Жил-был мудрый учёный Эйнштейн. И любил он ставить мысленные эксперименты...

Альберт Эйнштейн (1879—1955), физик-теоретик, не побоявшийся искривить пространство. Фото Фердинанда Шмутцера.

Искривлённое пространство вокруг Земли. Иллюстрация Джонстоуна.

Артур Эддингтон (1882—1944), британский астрофизик, измеривший искривление пространства вокруг Солнца.

Во время полного солнечного затмения «чёрное» Солнце позволяет увидеть звёзды средь бела дня. Фото А. Эддингтона, сделанное в Африке в 1919 году.

Согласно Кеплеру, в простейшем случае (в задаче двух тел) эллиптическая орбита планеты должна быть неподвижной (красная линия).

Крест Эйнштейна. В центре — галактика, которая превращает одно изображение более далёкого квазара в четыре миража вокруг себя. Фото НАСА, ЕСА и Института телескопа Хаббла.

Чёрная дыра в десять солнечных масс на фоне Млечного Пути (так она могла бы выглядеть с расстояния 600 км). Картина Юте Крауса. Автор фоновой картины Аксель Меллингер.

Жёлтая галактика искривляет пространство и превращает изображение более далёкой голубой галактики в подкову. Фото ЕСА, Института телескопа Хаббла и НАСА.

Скромный дом Эйнштейна в Принстоне. Ни музея, ни мемориальной доски, но память о великом учёном в этих традиционных атрибутах не нуждается.

Королева Никки пришла навестить принцессу Дзинтару. Дети Дзинтары — Андрей и Галатея — обрадовались и после ужина сразу потребовали:

— Расскажи сказку!

Королева давно знает — идёшь в гости, неси сказку в зубах, а то принцессовы, то есть принцессины, дети живой не выпустят.

— Ох и хитрую сказку вам сейчас поведаю, сразу извилины в узелок завяжутся.

— Не завяжутся! — смело воскликнул Андрей.

— А мы маму попросим, она развяжет, — осторожно заметила Галатея. — Она даже мои шнурки ухитряется развязывать.

И Никки начала сказку:

— Жил-был мудрый учёный Эйнштейн. Любил он ставить мысленные эксперименты. Они очень удобны — ведь для них никакого оборудования не надо, кроме самого важного прибора — головы. И придумал Эйнштейн такой эксперимент: «Найдём огромный гладкий пустырь. Поставим на пустыре пушку, которая стреляет круглыми ядрами параллельно земле, то есть горизонтально. Посадим рядом с пушкой невысокую яблоню с большими яблоками. Когда пушка выстрелит, одновременно с яблони сорвётся яблоко. И полетят с одной высоты два предмета: ядро — над землёй по пологой кривой, а яблоко — вниз по прямой. Кто быстрее достигнет земли — ядро или яблоко?»

Провёл он мысленный эксперимент и получил удивительный результат: ядро и яблоко ударятся о землю одновременно, только очень далеко друг от друга.

Много «выстрелов» сделал Эйнштейн в своей голове — его соседи даже забеспокоились и стали жаловаться в полицию на странные вибрации дома. Какое бы тело он ни брал — свинцовое ядро, деревянное яблоко, лебединое пёрышко, — все они падали на землю одинаково. Конечно, без влияния воздуха — в его эксперименте весь воздух «откачали» с планеты одним движением мысли.

«Почему все тела так одинаково себя ведут?» — задумался Эйнштейн. Думал он десять лет, десять месяцев и десять дней. И наконец понял! Объяснить поразительно одинаковое поведение разных предметов в гравитационном поле можно, только предположив, что каждое тело во время падения катится по невидимой искривлённой поверхности, как по рельсам. А рельсы — они прочные, им всё равно, что по ним катится — тяжёлый поезд или лёгкая дрезина.

Так Эйнштейн открыл новый закон: тяготение — это движение в искривлённом пространстве вокруг массивных тел. Как санки с горы катятся вниз, так и все тела падают в искривлённом пространстве Земли или Солнца.

Галилей открыл закон, по которому тела двигаются по самым прямым линиям без всякого ускорения. Эйнштейн подтвердил — именно так и происходит даже в искривлённом пространстве возле Земли. Да вот только самая прямая линия в кривом пространстве тоже кривая и называется геодезической. Попробуйте нарисовать прямую линию на поверхности глобуса — у вас ничего не получится прямее кривого меридиана.

На геодезической линии жизнь и движение кажутся прямыми и равномерными, но пространство искривлено, поэтому никому из его обитателей верить нельзя, только мистеру Тензорному анализу*. Сами жители Кривландии не замечают, как они ускоряются возле Земли. При падении они испытывают невесомость — летят, нежатся, а потом — хлоп! — прибыли, вылезай: рельсы закончились на земной поверхности. Кто ушибся — Эйнштейн не виноват.

— Готово дело, у меня ни одной незапутанной извилины не осталось! — воскликнула Галатея.

— Не мешай, — нетерпеливо махнул рукой Андрей. — Потом я сам тебе всё распутаю.

Королева улыбнулась и продолжила:

— За десять лет упорных трудов Эйнштейн сумел вывести математические уравнения, которые описывают движение в искривлённом простран-стве самых разных тел: и огромных планет, и пушечных ядер, и обычных яблок. Впрочем, Ньютон тоже неплохо с яблоками справлялся.

«Надо бы проверить мою теорию применительно к случаю, который Ньютон не смог объяснить», — подумал Эйнштейн. Планета Меркурий, которая движется ближе всех к Солнцу, давно доставляла хлопоты астрономам, двигаясь немного быстрее, чем нужно по законам Ньютона. Эйнштейн мысленно поймал Меркурий, засунул его в мясорубку своих уравнений, прокрутил, посчитал и доказал, что орбита этой горячей планеты не ладит с законом Ньютона, зато охотно подчиняется его, Эйнштейна, уравнениям. Значит, они правильны! Учёный обрадовался и опубликовал свои уравнения и закон, по которому гравитация — это не сила, а проявление искривления пространства.

