Martins GARDNERS - RELATIVITĀTES TEORIJA VISIEM

Protams, Ņūtons zināja par šo pārsteidzošo smaguma un inerces sakarību, kuras dēļ visi ķermeņi krīt ar vie­nādu paātrinājumu, tomēr viņš to nespēja izskaidrot. Ņūtons uzskatīja, ka tā ir pārsteidzoša sakrišana. Patei­coties tai, ar inerci var izmainīt gravitācijas lauku. Jau pirmajā nodaļā runājām par iespēju radīt mākslīgu gravitācijas lauku toroidālās formas kosmiskajā kuģī (barankas veida), ja tam kā ritenim liek vienkārši rotēt. Centrbēdzes spēks piespiedīs visus ķermeņus kuģa ārē­jai sienai. Pie noteikta rotācijas ātruma kuģa iekšpusē būs inerces spēku lauks ar tādu pašu iedarbību, kādi ir Zemes gravitācijas laukam. Tad kosmonauts, pastaigā­joties kuģī, jutīsies tāpat kā uz ieliektas Zemes virsmas. Visi mesti ķermeņi tāpat kritīs uz šīs grīdas,, dumi pa­celsies pret griestiem utt. Tatad visas paradības būs tieši tādas kā parastajā Zemes gravitacijas lauka. Ta ilustrācijai Einšteins iesaka šādu domu eksperimentu.

Iedomāsimies kosmosā liftu, kas kustas uz augšu ar

nepārtraukti pieaugošu ātrumu. Ja paātrinājums būtu nemainīgs un precīzi sakristu ar ķermeņa brīvas kriša­nas paatrinajumu, cilvēks lifta iekšpusē jutīsies tāpat kā Zemes gravitacijas laukā. Šādā veidā var ne tikai modelēt smagumu, bet arī to neitralizēt. Ja lifts krīt paatrinati Zemes gravitācijas laukā, cilvēks tajā būs bezsvara stāvoklī. Šāds stāvoklis uz Zemes būtu tad, ja 9 = 0 (g — brīvas krišanas paātrinājums). Tā būs arī

kosmiskajā kuģī, kamēr tas brīvi kritīs, tas ir, kamēr tā kustība notiks tikai smaguma spēku iespaidā. Šādu bezsvara stāvokli izjuta arī padomju un amerikāņu kosmonauti savos kosmiskajos kuģos, lidojot pa orbītu ap Zemi, jo kuģu dzinēji bija izslēgti un kuģu iekšpusē brīvas krišanas paātrinājums bija nulle.

Smaguma un inerces lielā līdzība nebija izskaidrota līdz tam laikam, kamēr Einšteins radīja savu vispārīgo relativitātes teoriju. Arī tagad, līdzīgi kā veidojot spe­ciālo relativitātes teoriju, Einšteins nāk klajā ar vis­vienkāršāko, tajā pašā laikā visdrosmīgāko hipotēzi. Atcerieties viņa pieņēmumu speciālajā relativitātes teo­rijā — iemesls, kāpēc mēs nemanām ētera vēju, ir tas, ka nekāda ētera vispār nav! Radot vispārīgo relativi­tātes teoriju, Einšteins saka — smagums un inerce iz­liekas viens un tas pats tāpēc, ka tas arī tiešām ir viens un tas pats!

Nav pareizi sacīt, ka brīvi krītošā liftā tiek neitrali­zēts Zemes pievilkšanās spēks. Tas tiek nevis neitrali­zēts, bet gan likvidēts. Gravitācija te tiešām izzūd. Līdzīgi tam nevar teikt, ka gravitācija modelējas rotē­jošā kosmiskā kuģī vai paātrinātā augšupejošā liftā. Arī šeit gravitācija nevis modelējas, bet gan rodas. Lai gan šādu gravitācijas lauku raksturo cita matemātiska forma nekā debesu ķermeņu (piemēram, Zemes) gravi­tācijas lauku, tomēr tas ir parastais gravitācijas lauks. Vispārīgajā relativitātes teorijā, tāpat kā speciālajā re­lativitātes teorijā, matemātiskais apraksts ir sarežģīts, taču iegūtā rezultāta vērtība to attaisno. Divu dažādu spēku vietā tiek atstāts tikai viens, bez tam vispārīgā relativitātes teorija paredz jaunus secinājumus, kurus eksperimentāli varētu pārbaudīt.

Pēc Einšteina ekvivalences principa — gravitācijas un inerces ekvivalences — visas kustības, arī paātrinātās, var uzskatīt par relatīvām. Kad Einšteina iedomātais lifts kosmosā paceļas paātrināti, tā iekšpusē novēro inerci. Taču teorētiski liftu varam iedomāties arī kā fiksētu nekustīgu atskaites sistēmu. Tādā gadījumā at­tiecībā pret liftu Visums ar visām savām galaktikām kustētos paātrināti lejup. Tāda paātrināta Visuma kus­tība rada gravitācijas lauku, kurā visi priekšmeti liftā

tiek piespiesti pie grīdas. Tātad var sacīt, ka visas šīs jaunās parādības ir nevis inerces, bet gravitācijas pa­rādības.

