Martins GARDNERS - RELATIVITĀTES TEORIJA VISIEM

2. nodaļas sākumā jau apskatījām, ka ir divi ceļi, kā noteikt absolūto kustību: mērīt to attiecībā pret gaismas staru vai izmantot inerces parādības, kuras rodas, paātrinot ķermeni. Pirmā ceļa neiespējamību jau pierādīja Maikelsona — Morleja eksperiments, bet Ein- šteina speciālā relativitātes teorija noskaidroja tās cē­loni. Šajā nodaļā pievērsīsimies otrai metodei — abso­lūto kustību centīsimies noteikt, izmantojot inerces parādības.

Kad kosmiskais kuģis kustas paātrināti, kosmonauts ar lielu spēku tiek iespiests savā krēslā. Tā ir parasta inerces parādība, kuru izraisa raķetes paātrinājums. Bet vai šī parādība pierāda raķetes kustību? Lai varētu pie­rādīt visu kustību relativitāti, tajā skaitā arī paātrinātas kustības relativitāti, raķete ir jāuzskata par nekustīgu atskaites sistēmu. Tādā gadījumā Zeme un visa kos­mosa telpa kustēsies it kā projām no raķetes. Bet vai, visu to redzot, varēsim izskaidrot spēku, kas iedarbo­jas uz kosmonautu? Atbilde ir skaidra — spēks, kas iespiež kosmonautu sēdeklī, noteikti pierāda, ka kustas raķete un nevis kosmoss.

-

Kā otru raksturīgu piemēru apskatīsim rotējošo Zemi. Zemei rotējot, inerces dēļ rodas centrbēdzes spēks, un Zemeslode ekvatoriālā virzienā izplešas (saplacinās

starp poliem). Ja jebkuru kustību uzskata par relatīvu, vai var pieņemt Zemi par nekustīgu atskaitēs sistēmu un uzskatīt, ka kosmoss griežas ap to? Protams, ka to tā varētu iedomāties, bet kā tad izskaidrot Zemes izple­šanos ekvatoriālā virzienā? Tieši tas pierāda, ka grie­žas pati Zeme un nevis Visums. Jāatzīmē, ka vēl jopro­jām starp astronomiem nav vienprātības par to, vai Zemes saplacināšanās ir notikusi agrākajos ģeoloģiskos laikmetos, kad Zemes viela bijusi plastiskāka vai šī saplacināšanās raksturīga Zemei arī pašreiz? Tā pa­liktu arī tad, ja Zeme vairāk negrieztos. Pilnīgi skaidrs ir tikai viens, ka tas noticis centrbēdzes spēku ietekmē.

Līdzīgi ir arī Ņūtona spriedumi par to, ka kustība nav relatīva. Kā piemēru viņš apskata ap vertikālu asi rotējošu spaini, kurā ieliets ūdens. Centrbēdzes spēka dēļ ūdens virsmas līmenis spainī ieliecas, un pie lie-

lākiem ātrumiem ūdens var pat izšļakstīlies pāri spaiņa malai. Nevar taču pieņemt, ka šajā gadījumā ūdeni tā iespaido rotējošais Visums, tātad, secina Ņūtons, jāpie­ņem, ka spaiņa griešanās ir absolūta.

Speciālā relativitātes teorija jau bija publicēta, bet vēl apmēram desmit gadus Einšteins turpināja risināt šīs problēmas. Tajā pašā laikā lielākā daļa fiziķu vispār neuzskatīja to par problēmu. Kāpēc gan vienmērīga kustība nevarētu būt relatīva, kā to nosaka speciālā relativitātes teorija, bet paātrinātā — absolūta? Turpre­tim Einšteinu tas neapmierināja. Viņš domāja, ka, ja vienmērīga taisnvirziena kustība ir relatīva, tad tādai jābūt arī paātrinātai kustībai. 1916. gadā, tas ir, vien­padsmit gadus pēc speciālās relativitātes teorijas izvei­došanas, Einšteins publicē vispārīgo relativitātes teo­riju, kas kā speciālu gadījumu ietver sevī arī speciālo relativitātes teoriju.

Vispārīgā relativitātes teorija ir ievērojami lielāks zinātnes sasniegums par speciālo. Nav šaubu, ka spe­ciālo relativitātes teoriju visai drīz būtu radījuši arī citi fiziķi, ja Einšteins nebūtu paspējis to formulēt.

Puankarē bija viens no tiem, kas nonāca ļoti tuvu šim atklājumam. Jau 1904. gadā savā slavenajā runā viņš paredzēja, ka veidosies pilnīgi jauna mehānika, kurā nebūs ātrumu, kas sasniegtu gaismas ātrumus, tāpat nebūs temperatūras, zemākas par absolūto nulli. Pēc viņa domām, tiks izveidots relativitātes princips, pēc kura fizikālu parādību likumi noderēs vienmēr — ne­atkarīgi no tā, vai novērotājs ir miera vai vienmērīgas taisnvirziena kustības stāvoklī, tātad nekad nevarēsim noteikt, kurā no šiem stāvokļiem mēs atrodamies. Tā­tad Puankarē intuitīvi izprata speciālo relativitātes teo­riju, viņš tikai neformulēja savas idejas. Einšteins tajā laikā vēl nezināja, cik tuvu viņa domām ir Puankarē, Lorenča un citu fiziķu atklājumi. Dažus gadus vēlāk, to uzzinājis, Einšteins ļoti augstu novērtēja šo zinātnieku izcilos darbus.

