Как пространство может быть искривленным
13 января
683 дочитывания
4 мин.
Физика XX века цинично надругалась над интуитивным, наивным представлением о мире, воспитанном с тех времен, когда стада людей кочевали по саванне. Всё, решительно всё оказалось не таким, как кажется, за пределами привычных масштабов. Квантовые сюрпризы отложим на другой раз, а пока поговорим о релятивистских.
С одной стороны, есть математическая теория, в которой есть пространства, метрика, кривизна, геодезические линии, конусы, шары, цилиндры, поверхности и т.п., но какое отношение это имеет к реальности? Что такое реальное пространство?
Я уже говорил, что определение пространства-времени дать можно, но легче от этого не станет. Физика — наука экспериментальная, и отталкиваться надо от измеримых вещей: расстояний, интервалов времени, углов, направлений, интервалов, скоростей, ускорений, траекторий и т.д. "Что такое" — вопрос философский, а для физика это нечто, обладающее "вот такими" свойствами. И почему бы и не кривое? Математически-то всё уже готово! И вот этот аппарат дает проверяемые предсказания, а большего от него и не ждут.
Учебник по релятивистике начинается с декларации, что можно измерять расстояния и есть часы, и принципов относительности и постонства сокрости света. Далее идет логический вывод формул. То, что часы везде показывают одно и то же время, не предполагается, и правильно: так как почему бы?
А "что же такое на самом деле Пространство", пусть философы фантазируют.
Но я хочу о другом. А в классике как? Там тоже есть пространство и тоже есть время. И если вдуматься, то никуда без этих понятий! Шарик — геометрия! Точка — тоже! Вектор. Линия. Всё! Вы не сможете дать физическое описание чего бы то ни было, не определив пространство и время. А как вы будете это делать? И почему пространство у вас обязательно будет плоское, евклидово? Откуда это известно? Нет никаких оснований считать так, кроме интуиции, но она в данном случае ненадежна.
А время? Определить время очень сложно, потому что — через что? В теории относительности сразу вводится четырехмерное простанство-время, и всё понятно. А иначе — как? Через периодические процессы нельзя, потому что периодчность определяется через время.
Давайте обсудимпоподробнее
кривизну: можно ли ее выявить, не выходя за рамки пространства?
Можно! Это внутренняя характеристика пространства. Я приведу пример.
Рассмотрим планету без морей, например, Галлифрей. Там прямые, совершенно прямые дороги. Вы знаете, что такое прямая дорога? Вот, они там абсолютно прямые. Настолько, что руль на автомобилях заблокирован и повороты платные, причем левый дороже правого.
Галлифрей.Итак, некий таймлорд по имени Блокнот садится в машину, которая стоит носом по Меридиональному шоссе №0, и едет прямо одну сотую радиуса планеты. Там он платит пошлину и поворачивает направо, проезжая еще одну сотую радиуса, и паркуется у офиса. Вечером он садится в машину, платит пошлину и поворачивает направо (на меридиональное шоссе с каким-то номером), проезжая одну сотую радиуса, опять платит и поворачивает, и через одну сотую радиуса он дома. Он платит последний раз, ставя машину носом вдоль Меридионального шоссе №0. Он выполнил четыре поворота вправо на 90 градусов каждый, выполнив полный разворот. Участок поверхности планеты практически плоский.
Дом — синий. Вверх, вправо, вниз, влево (на схеме). Четыре правых поворота.Летом Блокнот с женой отправился в путешествие. Они проехали четверть длины меридиана (примерно полтора радиуса), и только потом повернули направо. Проехали еще столько же, и опять повернули направо, на Меридиональное шоссе №90. Покрыв полтора радиуса, они дома. Платят последний раз, ставя машину носом куда надо.
Три поворота. Изогнутый участок таков лишь на плоской схеме, а дорога идеально прямая.Выполнено ТРИ поворота направо, каждый на 90 градусов, и это полный разворот.
А можно было проехать половину круга и вернуться по шоссе №180, сделав всего ДВА поворота на 90. А можно просто ехать по Меридиональному шоссе не сворачивая, пока не приедешь домой. БЕЗ ПОВОРОТОВ.
Так проявляется кривизна поверхности планеты. Чем больше площадь участка, который охвачен контуром, тем сильнее поворот касательного вектора.
Нет никакой необходимости выходить в пространство, чтобы установить кривизну планеты: достаточно просто поездить по прямым дорогам.
Теперь как определить, что луч света движется по кривой линии, а не по прямой, если нет эталона.
Дело в том, что эталон есть. Мы не живем в раз навсегда искривленном пространстве. Мы знаем, как выглядят прямые линии, потому что искривления пространства Землей и Солнцем на разумных расстояниях не очень велики, и лучи света дают хороший эталон прямоты. А вот если луч проходит вблизи Солнца, он искривляется более заметно, и это можно заметить. Звезда как бы "прыгает" в сторону.
Мы видим звезду в том положении, которое указано слева. Но когда лучи прходят по вблизи Солнца, они искривляются, и видимое положение звезды смещается. Если бы Солнце и звезды были всегда неподвижны, разобраться было бы трудно, но Солнце движется по небу, и сравнение доступно.Приведу пример. В город приходят торговцы с Севера, и заходят в северные ворота. Видя караван с севера, мы делаем вывод, что они там, на Севере, и живут; раз пришли по прямой дороге с Севера.
Карта города. Стена, ворота, дороги, улицы. Караван с севера может искривить свой путь по ряду причин и войти в другие ворота.Вдруг на пути каравана встал отряд. Караван не пройдет, так как будет торговать с солдатами. Зато другой караван, который шел мимо города, завернет и войдет в северо-восточные ворота. А другой такой же караван войдет в северо-западные. Мы увидим тех же торговцев, что и в прошлом году, но пришедших с северо-востока. А может быть, члены одной и той же семьи торговцев придут в разные ворота, и как будто бы с разных направлений.
Это аналог линзирования.
Если бы эволюционировали в условиях сильных гравитационных полей, мы были бы привычны к линзированию. Заслонил житель нейтронной звезды бутылку с ядерным нектаром спиной — а супруга увидела ее, да еше и два раза. Потому что, хотя лучи, которые шли от бутылки в ее глаза, уткнулись в непрозрачную спину, те лучи, что шли мимо, изогнулись и попали в глаза. Этот эффект может быть замечен и понят без анализа ситуации в объемлющем пространстве.
Линзирование. Багровый круг — подруга жителя нейтронной звезды, красный — сам житель. Темно-зеленый — сосуд с нектаром. Зеленые лучи показывают, почему сосуд видно.
Древовидный вид
