Казка про Королівство Кривих Просторів і денні зірки
(Інші наукові казки Нік. Горькавого див. у «Науці і житті» № 11, 2010, № 12, 2010, № 1, 2011, № 2, 2011, № 3, 2011, № 4, 2011, № 5, 2011, № 6, 2011, № 9, 2011, № 11, 2011, № 6, 2012, № 7, 2012 р., № 8, 2012 р.)
Альберт Ейнштейн (1879-1955), фізик-теоретик, який не побоявся викривити простір. Фото Фердинанда Шмутцера з сайту www.bhm.ch
Королева Ніккі прийшла відвідати принцесу Дзінтару. Діти Дзинтари — Андрій і Галатея — зраділи і після вечері відразу зажадали:
— Розкажи казку!
Королева давно знає — йдеш в гості, неси казку в зубах, а то принцесови, тобто принцесини, діти живої не випустять.
— Ох і хитру казку вам зараз повідаю, відразу звивини в вузлик зав’яжуться.
— Не зав «яжуться! — сміливо вигукнув Андрій.
А маму ми попросимо, вона розв’яже, обережно помітила Галатея.
І Ніккі почала казку:
— Жив-був мудрий вчений Ейнштейн. Любив він ставити подумки. Вони дуже зручні — адже для них ніякого обладнання не треба, крім найважливішого приладу — голови. І придумав Ейнштейн такий експеримент: «Знайдемо величезний гладкий пустир. Поставимо на пустирі гармату, яка стріляє круглими ядрами паралельно землі, тобто горизонтально. Посадимо поруч з гарматою невисоку яблуню з великими яблуками. Коли гармата вистрілить, одночасно з яблуні зірветься яблуко. І полетять з однієї висоти два предмети: ядро — над землею по пологій кривій, а яблуко — вниз по прямій. Хто швидше досягне землі — ядро чи яблуко? «
Провів він уявний експеримент і отримав дивовижний результат: ядро і яблуко вдаряться об землю одночасно, тільки дуже далеко один від одного.
Багато «пострілів» зробив Ейнштейн у своїй голові — його сусіди навіть занепокоїлися і стали скаржитися в поліцію на дивні вібрації будинку. Яке б тіло він не брав — свинцеве ядро, дерев’яне яблуко, лебедине пьоршко, — всі вони падали на землю однаково. Звичайно, без впливу повітря — в його експерименті все повітря «відкачали» з планети одним рухом думки.
«Чому всі тіла так однаково поводяться?» — задумався Ейнштейн. Думав він десять років, десять місяців і десять днів. І нарешті зрозумів! Пояснити вражаюче однакову поведінку різних предметів у гравітаційному полі можна, тільки припустивши, що кожне тіло під час падіння котиться по невидимій викривленій поверхні, як по рейках. А рейки — вони міцні, їм все одно, що по них котиться — важкий потяг або легка дрезина.
Так Ейнштейн відкрив новий закон: тяжіння — це рух в викривленому просторі навколо масивних тіл. Як санки з гори котяться вниз, так і всі тіла падають в викривленому просторі Землі або Сонця.
Викривлений простір навколо Землі. Ілюстрація Джонстоуна. Зображення з сайту en.wikipedia.org
Галілей відкрив закон, за яким тіла рухаються прямими лініями без усякого прискорення. Ейнштейн підтвердив — саме так і відбувається навіть у викривленому просторі біля Землі. Та ось тільки пряма лінія в кривому просторі теж крива і називається геодезичною. Спробуйте намалювати пряму лінію на поверхні глобуса — у вас нічого не вийде пряме кривого меридіана.
Згідно з Кеплером, у найпростішому випадку (у завданні двох тіл) еліптична орбіта планети повинна бути нерухомою (червона лінія). Згідно з Ейнштейном, така орбіта повинна зміщуватися або прецесувати (сині лінії) через те, що тяжіння Ейнштейна не збігається з тяжінням Ньютона
На геодезичній лінії життя і рух здаються прямими і рівномірними, але простір викривлено, тому нікому з його мешканців вірити не можна, тільки містеру Тензорному аналізу *. Самі жителі Кривландії не помічають, як вони прискорюються біля Землі. При падінні вони відчувають невагомість — летять, ніжаться, а потім — порожній! — прибули, вилазь: рейки закінчилися на земній поверхні. Хто забився — Ейнштейн не винен.
