Год открытия теория относительности: Теория относительности • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания» |

Содержание

Общая теория относительности: уже сто лет, но все еще полна сюрпризов

В 1913 году Альберт Эйнштейн застопорился в своих усилиях построить общую теорию относительности. Он обратился к своему другу Марселю Гроссману за математической поддержкой: «Гроссман, ты должен мне помочь, иначе я сойду с ума». Спустя четыре года, когда Эйнштейн заканчивал статью о космических последствиях своей (наконец) завершенной теории, у него разболелась язва желудка, он страдал от расстройства печени. Измученный своими психическими усилиями, Эйнштейн думал, что умирает. Он писал физику Арнольду Зоммерфельду: «В последний месяц у меня было самое стимулирующее, исчерпывающее время в моей жизни, а также одно из самых успешных».

Но это чувство ускользало от большинства его коллег в те времена и до сих пор продолжает. Они изучают величайшее прозрение Эйнштейна, не принимая во внимание то, как он достиг его, или что оно для него значило; они просто «не чувствовали относительность в своих косточках», как говорит физик-теоретик Колумбийского университета Брайан Грин. Это отсутствие понимания проистекает из прилипчивого заблуждения о том, чем на самом деле является общая относительность, даже среди тех, кто потратил карьеру на ее изучение. Она широко описывает, как теория гравитации, но это не только теория. Она расписана в виде серии уравнений, описывающих движение объектов, но это не просто уравнения.

Общая теория относительности лучше всего воспринимается как пейзаж, буквально и фигурально. Это пространство понятий, которые описывают все возможные конфигурации пространства и времени, и все пути их изменения в присутствии материи. Это система, в которой все части реальности связаны. Первые походы Эйнштейна в этот пейзаж воодушевили и осушили его. Всякий раз, когда другие ученые пытались пройти по его стопам, они находили много новых областей. Именно поэтому, спустя сто лет после первой своей публикации, общая теория относительности все еще приносит удивительные открытия.

* * *

Нет лучше способа охватить идею относительности-как-пейзажа, чем взглянуть на самый большой пейзаж вообще: Вселенную. Эйнштейн понял, что пространство не является фиксированным фоном (неким невидимым полотном, относительно которого вы можете измерить движение), а является гибкой, динамичной вещью, которая искривляется и вытягивается в ответ на массу. Это искривление мы ощущаем как гравитационную тягу: она удерживает ваши ноги на земле и Землю на орбите. Ли Смолин — теоретик Института теоретической физики Периметра в Ватерлоо, штат Онтарио, и один из ярых учеников Эйнштейна — приветствует способность общей теории относительности обеспечивать единое, единственное описание всего пространства, определенного всей массой. «Это первая теория, которую можно применить ко Вселенной как к единому целому в замкнутой системе», — говорит он.

Вы наверняка слышали, что ученые говорят, что Вселенная расширяется, но что это означает на самом деле? В 1929 году Эдвин Хаббл наблюдал, что галактики, кажется, движутся прочь во всех направлениях. Заманчиво было бы предположить, что эти галактики летят через космос, подталкиваемые гигантским изначальным взрывом. В 1930-х годах британский астроном Э. Милн попытался описать открытие Хаббла именно в таких терминах. Но его анализ мрачно провалился. Единственный способ внести смысл в астрономические наблюдения, как показал Эйнштейн, это подумать о космосе как о чем-то огромном. Галактики не летят через пространство; это само пространство расширяется между ними.

Это понятие глубоко странное, но как только вы с ним примиритесь, все другие идеи встанут на свои места. Во-первых, есть Большой Взрыв, который был не взрывом в пространстве, а взрывом пространства. Все пространство было стянуто в единую точку в момент Большого Взрыва, и все пространство вытянулось из нее за последующие 13,7 миллиарда лет. Поскольку пространство расширяется во всех направлениях, любую точку можно считать центром Вселенной. Вы, здесь и сейчас, находитесь в центре Вселенной. (Чувствуете, как эго наливается соком?). Смоделировать происхождение элементов, образование галактик, прямой эволюционной путь от Большого Взрыва к современной Земле космологам помогло не что иное, как общая теория относительности.

