Martins GARDNERS - RELATIVITĀTES TEORIJA VISIEM

Tagad iedomāsimies, ka pie nokritušā ābola pienāca kāds zēns un tam iespēra ar basu kāju. Viņš tūlīt sāpēs iekliedzās, jo bija sasitis pirkstu. Ņūtons teiktu, ka šajā gadījumā zēna kājas spērienam pretojās ābola inerce. Tāpat, varētu teikt arī Einšteina pēctecis, bet viņš va­rētu to izskaidrot arī citādi: zēna kājas pirksti rada visa kosmosa (arī pašu pirkstu) paātrinātu kustību at­pakaļ. Tas viss savukārt rada gravitācijas lauku, kurš tad ar lielu spēku pievelk ābolu pie pirkstiem. Šādu situāciju matemātiski var aprakstīt ar vienu un to pašu telpas-laika vienādojumu sistēmu. Bet, izmantojot ekvi­valences principu, to var arī aprakstīt, izmantojot Ņū­tona formulējumus — gravitāciju, inerci.

Tātad relativitātes teorija aizvieto gravitāciju ar tel­pas-laika ģeometrisku izlieci, bet tomēr nedod atbildes uz daudziem svarīgiem jautājumiem. Vai šī izliekšanās notiek momentāni visā telpā, vai tā izplatās līdzīgi vil­nim? Lielākā fiziķu daļa uzskata, ka izliekšanās pār­vietojas līdzīgi vilnim, pie tam ar gaismas ātrumu.

Pastāv arī hipotēze, ka gravitācijas viļņi sastāv no ļoti mazām, sīkām, nedalāmām daļiņām, kurām piemīt no­teikta enerģija. Šīs daļiņas sauc par gravitoniem. To­mēr līdz šai dienai nav izdarīts tāds eksperiments, kas būtu konstatējis vai nu viļņus, vai gravitonus.

Prinstonas universitātes fiziķis Roberts Diks uzskata, ka ar laiku gravitācija kļūst vājāka. Tā, piemēram, Zemes gravitācija samazinājusies par 13 procentiem salīdzinājumā ar Zemes izcelšanos apmēram pirms čet­riem līdz pieciem miljardiem gadu. Ja tas tiešām tā būtu, tad, Zemei palielinoties, uz tās virsmas jārodas plaisām. Jāpalielinās būtu arī Saulei. Pirms diviem mil­jardiem gadu Saulei bija jābūt mazākai, blīvākai un karstākai. Tas izskaidrotu, kāpēc agrākajos ģeoloģiska­jos laikmetos uz lielākās Zemes daļas bija tropisks kli­mats. Protams, ka šādi uzskati joprojām ir tikai minē­jumi. Un tomēr varbūt jau pēc neilga laika varēs radīt tādus eksperimentus, ar kuriem varētu pārbaudīt šo Dika teoriju.

Lai gan relativitātes teorija ļauj izprast un aprakstīt gravitāciju, tā joprojām vēl ir noslēpumaina, maz iz­skaidrota parādība. Neviens vēl nezina, kā tā saistīta un vai tā vispār saistīta ar elektromagnētismu. Einšteins un arī citi zinātnieki gan mēģināja radīt vienota lauka teoriju, kas aprakstītu gravitāciju un elektromagnē­tismu ar vienotu matemātisku vienādojumu sistēmu, tomēr rezultātu vēl nav. Var būt, ka tas kādreiz izdo­sies kādam no šīs grāmatas jaunajiem lasītājiem, kas būs apveltīts ar radošo ģenialitāti līdzīgi Einšteinam.

Vai arī vispārīgo relativitātes teoriju apstiprina eks­perimenti? Jā, kaut arī ne tik pilnīgi kā speciālo rela­tivitātes teoriju. Tādu teorijas apstiprinājumu var iegūt, pētot tuvāko Saules planētu Merkūriju. Merkūrijs kus­tas pa elipsi, bet šī elipse lēni griežas. Izmantojot Ņū­tona gravitācijas vienādojumus, to var izskaidrot, ievē­rojot citu planētu iedarbību. Un tomēr, veicot šādus aprēķinus, precīza atbilde parāda, ka pagriešanās šī iemesla dēļ ir vēl lēnāka, nekā to novērojam. No Ein­šteina vienādojumiem var secināt, ka planētas eliptis­kās orbītas pagriešanās notiek pat tad, ja tuvumā nav citu planētu. Šādi aprēķinātā Merkūrija orbīta ir daudz

tuvāka reālajai nekā Ņūtona aprēķinātā. Tā kā pārējās planētas kustas pa gandrīz riņķveida orbītām, tad šādu efektu novērot ir daudz grūtāk. Tomēr pēdējos gados noteiktas Venēras un Zemes orbītas, un rezultāti pilnīgi sakrīt ar tiem rezultātiem, ko iegūst aprēķinu ceļā ar Einšteina vienādojumiem.