— Готова справа, у мене жодної незапутаної звивини не залишилося! — вигукнула Галатея.
Не заважай, — нетерпляче махнув рукою Андрій.
Королева посміхнулася і продовжила:
— За десять років наполегливих праць Ейнштейн зумів вивести математичні рівняння, які описують рух у викривленому просторі різних тіл: і величезних планет, і гарматних ядер, і звичайних яблук. Втім, Ньютон теж непогано з яблуками справлявся.
«Треба перевірити мою теорію стосовно випадку, який Ньютон не зміг пояснити», — подумав Ейнштейн. Планета Меркурій, яка рухається ближче всіх до Сонця, давно доставляла клопоти астрономам, рухаючись трохи швидше, ніж потрібно за законами Ньютона. Ейнштейн подумки зловив Меркурій, засунув його в м’ясорубку своїх рівнянь, прокрутив, порахував і довів, що орбіта цієї гарячої планети не ладнає з законом Ньютона, зате охоче підпорядковується його, Ейнштейна, рівнянням. Значить, вони правильні! Вчений зрадів і опублікував свої рівняння і закон, за яким гравітація — це не сила, а прояв викривлення простору.
Що тут почалося! Шум, гам, образи, крики: «Як простір може бути кривим?! Сумнівна справа! » Вже боляче хитрий закон відкрив Ейнштейн. Хто не вірить, ті бурчать, а хто вірить, ті мовчать. Докази потрібні, та такі прямі, щоб ніхто не вважав їх звивистими.
Тоді Ейнштейн сказав: «Викривлення простору можна побачити своїми очима біля Сонця. Наше світило рухається і викривляє простір — ніби лінза по небу пливе. І зірки навколо Сонця починають розсуватися. Поспостерігайте за зірками біля Сонця, тоді і побачите викривленість простору! «
Королева Ніккі розвела руками:
Артур Еддінгтон (1882-1944), британський астрофізик, який виміряв викривлення простору навколо Сонця. Фото з сайту en.wikipedia.org
— Непросту умову поставив мудрий Ейнштейн. Як же побачити зірки біля Сонця, якщо вдень світло і зірок не видно? Довго ламали голову вчені, але все-таки придумали. Ну-ка, хто з вас здогадається, який є спосіб побачити зірки вдень, та ще біля самого Сонця?
— З колодязя зірки видно днем! — вигукнув Андрій.
— Ні, це міф: не наукова, а проста казка.
— А якщо в телескоп подивитися? — запитала Галатея.
— Теж не вийде. Блакитне небо світить яскравіше зірок, тому вони не видні днем. Є тільки один спосіб: дочекатися часу, коли сонце вдень не світить.
— А що, сонце вдень може не світити? — здивувався Андрій.
Ніккі відповіла зловісним голосом:
— Є такий страшний час, коли сонце вдень стає чорним-чорним, воно висить над головою, але не світить… І небо теж перетворюється з блакитного в чорне-чорне… навіть опівдні на такому чорному небі видно всі зірки. І називається…
Голос королеви став завиваючим, страшним, як у привидів.
-… такий страшний час називається… повне сонячне затемнення!
— Звизгнула Галатея.
Це коли Місяць загороджує від нас Сонце.
— Так, і на Землі настає темрява серед дня. Сонячне затемнення триває кілька хвилин. За такий короткий час важко встигнути заміряти положення зірок біля Сонця. Зголосився вирішити непросте завдання знаменитий астроном і математик англійський лорд Еддінгтон. Він поплив на кораблі в далеку Західну Африку, де очікувалося повне затемнення Сонця. Багато пригод пережила експедиція Еддінгтона в південних морях, але зуміла сфотографувати «чорне» Сонце і зірки біля нього.
— І як? Вдалося лорду Еддінгтону побачити викривлений простір? — нетерпляче запитав Андрій.