Что тут началось! Шум, гам, обиды, крики: «Как пространство может быть кривым?! Сомнительное дело!» Уж больно хитрый закон открыл Эйнштейн. Кто не верит, те бурчат, а кто верит, те молчат. Доказательства нужны, да такие прямые, чтобы никто не посчитал их извилистыми.

Тогда Эйнштейн сказал: «Искрив-ление пространства можно увидеть своими глазами возле Солнца. Наше светило движется и искривляет пространство — будто линза по небу плывёт. И звёзды вокруг Солнца начинают раздвигаться. Понаблюдайте за звёздами возле Солнца, тогда и увидите искривлённость пространства!»

Королева Никки развела руками:

— Непростое условие поставил мудрый Эйнштейн. Как же увидеть звёзды возле самого Солнца, если днём светло и звёзд не видно? Долго ломали голову учёные, но всё-таки придумали. Ну-ка, кто из вас догадается, какой есть способ увидеть звёзды днём, да ещё возле самого Солнца?

— Из колодца звёзды видны днём! — воскликнул Андрей.

— Нет, это миф: не научная, а простая сказка.

— А если в телескоп посмотреть? — спросила Галатея.

— Тоже не получится. Голубое небо светит ярче звёзд, поэтому они не видны днём. Есть только один способ: дождаться времени, когда солнце днём не светит.

— А что, солнце днём может не светить? — удивился Андрей.

Никки ответила зловещим голосом:

— Есть такое страшное время, когда солнце днём становится чёрным-чёрным, оно висит над головой, но не светит... И небо тоже превращается из голубого в чёрное-чёрное... даже в полдень на таком чёрном небе видны все звёзды. И называется...

Голос королевы стал завывающим, страшным, как у привидения.

— ...такое жуткое время называется... полное солнечное затмение!

— Ой! — взвизгнула Галатея.

— А-а... — разочарованно сказал Андрей, ожидавший какого-нибудь дракона или волшебника. — Это когда Луна загораживает от нас Солнце.

— Да, и на Земле наступает тьма среди дня. Солнечное затмение длится несколько минут. За такое короткое время трудно успеть замерить положения звёзд возле Солнца. Вызвался решить непростую задачу знаменитый астроном и математик английский лорд Эддингтон. Он по-плыл на корабле в далёкую Западную Африку, где ожидалось полное затмение Солнца. Много приключений пережила экспедиция Эддингтона в южных морях, но сумела сфотографировать «чёрное» Солнце и звёзды возле него.

— И как? Удалось лорду Эддингтону увидеть искривлённое пространство? — нетерпеливо спросил Андрей.

— Да, учёные обнаружили, что известный рисунок звёздного неба вокруг чёрного Солнца действительно изменился — словно к Солнцу при-клеили большую прозрачную линзу.

— Вот здорово! — сказала Галатея. — Значит, мы все — жители Королевства Кривых Пространств!

— А есть какой-нибудь более простой способ увидеть искривлённое пространство? — поинтересовался Андрей. Не дожидаясь солнечного
затмения?

— Сейчас уже есть такой способ. Когда появились крупные космические телескопы, выяснилось, что вид далёких галактик искажается в искривлённом пространстве возле более близких галактик. Изображение далёких звёздных скоплений может двоиться, троиться и даже размазываться в кольцо. Но в начале двадцатого века можно было увидеть только смещение звёзд возле Солнца.

Эддингтон послал из Африки телеграмму о том, что Эйнштейн оказался прав. И все мировые газеты опубликовали текст телеграммы. В мире как раз только что закончилась — а кое-где она ещё продолжалась — большая война. Люди очень устали от неё, устали каждый день открывать газеты и читать про смерти и ужасы. И вот, в один прекрасный день они открыли утренние газеты и узнали, что учёные нашли искривлённое пространство вокруг Солнца. Все обрадовались, что встречаются такие чудеса на этом свете.

Альберт Эйнштейн сразу стал самым знаменитым учёным в мире, хотя многие всё равно не понимали, что такое кривое пространство, которое на вид такое прямое, и как оно заставляет Землю притягивать к себе все предметы.

«Неужели после сытного ужина нам трудно встать из-за искривлённого пространства? — думали люди, почёсывая затылки. — Вот если штанами зацепиться за искривлённый гвоздь в стуле — это как-то понятнее...»

Даже став самым знаменитым в мире учёным, Эйнштейн продолжал жить в скромном домике на тихой улице в университетском городке Принстоне. Как-то раз у его дома собралась большая толпа. «Ты очень умный! Стань нашим президентом!» — закричали жители мудрому Эйнштейну, который выглянул в окошко.

«Извините, не могу, — ответил учёный. — Я сейчас обдумываю удивительную идею. Оказывается, если взять искривлённое пространство из пяти измерений, то можно вывести уравнения, которые будут описывать не только гравитацию возле ветки, но и электричество в розетке...»

Послушали, послушали люди, ничего не поняли и подумали: «Ох уж этот Эйнштейн, часы всем перепутал, пространство искривил, энергию с массой перемешал, а всё никак не успокаивается...» — и разбрелись по своим домикам, улеглись в мягкие кроватки и забылись мирным сном.

Может, и вам, дети, спать пора?

Комментарии к статье

* Тензорный анализ — раздел математики, широко применяемый в физике и в общей теории относительности при изучении искривлённых пространств. Тензоры используют в описании инвариантных (не зависящих от геометрических координат и движения наблюдателей) свойств объектов.

№9, 2012