И они до сих пор изучают новые уголки пейзажа относительности. Поскольку пространство динамично, оно может деформироваться самым немыслимым образом. Притяжение гравитации сжимает пространство; это сжатие вы чувствуете как свой вес. Уравнения Эйнштейна также допускают антигравитацию, энергию, которая толкает пространство прочь. На протяжении десятилетий эту возможность считали теоретическим любопытством. Но в 1998 году группа из двух астрономов обнаружила, что расширение Вселенной ускоряется. Это имеет смысл только в контексте относительности. Элемент антигравитации, подталкивающий ускорение, сейчас называется «темной энергией», и он настолько хорошо принят, что Нобелевскую премию по физике 2011 года присудили за его открытие.

Истинная природа темной энергии, впрочем, остается загадкой. Чтобы ее понять, международная группа астрономов запустила Dark Energy Survey, в настоящее время реализуемый в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили. В течение пяти лет ученые будут фотографировать 300 миллионов галактик и записывать их распределение. Гравитация приводит к тому, что галактики собираются со временем, тогда как темная энергия их рассеивает. Паттерн, полученный в ходе исследования, покажет, работает ли темная энергия одинаково во всех местах и менялась ли ее интенсивность в течение космической истории. Темная энергия перевешивает все видимые галактики в соотношении 15 к 1, поэтому ее влияние может стать решающим для судьбы Вселенной.

Так же, как пространство может расширяться, оно может и покрываться рябью, взволнованное гравитацией движущегося объекта, подобно тому, как поверхность пруда покрывает рябью после падения камешка. Это еще одна пустыня относительности, которую ученые только сейчас начинают изучать. Поскольку гравитационные волны обтекают Землю на скорости света, они тонко хлюпают и растягивают все, что встречают на пути, в том числе и вас. Этот эффект невероятно слабый. Чтобы найти эти волны, ученые модернизируют пару 4-километровых детекторов — один в Вашингтоне, другой в Луизиане, США, — под названием Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), наряду с комплексным экспериментом под названием Virgo, расположенным в Италии. К концу десятилетия они надеются наблюдать гравитационные сигналы, излучаемые значительными, но по своей сути невидимыми событиями космоса, вроде столкновений черных дыр.

И, да, черные дыры — пожалуй, самая известная из всех странных особенностей, вытекающих из пейзажа уравнений Эйнштейна. Черные дыры — это места, где пространство искривляется само в себя; нигде больше топография относительности так не искажается и не интригует. На горизонте событий — границе черной дыры — время останавливается, а явления на атомных масштабах, описываемые квантовой механикой, растягиваются до размеров городов… или так кажется. Общая теория относительности также утверждает, что все части Вселенной должны быть продолжительными, то есть не должно быть никаких физических помех между внутренней и наружной частью черной дыры. Это кажущееся противоречие вдохновило целую бурю новых теорий, которые пытаются выйти за рамки современного понимания законов физики.

Даже в закрученном случае черных дыр, концепции, которые, похоже, проживают в отдаленных краях пейзажа относительности, могут быть доступными для наблюдения. Инструмент под названием Event Horizon Telescope, состоящий из девяти радиообсерваторий, разбросанных по миру, прямо сейчас собирает информацию для создания первых прямых снимков сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Эта черная дыра сама по себе никак не выглядит (она ведь черная), но измерения ее размеров и окружающих структур могут напрямую указать, как масса искажает структуру пространства. Любые отклонения от эйнштейновских ожиданий укажут путь в направлении совершенно новых физических понятий. Первые осмысленные изображения Event Horizon Telescope появятся скоро, возможно, уже в течение десяти лет.

* * *

Все эти идеи о расширяющейся Вселенной, гравитационных волнах и черных дырах потребовали мучительно много времени на разработку, поскольку скрывались глубоко внутри пейзажа относительности. Сам Эйнштейн медленно принял первые две и никто не примирился с черными дырами, называя аргументы в пользу их существования «неубедительными» и предполагая, что природные процессы не позволили бы им сформироваться. Многие писатели, в том числе знаменитый физик Георгий Гамов, представили сопротивление Эйнштейна этим идеям как «промахи» — места, где его великий ум сошел с пути. В реальности же Эйнштейн открыл настолько огромный пейзаж, что даже ему не хватило целой жизни, чтобы изучить его.

