Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2005 № 02
Строго говоря, Галилей заблуждался. Если учесть сопротивление воздуха, то можно выяснить: разные объекты летят неодинаково. Так что в данном случае был прав Аристотель, некогда утверждавший: более тяжелые предметы летят быстрее легких. Но, на счастье Галилея, он этого не заметил, а потому на основе неправильно поставленного эксперимента сформулировал правильный вывод. А именно: заявил, что масса предмета (сопротивляемость перемещению) и его вес (сила притяжения Земли) хотя и являются совершенно различными свойствами тела, но почему-то имеют одинаковую численную величину!
Это, если вдуматься, крайне загадочное обстоятельство никто не мог объяснить долгое время. И даже сегодня объяснения все еще далеки от идеала. Эйнштейн тоже не стал вникать в суть явления, а просто посчитал его за аксиому. И пошел дальше, поставив довольно простой мысленный эксперимент.
Представим себе лифт с человеком, висящий в шахте, рассуждал ученый. Человек начинает ронять разные предметы на пол лифта и убеждается в их одновременном падении. Теперь вознесем лифт в космическое пространство и придадим ему ускорение с помощью ракеты, увлекающей его вверх. Человек опять роняет предметы и видит, что они, как и в предыдущем случае, падают одновременно. Таким образом, он не имеет никакой возможности выяснить, продолжает ли лифт висеть в шахте неподвижно или плавно движется вверх с ускорением силы тяжести!
Вывод отсюда таков, считает Эйнштейн, что гравитационное притяжение и движение вверх с соответствующим ускорением суть один и тот же процесс! В этом, кстати, и заключается знаменитый принцип эквивалентности в физике.
Однако Эйнштейн не успокоился и на этом. Он решил несколько усложнить ситуацию с лифтом. «Повесим на его внутренней боковой стенке фонарь, отбрасывающий узкий луч света на противоположную стенку, — продолжил он свои рассуждения. — Пока лифт неподвижен, луч фонаря идет по прямой до противоположной стенки. Но когда лифт увлекается ракетой вверх в космос, луч фонаря пересекает кабину и попадает на противоположную стенку несколько ниже, чем в первый раз! И это неудивительно, поскольку, пока луч пересекает кабину лифта, тот успеет сдвинуться вверх»…
Однако пассажир лифта вряд ли сможет верно истолковать происходящее. Поскольку он, как уже говорилось выше, не в силах определить, двигается лифт или стоит на месте, то, даже заметив, что «зайчик» от луча пополз вниз, должен прийти к странному выводу. Он решит, что луч света почему-то искривился!
А если так, продолжал свои рассуждения Эйнштейн, значит, в природе могут существовать условия, когда законы геометрической оптики окажутся нарушены. Угол падения будет не равен углу отражения, параллельные прямые где-то пересекутся…
В общем, свойства окружающего нас пространства-времени, решил Эйнштейн, весьма относительны. В зависимости от тех или иных конкретных условий, классические законы в них могут искажаться.
Какое-то время на рассуждения Эйнштейна смотрели как на своеобразную забаву теоретика. Ситуация мало изменилась и к 1916 году, когда на основании своих предыдущих мысленных экспериментов Альберт Эйнштейн разработал сначала специальную, а потом и общую теорию относительности.
Известный французский физик Поль Ланжевен как-то даже заявил, что рассуждения Эйнштейна в принципе способна понять едва ли дюжина людей во всем мире.
Однако в 1919 году, во время полного солнечного затмения, астрономам удалось зарегистрировать траекторию луча от дальней звезды, проходившего около поверхности Солнца. И они заметили, что луч… искривился. Стало быть, Эйнштейн прав: в природе могут существовать условия, приводящие к искажению законов геометрической оптики!
С той поры время от времени экспериментаторы продолжают ставить разные опыты в подтверждение этой теории. Не так давно, например, обнаружено хоть и незначительное, но все-таки изменение орбит двух маленьких искусственных спутников Земли.