Bet kā tad ir patiesībā? Vai kustas lifts un rodas iner­ces parādība vai kustas Visums un rodas gravitā­cijas lauks? Tā jautāt nevar, jo nav taču nekādas īstas, absolūtas kustības. Ir tikai lifta relatīva kustība Vi­sumā. Šī relatīvā kustība rada spēku lauku, kuru ap­raksta vispārējās relativitātes teorijas vienādojumi. Kā nosaukt spēku lauku — vai par gravitācijas vai iner­ces, tas ir atkarīgs no atskaites sistēmas izvēles. Ja kā atskaites sistēmu izvēlamies liftu, tad to sauksim par gravitācijas lauku, ja kā atskaites sistēmu izvēlēsimies kosmosu — par inerces lauku. Gravitācija un inerce ir tikai divi dažādi vārdi, kurus lieto vienas un tās pašas parādības apzīmēšanai. Dabiski, ka vienkāršāk un ērtāk par mierā stāvošu atskaites sistēmu ir pieņemt Visumu. Tādā gadījumā neviens vairs nemēģinās lauku lifta iekšpusē nosaukt par gravitācijas lauku. Vispārīgā re­lativitātes teorija saka, ka šo lauku var arī nosaukt par gravitācijas, ja izvēlēta atbilstoša atskaites sistēma,

Nav tādu eksperimentu, ko varētu izdarīt liftā, lai pie­rādītu šāda pieņēmuma nepareizību.

Ja sakām, ka novērotājs liftā nevar noteikt, vai lauks, kas viņu piespiež pie grīdas, ir gravitācijas vai inerces, tad tas nebūt nenozīmē, ka viņš nevar atšķirt šo lauku no planētas (Zemes) gravitācijas lauka. Tā, piemēram, Zemes gravitācijas lauks ir ar sfērisku si­metriju, un tieši tādu nevar radīt, liftam paātrināti kus­toties Visumā. Ja no liela augstuma virs Zemes ļautu krist diviem āboliem, starp kuriem attālums būtu 1 metrs, tie krītot tuvotos viens otram, jo katrs no tiem kristu pa taisni virzienā uz Zemes centru. Taču iedomā­tajā liftā visi ķermeņi kritīs paralēli viens otram. Tātad atšķirību starp laukiem var noteikt ar eksperimentiem, bet ar šiem eksperimentiem nevar atšķirt inerci no gra­vitācijas, tas ir, eksperimentāli var atšķirt tikai tādus laukus, kuriem ir dažāda matemātiskā struktūra.

Analoga problēma pastāv arī uz rotējošās Zemes. Ve-

cais strīds par to, vai rotē Zeme, vai debess rotē ap Zemi, kā domāja Aristotelis, izrādās ir tikai strīds par atskaites sistēmas izvēli. Dabiski, ka vienkāršāk par at­skaites sistēmu ir pieņemt Visumu. Mēs sakām, ka Zeme griežas attiecībā pret Visumu un inerce sapla­cina Zemi, izstiepjot to ekvatoriālā virzienā. Par fiksētu atskaites sistēmu mēs varētu pieņemt arī Zemi, tikai tas ir ļoti neērti. Tādā gadījumā mēs teiktu, ka kosmoss griežas ap Zemi un rada gravitācijas lauku, kura iedar­bībā Zeme tiek saplacināta. Šāds lauks pēc savas mate­mātiskās struktūras gan atšķirtos no planētas gravitā­cijas lauka, un tomēr būs pareizi arī to nosaukt par gravitācijas lauku. Ja par nekustīgu atskaites sistēmu mēs izvēlētos Zemi, būtu pareizi mūsu izteicieni, jo mēs taču sakām, ka Saule no rīta uzlec, bet vakarā noriet,

un ka Lielais Lācis griežas ap Polārzvaigzni. Kurš uz­skats ir pareizais? Jautājumam atkal nav jēgas. Tas būtu tikpat, it kā oficiants jums jautātu, vai jūs vēlaties saldējumu uz kūkas vai kūku zem saldējuma.

Iedomāsimies, ka kosmoss ir apbruņots ar kādām knaiblēm, ar kurām var satvert jebkuru ķermeni. Tālāk 7. nodaļā apskatīsim jautājumu par šo knaibļu izcel­šanos. Kamēr ķermenis Visumā kustas vienmērīgi un taisnā virzienā, Visums šai kustībai nepretojas. Bet, tiklīdz mēģināsim ķermeņa kustību izmainīt (paātrināt vai palēnināt), knaibles satvers ķermeni. Ja uzskatīsim Visumu par nekustīgu atskaites sistēmu, tad satveršana knaiblēs būs kā ķermeņa inerce un tā pretestība kus­tības maiņai. Ja par nekustīgu atskaites sistēmu uzska­tīsim ķermeni, tad saņemšana knaiblēs būs gravitācija un Visuma mēģinājums turēt ķermeni nevienmērīgā kustībā attiecībā pret to.