Содержание
Альберт Эйнштейн и его уникальное наследие
Четырнадцатого марта 1879 года в городе Ульм родился человек, впоследствии перевернувший научный мир с ног на голову. Его работы лежат в основе понимания Вселенной — в частности, гравитации. В чем же вся гениальность трудов Альберта Эйнштейна и каково их место в XXI веке?
Когда юный Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности в 1915 году, вряд ли кто-то мог предположить, какое влияние она окажет на науку. Относительность изменила наше понимание Вселенной и предоставила новые способы изучения фундаментальной физики, которым подчиняется окружающий мир.
Несмотря на всю важность принципа относительности, с ней не все так просто, как хотелось бы. И пусть кому-то может показаться, что эта теория слишком абстрактна и оторвана от реальности, на самом деле она напрямую связана с нашим существованием на фундаментальном уровне. Она позволила изучить и исследовать космос, а на Земле она стоит за технологиями, связанными со множеством открытий: от GPS до ядерной энергии, от смартфонов до ускорителей частиц — множество инноваций, которые мы принимаем как должное, уходят корнями в теорию Эйнштейна.
Как работает относительность
Прежде всего стоит отметить, что Общая теория относительности состоит из двух отдельных теорий. Первая — Специальная теория относительности — опубликована в 1905 году и была принята научным сообществом со смешанными чувствами. В чем причина такой реакции? Дело в том, что Специальная теория относительности перевернула большую часть того, что — как казалось ученым — было известно о мире.
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор во время Сольвеевского конгресса 1930 года / © Danish Film Institute/Paul Ehrenfest
До публикации Эйнштейном своего научного откровения было принято считать, что время всегда и везде протекает с одинаковой скоростью. Вне зависимости от скорости движения объекта природа секунд, минут и часов считалась неизменной. Однако Эйнштейн считал, что время на самом деле непостоянно и изменяется в зависимости от того, насколько быстро движется объект.
Великий ученый утверждал, что настоящая неизменная величина — константа — это скорость света.
Свет движется с постоянной скоростью 299 792 458 метров в секунду в вакууме, тогда как время течет по-разному — в зависимости от скорости, с которой объект движется через пространство. Для объектов, движущихся очень быстро, время замедляется.
Это откровение пошатнуло основы физики, но на этом все не закончилось. Спустя всего десять лет гениальный нонконформист из бернского патентного бюро дополнил теорию новой деталью — на этот раз речь шла о гравитации.
Альберт Эйнштейн во время лекции в Вене, 1921 год / © Ferdinand Schmutzer/Wikimedia Commons
Гравитация как кривизна пространства-времени
Настоящим украшением идей Эйнштейна стала Общая теория относительности. Она отвечала на многовековой вопрос: как именно работает гравитация?
Когда в середине XVII века, как гласит популярная легенда, Исааку Ньютону на голову упало яблоко, родилась революционная теория гравитации. Ньютон определил, что гравитация существует, и постулировал ее воздействие, но не мог наверняка сказать, каковы ее истоки.
Ответ был найден спустя почти три века посредством Общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Он считал, что, так как пространство и время «текучи» и изменчивы, их могут искривлять массивные объекты.
Представьте шар для боулинга посередине натянутого батута. Поскольку он тяжелый, то искривляет ткань, стягивая таким образом все объекты, находящиеся у краев батута, к центру. Гравитация работает похожим образом. Массивные объекты вроде Земли искривляют ткань пространства и времени, притягивая к себе материю, а также время и свет.
Три нобелевских лауреата по физике. Слева направо: Альберт Майкельсон, Альберт Эйнштейн, Роберт А. Милликан / © Smithsonian Institution Libraries/Wikimedia Commons
Доказательства относительности
Как и многие другие теории, относительность непросто доказать окончательно. Но все собранные более чем за 100 лет данные указывают на абсолютную правоту Эйнштейна в этом вопросе.
Часы, установленные на небоскребах, отмеряют время несколько быстрее, чем часы, установленные у их оснований, так как первые находятся дальше от центра Земли, а значит, и пространство-время на такой высоте искривлено меньше.
Иногда на снимках далекого космоса, таких как Hubble Ultra-Deep Field, можно видеть некоторые объекты, которые выглядят искаженными и увеличенными на фоне галактических скоплений: это феномен гравитационного линзирования. Масса таких объектов искривляет пространство-время, из-за чего изображение получается искаженным.
Однако, пожалуй, самым значимым доказательством Общей теории относительности стало событие, о котором было объявлено в 2016 году — спустя более чем 100 лет после публикации работы. Этим доказательством стали гравитационные волны — рябь на ткани пространства-времени. Они были зарегистрированы посредством детекторов LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в Ливингстоне и Хэгнфорде, разработкой которых с 1992 года занимался физик-теоретик Кип Торн.
