Звездочёты. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый

Малое Магелланово Облако – карликовая галактика, спутник Млечного Пути. Расположена в созвездии Тукана на расстоянии 200 тысяч световых лет.

Сказка о Королевстве Кривых Пространств и дневных звёздах

Королева Никки пришла на ужин к принцессе Дзинтаре. Дети Дзинтары – Андрей и Галатея – обрадовались и после ужина сразу потребовали:

– Расскажи сказку!

Королева давно знает: идёшь в гости к принцессе – неси сказку в зубах, а то принцессовы… то есть принцессины… дети живой не выпустят.

– Ох и хитрую сказку вам сейчас поведаю, сразу все ваши извилины в узелок завяжутся.

– Не завяжутся! – смело воскликнул Андрей.

– А мы маму попросим – она потом развяжет, – осторожно сказала Галатея. – Она даже мои шнурки ухитряется развязывать.

И Никки начала сказку:

– Жил-был мудрый учёный Эйнштейн. И любил он ставить мысленные эксперименты. Они очень удобны – ведь для них никакого оборудования не надо, кроме самого важного прибора – головы.

Придумал Эйнштейн такой мысленный 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, с яблони одновременно сорвётся яблоко. И полетят с одной высоты два предмета: ядро – над землей по пологой кривой, а яблоко – вниз по прямой. Кто быстрее достигнет земли – ядро или яблоко?»

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

Много выстрелов из своей мысленной пушки сделал Эйнштейн – его соседи даже забеспокоились и стали жаловаться в полицию на странные вибрации дома.

Какое бы тело ни брал Эйнштейн – свинцовое ядро, деревянное яблоко, лебединое перышко – все они падали на землю одинаково. Конечно, без влияния воздуха – в мысленном эксперименте весь воздух с планеты можно было откачать одним движением мысли.

«Почему все тела разного веса так одинаково себя ведут?» – задумался Эйнштейн. И думал он десять лет, десять месяцев и десять дней.

Наконец он понял, что объяснить поразительно одинаковое поведение разных предметов в гравитационном поле можно, если предположить, что каждое тело во время падения катится по невидимой искривлённой поверхности, как по рельсам. А рельсы – они прочные, им всё равно, кто по ним катится – тяжёлый поезд или лёгкая дрезина.

Тем самым открыл Эйнштейн 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 любят двигаться по самым прямым линиям без всякого ускорения. Эйнштейн подтвердил – именно так всё 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 не получится ничего прямее кривого меридиана.

Когда поезд едет между Москвой и Петербургом, то пассажирам кажется, что их дорога пряма как стрела, на самом деле они движутся по дуге на поверхности земного шара. Обитателям геодезической линии их жизнь и движение кажутся прямыми и равномерными, но их пространство искривлено, поэтому никому из его обитателей верить нельзя – только Мистеру Тензорному Анализу. Сами жители Кривландии не замечают, как они ускоряются возле Земли. Они при падении 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 сказал Андрей. – Потом я сам тебе всё распутаю.

Королева улыбнулась:

– Представить себе искривлённое пространство непросто. Люди тысячелетиями жили в прозрачном пространстве Евклида. Его легко описать тремя координатами, оно похоже на комнату со своей высотой, длиной и шириной. Отдельно от пространства существовало время, которое равномерно течёт сквозь наш мир – или несёт его вперёд, в будущее. В своей теории гравитации Эйнштейн связал три пространственные координаты и время в единое четырёхмерное пространство – и показал, что оно должно быть искривлено возле звёзд и планет! Такое искривлённое пространство описал ещё математик Риман, а Эйнштейн сумел доказать, что именно риманово пространство отвечает за ньютоновскую силу притяжения. Это была ошеломляющая мысль: таинственное время и неуловимое пространство оказались столь реальными и осязаемыми, что их странные свойства стали влиять на жизнь людей!

– Всё равно не понимаю… – жалобно сказала Галатея.

Никки пояснила:

– Я лично представляю искривлённое пространство в виде простой модели. Возьмите большой таз – или обруч. Натяните на него резиновую плёнку – например, от надувного шарика. Положите в середину плёнки тяжёлый металлический шарик. Он растянет плёнку и образует вокруг себя воронку. Теперь запустите по плёнке лёгкий шарик – например, от настольного тенниса. Он покатится по кривой – словно металлический шар его притягивает. Лёгкий шарик может даже выйти на спутниковую орбиту вокруг тяжёлого тела. Это прекрасная модель эйнштейновской теории гравитации.

– Хочу такой таз с плёнкой! – заявила Галатея.

– Сделаем! – уверенно кивнул Андрей.

А Никки продолжала:

– За десять лет упорных трудов Эйнштейн сумел вывести математические уравнения, которые описывают движение в искривлённом пространстве самых разных тел: маленьких девочек и огромных планет, тяжёлых пушечных ядер и обычных яблок-ранеток.

Впрочем, Ньютон тоже неплохо с яблоками справлялся.

«Надо бы проверить мою теорию на том случае, который Ньютон не смог объяснить», – подумал Эйнштейн.

Вот, например, 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, покрутил, посчитал – и доказал, что орбита этой горячей планеты не ладит с законом Ньютона, зато охотно подчиняется его, Эйнштейна, уравнениям. Значит, они правильны! Обрадовался Эйнштейн и опубликовал свои уравнения и закон, по которому гравитация – это не сила, а искривление пространства. Вернее, искривление пространства-времени, что означает ещё и замедление времени возле Солнца и Земли.

Что тут началось! Шум, гам, обиды, крики.

«Как так пространство может быть кривым? Сомнительное дело!»

Уж больно хитрый закон открыл Эйнштейн. Кто не верит, те бурчат, а кто верит, те молчат. Доказательства искривлённости пространства нужны, да такие прямые, чтобы никто не посчитал их извилистыми.

Тогда Эйнштейн сказал: «Искривление пространства можно увидеть своими глазами возле Солнца. Наше светило двигается и искривляет пространство