Даже современные физики недалеко ушли от Эйнштейна и считают, что общая теория относительности — это далеко не конец. Относительность расходится с квантовой механикой — набором правил, описывающих мир в атомных масштабах — в своем описании гравитации и экстремальных объектов вроде черных дыр. Вынужденные выбирать, многие современные теоретики называют квантовую механику более основательным описанием реальности, называя относительность крупномасштабным явлением, сотканным из маломасштабных квантовых эффектов. Физики очень хорошо проработали нижнюю часть (в которой свет представлен фотонами, а материя скоплениями атомов), но столетний опыт предполагает, что неразумно недооценивать силу эйнштейновской перспективы сверху вниз. Как сказал Ли Смолин, квантовая механика — это теория «подсистем», которая имеет смысл только в контексте своего окружения, в противоположность космическим масштабам относительности.

Целостный подход Эйнштейна делает общую теорию относительности уникальной в своем потенциале для объяснения и исследования. Безусловно, будут физики, которые зайдут еще дальше, чем он. Они могут отлично принять множество инструментов и техник из квантовой теории. Но точно так же этим гениям придется действовать на манер Эйнштейна — отступать от уравнений, чтобы увидеть пейзаж целиком — если они захотят достичь истинного просветления. Им придется почувствовать относительность своими косточками.

Александр Рабинович: Фантомы общей теории относительности

Опубликовано:
25 июля 2019 г.

Александр Рабинович

Москва, Россия

Рубрики:

Наука и техника

Одним из наиболее значительных достижений физики начала XX века было создание Альбертом Эйнштейном в 1905 году специальной теории относительности, открывшей удивительные свойства пространства и времени, пропорциональность энергии массе тел и многие другие замечательные закономерности.

Специальной же эта теория была названа по той причине, что ее законы справедливы только для инерциальных систем отсчета*, связанных с поступательно и равномерно движущимися телами.

Поэтому следующим важным шагом должно было стать создание более общей теории, которая позволила бы описать свойства пространства и времени по отношению не только к инерциальным, но и к произвольным неинерциальным, ускоренно движущимся системам отсчета. В результате непрерывных поисков в 1915-1916 годах Эйнштейн представил миру свое второе эпохальное творение – общую теорию относительности.

Эта теория была важнейшим шагом вперед по сравнению с ньютоновской теорией и привела к принципиально новому взгляду на гравитационные явления.

Но является ли она полной и действительно ли она обобщила специальную теорию относительности для случая неинерциальных систем отсчета? По этому поводу существовали разные мнения. О них и пойдет у нас речь.

1. Путь Эйнштейна от специальной к общей теории относительности

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал три замечательные статьи, сделавшие его имя знаменитым. Одна из них была посвящена специальной теории относительности, произведшей сенсацию в научном мире. Сейчас она глубоко вошла в сознание интересующихся физикой людей, но тогда мало кто всерьез верил в ее предсказания, казавшиеся фантастическими.

В специальной теории относительности (СТО) рассматривались свойства пространства и времени относительно различных инерциальных систем отсчета, то есть движущихся поступательно по инерции с разными, но постоянными скоростями.

Опираясь на постулаты о равноправии различных инерциальных систем отсчета и предельности скорости света, Эйнштейн пришел к поистине сногсшибательным выводам. Например, к относительности понятия одновременности в разных системах отсчета, замедлению времени в движущихся телах и сокращению их размеров вдоль направления движения. В то время подавляющее большинство физиков посчитали теорию Эйнштейна абсурдной, лишь единицы из них отнеслись к ней всерьез.

Однако многочисленные экспериментальные проверки СТО полностью подтвердили ее удивительные предсказания. В результате СТО превратилась в классическую теорию, признанную мировым физическим сообществом.

Следующей проблемой, которая встала перед Эйнштейном, была задача обобщения СТО на случай ускоренно движущихся неинерциальных систем отсчета. Проблема оказалась весьма сложной, потребовавшей от Эйнштейна десятилетия напряженного труда. В конце концов, он и опубликовал в 1915-1916 годах новую теорию, названную им общей теорией относительности. Одним из ключевых моментов этой теории была подмеченная им общность между ускоренно движущимися системами отсчета и неподвижными системами, в которых действует гравитационное поле.