Einšteins arī paredzēja, ka Saules spektra līnijas ir nedaudz nobīdītas uz sarkanās robežas pusi, jo pēc vispārīgās relativitātes teorijas vienādojumiem spēcīgi gravitācijas lauki iedarbojas uz laiku bremzējoši. Tas nozīmē, ka jebkurš periodisks process, piemēram, atoma svārstības vai pulksteņa tikšķi, uz Saules palē­nināsies salīdzinājumā ar ilgumu uz Zemes. Šāda peri­oda palēnināšanās samazina svārstību frekvenci, kas savukārt nozīmē viļņu garuma pieaugšanu, un tas tad arī rada Saules spektra sārtošanos. Šāda Saules spektra pārbīde ir tiešām novērota arī eksperimentāli, un tomēr tas vēl pietiekoši neapstiprina vispārīgo relativitātes teoriju, jo šai parādībai var būt arī daudzi citi izskaid­rojumi. [1] Sīriusam ir pavadonis, ļoti tuva zvaigzne, ko sauc par Balto pundurzvaigzni. Tās masa ir tik liela, ka sarkanajai pārbīdei jābūt trīsdesmit reizes lielākai nekā Saules radītajai, tāpēc Baltās pundurzvaigznes spektrā mērījumi vislabāk noderēja teorijas pierādī­jumam. Tomēr vispārliecinošākais pierādījums par gra­vitācijas iespaidu uz laiku iegūts tikai nesen, pie tam laboratorijas apstākļos. Par to pastāstīsim 8. nodaļas beigās.

Vissensacionālāk vispārīgo relativitātes teoriju mē­ģināja pārbaudīt 1919. gadā pilna Saules aptumsuma laikā. Ja starpplanētu telpā paātrināti uz augšu ceļas lifts, tad lifta iekšpusē no sienas uz sienu paralēli grī­dai ejošs gaismas stars nolieksies uz leju — mainīs savu trajektoriju, — tas izveidos parabolu. To var iz­skaidrot ar inerces parādību, bet saskaņā ar relativi­tātes teoriju mēs varam arī uzskatīt liftu par nekustīgu atskaites sistēmu. Šādā gadījumā šo stara trajektorijas izmaiņu var uzskatīt par gravitācijas iedarbības rezul­tātu. Tas nozīmē, ka gravitācija var izliekt gaismas stara trajektoriju. Šī izliekšanās ir tik niecīga, ka to nevar konstatēt ar laboratorijas eksperimentiem. To­mēr var izmantot astronomiskos novērojumus, piemē­ram, pilnu Saules aptumsumu, kad Mēness aizsedz

Sauli. Tad kļūst redzamas tādas zvaigznes, kuras atro­das tuvu aiz Saules fotosfēras malas. Šo zvaigžņu gais­mas stari savā ceļā šķērso Saules gravitācijas lauku tur, kur tas ir visspēcīgākais. Ja tiešām varētu novērot šo zvaigžņu pārbīdi, tad būtu skaidrs, ka Saules gravitā­cija izmaina stara trajektoriju. Jo lielāka pārbīde, jo lielāks trajektorijas izliekums.

Visu to iztēlojoties, tomēr jāatceras, ka, iedomājo­ties gaismas stara ceļa izliekumu gravitācijas vai iner­ces dēļ, šīs parādības apskatītas trīskoordinātu sistēmā. Šādā telpā stara ceļš tiešām izmainās. Bet Minkovska telpas-laika četrdimensiju pasaulē gaisma tāpat kā kla­siskajā fizikā izplatās pa ģeodēzisko līniju, tas ir, tā izvē­las vistaisnāko ceļu. Mūsu iedomātais četrdimensiju zinātnieks, atzīmējot savā telpas-laika kartē gaismas stara ceļu, vienmēr to attēlotu kā taisni neatkarīgi no tā, vai tas iet vai neiet cauri spēcīgiem gravitācijas laukiem.

1919. gadā uz Āfriku devās zinātniska ekspedīcija, ko vadīja angļu astronoms Edingtons. Šīs ekspedīcijas galvenais uzdevums bija pilna Saules aptumsuma laikā precīzi noteikt tuvu Saules diskam esošās zvaigznes. Gaismas stara noliekšanos gravitācijas laukā paredzēja jau arī Ņūtona fizika, bet pēc Einšteina vienādojumiem tai jābūt apmēram divas reizes lielākai. Tātad eksperi­mentos varēja iegūt vismaz vienu no šādiem trim re­zultātiem.

1. Zvaigžņu stāvoklis neizmainās.

2. Novirzes lielums ir tuvu Ņūtona aprēķinātajām novirzēm.

3. Novirzes lielums ir tuvs tam, ko paredzēja Ein­šteins.

Ja iegūtu pirmo rezultātu, tad jānoraida gan Ņū­tona, gan Einšteina teorijas. Otrais rezultāts runātu par labu Ņūtonam un noraidītu Einšteina teoriju, bet trešais rezultāts runātu par labu Einšteinam un noraidītu Ņū­tonu. Tajā laikā bija populāra anekdote par diviem šīs ekspedīcijas astronomiem, kuri apsprieda šīs trīs iespē­jas.