Если пространство и время — это ткань, напоминающая поверхность батута, то такие масштабные и массивные события, как слияния черных дыр, будут создавать на ней рябь. Если теория Эйнштейна верна, то мы должны быть способны зарегистрировать эти волны, но до недавнего времени это было только теорией без экспериментальных доказательств.
В начале 2016 года ученые объявили, что применили детектор LIGO для регистрации гравитационных волн, точно определив субатомные расширения и сокращения, проходящие через пространство-время.
LIGO напоминает невероятно мощную линейку: он направляет лазерный луч между двумя зеркалами, расположенными в четырех километрах друг от друга, затем пускается лазерный луч и измеряется время, за которое лазер проходит этот путь. Из-за гравитационных волн все смещается, и если лазерный луч перестает двигаться синхронно, то для ученых это знак, что его путь пересекла гравитационная волна и вызвала субатомное смещение зеркала. Регистрацию гравитационных волн можно назвать самым главным преимуществом теории Эйнштейна.
Помимо этого, относительность была применена для постулирования Большого взрыва и расширения Вселенной.
Стол Альберта Эйнштейна в его кабинете в Институте перспективных исследований в Принстоне. Именно таким его оставил гениальный ученый перед своей смертью в апреле 1955 года / © Ralph Morse-Time & Life Pictures/Getty Images
Наследие Эйнштейна и будущее науки
Относительность помогла нам предположить, что Вселенная на 95% состоит из темной энергии и темной материи. Эта же теория помогла разработать ускорители частиц, в которых электроны, протоны и другие элементарные частицы разгоняются до скоростей, близких к световой.
Теория относительности сделала для науки и нашего понимания устройства мира неописуемо много. А теперь, когда есть возможность регистрировать гравитационные волны, мы можем заглянуть еще глубже в устройство Вселенной, изучить такие объекты, как черные дыры и нейтронные звезды, опираясь на беспрецедентно точные предсказания теории.
Прошло чуть больше века с тех пор, как относительность Эйнштейна фундаментально перевернула наше понимание Вселенной. Но самое великое наследие ученого заключается не в его революционных теориях: его работа вдохновила тысячи ученых, которые в итоге последовали за ним в поисках истинной природы реальности.
Сегодня теория Эйнштейна регулярно подвергается различным проверкам, которые с достоинством проходит. Благодаря теории относительности и другим работам когда-то скромного работника бернского патентного бюро, у нас есть Стандартная модель, инфляционная модель Вселенной и новые гипотезы, рождающиеся в попытках понять самые глубинные принципы устройства вещей, которые помогли бы в исчерпывающей полноте описать Вселенную и реальность как таковую.
Источник: Naked Science (naked-science.ru)
11 мая в истории науки: Эйнштейн, полароид и астрономия против чупакабры
11 мая 1916 года можно (впрочем, с относительной точностью) назвать днем рождения современной физики.
В этот день Альберт Эйнштейн публично представил ОТО — Общую теорию относительности. Причем далеко не все ученые ее приветствовали — а многие и просто не поняли.
Общая теория относительности не была результатом внезапного озарения. Еще 1905 год физики назвали «годом чудес» — Annus Mirabilis. Статья Эйнштейна «Новое определение размеров молекул», а также диссертация на ту же тему принесли ему и славу, и докторскую степень. С той поры каждый год он дополнял свои теоретические изыскания чем-то новым. А ведь многие ученые старой формации считали его выкладки математическими фокусами, не имеющими отношения к реальности!
Любя говорить о лучшем в мире образовании, мы часто бессовестно его забываем — попробуйте объяснить сыну или дочери не саму теорию относительности — ее и правда полностью могут понять немногие, но хотя бы о чем в этой теории идет речь? Кстати, Эйнштейн говорил: «Если вы что-то не можете объяснить 6-летнему ребенку, вы сами этого не понимаете». Поздравляем тех, кто с этой задачей справляется, а тем, кто сразу не сумел, даем небольшую подсказку.
Еще Исаак Ньютон не мог понять, каким именно образом происходит гравитационное взаимодействие тел и как предается от тела к телу сила притяжения. Эйнштейн объяснил, что тело с большой массой влияет не просто на другие тела, а на окружающее его пространство, меняя его геометрические характеристики — и даже свойства времени в этом пространстве. И еще — что влияние на геометрические свойства пространства и на время меняется, если тело находится в движении. Отвечая на вопрос любимого отпрыска, можно привести в пример традиционные шутки о пяти минутах под часами с букетом и на раскаленной сковородке, но не злоупотреблять ими, ясности и авторитета вам лично они вряд ли добавят, как и произнесение ритуального заклинания «еравноэмцэквадрат» — особенно если вы сами не помните, что такое Е, m и c и почему это «цэ» нужно возводить во вторую степень. А если вернуться к теме, то ракетостроение, ядерная физика, квантовая физика… да практически ничто в физике ХХ века уже никак не сможет обойтись без теории относительности.