Kas attiecas uz vispārējo relativitātes teoriju, tad te stāvoklis bija pavisam cits. Kā izteicās Tellers, tas bija lielisks pārsteigums, apbrīnojami oriģināls un neparasts darbs. Zinātnes pasaulē tas radīja līdzīgu reakciju tai, kāda notika 1962. gadā A.SV deju zālēs, kad tajās ielau­zās pēdējās modes kliedziens — deja tvists. Einšteins izmainīja laika un telpas dejas vecos ritmus. Neticami īsā laikā katrs fiziķis vai nu dejoja šo jauno tvistu, ne­noliedzot, ka viņu pārņem baismas, vai sūdzējās, ka ir par vecu, lai iemācītos jauno deju. Protams, ja arī Ein­šteins nebūtu piedzimis, citi zinātnieki fizikā būtu ra­dījuši šādu pašu tvistu, tikai tad tas būtu noticis pēc vesela gadsimta vai varbūt vēl vēlāk. Zinātnes vēsturē nav daudz tādu teoriju, kuras būtu radījis tikai viens cilvēks.

«Ņūton, lūdzu, piedod man,» būdams jau vecs, rak­stīja Einšteins piezīmēs. «Savā laikā tu atklāji to vie­nīgo ceļu, kas bija visaugstākā cilvēka prāta un radošo spēju robeža.» Tā mūsdienu ģeniālākais zinātnieks pa­rāda cieņu savam ģeniālajam priekšgājējam.

Einšteina vispārīgā relativitātes teorija pamatojas uz tā saucamo ekvivalences principu. Šis princips ir pār­steidzošs apgalvojums (Ņūtons uzskatītu Einšteinu par bezprāti), ka smagums un inerce ir viens un tas pats. Te nav vienkārša runa par līdzīgām parādībām. Sma­gums un inerce ir divi dažādi termini vienas un tās pašas parādības apzīmēšanai.

Einšteins nebūt nav pirmais zinātnieks, kuru pār­steidza gravitācijas un inerces parādību dīvainā līdzība. Iedomāsimies, ka no viena un tā paša augstuma krīt lielgabala lode un maza koka lodīte un lielgabala lo­des svars ir simt reižu lielāks par koka lodītes svaru. Tas nozīmē, ka uz lielgabala lodi darbojas arī simt reižu lielāks smaguma spēks. Viegli saprast, kāpēc Galileja

pretinieki neticēja, ka šādas divas lodītes Zemi sasniegs reizē. Mēs tagad zinām, ka, novēršot gaisa pretestību, tas tiešām tā ir. Lai to izskaidrotu, Ņūtonam bija jāpie­ņem kaut kas ļoti. pārsteidzošs: ar tādu pašu spēku, ar kādu smagums velk lodīti uz leju, tam pretojas lodes inerce. Tik tiešām, lai gan uz lielgabala lodi darbojas simt reižu lielāks smaguma spēks nekā uz koka lodīti, tomēr arī inerce pretojās paātrināšanai simt reižu stiprāk.

Fiziķi parasti to izsaka citādi — smaguma spēks, kas darbojas uz ķermeni, vienmēr ir proporcionāls šī ķer­meņa inertajai masai. Ja ķermenis A ir divas reizes sma­gāks par ķermeni B, tad arī tā inertā masa ir divas rei­zes lielāka. Tāpēc, lai ķermenis A iegūtu to pašu beigu ātrumu, kāds ir ķermenim B, tam jāpieliek divas reizes lielāks spēks. Ja tā nebūtu, tad dažādu svaru ķermeņi kristu ar dažādiem paātrinājumiem.

Viegli var iedomāties tādu pasauli, kurā nepastāvētu šāda proporcionalitāte starp inerci un smaguma spēku. Laikā no Aristoteļa līdz Galilejam zinātnieki tieši tādu arī iedomājās pasauli. Tādā pasaulē mēs justos ļoti labi. Piemēram, mainītos apstākļi krītošā liftā. Tomēr mums ir laimējies, jo dzīvojam tādā pasaulē, kur šie abi spēki ir proporcionāli. Kā pirmais to pierādīja Galilejs. Vē­lāk — 1900. gadā ungāru fiziķis barons Rolands fon Etvešs ar precīzu eksperimentu apstiprināja Galileja novērojumus. Nesen visprecīzāko un vispusīgāko pār­baudi veica grupa Prinstonas universitātes zinātnieku. Precizitātes robežās, kuras viņi varēja sasniegt, gra­vitācijas masa vienmēr bija proporcionāla inertajai masai.