Если, например, взять Солнечную систему, то движение в ней планет не зависит от их массы. Оно определяется их начальным положением и скоростью. То же самое касается падающих на Землю тел, когда можно пренебречь сопротивлением воздуха.

Если же рассмотреть ускоренную систему отсчета, то движение тел относительно нее также не будет зависеть от их массы. В результате Эйнштейн пришел к выводу, что ускоренная система отсчета аналогична неподвижной системе, в которой действует некоторое гравитационное поле. Эта мысль привела его к идее построения новой теории гравитационного поля, обобщающей теорию Ньютона, уравнения которой должны быть справедливы в произвольно движущихся неинерциальных системах отсчета.

В теории, созданной им после многолетних усилий, гравитация предстала как результат влияния массивных тел на искривление пространства и времени. Движение же тел небольшого размера в искривленном пространстве-времени происходит по линиям, названным геодезическими и являющимися аналогом прямых линий в неискривленном пространстве [1].

Геометрической основой эйнштейновской теории была теория великого немецкого математика Бернхарда Римана (1826-1866).

Она была представлена Риманом в 1853 году в его историческом докладе под названием “О гипотезах, лежащих в основании геометрии”. Эта работа Римана оказала огромное влияние на последующее развитие как математики, так и физики. Риман прожил короткую, но очень яркую жизнь, обогатив своими идеями самые различные разделы математики. Умер он в Италии от туберкулеза в возрасте неполных сорока лет.

Основанная на римановой геометрии эйнштейновская общая теория относительности описывается системой исключительно красивых уравнений, поражающих своей гармонией. Ее по праву считают вершиной теоретической мысли в физической науке. При этом проведенные по ее проверке эксперименты позволили подтвердить правильность ряда сделанных на ее основе предсказаний.

Уравнения общей теории относительности Эйнштейна описывают гравитационное поле с точки зрения абсолютно произвольных систем отсчета, причем при произвольных способах измерения в них как пространственных, так и временной координат. Однако в этой “всеобщности” обнаруживаются как несомненные достоинства, так и определенные недостатки. Поговорим о них.

2. Академик В.А. Фок и его критика общей теории относительности

Академик Владимир Александрович Фок (1898-1974) был выдающимся советским физиком-теоретиком, ученым с мировым именем, внесшим значительный вклад как в квантовую, так и в классическую физику.

Он был большим знатоком и ценителем эйнштейновской теории гравитации и в ней получил ряд очень важных результатов.

Его книга по общей теории относительности [2] до сих пор пользуется заслуженным успехом, являясь прекрасным учебником для студентов, знакомящихся с основами современной теории гравитации.

В то же время Фок считал, что общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна имеет ряд недостатков, говорящих о необходимости ее дальнейшего развития. Его претензии к эйнштейновской теории сводились к следующим:

1) ОТО – замечательная теория гравитационного поля, но она не оправдывает своего названия, так как не содержит явного описания ускоренно движущихся неинерциальных систем отсчета.

2) Уравнения ОТО справедливы в произвольных системах пространственно-временных координат. Но это достоинство оборачивается неоднозначностью их решений.

Сделаю пояснения к этим замечаниям Фока.

Действительно, если мы выберем конкретную неинерциальную систему отсчета, то совершенно не ясно, как описать ее специфику. Сами уравнения ОТО не различают разные системы отсчета и не могут нам в этом деле помочь. Поэтому и нельзя не согласиться с первым замечанием Фока.

В качестве интересного примера, рассмотрим неинерциальную систему отсчета, связанную с быстро вращающимся вокруг своей оси с постоянной угловой скоростью твердым диском. Если бы мы применили к ней СТО, то пришли бы к выводу, что в ней должны иметь место замедление времени, сокращение длин в направлениях вращения диска и их неизменность вдоль его радиусов. Но тогда возникало бы противоречие, так как отношение длины окружности диска к его радиусу не равнялось бы известному из евклидовой геометрии числу 2p.