Но за подробностями лучше отослать любопытного ребенка к справочнику, а еще эффектнее и интереснее будет показать фильм. Например, «Что такое теория относительности» (Моснаучфильм 1964 года, режиссер Семен Райтбург, в ролях Алла Демидова, Алексей Полевой, Георгий Вицин, Алексей Грибов, Георгий Тусузов). Да, когда-то для детей и взрослых снимали такие фильмы, а не страшилки про чупакабру и прочие «диваны смерти».
В этот же день, но в 1854 году родился Оттмар Мергенталер — его имя теперь мало кто помнит, постепенно забывается и его изобретение, оказавшее огромное влияние на книгопечатание и газетное дело. А ведь еще недавно все газеты и книги мира печатались при помощи его линотипа (от лат. linea — «линия» и греч. τύπος — «отпечаток»), или строкоотливной машины. Линотип состоял из клавиатуры, магазина с комплектом матриц для отливки букв, цифр и знаков, верстатки, где автоматически формировалась строка, и отливного аппарата. Наборщик, как на пишущей машинке, набирал строчки из буквенных символов и знаков препинания, транспортер доставлял матрицы в наборное отделение, аппарат автоматически отливал целые строки.
Уже не приходилось набирать вручную текст отдельными буковками. Скорость набора увеличилась в десятки раз, газеты стали реагировать на события чрезвычайно быстро, а книги стали дешевле. Затем появилась фотопечать, компьютерная верстка, а с появлением интернета и бумажные газеты начали постепенно отходить в прошлое. А ведь когда-то линотип произвел в полиграфии настоящую революцию.
В этот же день, однако уже в 1948 году в Нью-Йорке поступили в продажу первые фотоаппараты Polaroid, которые не проецировали изображение на фотопленку, а сразу выдавали готовую бумажную фотографию. Чудо техники стоило 89 долларов 95 центов — это была не очень дешевая игрушка: обед в ресторанчике стоил в пределах 1 доллара, кожаная спортивная сумка стоила 5 долларов, 100 долларов стоил билет от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса, за тысячу долларов можно было купить недорогой автомобиль, на заработную плату в 200 долларов — содержать семью. Тем не менее фотоаппараты Polaroid расхватывали первое время мгновенно — кому хотелось тратить время на проявку и печать? Чудо-камеру похоронили цифровые технологии, благодаря которым фотоаппарат каждый носит с собой даже в не самом современном мобильном телефоне.
В этот же день, впрочем, уже в 1924 году родился Энтони Хьюиш — английский астроном, который в 1967 году откроет пульсары — вращающиеся нейтронные звезды с магнитным полем, которое наклонено к оси вращения, что вызывает модуляцию приходящего на Землю излучения. Если проще, это маленькая звезда, которая испускает из своих магнитных полюсов пучки электромагнитного излучения, которые мы можем наблюдать при помощи специальной аппаратуры только тогда, когда они направлены в сторону Земли — создавая «пульсирующий эффект» или эффект комической «мигалки».
Помните детектив из сериала «Следствие ведут знатоки» «Подпасок с огурцом»? Не помните, и ладно. Но там герой прекрасно читает удивительное стихотворение Карла Сэндберга из сборника «Детские игрушки»:
Есть белая звезда, Джанетта.
Если мчаться со скоростью света,
Лететь до нее десять лет.
Если мчаться со скоростью света.
Есть голубая звезда, Джанетта.
Если мчаться со скоростью света,
Лететь до нее сто лет.
Если мчаться со скоростью света.
Так к какой звезде полетим мы с тобой:
К белой или голубой?
Вопрос этот остается актуальным. Как и слова героя фильма: «Если мы себя сегодня не сгубим, то наше будущее — там… Астрономии нужны оптимисты, а философской грусти там и так навалом».
Альберт Эйнштейн и теория относительности
Альберт Эйнштейн и теория относительности
Альберт Эйнштейн и
Теория относительности
| Альберт Эйнштейн 1879-1955 |
Ньютоновская теория тяготения вскоре была принята безоговорочно.
остался
бесспорно до тех пор, пока
начало этого века. затем
Альберт Эйнштейн
потрясла основы
физики с введением его специальной теории относительности в 1905 и
его Общая теория относительности в 1915 г.
Первый показал, что Ньютон
Три
Законы движения были верны лишь приблизительно и нарушались, когда скорости
приближался к свету.
Второй показал, что закон Ньютона
Гравитация также была лишь приблизительно
правильно, ломается в присутствии
очень сильные гравитационные поля.
Специальная теория относительности
Работая патентным клерком в Швейцарии, Эйнштейн начал думать о том, как
движущиеся наблюдатели видят события иначе, чем неподвижные наблюдатели.
Его привели в
ПЕРВЫЙ ПОСТУЛАТ СПЕЦИАЛЬНОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ:
наблюдатели никогда не смогут обнаружить равномерное движение, кроме относительного
к другим объектам.