Почему это событие всполошило физиков? Ведь изменение орбиты, к примеру, регулярно происходит с МКС — каждые сутки высота ее орбиты падает в среднем на 12 км вследствие торможения о верхние слои атмосферы. Однако в том-то и дело, что данные спутники типа LAGEОS (лазерные геодинамические сателлиты) были специально выведены на орбиту высотой 5900 км, где никакая атмосфера на них воздействовать не может. Тем не менее, орбиты спутников, как выяснилось, смещаются каждый год на 2 м. Причем у обоих одинаково, так что случайное воздействие исключено. Заметить столь небольшие изменения удалось благодаря тому, что поверхность спутников LAGEОS покрыта особыми зеркалами — ретрорефлекторами, которые способны возвращать лазерные лучи обратно на Землю, в то самое место, откуда они были посланы. Измеряя время, которое затрачивает каждый луч на возвращение от спутника, позицию последнего можно определить с точностью до нескольких миллиметров.
И вот Игнацио Чьюфолини из итальянского Университета Лечче и Эррикос Павлис из американского Университета Мэриленда в течение 11 лет собирали данные об изменениях орбиты. Всего ими было проведено около 100 млн. измерений, прежде чем они объявили о замеченном ими эффекте.
Объяснение же ему, ссылаясь опять-таки на Эйнштейна, они придумали такое. Всем известно, что, когда в атмосфере возникает смерч — этакий воздушный волчок, — он вовлекает во вращение и окружающие его частицы воздуха и пыли, даже мелкие и легкие предметы. А что происходит, когда вращается такое огромное и массивное небесное тело, как наша Земля? Она не только вовлекает во вращение всю атмосферу, но и околоземное пространство-время, в какой-то мере искажая, искривляя его. Вот эти-то искажения и влияют на движение спутников. В точности так, как это предсказывал Эйнштейн.
На том можно бы поставить точку. Однако далеко не все пока согласны с выводами итальянского и американского исследователей. Скептики справедливо указывают, что погрешность сделанных ими измерений достигает 10 %, а при такой точности немудрено и выдать желаемое за действительное. Поэтому полученные данные должны быть перепроверены. Для этого в апреле 2004 года в космос был запущен «Гравитационный зонд Б». Этот аппарат имеет на борту четыре прецизионных гироскопа (охлажденные почти до абсолютного нуля идеальные кварцевые сферы). Ось вращения таких гироскопов должна постоянно находиться в одном и том же направлении. Однако, если общая теория относительности справедлива, искривление пространства-времени массой Земли приведет к отклонению осей гироскопов примерно на 42 угловые миллисекунды в год.
Первые данные с «Гравитационного зонда Б» ожидаются в начале 2006 года. Пока исследователи выжидают, когда встревоженные вибрациями запуска гироскопы окончательно успокоятся. А вообще, как рассуждают специалисты, особенно зримо данный эффект должен проявить себя вблизи вращающейся черной дыры. Так что в будущем, кто знает, дело может дойти до запуска исследовательского зонда и в сторону этого загадочного объекта.
Вот какую сумятицу внес Альберт Эйнштейн в умы ученых. И сто лет спустя они все еще не могут успокоиться…
С.НИКОЛАЕВ
ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОПЫТНЫХ
Измерители жары и холода
Как измерить температуру? Вопрос этот не так прост, как может показаться на первый взгляд. Даже при болезни в мире все реже применяют айболитовские стеклянные термометры с серебристым столбиком ртути. Что же касается других случаев…
Температура — это движение?
Многие, впрочем, даже не задумываются о том, что они подразумевают, употребляя слово «температура». Жарко на улице, значит, у воздуха температура высокая, холодно — значит низкая.
Для физиков температура тоже не представляет загадки. С их точки зрения температура указывает на скорость теплового движения молекул. Как говорит физик из Йельского университета, доктор Роберт Фолькоп, «это некоторая мера беспорядочного движения молекул и атомов с различными степенями свободы».
Взять, например, молекулы воздуха или воды, которые беспорядочно ударяются друг о друга. При этом они передают друг другу энергию, причем распределение скоростей движения описывается нормальной кривой — колоколообразной линией, пик которой приходится как раз на среднюю температуру молекул. Чем выше температура, тем стремительнее они мечутся. С понижением же температуры движение все медленней, а при абсолютном нуле замирает совсем.
Шкалы градусников
Впрочем, прежде чем мы поговорим подробнее об измерениях температуры в некоторых экстремальных случаях, давайте сначала разберемся в нынешних шкалах температур. Откуда они взялись и почему и по сей день в обиходе сразу три разных шкалы?
