Чья теория относительности: ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ | это… Что такое ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ?

Теория относительности и психология — ЗНАНИЕ-СИЛА

Уже сто лет множество людей пытается опровергнуть теорию относительности. Причем многие «опровергатели» физической теории имеют лишь косвенное отношение к физике. И если значительную часть из них трудно принимать всерьез, то этого нельзя сказать обо всех. Почему же столько людей, часть из которых имеет приличное образование и производит впечатление людей серьезных, занято таким неблагодарным делом — опровержением теории, которую уже сто лет никто не смог опровергнуть?

А если кто-то из них прав, то почему им не удается доказать свою правоту «широкой научной общественности»? При этом создается впечатление, что у квантовой механики, еще более парадоксальной, чем теория относительности, опровергателей существенно меньше. Чем же в этом отношении теория относительности отличается от квантовой механики?!

Это отличие можно увидеть, сравнив соответствующие главы школьного учебника. Действительно, когда в нем речь идет о квантовой механике, скептическому уму не за что зацепиться. Он может или верить тому, что сказано в учебнике, или не верить, не имея при этом конкретных оснований для сомнений. Например, в учебнике утверждается: «Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию квантами». Поскольку наш жизненный опыт никак не связан с испусканием электромагнитной энергии атомами, то и наш здравый смысл не дает нам стимулов для поиска возражений. И наоборот, парадоксальность теории относительности очевидна всем, что и вызвало к ней широчайший интерес. По этой причине, а также потому, что основные положения СТО (специальной теории относительности) внешне довольно просты, ей посвящено много хороших научно-популярных книг. Причем значительная часть из них написана крупными физиками. И если на эту тему писали такие авторитеты, как сам А. Эйнштейн, С.И. Вавилов и другие, то авторы научно-популярных книг ориентировались на их труды как на образцы. В результате вопросы, которым эти выдающиеся ученые уделили мало внимания, остались вне поля зрения авторов многочисленных популярных и даже учебных книг.

По понятным причинам описание опытов, обосновывающих СТО, трудно поместить в школьные учебники.

В результате элементарный здравый смысл может привести к сомнениям в ней. И устранить такие противоречия между СТО и здравым смыслом очень трудно. Возможно, поэтому у многих после первого знакомства с СТО возникает желание «во всем разобраться» и найти логическую ошибку в теоретических построениях А. Эйнштейна.

Значительный интерес у опровергателей вызывает опыт Майкельсона. Это тоже не случайно. Действительно, этот опыт дал результат, противоречащий физической картине мира того времени. Поэтому он произвел сильное впечатление на физиков, и они в своих книгах уделили ему много внимания. И, как следствие, и в популярных книгах о СТО, и в учебниках он занимает заметное место. В результате многие воспринимают его как, если не единственное, то основное экспериментальное обоснование СТО и, стараясь опровергнуть СТО, воспринимают его, как слабое место. При этом не учитывается, что на результате одного опыта невозможно построить теорию. Хотя бы потому, что всякий опыт допускает различные интерпретации. Как известно, Майкельсон не обнаружил того, что условно называется «эфирным ветром». Допустим, что Майкельсон допустил какую-то ошибку или в организации опыта, или в его интерпретации, и что на самом деле «эфирный ветер» есть. Но тогда надо будет создать какую-то теорию, которая допускала бы с одной стороны наличие «эфирного ветра», а с другой — объясняла бы результаты большого числа других опытов, подтверждающих СТО. Однако многочисленные критики СТО об этом как бы не задумываются.

Повышенное внимание к опыту Майкельсона приводит к тому, что в литературе мало внимания уделяется другим экспериментальным подтверждениям СТО. Например, одним из таких экспериментов считаются опыты с бета-лучами. Они подтверждают одно из следствий этой теории — увеличение массы тела с увеличением его скорости. Опыт заключался в воздействии на бета-лучи электрическим и магнитным полем. Бета-лучи — это поток электронов, то есть одинаковых частиц, чья масса и электрический заряд известны. При этом электроны, из которых состоит этот поток бета-лучей, имеют разную, причем весьма значительную скорость.  И в результате величина отклонения электронов зависит от скорости в полном соответствии с СТО.

Желание опровергнуть или по-новому истолковать результаты опыта Майкельсона должно ослабнуть, если его воспринимать как один из большого числа опытов, на основании которых ученые отказались от гипотезы о существовании эфира. Еще в середине XIX века физики измеряли скорость света  в прозрачной среде и убедились, что она ниже скорости света в пустоте. В 1850 году А. Физо проводил опыты со световыми лучами, проходившими через трубу, заполненную водой, и удостоверился, что скорость света меняется, если вода в трубе движется. По аналогии было естественно считать, что если скорость света постоянна относительно неподвижного эфира, то измеряемая наблюдателем на Земле скорость света должна меняться из-за движения Земли относительно эфира. Такое предполагаемое изменение и называлось «эфирным ветром», который должен был как бы «сносить» свет, как его «сносит» движущаяся вода в опыте Физо. Такое уточнение необходимо сделать потому, что этот термин часто вызывает неправильные аналогии. Вряд ли неподготовленный читатель обратит внимание на кавычки, в которые обычно берут слова «эфирный ветер»- указание на то, что этот термин не следует понимать буквально. Кстати, в известной мне англоязычной литературе используется термин «ether drift» — «эфирное смещение», не вызывающий сбивающих с толку аналогий.