Это часть нашего общего опыта. Когда вы сидите в поезде
ждет, пока он уйдет, и поезд на соседнем пути тронется
двигаться, иногда бывают моменты, когда вы не уверены, какой
поезд движется. Только после того, как вы увидите свое отсутствие
движение по отношению к фоновым объектам, которое вы осознаете другим поездом
двигается.
Но если вы находитесь в состоянии покоя или
двигаясь с постоянной скоростью в глубоком космосе, и вы видите другую
космический корабль пройдет мимо вас, двигаясь с постоянной скоростью, вы бы не
быть в состоянии сказать, какой космический корабль действительно движется.
Это значит там
НЕТ ТАКОЙ ВЕЩИ КАК АБСОЛЮТНЫЙ ОТДЫХ, «все относительно».
Другой способ сказать это состоит в том, что законы физики не различают
между наблюдателями, движущимися с ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ относительно
друг друга.
ВТОРОЙ ПОСТУЛАТ СПЕЦИАЛЬНОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ:
В отличие от скорости массивных тел, скорость
света постоянна и одинакова для
все наблюдатели, независимо от их ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ к или от
источник света.
Хотите верьте, хотите нет, но всего вышеперечисленного было достаточно для Эйнштейна
чтобы вывести свое знаменитое уравнение E=mc 2 .
(Я оставляю это как домашнее задание, чтобы вы сделали то же самое — шучу!)
Частично причина такого результата
заключается в том, что если массивный объект движется с точки зрения
одного наблюдателя, а в состоянии покоя так, как его видит другой наблюдатель, то
один наблюдатель, казалось бы, измеряет нулевую энергию объекта, в то время как
другой наблюдатель будет измерять конечную энергию.
Получается, что по законам физики
быть последовательным в двух «системах отсчета» двух
наблюдатели движутся с постоянной скоростью относительно друг друга
должна быть энергия, связанная с телом в состоянии покоя, а не только с телом
в движении.
Все эти эффекты проявляются только тогда, когда скорость
объекты приближаются к скорости света. Эффекты
трудно понять и почувствовать в нашей повседневной жизни, потому что
мы всегда испытываем гораздо меньшие скорости, при которых
Ньютоновская физика доминирует.
Общая теория относительности
Общая теория относительности еще более тонкая.
и даже дальше за рамками этого курса.
Тем не менее некоторые из
основные идеи могут быть описаны.
Во-первых, обратите внимание, что эффекты СПЕЦИАЛЬНОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ проявляются для
быстро движущиеся объекты, находящиеся в
относительное движение, но где относительное движение имеет ПОСТОЯННУЮ СКОРОСТЬ.
ОБЩАЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ ВКЛЮЧАЕТ БЫСТРЫЕ ДВИЖЕНИЯ И УСКОРЕНИЯ.
Эйнштейн впервые заметил, что свободно падающее в гравитационном поле
поле приводит к постоянному ускорению (скорость изменяется, но
по постоянной ставке). Потом он понял, что это невозможно
чтобы наблюдатель различал свободно падающие в гравитационном поле
поле и какой-либо другой механизм равномерного ускорения, например ракета.
Это ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ
Затем Эйнштейн пришел к выводу, что, поскольку ускорение
описывает, как объекты перемещаются в пространстве и времени,
и свободное падение в гравитации, и любое равномерное ускорение были неразличимы,
что воздействие гравитации на объекты может быть описано с помощью
это прямое влияние на само пространство. Это оказалось глубоким
в поле зрения.
Физическая картина происходящего выглядит примерно так:
Рассмотрим очень большой батут, на батутной площадке которого ничего нет.
Площадка для батута остается плоской и параллельной земле.
Теперь поместите тяжелый шар для боулинга в центр площадки для батута.
Центр подушки провиснет вниз.
Если мы примем аналогию с тем, что площадка для батута представляет
пространство-время, а шар для боулинга — гравитирующий объект, то
провисание батута представляет искривление пространства
время под действием силы тяжести. Теперь мы можем видеть, что если
берем более легкий мяч, и кладем его на край батута
плохо, он скатится к шару для боулинга.
Эта достопримечательность
к шару для боулинга, потому что путь к шару для боулинга
через пространство выгодно искривлен. В общей теории относительности
однако не только шарики будут следовать за этим изогнутым
путь, но и свет.
Последствия принципа эквивалентности
Другими словами, когда свет проходит через массивный объект,
путь света на самом деле искривляется гравитационным полем.
Этот эффект можно измерить даже во время солнечного затмения.
Звезды, расположение которых, как мы знаем, находится за положением солнца
на самом деле можно наблюдать во время солнечного затмения, потому что свет
сгибается по кривой траектории!
