что идеи Ньютона объяснить не могли.
Эйнштейн испытал огромную радость, поняв, что его теория объясняла изменения орбиты Меркурия: «Я три дня был вне себя от радости». По словам Абрахама Пайса, одного из биографов Эйнштейна, его успех с перигелием Меркурия стал «самым сильным эмоциональным потрясением в научной жизни Эйнштейна, а может, и во всей его жизни. Природа заговорила с ним, и он знал это. „Я чувствовал, как меня переполняет радость". После ученый сказал другу, что его открытие вызвало у него сильную дрожь по всему телу. Или еще более глубокое переживание, которым он поделился с другим своим другом: когда Эйнштейн увидел, что его расчеты совпадают с астрономическими наблюдениями, которые нужно было объяснить, ему показалось, что что-то надорвалось внутри».
Я занят работой над релятивистской теорией гравитации, при помощи которой надеюсь понять вековое необъяснимое изменение в движении перигелия Меркурия.
Слова Эйнштейна в 1907 году
Тот факт, что Эйнштейн, в качестве доказательства своих теорий, не один раз подчеркивал, что они основаны на подходе Ньютона, лишний раз говорит о том авторитете, которым пользовалась теория гравитации Ньютона в XX веке. Во введении к одной из своих работ 1916 года, которая подробно рассказывала об общей теории относительности, Эйнштейн писал:
«Посредством этих уравнений, которые от условий общей теории относительности следуют методом чистой математики, получаем в первом приближении теорию тяготения Ньютона и во втором – объяснение движения перигелия планеты Меркурий, открытого Леверье. Эти факты должны, по моему мнению, считаться убедительными доказательствами теории».
Переход от теории тяготения Ньютона к теории относительности Эйнштейна не был таким же революционным, как переход от птолемеевой астрономии к астрономии Коперника. Как говорил Эйнштейн, гравитация Ньютона – это хорошее приближение к пониманию Вселенной, которая нас окружает. В действительности же речь идет об отличном приближении, если ограничиться Солнечной системой, на знаниях о которой построил Ньютон свою теорию. Это приближение настолько эффективно, что и по сей день мы используем его для описания траекторий искусственных спутников и космических кораблей или в расчетах сопротивления при строительстве подвесных мостов.
Когда Эйнштейн представил свою общую теорию относительности в 1915 году, она была не более чем объяснением космоса, полученным с помощью математических расчетов, начиная с физического принципа эквивалентности: силы гравитационного взаимодействия пропорциональны массе тела. В этот момент общая теория относительности имела не слишком прочную опору: да, в ее основе лежала теория тяготения Ньютона, и да, новая теория объясняла отклонение перигелия Меркурия, но это было достаточно скудной поддержкой для идеи, которой суждено было произвести революцию в научном мире. Кроме этого, можно было опираться на состоятельность Эйнштейна как ученого, однако этот аргумент не является научным.
Подтверждение общей теории относительности произошло благодаря тому, что ее прогнозы подтверждались экспериментально. Один из таких прогнозов устанавливает, что свет искривляется под воздействием гравитационного поля, или, иначе говоря, наличие материи искривляет пространство, и в этом искривленном пространстве углы в треугольниках, например, в сумме уже не составляют 180 градусов. Физические принципы и математический подход к этим принципам позволили Эйнштейну рассчитать искривление, вызванное воздействием массы Солнца на лучи света, посылаемые дальними звездами. В конце весны 1919 года англичане отправили в Гвинейский залив экспедицию во главе с Артуром С. Эддингтоном для наблюдения за полным солнечным затмением. После нескольких месяцев расчетов и проверок 6 ноября 1919 года Эддингтон пришел к заключению, что оценки Эйнштейна совпадают с наблюдениями. Газета Times вышла на следующий день со звучным заголовком: «Революция в науке: новая теория Вселенной низвергает идеи Ньютона». Это превратило Эйнштейна, до того дня известного лишь в научных кругах, в популярную фигуру, равную по масштабу английскому ученому, которого он «низверг».
Новость, однако, имела неоспоримый политический налет: прошел год после окончания Первой мировой войны, и лондонская Times «низвергла» Ньютона, самого восхваляемого из всех английских ученых, в пользу немца Эйнштейна. Конечно, Эйнштейн родился в Германии, был членом Прусской академии наук, однако сами немцы своим его не считали. В 1901 году он получил швейцарское гражданство и решительно стоял на позициях пацифизма во время войны. В 1918 году он писал: «По рождению я еврей, по гражданству – швейцарец, а по образу мыслей я человек, и только человек, без привязанности к какому-либо государству или национальному сообществу». Многое было сказано о том, был ли Эддингтон полностью объективен в своих выводах; неспроста же он заявил: «Это лучшее, что могло случиться для научных отношений между Англией и Германией». Но все эти подробности лишь подчеркивают политическую остроту новости.
Нечасто случается, что наука входит в сферу политики, и тот факт, что причиной этому стали работы и личность Ньютона – ученого, которого не было в живых уже почти 200 лет, – лишний раз говорит о его авторитете.
ГЛАВА 3 Математик и маг
Достижения Ньютона в математике известны меньше его работ по физике, однако они также достойны уважения. Самое значительное из них – анализ бесконечно малых, идея, появившаяся во время его первых лет в Кембридже. А помимо математики и физики, ученого крайне увлекали алхимия и толкование Библии.
Ньютон приехал в Кембридж в начале лета 1661 года, и там началось его научное образование. В то время программа обучения в университете веками не менялась и опиралась на аристотелеву модель. Так что Кембридж нельзя было назвать площадкой научного новаторства, однако там были очень хорошие библиотеки.