С точки зрения логики научного исследования в высшей степени интересно и поучительно то, что выдающийся экспериментатор Майкельсон, проведя свои опыты и получив неожиданный результат, счел нужным повторить со значительно большей точностью опыт Физо. При этом результат Физо был подтвержден. Действительно, коль скоро в этих опытах исследуются схожие явления, то в них естественно ожидать схожих результатов. И если результаты получились принципиально разными, то следовало перепроверить оба опыта. Но ведь точно так же наш современник, сомневающийся в результате опыта Майкельсона и/или в его трактовке, должен проанализировать и другие опыты, результаты которых противоречили существовавшим в XIX веке представлениям об эфире. И опровергатели Эйнштейна должны понимать, что им необходимо «разобраться»  не только с опытом Майкельсона, но и со многими другими опытами.

Действительно, если ориентироваться на опыт Майкельсона сам по себе, то можно предположить, что скорость света постоянна в системе отсчета, связанной с источником. А для стороннего наблюдателя скорость света равна некоторой постоянной величине плюс скорость источника. При таком предположении опыт Майкельсона должен дать тот результат, какой он фактически дал. Такие теории (баллистические) в своё время разрабатывались. Но, как утверждает учебник по СТО, наблюдения за движением двойных звезд опровергают баллистическую гипотезу. Тем не менее, если судить по интернету, не все считают этот вопрос закрытым.

И здесь просматривается еще один парадокс, уже не физический, а психологический. Школьный учебник утверждает, что «согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна c = 300 000 км/с. Но … в соответствии с законом сложения скоростей Ньютона скорость может равняться c только в одной избранной системе отсчета. … Таким образом, обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона». Согласимся с тем, что это утверждение для школьного учебника необычное, поскольку в нем нет даже намека на обоснование. Из него никак нельзя понять, как из законов электродинамики делается вывод о постоянстве скорости света. (Что, впрочем, естественно — обоснование требует знаний, далеко выходящих за рамки школьной программы.) Тем не менее, это следствие из уравнений Максвелла имеет принципиальное значение для СТО. Более того, А. Эйнштейн, создавая СТО, опирался на анализ уравнений Максвелла, а не на опыт Майкельсона. Но если постоянство скорости света является следствием уравнений Максвелла, то представляет интерес логика тех современных опровергателей, которые доказывают зависимость скорости света от скорости источника. Ведь, приняв их предположения, надо будет вносить уточнения в уравнения Максвелла. И, как следствие, необходимость «разбираться» с множеством экспериментов, которые, согласно общепринятому мнению, соответствуют уравнениям Максвелла.

Тем не менее, в наши дни заметно возрождение интереса к баллистическим теориям. Вновь вспомнили труды швейцарца В. Ритца, который в 1908 году объяснял неожиданный результат опыта Майкельсона тем, что скорость света складывается со скоростью источника. Была, в частности, сделана попытка трактовать наблюдения за двойными звездами, не противореча баллистической теории. При этом не заметно анализа информации о других экспериментальных опровержениях баллистической теории. Хотя в свое время рассматривалось несколько ее вариантов, и проводились опыты, которые их опровергали. Более того, сам В. Ритц указывал на поправки к уравнениям Максвелла, которые надо было бы сделать, чтобы его баллистическая теория не противоречила основам электродинамики. С тех пор прошло много лет. Накопился значительный экспериментальный материал, подтверждающий универсальный характер законов Максвелла. И если кто-то предлагает гипотезу, не укладывающуюся в рамки общепринятой теории Максвелла, он должен, так же как В. Ритц, на это указать и предложить способ преодоления возникающих трудностей.

Следует подчеркнуть, что опытов, подтверждающих СТО, было много. В этом должны отдавать себе отчет те, кто не принимает или результат опыта Майкельсона, или его общепринятую трактовку. Действительно, можно в качестве исходного пункта рассуждений взять не этот опыт, а какой-то другой. Например, опыт, подтверждающий зависимость массы от скорости. В таком случае можно поставить вопрос так: какие могут быть логические следствия из предположения, что масса зависит от скорости в соответствии с теорией относительности? Одно из следствий очевидно — невозможность движения со скоростью света для любого объекта, обладающего массой покоя. Однако выяснить, какие при таком предположении должны быть результаты опыта Майкельсона, было бы, наверное, непросто. Но такие рассуждения могут многое прояснить. Более того, такой анализ помог бы скептикам: если какие-то утверждения СТО нельзя вывести в качестве следствий из соответствующей этой теории зависимости массы от скорости, то опровергателям Эйнштейна следует сосредоточить свое внимание именно на них. Но в любом случае из подтвержденного опытом факта — зависимости массы от скорости — следует, что при скоростях, близких к скорости света, механика Ньютона перестает «работать» и если не СТО, то какая-то другая теория должна это учитывать.

Если будет написана книга «Теория относительности для сомневающихся», то в ней опыт Майкельсона будет трактоваться как один из многих опытов, подтверждающих СТО. Впрочем, книга с таким названием вряд ли когда-либо выйдет из-за необъятности темы. Ведь сомневаться можно в чем угодно. Поэтому уместно обратить внимание на книгу, посвященную, на первый взгляд, одному частному вопросу — экспериментальному обоснованию одного из основных положений СТО — предположения о постоянстве скорости света. Ее название говорит само за себя — «Экспериментальные корни специальной теории относительности». В отличие от большинства научно-популярных книг, в ней основное внимание уделено не парадоксальным и противоречащим здравому смыслу (и поэтому интересным) следствиям этой теории, а множеству экспериментов, подтверждающих постоянство скорости света. И она делает неубедительным один из аргументов скептиков — ссылки на мнения крупных ученых, современников создания СТО, ее не принимавших. Ведь в первой четверти XX века опытное обоснование СТО было более скромным, чем в наши дни. Скорее всего, подобные книги, посвященные как бы «частным вопросам», будут выходить и в дальнейшем, И тогда, можно надеяться, скептиков будет меньше. А их возражения, если скептицизм сохранится, будут более основательными.