Здесь я резюмирую различия между ньютоновской теорией гравитации и
теория гравитации, вытекающая из общей теории относительности. Они
делать практически идентичные прогнозы до тех пор, пока сила
гравитационное поле слабое, что является нашим обычным опытом. Однако есть
решающие предсказания, в которых две теории расходятся и, таким образом, могут быть
проверено тщательными экспериментами.
- Обнаружено, что ориентация орбиты Меркурия прецессирует в пространстве с течением времени.
как показано на соседнем рисунке (величина эффекта значительно
преувеличены на этом рисунке). Это обычно называют
«прецессия перигелия», потому что она вызывает положение
перигелий двигаться. Только часть этого может быть объяснена
возмущения в теории Ньютона. Есть дополнительные 43 угловых секунды на
века в этой прецессии, предсказываемой Теорией общего
Относительность и наблюдаемое явление (секунда дуги составляет 1/3600 углового
степень). Этот эффект чрезвычайно мал, но измерения очень точны.
и может очень хорошо обнаруживать такие небольшие эффекты. - Теория Эйнштейна предсказывает, что направление распространения света должно быть
измененный
в гравитационном поле, вопреки предсказаниям Ньютона. Точный
наблюдения показывают, что Эйнштейн прав как в отношении эффекта, так и в отношении его
величина.
Поразительным последствием является
гравитационное линзирование. - Общая теория относительности предсказывает, что свет исходит от сильного
гравитационное поле должно иметь длину волны, сдвинутую в сторону больших значений (что
астрономы называют «красным смещением»), что снова противоречит теории Ньютона. Снова,
подробные наблюдения указывают на такое красное смещение, и что его величина
правильно дается теорией Эйнштейна.
Поразительным последствием являетсяСовременная теория гравитации
И стоит по сей день. Наша лучшая современная теория гравитации
это общая теория относительности. Однако только если скорости
сопоставимы со светом, или гравитационные поля намного больше, чем те,
встречаются на Земле, различаются ли теория относительности и теории Ньютона
в своих предсказаниях. В большинстве случаев три Ньютона
законы и его теория
гравитация адекватная. Мы еще вернемся к этому вопросу
в нашем последующем обсуждении
космология.
Для заинтересованных студентов, больше об Эйнштейне
и его работы см.
Альберт Эйнштейн онлайн
Кроличья нора общей теории относительности: раскрытие пространства, времени и четвертого измерения
Зуи Ляо
Разбор теории Альберта Эйнштейна о нашей Вселенной — идеи, которая совершенно умопомрачительна, но кажется несокрушимой.
Мониша Равизетти
Мониша Равизетти — научный обозреватель CNET. Она освещает изменение климата, космические ракеты, математические головоломки, кости динозавров, черные дыры, сверхновые звезды, а иногда и драму философских мысленных экспериментов.
Ранее она была научным репортером в начинающем издании The Academic Times, а до этого была исследователем иммунологии в Медицинском центре Вейла Корнелла в Нью-Йорке. В 2018 году она окончила Нью-Йоркский университет со степенью бакалавра искусств. по философии, физике и химии.
Когда ее нет за рабочим столом, она пытается (и безуспешно) поднять свой рейтинг в онлайн-шахматах.
Ее любимые фильмы — «Дюнкерк» и «Марсель-ракушка в туфлях».
Посмотреть полную биографию
11 минут чтения
Более века назад Альберт Эйнштейн сформулировал гипотезу всех гипотез — идею настолько необычную, что она безжалостно отозвалась эхом в обширном каталоге человеческой мысли. Это изменит фундаментальные постулаты науки, вдохновит на самые умопомрачительные технологии, поможет запечатлеть славу черных дыр, побудит авторов писать потрясающие романы и побудит режиссеров воплощать глубоко метафизические идеи в фильмы.
Это была концепция, которая проверит пределы нашего воображения, и загадка, которая заставит нас переосмыслить понятие времени.
В 1916 году Эйнштейн объявил о своей святой теории Грааля общей теории относительности.
Сокращенная версия
По сути, Эйнштейн понял, что пространство гораздо больше, чем «пространство», в котором мы живем, и что время превосходит изобретенные нами часы. Скорее, предположил он, они физически переплетены.
Космос подобен холсту, на котором сотканы наше прошлое, настоящее и будущее, и он может складываться, скручиваться и колыхаться, как шелк. У этой ткани пространства и времени нет ни начала, ни конца, или, как он назвал ее, пространства-времени.
Мы не можем точно видеть пространственно-временной континуум, потому что он является частью области, невидимой для человеческого глаза: четвертого измерения. Но мы можем сделать вывод о его существовании, поскольку мы можем чувствовать его воздействие. Один из тех эффектов, с которым вы, несомненно, знакомы — гравитация. Но есть и другие эффекты, например, время движется медленнее в зависимости от того, где вы находитесь во Вселенной, и космические явления с увеличительным стеклом, получившие название гравитационного линзирования.
