Знание-сила, 2004 № 06 924)

Но оно-то, время, не стоит на месте, не мирится с незыблемыми формулировками и авторитетами, заставляя пересматривать с высоты сегодняшнего дня, казалось бы, неизменные истины.

Вот и в таких, вроде бы навсегда установленных положениях, как законы Архимеда и Ньютона, неутомимые исследователи по сию пору пытаются отыскать "прорехи". Не дает покоя и фигура самого Ньютона, со стереотипным представлением о которой не могут смириться историки.

Новое в привычном мире науки — наверное, такой "шапкой" можно объединить эти несколько сюжетов.

Известно, что теория относительности Эйнштейна (ее иногда называют еще "специальной" или "частной" теорией относительности, чтобы отличить от "общей", как называют эйнштейнову же теорию гравитации) полны м-полна парадоксов. Частная теория относительности утверждает, например, что два близнеца, один из которых совершил кругосветное или космическое путешествие с околосветовой скоростью, а другой оставался дома, состарятся по-разному.

Копье, влетающее с околосветовой скоростью в ящик, длина которого равна длине копья, может, с точки зрения одного наблюдателя, поместиться в ящике, а с точки зрения другого — пробить его насквозь. И так далее. Парадоксы эти эффектны, но всегда разрешимы. Внимательное, осторожное и последовательное рассуждение быстро показывает, что учет поначалу незамеченных деталей приводит к одинаковости результата, с точки зрения обоих наблюдателей. Реальность не "раздваивается", она остается единой для всех.

Недавно, однако, физики обратили внимание на парадокс, который оказалось не так-то просто объяснить. Поскольку речь в нем идет о телах, погруженных в жидкость, его назвали "релятивистским парадоксом Архимеда" (релятивистское — это все, что относится к теории относительности, то есть к релятивистской теории).

Представьте себе подводную лодку, плотность которой в точности равна плотности воды, так что она и не тонет, и не всплывает в океане. Теперь вообразите, что эта подлодка по каким-то причинам приобрела околосветовую скорость.

По законам частной теории относительности масса движущихся тел возрастает тем больше, чем ближе их скорость к скорости света. Но если масса подлодки возрастает, она должна затонуть. С точки зрения берегового наблюдателя, подлодку ждет судьба "Курска": она обязательно пойдет на дно. Однако капитан подлодки видит ситуацию иначе. Это не он движется, а вода вокруг его корабля несется с околосветовой скоростью. В таком случае молекулы воды в каждом ее кубическом сантиметре должны становиться массивнее, то есть плотность воды должна стать больше, чем подлодки, — та будет вытолкнута из воды на поверхность.

Так что все-таки: утонет или всплывет релятивистская подводная лодка?

Вопрос этот был поставлен еще лет пятнадцать назад американским физиком Джеймсом Супли, который первым обратил внимание на сей парадокс. Но ни сам Супли, ни другие физики не придали тогда этой занятной ситуации особого значения и не попытались ее объяснить, будучи заранее уверенными, что в теории относительности все в порядке и этот парадокс — такой же кажущийся, как все другие, нужно только посидеть и подумать, какая деталька там не учтена. Однако физику из бразильского университета в Сан-Паулу Джорджу Матсасу, которому этот же вопрос был недавно задан его студентом, не удалось отговориться общими рассуждениями о "непротиворечивости" теории относительности" — студент оказался настойчивым, и Матсас вынужден был обратиться к литературе. А поскольку он обнаружил, что в литературе готового ответа нет, пришлось искать его самому. Что ж он нашел?

Подлодка утонет. Капитану не помогут все его рассуждения о молекулах воды, которые, мол, обязаны стать массивнее и так далее. Хотя рассуждения эти вполне верны. Просто они неполны. Как обнаружил Матсас, в них и впрямь не учтена некая деталь и даже не деталь, а целая "деталища". Но не такая, как во всех уже известных парадоксах частной теории относительности — чисто кинематическая, связанная только со скоростью, а деталь динамическая, то есть связанная с силами. И она вполне заслуживает названия "деталищи", поскольку обязана самой гигантской силе во Вселенной — силе всемирного тяготения. Поэтому Матсасу для объяснения парадокса пришлось воспользоваться уравнениями не только частной, но и общей теории относительности.

И вот в самом грубом пересказе — "на пальцах" — выводы, к которым он пришел. Плавучесть погруженных в жидкость предметов — это в конечном счете результат их веса, то есть притяжения к Земле, то есть гравитации. А гравитация между двумя телами, подобно размерам и промежуткам времени, тоже зависит от скорости относительного движения этих тел. И правильное рассуждение капитана должно было бы звучать так: когда вода — вместе с Землей — движется относительно лодки, возрастает не только плотность воды, но и гравитационное взаимодействие между подлодкой и (движущейся) Землей, то есть Земля начинает притягивать подлодку с большей силой.

Это возрастание гравитации, если его (по формулам теории относительности) подсчитать, оказывается больше, чем возрастание плотности воды. Иными словами, при любой (достаточно большой скорости) увеличение веса подлодки за счет увеличения ее гравитационного взаимодействия с Землей перекрывает рост плотности движущейся воды, то есть перекрывает рост архимедовой выталкивающей силы. А это значит, что и с точки зрения капитана его подлодка должна пойти ко дну. Итак: береговой наблюдатель думает, что она идет ко дну за счет увеличения ее плотности, капитан объясняет тот же результат увеличением гравитационного поля, но оба они вынуждены согласиться, что лодка, увы, утонет.

Нет, однако, худа без добра, как говорит пословица, и в данном случае она справедлива. Физики — и прежде всего сам Матсас — уже сообразили, что формула, объясняющая релятивистский парадокс Архимеда, может найти применение при расчетах сверхбыстрого, тоже околосветового вращения газов и вещества вокруг самых массивных космических объектов — черных дыр и нейтронных звезд. Возможно, анализ этого вращения тоже требует учета релятивистского изменения плавучести одних слоев газа или вещества относительно других при их относительном движении. А некоторые ученые уже говорят о других областях возможного применения этой формулы — например, в релятивистской термодинамике и так далее.

Проверяя теорию струн

Если вы спросите, чем занимался американский физик Джошуа Лонг перед тем, как перейти в Национальную лабораторию в Лос-Атамосе, он с гордостью ответит: "Измерял гравитацию". И гордость эта будет законной, потому что измерения Лонга привлекли внимание многих физиков из соседних областей физической науки, прежде всего — специалистов по теории струн, этого главного претендента на звание "Теории Всего".

На самом деле, вряд ли вы спросите, чем занимался Лонг, хотя бы потому, что понятия не имеете, кто он такой и чем знаменит. Но сейчас, когда вы уже знаете, чем прославился Лонг, вы вправе задать другой, более существенный вопрос: "А зачем он измерял гравитацию, если она давным- давно уже измерена?"

Действительно, величина гравитационного притяжения между двумя телами измерялась неоднократно и издавна, еще с тех самых пор, как Ньютон сформулировал свой закон всемирного тяготения. И всякий раз измерения эти подтверждали, что формула Ньютона верна — в пределах достигнутой в данном эксперименте точности. Но прежде все такие измерения проводились для двух тел, находящихся на достаточно большом расстоянии друг от друга. Между тем в последнее время физиков заинтересовало, выполняется ли формула Ньютона на расстояниях малых, порядка миллиметра и меньше. И именно такой проверкой занимался Джошуа Лонг перед тем, как перешел на работу в знаменитый Лос-Аламос, на родину первой атомной бомбы.