В этой же книге сообщается, что в опыте Физо по измерению скорости света в движущейся воде скорости складываются в соответствии с формулами СТО. У меня лично сразу возник вопрос, почему я, несмотря на то, что научно-популярные книги о теории относительности читал еще старшеклассником, узнал о столь интересном факте только недавно, когда готовил материал для этой статьи. Впрочем, этот факт должен быть интересен только для тех, кто скептически относится к СТО. Или для тех, кто намеревается дискутировать с «СТО-скептиками». Тот же, кто в СТО не сомневается, увидит здесь лишь очевидное следствие общепринятой теории. Может быть, и для меня этот научный факт стал интересным лишь после того, как я узнал, насколько распространено неприятие СТО.

Но этот опыт интересен не только сам по себе. Действительно, Физо показал, что скорость света меняется, когда он проходит через движущееся прозрачное вещество — воду. Но в таком случае естественно поставить вопрос — а не изменится ли скорость света, когда он будет проходить через другое прозрачное вещество — оптическое стекло, которое вместе с Землей движется вокруг Солнца. И вообще, как движение Земли влияет на характеристики оптических приборов? Напомним, что коэффициент преломления — основная оптическая характеристика вещества — определяется скоростью света в этом веществе. Подобные опыты были поставлены еще в начале XX века, и, как я понял, эффект сложения скоростей не был обнаружен. Однако мне лично было бы весьма интересно ознакомиться с научно-популярной книгой про СТО, где изложение опиралось бы не на опыт Майкельсона, а на оптические парадоксы. И, как мне кажется, подобные книги уменьшили бы число СТО-скептиков. Заметим, что оптические опыты существенно затрудняют задачу, стоящую перед ними. Для построения теории, отличной от СТО, им необходимо дать объяснение множеству разнородных экспериментально подтвержденных фактов. И чем более отличаются друг от друга эти факты, тем сложнее стоит задача перед опровергателями. Одному эксперименту — тому же опыту Майкельсона — можно дать много интерпретаций. Но физическая теория принимается научным сообществом, когда конкурирующие интерпретации опровергаются другими опытами. Судя по интернету, значительная часть опровергателей этого не осознает.

Эти заметки относятся, собственно говоря, не к физике, а к психологии. В них речь идет о психологических причинах, заставляющих многих не только скептически относиться к СТО, но и не жалея времени и сил пытаться ее опровергнуть. И автор этих строк имел специфический объект наблюдения — самого себя. Действительно, я сам себе удивлялся, недоумевая, зачем мне нужно рыться в учебниках, и, тем более, читать многочисленные послания СТО-скептиков в интернете, многие из которых были для меня очевидно нелепыми, а многие — непонятными. Началось все как-то само собой — я старался помочь своей дочери-старшекласснице одолеть премудрости физики, поругивая тех, кто внес в школьную программу элементы СТО и квантовой механики. При этом я не пытался анализировать противоречащие здравому смыслу положения квантовой механики, но в теории относительности попытался разобраться. Ведь для понимания ее основных положений вроде бы предварительных знаний не требуется. И почти сразу у меня возник вопрос. Задумавшись над наблюдениями Ремера над спутниками Юпитера, я пришел к выводу, что скорость сближения света, отраженного от спутника Юпитера, и земного наблюдателя периодически меняется. Она увеличивается, когда Земля и Юпитер сближаются, и уменьшается, когда они отдаляются. Потом, с помощью интернета, я узнал, что некоторые видят здесь опровержение основного положения СТО. Я не был столь «смел» в своих умозаключениях и понял, что мне следует уточнить, что физики понимают под скоростью света. Ведь наблюдатель на Земле может рассчитать, с какой скоростью он сближается с квантом света, отраженным от спутника Юпитера, и получить число, превышающее c. Физики явно имеют в виду не это. Но что?! Однако, в отличие от тех опровергателей, которые видят здесь контрпример для СТО, я здесь вижу сложный для понимания вопрос теории, который мне, мягко говоря, не вполне понятен.

Тем не менее, я на своем опыте убедился, что в теории относительности есть что-то завораживающее. Когда я узнал, что в опыте Физо с движущейся водой подтверждается закон сложения скоростей СТО, я задумался, а нельзя ли модифицировать подобным образом опыт Майкельсона. Модификация вроде бы простая — пропускать лучи света, скорость которых сравнивается в этом опыте, через трубки с водой (неподвижной). Вода в трубке, направление которой совпадает с направлением движения Земли вокруг Солнца, будет двигаться вместе с ней. И вроде бы здесь должен проявиться тот же эффект, что и у Физо. Однако, оказывается, еще в 1871 году англичанин Эйри проводил астрономические наблюдения, залив водой трубу телескопа. Как я понял, его логика не вполне совпадала с моей. Но это не важно. За несколько лет до Майкельсона не могло быть и речи о поиске релятивистских эффектов. Дело не в деталях, а в постановке вопроса: если прозрачное вещество движется вместе с Землей вокруг Солнца, то как это сказывается на его оптических свойствах? Замечу, что никаких соображений по поводу модификации опытов, связанных с квантовой механикой, мне в голову не пришло и не могло прийти. Поскольку мне было непонятно, о чем идет речь.

Я пишу об этом потому, что хочу понять, почему столько людей пытаются опровергнуть СТО. При этом серьезные возражения, если такие есть, теряются среди множества заведомо несерьезных. И я попытался, стараясь разобраться в основных положениях СТО, одновременно понять логику опровергателей. Вернее, тех из них, к кому следует относиться серьезно. Тем более что я сам неожиданно для самого себя стал втягиваться в неблагодарное и сложное дело — пытаюсь разобраться, если не в самой СТО, то в вопросах, далеко не простых, которые с ней непосредственно связаны. Возможно, принимаясь за это дело, я подсознательно находился под влиянием одной научно-популярной книги, которую я прочел, будучи старшеклассником. Там утверждалось, что вывод основных формул СТО не сложен. И я помню, что был тогда очень удивлен, убедившись, как просто выводятся эти формулы. Школьнику простительно не видеть сложности там, где она не очевидна, и не знать, что для понимания физической теории мало понимания математической стороны вопроса. Но упрощенное представление о проблемах, связанных с СТО, может дать и учебная литература.