Но я забегаю вперед. Ничего страшного, если почти все это пролетело у вас над головой.
Альберт Эйнштейн.
Оррен Джек Тернер
Вне зависимости от того, когда было ваше знакомство с лагерем общей теории относительности — даже если это было пять секунд назад из-за моего забитого интро — держу пари, вы подумали, что это звучит странно.
Я имею в виду, что это включает в себя такие предпосылки, как четвертое измерение и невидимая ткань. Он проецирует странные результаты, такие как червоточины и нелинейность.
Вы не одиноки в своем скептицизме. Когда-то общая теория относительности была отвергнута как заблуждение, «совершенно непрактичное и абсурдное». Тем не менее, она остается одной из самых элегантных теорий, касающихся нашей Вселенной.
Настолько, что это часто считают нерушимой правдой.
Добро пожаловать в четвертое измерение
Будучи трехмерными существами, мы склонны думать о вселенной интуитивно.
Одномерный объект имеет для нас смысл. Это линия. Два измерения также легко понять. Пакман. И три измерения — тюльпаны, Tic Tac и iPhone — все понятно. Но когда мы попадаем в четырехмерную вселенную, наша интуиция исчезает.
В 3D у нас есть ось X для длины, Y для ширины и Z для глубины. В 4D есть четвертая ось: время.
Zooey Liao/CNET
Но пытаться думать о 4D-пространстве для нас было бы подобно Pac-Man, пытающемуся понять 3D-пространство.
Это повредило бы его мозгу, потому что для Pac-Man нет оси Z, как нет оси времени для нас. Технически, взгляд Pac-Man на все был бы гигантской линией, похожей на взгляд персонажей романа «Флатландия».
Однако трудности Pac-Man с восприятием трехмерного пространства не означают, что трехмерное пространство не может существовать. Мы живем в нем. На самом деле он живет в нем.
Точно так же четырехмерное пространство существует независимо от того, может ли наш разум войти в него. Мы даже обращаемся к временной оси неосознанно, когда просим кого-нибудь встретиться с нами в кофейне, например, в 2 часа дня. Задаем X, Y, Z и координаты времени.
Итак, пока вы читаете это, помните, что все, что мы собираемся обсудить в отношении общей теории относительности, живет в 4D.
К счастью, хотя мы и не можем мысленно представить четвертое измерение, мы можем вычислить его математически.
Эксперимент с лифтом
Вы, наверное, слышали старую поговорку о том, что Исаак Ньютон сидел под яблоней, когда ему на голову упал вкусный фрукт, и вуаля, он обнаружил таинственную силу гравитации, притягивающую предметы на Землю.
У Эйнштейна был (совсем) другой взгляд.
Статья Эйнштейна 1916 года, опубликованная в Annalen der Physik, на тему «Основы общей теории относительности».
Еврейский университет
Короче говоря, Эйнштейн понял, что гравитация не так уж загадочна, как это принято считать. Это очень похоже на обычную старую силу, которую мы 92). Если бы в этих лифтах не было окон, как бы вы могли определить, находитесь ли вы в космическом или в земном?
Эйнштейн сказал, что нельзя.
Немного изменив это, что, если бы вам пришлось выяснить, находитесь ли вы в лифте без окон, который не движется в космосе, и в лифте на Земле, который падает, то есть вы испытываете невесомость? Могли бы вы тогда? Неа.
Невесомость на Земле в присутствии гравитации ощущается точно так же, как невесомость в космосе, который мы обычно считаем невесомостью.
Это называется принципом эквивалентности.
Итак, единственное правдоподобное объяснение «гравитации», сказал Эйнштейн, состоит в том, что это не то, что мы думаем. И, что бы это ни было на самом деле , вероятно, это как-то связано с ускорением.
Затем, немного (нет, много) подумав, он пришел к выводу, что гравитация вообще не является силой. Это продукт взаимодействия объектов при ускорении в разных направлениях. Хорошо, давайте немного отступим, чтобы наши мозги не взорвались.
Вот один из способов понять гипотезу Эйнштейна: вещи не тянут вещи вниз; вещи держат вещи.
Вы падаете прямо сейчас
Если бы мяч катился к обрыву, Ньютон сказал бы, что мяч вот-вот перестанет двигаться по прямой линии, потому что гравитация потянет его вниз. Для Ньютона мяч скоро упадет со скалы из-за неуловимой силы гравитации.
Эйнштейн, с другой стороны, сказал бы, что мяч всегда падал — просто мы замечаем такое «падение» только тогда, когда он пересекает край обрыва, потому что тогда ничто не будет толкаться или ускоряться, до на нем уже нет. Потерпите меня. Вот аналогия.
Представьте, что вы держите стакан с водой. Стекло в некотором роде постоянно удерживает воду от падения на землю. Вы, вероятно, не сказали бы, что стекло оказывает на воду невидимую силу, которая тянет его вниз, верно? Это та же идея. Общая теория относительности делает еще один шаг вперед.
