Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Обнаруженные и хорошо изученные астрономами линзирующие тела оказались галактиками, а массивные звездные спутники — карликовыми звездами (коричневыми и белыми карликами). Коричневые и белые карлики являются в большинстве случаев невидимыми компонентами двойных звезд. Таким образом, существование «дыр» все еще находится под вопросом. Астрономы не имеют возможности утверждать, что предсказанные объекты реальны.
Вокруг теории относительности по-прежнему ведутся оживленные споры. Но это не должно пугать читателя, поскольку именно в таких спорах и рождается истина. Новые открытия и эксперименты в ближайшем будущем покажут, как в дальнейшем сложится судьба эйнштейновской теории. Возможно, от нее откажутся или захотят исправить, возможно, ее пополнят или определят четкие границы применимости СТО и ОТО, а затем создадут новую теорию, обладающую большим охватом. А учение Эйнштейна будет всего лишь частным случаем в этой теории, как в свое время стала частным случаем в релятивистской физике классическая механика Ньютона.
Изобретены межпланетные зонды
Ученые настойчиво пытаются найти способ проверки и перепроверки такой неудобной для многих теории относительности. Слишком ничтожны ее эффекты, чтобы поверить в их существование. Однако для науки в целом и для наших представлений о мироздании в частности слишком важны последствия того, будут ли учтены эти эффекты.
Но пока ученые настойчиво ищут истину, инженеры пытаются с пользой употребить более или менее достоверные сведения, которыми располагает физическая наука. В учебниках и популярных изданиях теория относительности преподносится в большинстве случаев совершенно неверно. Она представляется учением без недостатков, учением без ограничений в применении и, наконец, учением настолько замечательным, что ему нельзя найти применения в реальной жизни. Это в корне неверно.
Во-первых, учение Эйнштейна, конечно же, не является безупречным, иначе бы его не критиковали. Во-вторых, оно имеет ограничения, подобно любой физической теории. Астрофизики, например, установили, что сфера применения теории относительности ограничена в науке о космосе эпохой рождения Вселенной. Состояние материи, предшествовавшее становлению мирового вещества, недоступно изучению методами теории относительности. Что находится за пределами сферы применения СТО и ОТО, неизвестно. Судить об этом пока рано.
Однако такая характеристика нисколько не принижает достоинств учения, но придает ему более конкретный и строгий научный вид. А достоинства СТО и ОТО впечатляют, именно поэтому нельзя считать физику Эйнштейна далекой от нужд и требований реальности. Теория относительности (общая и специальная) — это инженерная наука, на основе которой уже давно ведутся разработки большого практического значения. Специальная теория относительности используется при проектировании и постройке ускорителей заряженных частиц — огромных ядерно-физических лабораторий, где изучаются изначальные свойства материи.
Общая теория относительности применяется в космической навигации. Поскольку данная глава посвящена изучению и покорению космического пространства с помощью летательных аппаратов, то именно последний случай применения учения Эйнштейна представляет для нас интерес. К Солнечной системе, разумеется, теория относительности мало применима, т. к. релятивистские эффекты здесь ничтожно малы. Они ощутимы только в масштабах нашей Галактики и больших.
И все же в деле навигации учет небольших цифр бывает очень полезен, поэтому именно так и поступают ученые, занимающиеся расчетом и прокладкой межпланетных трасс для автоматических станций и зондов. Полеты к другим космическим телам стали для современного человека нормой, даже школьники сегодня знают, что полет до Луны занимает по времени 3 суток, до Венеры — 4 месяца, а до Марса — 7 месяцев. Человечество направляло летательные аппараты почти ко всем планетам Солнечной системы, за исключением далекого Плутона. И никто толком не знает, какой титанический труд скрывается за этой исследовательской «рутиной».