Есть надежда, что некоторые вопросы, смущающие скептиков, будут со временем разрешены как бы сами собой. Технический прогресс и развитие науки ведут к повышению точности приборов. Поэтому многие сомнения со временем будут опровергнуты с помощью опытов, которые в наше время нереализуемы. Или из сомнений превратятся в научный факт, что потребует, как минимум, перестройки научных теорий.

От редакции

Попытки разъяснить теорию относительности предпринимались практически с момента ее создания. К упомянутым автором статьи выдающимся ученым следует добавить и Льва Ландау, выступившего в 1939 году на страницах «Знание — сила» с популярным ее изложением. Как не падает интерес к теории относительности, так и фигура нашего знаменитого физика продолжает привлекать к себе внимание. В начале будущего года предстоит отметить 100-летний юбилей Ландау, и журнал также готовится к этой дате.

Эйнштейн снова оказался прав — общая теория относительности работает с черной дырой в центре Млечного Пути

Наука
Космос
Теория относительности Эйнштейна
Черная дыра

Эйнштейн снова оказался прав — общая теория относительности работает с черной дырой в центре Млечного Пути

Егор Морозов

—
27 июля 2019, 15:05

Спустя более чем 100 лет после того, как Альберт Эйнштейн опубликовал свою известную общую теорию относительности, она начинает трещать по швам: так, ее не получается переформулировать как классический предел все более развивающейся квантовой теории.  Но все же 25 июля в журнале Science профессор Калифорнийского университета Андреа Гез и ее исследовательская группа сообщают, что в новом тесте общей теории относительности вблизи гигантской черной дыры в центре нашей галактики она все еще работает.

«Эйнштейн прав, по крайней мере, на данный момент», — сказала Гез, один из ведущих авторов исследования. «Мы можем полностью исключить закон тяготения Ньютона. Наши наблюдения согласуются с общей теорией относительности Эйнштейна. Однако его теория определенно имеет пробел. Она не может полностью объяснить гравитацию внутри черной дыры, и в какой-то момент нам нужно будет двигаться от теории Эйнштейна до более всеобъемлющей теории гравитации, которая объясняет, что такое черная дыра».

Общая теория относительности Эйнштейна 1915 года утверждает, что то, что мы воспринимаем как силу гравитации, возникает в результате искривления пространства и времени. Великий ученый тогда предположил, что такие объекты, как Солнце и Земля, изменяют геометрию пространства.  Теория Эйнштейна — пока что лучшее описание того, как работает гравитация, говорит Гез, чья команда астрономов провела прямые измерения этого явления вблизи сверхмассивной черной дыры — исследование, которое Гез описывает как «экстремальную астрофизику».

Законы физики, включая гравитацию, должны быть действительны везде во Вселенной, сказала Гез, добавляя, что ее исследовательская группа является одной из двух по всем мире, способных наблюдать, как звезда, известная как S0-2, делает полный оборот в трех измерениях вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. На один виток у нее уходит 16 лет, а масса черной дыры, известной как Стрелец А*, примерно в четыре миллиона раз больше массы Солнца.

Стрелка указывает на местоположение черной дыры Стрелец А* в центре нашей галактики.

Ключевыми данными в новой работе были спектры «любимой звезды» (так команда Гез назвала S0-2), которые они проанализировали в апреле, мае и сентябре 2018 года — в те моменты, когда звезда максимально приблизилась к огромной черной дыре.  Спектры, которые Гез описала как «радуга света» от звезд, показывают интенсивность каждой длины волны излучаемого света и предоставляют важную информацию о звезде, от которой распространяется свет — например, показывают ее состав. Эти данные были объединены с измерениями, которые Гез и ее команда проводили последние 24 года.

Изображения звезды, полученные исследователями в Обсерватории Кека на Гавайях, дают только два измерения (то есть орбита получается в 2D). Спектры, собранные в этой же обсерватории с использованием спектрографа, построенного в Калифорнийском университете группой, возглавляемой Джеймсом Ларкиным, обеспечивают третье измерение, что в итоге делает возможным получение 3D-орбиты звезды с потрясающим уровнем точности.

«Что такого особенного в S0-2, так это то, что мы имеем ее полную орбиту в трех измерениях», — сказала Гез. «Это то, что дает нам входной билет в тесты общей теории относительности. Мы спросили себя, как гравитация ведет себя вблизи сверхмассивной черной дыры и объясняет ли нам теория Эйнштейна полную историю движения. Наблюдение за тем, как звезды проходят свою полную орбиту, дает возможность проверить фундаментальную физику».

Ученые изучали фотоны — частицы света — когда они путешествовали от S0-2 до Земли. S0-2 движется с огромной скоростью, более 10 миллионов километров в час в ближайшей к черной дыре точке орбиты, что составляет 3% от скорости света. С учетом того, что в моменты максимального сближения расстояние между звездой и черной дырой составляет всего 120 астрономических единиц (а.е., среднее расстояние от Земли до Солнца), а сама дыра имеет диаметр в 1/6 а.е., то по теории относительности Эйнштейна мы получаем, что для того, чтобы вырваться из гравитационного поля черной дыры, фотоны должны делать дополнительную работу. Их длина волны, когда они покидают звезду, зависит не только от того, насколько быстро звезда движется, но также и от того, сколько энергии фотоны расходуют на выход из мощного гравитационного поля черной дыры.