НАСА
Ты сейчас падаешь. Вы просто не можете сказать, потому что стул, на котором вы сидите, мешает вам дотянуться до земли. Пол вашей комнаты мешает вам и вашему стулу достичь Земли. И буквальная Земля не дает вам, вашему стулу и полу «упасть» сквозь пространство.
Все всегда находится в постоянном, естественном свободном падении, понял Эйнштейн, но иногда это свободное падение прерывается. И такое прерывание для нас ощущается как сила тяжести.
Это все… подождите… родственник.
Хорошо, возможно, вы все еще в курсе того, что Земля не дает вам упасть в космос. Если бы Земли не было, разве не летали бы мы, как астронавты на Международной космической станции?
Это подводит нас ко второй части общей теории относительности: океаноподобная ткань пространства-времени как бы переопределяет понятие падения. Приготовьтесь, все вот-вот станет триповым. Следующий мысленный эксперимент может показаться не связанным с тем, что мы только что обсудили, но, поверьте мне, все получится.
Гравитационный батут
Представьте себе батут.
Если мы поместим шар для боулинга в этот батут, он скатится к середине и заставит эластичный материал искривляться внутрь. Теперь представьте, что на эту изогнутую ткань кладут мрамор. Он скатывался по кривой и прилипал к одной стороне шара для боулинга. Батут — это ткань пространства-времени, шар для боулинга — это Земля, а мрамор — это вы. И еще раз, я масштабирую ткань пространства-времени по измерениям, потому что мы не можем осмыслить четвертое.
Как бы то ни было, согласно Эйнштейну, все во Вселенной, обладающее массой, искривляет пространство-время подобно тому, как шар для боулинга искривляет батут. Черные дыры сильно искажают его, Земля немного искажает, Луна немного искажает, и даже вы немного искажаете. Чем массивнее объект, тем сильнее искривление. И чем больше варп, тем сильнее «гравитация».
Теперь представьте, что каждая линия сетки на этом изображении — это кабельная линия с вагоном, внутри которого движется некий предмет.
Зуи Ляо/CNET
Этот предмет всегда «падает» по линии. Если бы Земля была удалена с этого изображения, кабельная линия была бы прямой, поэтому предмет двигался бы в направлении, которое мы считаем «вперед». Но есть Земля, вдавливающая кабельную линию внутрь и увлекающая за собой объект на этой линии.
Итак, если бы в космосе не было никаких объектов, сказал Эйнштейн, единственный объект в космосе теоретически продолжал бы свободно падать по неискаженной траектории. Но вселенная наполнена объектами.
Таким образом, пространство-время полностью искривлено. И все «падает» по этим перекосам. Даже астронавты МКС свободно падают, потому что следуют какой-то гравитационной деформации.
Но если вы все еще ломаете голову, американский физик Джон Уилер однажды прекрасно объяснил общую теорию относительности в 12 словах: «Пространство-время говорит материи, как двигаться, материя говорит пространству-времени, как искривляться».
Вот оно. Это общая теория относительности. Но безумие не останавливается здесь.
Последствия общей теории относительности, возможно, еще более причудливы, чем сама теория. Не забывайте, что пространственно-временная сетка состоит, ну, из времени.
Время — иллюзия
В фильме Кристофера Нолана 2014 года «Интерстеллар» происходит что-то очень странное, когда герой Мэтью МакКонахи, Купер, посещает планету, вращающуюся вокруг черной дыры.
«Семь лет в час здесь», сказал он, прежде чем покинуть свой космический корабль. Это просто означало, что на каждый час на этой планете будет приходиться семь лет на Земле — и, конечно же, когда Купер вернется на Землю после нескольких часов исследований, пройдут десятилетия.
Вся эта драма была не чем иным, как общей теорией относительности. Точнее, замедление времени.
Интерстеллар.
Paramount Pictures
Этот аспект общей теории относительности вторгается в большую идею, которую также придумал Эйнштейн, называемую специальной теорией относительности. Мы не будем слишком углубляться в специальную теорию относительности, но вам нужно знать, что она говорит, что свет всегда движется с постоянной скоростью. Не важно что.
Свет в поезде, движущемся со скоростью 40 миль в час, будет двигаться с той же скоростью, что и свет в самолете, движущемся со скоростью 500 миль в час, и оба они будут двигаться с той же скоростью, что и свет, исходящий от звезды на другой стороне галактики. Как вы понимаете, когда вы принимаете во внимание пространственно-временной континуум, это приводит к некоторым странным вещам.
Снова подумай о батуте. Нет шара для боулинга. Скажем, требуется 10 секунд, чтобы перекатить шарик на другую сторону. Хорошо, добавьте шар для боулинга.
