Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев

Физика говорит о том, что в природе существует процесс, который называется аннигиляция, при котором вся энергия тела «освобождается» — все тело превращается в субстанцию без массы, в электромагнитные волны, то есть в световое излучение. Во Вселенной существует так называемое антивещество[33] (антипротон обладает такой же массой, как и протон, но имеет противоположный электрический заряд — отрицательный; у антиэлектрона (позитрона) такая же масса, как у электрона, но он несет положительный электрический заряд). При взаимодействии частиц и античастиц происходит аннигиляция — вспышка света, излучение электромагнитных волн. Частицы при этом исчезают, их масса трансформируется в энергию электромагнитного излучения. Получается, что масса — это форма существования энергии. Масса вещества может преобразовываться в энергию (в форме электромагнитных или гравитационных волн). Замечательно и обратное: излучение (свет) может превращаться в частицы, имеющие массу! Мир оказался гораздо сложнее, чем мы предполагали.

Спустя три десятилетия теория Эйнштейна помогла объяснить, почему светят звезды. Оказалось, что при очень больших температурах и очень больших давлениях ядра атомов водорода могут, объединяясь, превращаться в ядра атомов второго по массе химического элемента — гелия. Это реакции ядерного синтеза, или, как нередко говорят, термоядерные реакции. Но суммарная масса получающегося гелия оказывается на 0,7 % меньше массы водорода, вступившего в реакцию. Куда девается недостающая масса? Она превращается в электромагнитное излучение, в точном соответствии с формулой Эйнштейна. Потому-то звезды (а значит, и наше Солнце) светят! В недрах Солнца происходят термоядерные реакции, основная часть водорода превращается в гелий, а небольшая часть массы водорода трансформируется в излучение. Оно-то и нагревает Солнце изнутри, из-за чего Солнце светит.

Такова же причина свечения всех звезд. Каждую секунду примерно 4 миллиона тонн водорода в недрах Солнца превращаются в излучение как побочный продукт реакции превращения водо­рода в гелий.

Эйнштейн продолжал работать. В 1917 году он создал общую теорию относительности — еще более удивительную концепцию, которая тоже (как и его специальная теория относительности) оказалась верной.

Ключевая идея общей теории относительности — влияние массы на пространство и время, и наоборот. До Эйнштейна пространство Вселенной рассматривалось как пассивное вместилище, некий пустой ­объем, который наполнен (частично) веществом, ­излучением и физическими полями. В этом объеме, как на сцене, разыгрывается грандиозный спектакль — светят и движутся звезды, объединенные в галак­тики, распространяется свет. Но считалось, что сцена не влияет на спектакль, а актеры не влияют на сцену.

Эйнштейн предположил, что это не так. Любая масса искривляет пространство и изменяет ход времени. Крошечные массы элементарных частиц (протонов, электронов и других) не в состоянии заметно изменить ткань пространства-времени. Но огромные массы крупных звезд, не говоря уже о массах сверхмассивных черных дыр (впрочем, о них Эйнштейн ничего не знал), заметно искривляют пространство-время!

Представим себе пространство Вселенной, лишенной каких-либо массивных объектов, как ровную, хорошо натянутую эластичную пленку. Поместим в такую Вселенную Солнце — положим на пленку тяжелый шар. Шар продавит пленку. Она прогнется, образуется впадина, и прямые линии, нарисованные на пленке, изогнутся вместе с ней. Чем тяжелее шар (чем больше его масса), тем сильнее окажется прогиб и тем сильнее искривится пленка (пространство).

Масса Солнца искривляет геометрию пространства-времени. Аналогия пространства с натянутой пленкой.

Искривление пространства действует на шарик, как гравитация.

Оказывается, эффект гравитации при таком рассмотрении легко объяснить. Поместим на пленку маленький шарик (планету). Он скатится в воронку к Солнцу. Для нас это будет выглядеть, как будто Солнце притянуло планету! А все дело в том, что под действием массы Солнца искривилось пространство вокруг него, и траектория шарика перестала быть прямой.

Чтобы шарик не скатился в воронку, нужно придать ему значительную скорость. Тогда он будет кататься вокруг большого шара, не скатываясь вниз. Так воспроизводится эффект кругового вращения планеты вокруг Солнца: если ее скорость больше некой критической скорости (мы называем ее первой космической), падения (скатывания в воронку) не будет.

Гравитация, согласно Эйнштейну, объясняется геометрией пространства-времени. Оказалось, что пространство может искривляться под влиянием массы. А искривленное пространство изменяет траектории движения небесных тел. И не только тел! Свет все­гда распространяется по прямой линии. Но если искривляется пространство, вместе с ним искривляется и проведенная в нем прямая линия. Значит, должна искривляться и траектория движения света. При прохождении вблизи огромных масс — массивных галактик или даже массивных звезд, путь света оказывается изогнутым. В плоском пространстве кратчайшая линия, соединяющая две точки, — это прямая. В искрив­ленном пространстве такая кратчайшая линия называется геодезической, и это уже не прямая линия, она изогнута вместе с пространством.

Пространство-время оказалось не просто холодным и пассивным объемом. Оно оказалось активным, реагирующим на концентрации масс и даже влияющим на события во Вселенной. Пространство-время в новой картине мира стало гибким, искривляемым, динамичным, колеблющимся, с изгибами, складками, бегущими волнами и даже проколами.

Но откуда нам известно, что Эйнштейн был прав? Что позволяет нам считать, что это не бессмысленные и беспочвенные фантазии чудаковатого профессора, не очередная умозрительная концепция, подобная пирамиде из слонов и китов, поддерживающих плоскую Землю? Почему мы решили, что специальная и общая теории относительности верны, несмотря на их утверждения, противоречащие обыденному опыту и здравому смыслу?

Специальная теория относительности — замечательный пример настоящей научной теории. Она логична и не имеет внутренних противоречий: если мы согласились с двумя исходными постулатами, все остальное неизбежно получается в качестве естественных следствий. Но самое главное, что теория относительности дает проверяемые предсказания. Она говорит, что при определенных измерениях должна получаться такая-то величина, а, например, при теории Ньютона должно получаться иное. Об обнаруженном замедлении часов на борту спутника выше уже говорилось. Было подтверждено и искривление луча света вблизи большой массы, которое предсказано общей теорией относительности.

Как зафиксировать искривление луча света, проходящего вблизи Солнца? Для этого был предложен красивый эксперимент. Во время полного солнечного затмения Луна загораживает нам Солнце, становится темно, и рядом с Солнцем можно увидеть яркие звезды. Значит, свет звезды проходит совсем рядом с Солнцем, и, согласно теории Эйнштейна, он должен искривиться. Земному наблюдателю должно показаться, что звезда как будто отодвинулась от Солнца. Если сравнить положение звезды на небе во время затмения (когда луч света проходит мимо Солнца) с положением этой же звезды, когда Солнце находится в другой части неба, эффект можно обнаружить. Расчеты Эйнштейна предсказывали, что отклонение звезды должно составить 1,75