Исследовательская группа проверила следствие общей теории относительности, известное как «красное смещение», в котором гравитация может искажать свет.  Так же, как гудок тепловоза звучит выше тоном, когда он движется к нам, и более низким тоном, когда он уезжает от нас, свет, попадающий в гравитационное поле, смещается в синий конец спектра, в то время как свет, выходящий из гравитационного поля, краснеет — именно это и происходит со светом далеких звезд, что и дало название явлению.

Спектр света S0-2 показал, что красное смещение, которое он испытал от экстремальной гравитации Стрельца А*, соответствовало общей теории относительности. Было необычно увидеть тут подтверждение общей теории относительности, особенно если учесть, что «чёрные дыры, а тем более сверхмассивные чёрные дыры, даже не были известны, когда Эйнштейн создал свою теорию», — сказал До.

«Эти измерения свидетельствуют о начале новой эры, когда мы можем наконец проверить природу гравитации, используя орбиты звезд вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики», — говорит ведущий автор исследования Туан До, астрофизик из Университета Калифорнии. «Теоретические выкладки были сделаны давно, но действительно здорово, что мы наконец можем проверить их на практике», — добавил он. «Это веха на пути к будущему, к более детальным тестам общей теории относительности и других теорий гравитации».

Черные дыры имеют такую ​​мощную гравитацию, что ничто не может избежать их притяжения, даже свет. Они не могут быть видны напрямую, но их влияние на близлежащие звезды и искажение света рядом с ними позволяет «очерчивать» их границы. Как только что-то пересекает горизонт событий черной дыры, оно уже не сможет вырваться. Однако звезда S0-2 находится относительно далеко от горизонта событий, даже при максимальном сближении, поэтому ее фотоны мы все же можем регистрировать на Земле.

«Проведение измерений такого фундаментального значения потребовало многих лет терпеливого наблюдения, которое было обеспечено современными технологиями», — сказал Ричард Грин, директор отдела астрономических наук Национального научного фонда. На протяжении более двух десятилетий фонд поддерживал Гез, а также работу нескольких приборов, имеющих решающее значение для открытия исследовательской группы.  «Благодаря своим тщательным усилиям, Гез и ее сотрудники создали очень важное подтверждение идеи Эйнштейна о гравитации».

Изображение орбит звезд вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Выделена орбита S0-2, первой звезды, орбита которой известна достаточно точно, чтобы проверить общую теорию относительности Эйнштейна.

Директор Обсерватории Кека Хилтон Льюис назвал Гез «одним из наших самых страстных и упорных пользователей». «Ее последнее новаторское исследование», — сказал он, «является кульминацией непоколебимой приверженности науки за последние два десятилетия, что позволило раскрыть тайны сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики Млечный путь».

Гез имела ​​возможность представить частичные данные прошлым летом, но она предпочла не делать этого, чтобы ее команда могла сначала тщательно проанализировать полученные результаты. «Мы изучаем, как работает гравитация. Это одна из четырех фундаментальных сил и та, которую мы знаем хуже всего», — сказала она.  «Есть много регионов, где мы просто не спрашивали, как работает гравитация. Легко быть слишком самоуверенным, и есть много способов неверно интерпретировать данные, много способов, в которых небольшие ошибки могут накапливаться в значительные искажения, поэтому мы не спешили с нашим анализом». И это не пустые слова: Гез изучает более 3000 звезд, которые вращаются вокруг сверхмассивной черной дыры. По ее словам, сотни из них молоды и находятся в регионе, где астрономы вообще никак не ожидали их увидеть.

Фотонам от S0-2 требуется 26 000 лет, чтобы достигнуть Земли. «Мы были взволнованы и годами готовились к проведению этих измерений», — сказала Гез. «Для нас интуитивно кажется, что это происходит сейчас, но это на самом деле это произошло 26 000 лет назад!»

Обсерватория Кека на Гавайях.

Это первый из многих тестов общей теории относительности, которые исследовательская группа Гез планирует провести на звездах возле сверхмассивной черной дыры. Среди звезд, которые ее больше всего интересуют, находится S0-102, у которой самая короткая орбита — для полного оборота ей достаточно всего 11. 5 лет. У большинства звезд, изучаемых Гез, орбиты намного длиннее, чем продолжительность жизни человека.

Команда Гез проводила измерения примерно каждые четыре ночи в решающие периоды в 2018 году с помощью Обсерватории Кека, которая находится на вершине бездействующего вулкана Мауна-Кеа на Гавайях и где находится один из крупнейших в мире оптических и инфракрасных телескопов. Измерения также проводились с помощью телескопов в Обсерватории Джемини и на телескопе Субара, также на Гавайях.

Купить рекламу

Рекомендации

• Wildberries сделал все возвраты платными

• Центробанк прямо сказал россиянам, что делать с долларами и евро

• USB-C должен был упростить нашу жизнь, но в итоге он только все запутал

• Ozon изменил способ получения заказов

Рекомендации

Wildberries сделал все возвраты платными

Центробанк прямо сказал россиянам, что делать с долларами и евро

USB-C должен был упростить нашу жизнь, но в итоге он только все запутал

Ozon изменил способ получения заказов

Купить рекламу

Читайте также

Игры

Вышли третьи бета-версии iOS 16.

2, iPadOS 16.2 и macOS Ventura 13.1 для разработчиков

Apple
iOS 16

Apple не интересны жалобы бета-тестировщиков. В компании их даже не читают

Apple
iOS
macOS

Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Britannica Beyond
  Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Спросить. Мы не будем возражать.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Страница не найдена

Приносим свои извинения! Этот контент недоступен. Посетите домашнюю страницу Britannica или воспользуйтесь полем поиска ниже.

Насколько хорошо ты знаешь словарный запас 9-го класса?