Теперь батут растянут. Катание шарика по этому искривленному батуту заняло бы, может быть, 12 секунд, чтобы учесть новую область.
Используя эту аналогию, вы можете увидеть, как более тяжелые объекты создают более массивную кривую и, следовательно, большую «площадь», по которой перемещается объект. Но помните правило света? Свет должен всегда двигаться с постоянной скоростью, чтобы на него не могли повлиять варпы.
Слева направо: Луна, искривляющая пространство-время, Земля, искривляющая пространство-время, Солнце, искривляющее пространство-время, и черная дыра, полностью разрушающая пространство-время, в одну точку: сингулярность.
Zooey Liao/CNET
Но очевидно, что свет, проходящий через искривление пространства-времени, пересекает большее расстояние, чем свет, проходящий через пустое пространство. Итак, если не скорость, что изменится? Что ж, повозившись с уравнениями относительности, вы получите ответ: время.
Время изменяется с учетом постоянства скорости света.
Короче говоря, время движется медленнее по мере усиления гравитационного поля в пространстве-времени. Да, действительно. Несмотря на то, что это невероятно мизерная разница, у нас есть тому доказательство. После шестимесячного путешествия астронавты на МКС постарели на 0,007 секунды медленнее, чем если бы они были на Земле. Именно поэтому у нас есть атомные часы, которые могут объяснить замедление времени, например, влияющее на спутники GPS.
Что касается Купера, то кто-то на Земле заметит, что время для него движется медленнее, пока он находится на планете-черной дыре, так что за каждые семь лет на Земле проходит только один час. Есть несколько других способов, которыми замедление времени происходит из-за общей теории относительности, но этот дает вам общую суть.
Червоточины и черные дыры
Готовы к мыслям в стиле «Звездного пути»?
Что произойдет, если мы сложим батут пополам, как лист бумаги? Теоретически, вы сможете пробить дырку в ткани.
Хм. Разверните батут, и вы увидите два отверстия довольно далеко друг от друга. Сложите его обратно, и они соприкоснутся. Это червоточина.
Пока батут сложен, шарику не нужно перемещаться с одной стороны на другую. потенциально он может просто пробиться на другую сторону менее чем за секунду.
Некоторые эксперты утверждают, что ткань пространства-времени теоретически может «сворачиваться» таким образом, особенно вблизи супер искривленных областей, таких как области вокруг черных дыр. И если это правда, возможно, мы сможем путешествовать по вселенной в одно мгновение.
Зуи Ляо/CNET
Хорошо, прежде чем вы начнете волноваться, у нас нет доказательств такой «складки». Это всего лишь предположение. Но с другой стороны, есть некоторые сумасшедшие последствия искривления пространства-времени, о которых у нас есть доказательства.
Мы уже рассмотрели тот факт, что черные дыры играют большую роль в игре общей теории относительности, но давайте на мгновение обратимся к пустотам.
Поскольку эти левиафаны являются одними из самых гравитационно сильных объектов во Вселенной — некоторые из них имеют массу, в миллиарды раз превышающую массу нашего Солнца, — они не просто искажают пространство-время. Они крутят его и крутят так сильно, что ткань чуть не рвется. А здесь время не просто замедляется. Он останавливается.
Но даже будучи маленькими 3D-человечками, мы можем смотреть шоу.
В 2016 году лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, или LIGO, обнаружила двойную систему черных дыр или две черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга. Спираль пустоты создавала реальную рябь в ткани пространства-времени, подобно тому, как бросок камня в пруд вызывает рябь по воде. Именно так, как предсказывал Эйнштейн десятилетия назад. Это было первое прямое доказательство того, что пространство-время действительно является формуемым листом.
С тех пор ученым даже удалось сделать две фотографии черных дыр во Вселенной, и оба этих снимка показывают, как на самом деле выглядит искривленное пространство-время вблизи этих бездн.
Вокруг каждого есть кольцо фотонов, которые буквально следуют линиям деформации, вызванным черной дырой.
Черная дыра M87*, полученная в 2019 году, и SgrA*, полученная в этом году, расположены рядом.
EHT Collaboration
Не так уж и непрактично, не так уж и абсурдно
Даже помимо таких конкретных, визуальных доказательств существования пространства-времени, с математической точки зрения, эксперты снова и снова пытались найти изъян в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна. И снова и снова они терпели неудачу.
Общая теория относительности кажется настолько неизменной и решающей для нашей Вселенной, что даже такие космические явления, как гравитационно экстремальные нейтронные звезды — настолько плотные, что чайная ложка одной из них равняется весу горы Эверест — кажется, подчиняются ее законам.
Анимация гравитационных волн, создаваемых быстрой двойной орбитой.
НАСА
Идея гравитационного линзирования, которое представляет собой увеличивающий эффект искривления пространства-времени вблизи очень массивных галактических скоплений, стала практикой среди астрономов, изучающих далекие звезды и галактики.