— Так, вчені виявили, що відомий малюнок зоряного неба навколо чорного Сонця дійсно змінився — немов до Сонця приклеїли велику прозору лінзу.
Під час повного сонячного затемнення «чорне» Сонце дозволяє побачити зірки серед білого дня. Фото А. Еддінгтона, зроблене в Африці 29 травня 1919 року. З сайту en.wikipedia.org
— Це чудово! — сказала Галатея. — Отже, ми всі — мешканці Королівства Кривих Просторів!
— А є якийсь простіший спосіб побачити викривлений простір? — поцікавився Андрій. — Не чекаючи сонячного затемнення?
Хрест Ейнштейна. У центрі — галактика, яка перетворює одне зображення більш далекого квазара на чотири міражі навколо себе. Фото НАСА, ЕСА та Інституту телескопа Хаббла з сайту hubblesite.org
— Зараз вже є такий спосіб. Коли з’явилися великі космічні телескопи, з’ясувалося, що вигляд далеких галактик спотворюється в викривленому просторі біля більш близьких галактик. Зображення далеких зоряних скупчень може двоїтися, троїтися і навіть розмазуватися в кільце. Але на початку двадцятого століття можна було побачити тільки зміщення зірок біля Сонця.
Жовта галактика викривляє простір і перетворює зображення більш далекої блакитної галактики на підкову. Фото ЕСА, Інституту телескопа Хаббла і НАСА з сайту www.spacetelescope.org
Еддінгтон послав з Африки телеграму про те, що Ейнштейн виявився правий. І всі світові газети опублікували текст телеграми. У світі як раз тільки що закінчилася — а подекуди вона ще тривала — велика війна. Люди дуже втомилися від неї, втомилися щодня відкривати газети і читати про смерті і жахи. І ось, в один прекрасний день вони відкрили ранкові газети і дізналися, що вчені знайшли викривлений простір навколо Сонця. Всі зраділи, що зустрічаються такі чудеса на цьому світі.
Альберт Ейнштейн відразу став найвідомішим вченим у світі, хоча багато хто все одно не розумів, що таке кривий простір, який на вигляд такий прямий, і як він змушує Землю притягувати до себе всі предмети.
Чорна діра в десять сонячних мас на тлі Чумацького Шляху (так вона могла б виглядати з відстані 600 км). Картина Юте Крауса. Автор фонової картини Аксель Меллінгер. Зображення з сайту en.wikipedia.org
«Невже після ситної вечері нам важко встати через викривлений простір? — думали люди, пошановуючи потилиці. — Ось якщо штанами зачепитися за викривлений цвях у стільці — це якось зрозуміліше…»
Навіть ставши найвідомішим у світі вченим, Ейнштейн продовжував жити в скромному будиночку на тихій вулиці в університетському містечку Прінстоні. Якось у його будинку зібрався великий натовп. «Ти дуже розумний! Стань нашим президентом! «- закричали жителі мудрому Ейнштейну, який виглянув у віконце.
Скромний будинок Ейнштейна в Прінстоні. Ні музею, ні меморіальної дошки, але пам’ять про великого вченого цих традиційних атрибутів не потребує. Фото з сайту en.wikipedia.org
«Вибачте, не можу, — відповів учений. — Я зараз обмірковую дивовижну ідею. Виявляється, якщо взяти викривлений простір з п’яти вимірювань, то можна вивести рівняння, які будуть описувати не тільки гравітацію біля гілки, але і електрику в розетці… «
Послухали, послухали люди, нічого не зрозуміли і подумали: «Ох вже цей Ейнштейн, годинник всім переплутав, простір викривив, енергію з масою перемішав, а все ніяк не заспокоюється»… — і розбрелися по своїх будиночках, вляглися в м’які ліжечка і забулися мирним сном.
Може, і вам, діти, спати пора?
* Тензорний аналіз — розділ математики, широко застосовуваний у фізиці і в загальній теорії відносності при вивченні викривлених просторів. Тензори використовують в описі інваріантних (не залежних від геометричних координат і руху спостерігачів) властивостей об’єктів.
- Попередня
- Наступна