Художественный музей Филадельфии является домом для этих 12 известных картин

Э. О. Страсть Уилсона к муравьям на протяжении всей жизни помогла ему научить людей тому, как устойчиво жить с природой 

Теория относительности — Интересуетесь астрономией? Спросите астронома

Перейти к вопросам

В первые десятилетия 20-го века молодой швейцарский патентный клерк по имени Альберт Эйнштейн опубликовал теорию относительности и навсегда изменил лицо физики и астрономии.

Авторы и права: Фердинанд Шмутцер (1870–1928), восстановлено Адамом Кюрденом

Альберт Эйнштейн во время лекции в Вене в 1921 году. Альберт Эйнштейн (1879–1955) был физиком-теоретиком и философом науки немецкого происхождения . Он разработал общую теорию относительности, одну из двух основ современной физики (наряду с квантовой механикой). Он наиболее известен в массовой культуре своей формулой эквивалентности массы и энергии E = mc2 (которая была названа «самым известным уравнением в мире»). Он получил 1921 Нобелевская премия по физике «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта. Последний сыграл ключевую роль в создании квантовой теории. Теория относительности, возможно, является наиболее успешным развитием в истории науки. с точки зрения ее согласия с экспериментальными результатами и ее способности предсказывать новые явления — только квантовая механика может претендовать на то, чтобы конкурировать с ее успехом Теория Эйнштейна немедленно объяснила некоторые из основных проблем физики и астрономии его времени, и она продолжала объяснить новые разработки, на которые даже не намекнули 90 лет назад, включая существование черных дыр и недавние наблюдения в космологии.

Тем не менее, принятие теории относительности требует от нас отбросить почти все наши прежние представления о Вселенной, а также большую часть того, что мы бы назвали «здравым смыслом». Пространство и время, которые для людей, запертых на планете Земля, кажутся фиксированным, неизменным фоном, на котором разыгрываются космические события, на самом деле вовсе не таковы. Пустое пространство может сжиматься, расширяться или искривляться в зависимости от того, насколько близко вы находитесь к массивному объекту, и скорость течения времени также может меняться. Пространство и время могут даже меняться в зависимости от , который их измеряет; стрелки на часах будут выглядеть меньше и тикать медленнее, чем быстрее часы движутся относительно вас.

Приложения теории относительности

Теория относительности требуется всякий раз, когда мы изучаем объекты, которые либо (a) движутся в сильном гравитационном поле , либо (b) движутся со скоростью, близкой к скорости света . Если (б) верно, но не (а), мы можем обойтись более простой версией теории, называемой специальной теорией относительности 9.0157 ; исторически это то, что первым разработал Эйнштейн, а более всеобъемлющая теория общей теории относительности появилась позже.

В повседневной жизни на Земле ни (а), ни (б) неверны, поэтому нам обычно вообще не приходится беспокоиться об относительности. Тем не менее, его эффекты могут быть важны, когда требуется чрезвычайно высокая точность; например, одно из важнейших применений теории относительности связано с Глобальной системой позиционирования (GPS), которая вообще не работала бы, если бы мы не принимали во внимание релятивистские эффекты. Если вы когда-либо пользовались GPS-приемником, вы получили непосредственную пользу от теории относительности Эйнштейна!

Движение в сильном гравитационном поле

Одним из самых удивительных аспектов теории относительности является то, что она полностью меняет наше понимание гравитации.

Авторы и права: НАСА

Гравитация и пространство-время. Художественная концепция гравитационного зонда B, вращающегося вокруг Земли для измерения пространства-времени, четырехмерного описания Вселенной, включая высоту, ширину, длину и время. Ученым давно известно, что гравитация необычна. Возьмите кучу деревянных брусков, больших и маленьких, и сметите их со стола; все они будут падать с одинаковой скоростью и ударяться о землю одновременно. Приклейте к каждому кусок металла и притяните их магнитом, правда, и они будут двигаться с разной скоростью; попробуйте тянуть их веревкой, и вам придется тянуть сильнее, чтобы набрать скорость более крупных объектов. Почему гравитация, и только гравитация, способна приспосабливаться, чтобы притягивать все к Земле с одинаковой скоростью?

Эйнштейн дал революционный ответ на этот вопрос. Согласно Эйнштейну, гравитация — это не сила, которая притягивает предметы; скорее, это искривление пространства и времени, вызванное присутствием поблизости массивного объекта (например, Земли). Когда что-то приближается и движется мимо массивного объекта, кажется, что оно притягивается к нему, но на самом деле его вовсе не тянет. На самом деле он движется по той же прямой линии, по которой двигался в пустом пространстве, но эта прямая линия теперь будет выглядеть искривленной из-за гравитационного искривления основного континуума «пространство-время».

Искривленное пространство: простая аналогия

Если предыдущий абзац не имеет смысла (и вряд ли будет!), рассмотрите следующую аналогию, имеющую отношение к «искривленному пространству», к которому вы больше привыкли: поверхность Земля. Предположим, вы находитесь в Итаке, штат Нью-Йорк (где находится Корнельский университет), и хотите отправиться в Рим, Италия, который находится примерно к востоку от Итаки и в четверти земного шара. Вы можете подумать, что лучший способ добраться туда — это начать движение на восток и продолжать идти прямо, пока не доберетесь до Рима, как показано красным на этой карте:

Авторы оригинальной карты: WorldAtlas.com

На самом деле, если вы начнете двигаться на восток и продолжите идти прямо, осторожно переставляя одну ногу перед другой, вы выберете синюю дорожку; к тому времени, когда вы доберетесь до Рима, вы будете где-то в Западной Африке, недалеко от экватора! (Если вы не верите этому утверждению, попробуйте сделать это с глобусом и куском веревки. Натяните веревку так, чтобы она была прямой, а затем поместите ее с востока на запад через Нью-Йорк. Оставшаяся часть веревки пройдет через Африку и пересечет экватор, точно так же, как синяя дорожка на карте выше.)