При всем этом проложить межпланетную трассу крайне затруднительно. Средневековый мореход был в праве рассчитывать на благоприятное плавание, если заранее учитывал действие всех ветров и течений на своем пути. Современный баллистик также должен подумать о течениях и ветрах на пути следования космической каравеллы. Вот только водовороты и ураганы, которые поджидают автоматическую станцию, невидимы, неуловимы и непредсказуемы. Речь идет о гравитационных полях, генерируемых планетами и прочими массивными телами, обращающимися вокруг Солнца.
Само солнце является объектом чудовищно большой массы, и эта масса порождает значительное гравитационное поле. Притяжение различных тел отклоняет летящий в космосе аппарат. Если заранее не учесть всех возможных воздействий, то добиться точности продвижения во время полета невозможно. При прокладке маршрута для межпланетной автоматической станции баллистики опираются преимущественно на построения механики Ньютона, а именно — его теории гравитации.
Релятивистские эффекты почти не сказываются на дистанциях между планетами, поэтому классической физики для таких вычислений бывает достаточно. Например, так происходит при вычислении гравитационного потенциала. Гравитационным потенциалом называют в теории Ньютона величину, которая соответствует степени напряженности поля тяжести.
Всем известна напряженность магнитного поля. Наблюдая за металлическими опилками вблизи магнита, можно видеть, как они выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля. Эти силовые линии обозначают направление напряженности поля в пространстве. Напряженность гравитационного поля определяется через гравитационный потенциал. Искусственные спутники с равной силой и притягиваются планетой, и сами притягивают планету, согласно третьему закону Ньютона.
Поскольку масса и размеры сателлитов не идут ни в какое сравнение с планетными габаритами, то и гравитационное поле этих тел оказывается слабым. Оно почти никак не сказывается на напряженности поля планеты. Принято говорить, что спутник обладает пробной массой, т. е. такой, которая позволяет изучить свойства мощного поля тяжести и не вызвать в нем возмущений. Пробная масса помогает найти гравитационный потенциал поля. Он будет количественно равен квадрату скорости вращения малого тела вокруг большого.
При релятивистском изучении гравитации физику приходится иметь дело не столько с гравитационным потенциалом, сколько с зависящим от него параметром |φ|/c2, т. е. модулем потенциала, деленным на квадрат скорости света. Поправка значительна, поскольку скорость света равняется 300 000 км/с! Лишь при большом значении потенциала можно получить достаточно большой параметр. Один из самых больших параметров, встречающихся в природе, характеризует взаимодействия между нейтронными звездами и равняется всего 0,1. Для космического аппарата, совершающего маневры на орбите Марса или Юпитера, параметр просто ничтожен.
Вот почему баллистики почти не принимают во внимание релятивистские эффекты в Солнечной системе. Но когда речь идет о заходе автоматической станции на околопланетную орбиту, то ученым приходится добиваться высокой точности движения аппарата. Сходным образом наши «Венеры» и американский «Магеллан» стали искусственными спутниками планеты Венера.
При этом зонду «Магеллан» предстояло выйти сначала на простейшую круговую орбиту, а затем путем баллистического маневрирования перейти на околопланетную эллиптическую орбиту. Двигаясь по эллипсу, зонд то сближался с Венерой и проводил ее картирование, то удалялся от нее и связывался с Землей, передавая собранные данные.
Во время управления аппаратом при выполнении подобных задач счет ведется на метры, тогда как сам автомат пребывает более чем в сотне миллионов километров от Земли. При таком соотношении расстояний следствия общей теории относительности играют немаловажную роль. Успех многих космических программ связан с внесением поправок ОТО в ньютоновские формулы баллистики.
Начиная с конца 1990-х гг. специалисты Национального американского агентства по аэронавтике и космическим исследованиям (НАСА) спланировали полет космического зонда к Плутону. Проект был в целом завершен в 1998–1999 гг., и теперь перед учеными стоит задача его реализации. Полет настолько длителен, что релятивистские эффекты на всем его протяжении дадут о себе знать. По изучению траектории зонда физики смогут в который раз проверить теорию Эйнштейна. Они собираются измерить влияние солнечного тяготения на тело, стремительно удаляющееся от Солнца в бесконечность.