Что здесь происходит? Ничего особо сложного, на самом деле. Как мы все знаем, поверхность Земли круглая, но когда мы пытаемся изобразить ее на двухмерной карте, нам приходится ее «сглаживать». Оказывается, в процессе этого сглаживания все искажается, и некоторые линии, которые на самом деле прямые (например, синяя дорожка), выглядят изогнутыми, в то время как некоторые линии, которые на самом деле изогнуты (например, красная дорожка), выглядят прямыми.

Авторы и права: ЕКА/Хаббл и НАСА

Кольцо Эйнштейна в форме подковы от Хаббла. Что такое большое и синее, что может обернуться вокруг целой галактики? Мираж гравитационной линзы. На изображении выше гравитация яркой красной галактики (LRG) гравитационно исказила свет от гораздо более далекой синей галактики. Чаще всего такое искривление света приводит к появлению двух различимых изображений далекой галактики, но здесь выравнивание объектива настолько точное, что фоновая галактика искажается в виде подковы — почти полного кольца. Поскольку такой эффект линзирования был в общих чертах предсказан Альбертом Эйнштейном более 70 лет назад, кольца, подобные этому, теперь известны как кольца Эйнштейна. Согласно Эйнштейну, То же самое происходит вблизи массивного объекта, только кривизна возникает у чего-то, что имеет четыре измерения (пространство, в котором мы живем, плюс одно измерение времени), а не два измерения (поверхность Земли). Пространство и время вблизи массивного объекта «искривляются», но мы не можем воспринимать это напрямую, поскольку ограничены возможностью видеть вещи в трех измерениях. Поэтому наш мозг предполагает, что пространство плоское, и в процессе этого предположения все портится. Объекты, которые на самом деле движутся по прямым линиям, появляются на «карте», которую мы строим в наших головах, как движущиеся по кривым и притягиваемые массивным объектом поблизости.

Как только вы привыкнете к этому, новый взгляд на гравитацию станет для вас очень естественным! Вы когда-нибудь видели астронавтов на орбите вокруг Земли? Они выглядят так, будто их что-то тянет? Нет, они не делают; они испытывают невесомость , и если бы они не смотрели в окно, чтобы увидеть Землю внизу, они могли бы обоснованно заключить, что их корабль плывет в пустом пространстве, вдали от земного притяжения. Согласно Эйнштейну, это совершенно разумный вывод, поскольку эти две ситуации эквивалентны! Независимо от того, плывут ли они в космосе или вращаются вокруг Земли, астронавты движутся по одному и тому же прямолинейному пути. На самом деле, мы тоже могли бы испытать невесомость, если бы не поверхность Земли, удерживающая нас от падения на 9 градусов.0156 наш прямой путь к центру Земли. Эйнштейн говорит, что мы чувствуем не гравитацию, а просто землю, давит на наши ноги.

Эффекты искривления пространства и времени

Авторы и права: НАСА, Эндрю Фрухтер и команда ERO [Сильвия Баггетт (STScI), Ричард Хук (ST-ECF), Золтан Левай (STScI)] (STScI)

Гравитация Скопление галактик Abell 2218 создает гигантскую линзу. Космический телескоп НАСА «Хаббл» сфотографировал гигантское космическое увеличительное стекло, массивное скопление галактик под названием Abell 2218. Скопление настолько массивно, что его огромное гравитационное поле отклоняет световые лучи, проходящие через него, так же, как оптическая линза преломляет свет в форму изображение. Это явление, называемое гравитационным линзированием, увеличивает, осветляет и искажает изображения удаленных объектов. Увеличивающая сила скопления обеспечивает мощный «зум-объектив» для наблюдения за далекими галактиками, которые обычно невозможно наблюдать с помощью самых больших телескопов. Это полезное явление породило дугообразные узоры, которые можно найти на всех снимках Хаббла. Эти «дуги» представляют собой искаженные изображения очень далеких галактик, которые лежат в 5-10 раз дальше, чем линзирующее скопление. Искривление пространства и времени, предсказанное Эйнштейном, имеет некоторые поразительные последствия, многие из которых были подтверждены экспериментальными испытаниями. Возможно, самый известный из них касается способности гравитации искривлять свет, когда он проходит через искривленное пространство рядом с массивным объектом; этот эффект впервые наблюдал Артур Эддингтон в 1919 сентября, событие, которое принесло Эйнштейну международную известность. Первоначальные результаты Эддингтона сейчас считаются спорными, но усовершенствованная технология убедительно продемонстрировала, что предсказание Эйнштейна было верным. В последние годы астрономы не только подтвердили способность гравитации преломлять свет, но и нашли очень веские косвенные доказательства существования черных дыр, объектов, которые искривляют свет настолько, что он не может даже вырваться наружу.

Еще одним крупным успехом теории Эйнштейна было то, что она устранила некоторые серьезные проблемы, с которыми астрономы того времени сталкивались в понимании орбиты Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты. Некоторые думали, что должна была существовать еще одна невидимая планета (которую они называли Вулканом), чье гравитационное притяжение влияло на орбиту Меркурия, но Эйнштейн показал, что все проблемы исчезают, как только принимается во внимание теория относительности.

Существуют также интересные эффекты, связанные с «кривым временем», предсказанным теорией относительности. Этот эффект проявляется в том, что рядом с массивным объектом время течет медленнее, настолько, что если бы вы наблюдали, как кто-то падает в черную черную дыру, вы бы увидели, что его время полностью остановилось , и он как бы «застыл» и исчез. Замедление времени гравитацией также влияет на частоту световых волн и, следовательно, на их цвет; свет становится голубее по мере приближения к массивному объекту и краснее по мере удаления. Впервые этот эффект наблюдался в 1960 Роберта Паунда и Глена Ребки, которые направили гамма-лучи на крышу здания и измерили изменение их цвета по мере удаления от Земли.

Вероятно, самый захватывающий успех теории Эйнштейна пришел в этом столетии с объявлением LIGO в 2016 году, где было обнаружено, что гравитационные волны, исходящие от спирали и слияния двух черных дыр, впервые наблюдались в сентябре 2015 года! Это стало важной вехой в физике, поскольку это было первое подтверждение теории в режиме сильного поля (в отличие от режима слабого поля гравитационного поля Земли или Солнца). Вскоре после этого основатели LIGO были награждены Нобелевская премия по физике за это открытие, и с тех пор сообщалось о нескольких новых открытиях.

Движение со скоростью, близкой к скорости света

Некоторые из наиболее интересных аспектов теории относительности обсуждались выше, но первая часть теории (специальная теория относительности) была разработана без учета сложных эффектов гравитации.

На самом деле Эйнштейн разработал специальную теорию относительности в ответ на простую проблему, с которой столкнулись физики того времени. Для понимания требуется немного больше, чем математика средней школы; Вклад Эйнштейна заключался не в математическом блеске, а скорее в готовности рассматривать идеи, которые большинство людей отбросило бы как нелепые, даже не задумываясь о них.

Постоянство скорости света

В 19 веке физики интерпретировали законы электромагнетизма так, что для Вселенной требуется «предпочтительная система отсчета», в которой распространяется свет. Точно так же, как вы чувствуете, что ветер дует быстрее, когда вы находитесь в машине, которая движется относительно воздуха, физики также думали, что свет будет двигаться немного быстрее (или немного медленнее) в зависимости от того, как движение Земли в космосе совпадает с движением Земли в космосе. невидимая среда, или эфир , в котором путешествовал свет.

Однако в 1880-х годах эксперименты Альберта Майкельсона и Эдварда Морли показали кое-что замечательное — казалось, что эфира вообще не существует! При движении Земли вокруг Солнца меняется ее направление, поэтому должна меняться и ее скорость по отношению к эфиру. Но когда Майкельсон и Морли тщательно измерили скорость света в разных направлениях в разное время года, они обнаружили, что она всегда одинакова.

Эти результаты имеют поистине странные последствия.

Представьте, что вы пытаетесь измерить скорость грузовика на шоссе, двигаясь по соседней полосе. Грузовик едет немного быстрее, чем вы, поэтому вы видите, как он пробирается мимо — сначала он догоняет ваше заднее колесо, затем — заднюю дверь. Внезапно вы решаете ударить по тормозам. Однако вместо того, чтобы приближаться к вам, грузовик продолжает подкрадываться — теперь он находится на одной линии с вашей входной дверью. Вы нажимаете на акселератор, и грузовик не отстает — он продолжает подкрадываться к вашему переднему колесу. Наконец, вы полностью останавливаете машину и выходите — грузовик все равно проползает мимо.

Похоже, что грузовик следит за каждым вашим движением, но потом вы сравниваете записи с другом, который ехал по третьему ряду, с другой стороны грузовика. Она думает, что грузовик преследовал ее , хотя она ехала совершенно иначе, чем вы — мчалась в то же время, когда вы остановились, замедлялась, в то время как вы ускорялись! Кажется невозможным? Возможно, но эксперимент Майкельсона-Морли доказал, что если бы грузовики вели себя как световые лучи, они бы вели себя именно так.

Простое решение Эйнштейна

Многие физики искали сложные способы отвергнуть результаты Майкельсона и Морли, но Эйнштейн поступил иначе — он просто принял их за чистую монету и спросил, каковы были бы последствия, если бы свет действительно вел себя таким образом странный способ.

Эйнштейн понял, что для того, чтобы скорость света оставалась постоянной, как ее видят все наблюдатели, другие вещи, которые все всегда считали постоянными, должны измениться. Чем быстрее два человека движутся относительно друг друга, тем больше у них разногласий по поводу света (или грузовика в приведенном выше примере) и тем больше они думают, что что-то с другим человеком должно быть не в порядке. Эйнштейн показал, что вещами, которые кажутся не в порядке, должны быть длина и время — каждый человек будет наблюдать, как другой сжимается в направлении движения, а их часы тикают медленнее.

Какими бы странными ни казались эти результаты, они не противоречат другим законам физики и фактически расширяют наше понимание их. Если мы примем специальную теорию относительности, то окажется, что электромагнетизм больше не нуждается в какой-либо «предпочтительной системе отсчета», в которой можно действовать. Скорее, он работает корректно из любой выбранной вами системы отсчета — ни одна из них не является более предпочтительной, чем любая другая, а скорости, с которыми разные системы отсчета движутся друг относительно друга, действительно равны относительным 9.0157 , в отличие от абсолютного.

Из простых наблюдений Эйнштейна последовали многие более важные открытия, среди которых эквивалентность массы и энергии (выраженная знаменитой формулой E=mc ² ) и тот факт, что информация никогда не может двигаться быстрее скорости света. Эти и другие идеи ежедневно подтверждаются в ускорителях частиц по всему миру, а также во многих других экспериментах.

Тем не менее, возможно, самым важным открытием, которое пришло из специальной теории относительности, была идея о том, что пространство и время — это не священный, неизменный фон для Вселенной, а вещи, которые могут изменить , от точки к точке и от человека к человеку. Именно это понимание проложило путь общей теории относительности и ее радикальной интерпретации гравитации, разветвления которой ощущаются до сих пор.

Последнее обновление этой страницы: 28 января 2019 г.

Любимые ссылки команды The Ask an Astronomer о теории относительности:

• Моделирование экстремального пространства-времени (SXS) — исследовательское сотрудничество с участием нескольких учреждений, включая Корнелл.