Данное противоречие снимается тем, что СТО здесь неприменимо, так как точки вращающегося диска имеют центростремительное ускорение. Возникает вопрос, как можно было бы учесть это ускорение? Однако ОТО не дает никаких указаний на этот счет. Таким образом, эта проблема остается неразрешимой ни в СТО, ни в ОТО.

Данная задача была рассмотрена в широко известной книге Л. Д. Ландау и Е.М. Лифшица [3]. Но удалось ли им ее решить? Вначале ими было установлено, что никакого замедления времени в равномерно вращающемся диске нет. Иначе его состояние оказывалось бы зависящим от времени, чего не должно быть. Что же касается размера диска, то они предположили, что его изменения быть не должно. Но никакой мотивировки этому не дали. В результате задача о вращающемся диске так и не получила обоснованного решения. А это лишь один из самых простых случаев ускоренного движения!

Обратимся теперь ко второму замечанию Фока. В самом деле, в гравитационной теории Эйнштейна отсутствует описание систем отсчета. В то же время, в различных системах отсчета гравитационное поле проявляет себя по-разному. Но ОТО не позволяет понять, как описать координаты, которые соответствуют конкретной системе отсчета. В результате возникает то, что называется координатным произволом, — допустимых вариантов описания выбранной системы отсчета оказывается бесчисленное множество и непонятно, какой из них единственно верный.

Если у Ньютона были выделенные системы отсчета – покоящиеся относительно звезд или движущиеся относительно них равномерно и поступательно, то в эйнштейновской гравитационной теории все системы отсчета равноправны. С точки зрения Эйнштейна, отсутствует принципиальная разница в позициях Птолемея и Коперника. То есть, можно считать, что Солнце вращается вокруг Земли, а можно утверждать, что Земля вращается вокруг Солнца – обе точки зрения правильные. Что же касается Фока, то он полностью на стороне Коперника – именно Земля вращается вокруг Солнца.

Фок, соглашаясь с Ньютоном, считал, что при описании гравитационных полей нужно сохранить выделенные системы отсчета. Для описания таких систем отсчета Фок предложил использовать специальные условия, описывающие так называемые гармонические координаты. Эти координаты были хорошо известны. Они позволяют в случае слабых гравитационных полей придать простой и удобный вид уравнениям ОТО. Их как раз применял Эйнштейн при описании гравитационных волн и их до сих пор широко используют.

Если для Эйнштейна они были просто удобными координатными условиями, то для Фока они приобретали особый физический смысл. Они, по его мысли, отвечали ньютоновским выделенным системам отсчета.

Точка зрения Фока столкнулась с резким неприятием со стороны ортодоксальных сторонников ОТО. Он надеялся встретиться с Эйнштейном и переубедить его. Но их встреча так и не состоялась.

После смерти Фока критику ОТО продолжил академик А.А. Логунов (1926-2015), полтора десятилетия возглавлявший Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. В противовес Эйнштейну, он выдвинул свою “Релятивистскую теорию гравитации”. Его позиция была близка к фоковской, в его теории гармонические координаты также играли важную роль. Однако он считал, что именно в его теории им придается важный физический смысл.

Точка зрения Логунова, также как и Фока, встретилась с ожесточенной критикой. В результате идея введения дополнительных физических условий к уравнениям ОТО, для устранения неопределенности в их решениях, оказалась похороненной ортодоксами гравитационной теории.

3. Описание неинерциальных систем отсчета

Как бы там ни было, но критика Фока эйнштейновской ОТО – более чем серьезна. Все-таки ОТО не позволяет однозначно описать пространство и время относительно неинерциальных систем отсчета и, значит, не решает задачу обобщения СТО, в которой рассматриваются лишь инерциальные системы отсчета.

С целью разобраться с этим вопросом, я стал изучать условия, которые могли бы соответствовать неинерциальным системам отсчета и которые нужно было бы добавить к уравнениям ОТО в качестве дополнительных уравнений. Я нашел общий вид этих уравнений, куда входил один параметр, значение которого было неизвестно. Гармоническим же координатам соответствовало его значение, равное ½. Но является ли оно верным?

Для ответа на этот вопрос я рассмотрел случай расширяющейся системы отсчета в результате повышения температуры окружающей среды. Для данного случая нашлось точное решение рассматриваемых уравнений. Применяя к нему условие, что время протекания процессов в некотором объеме (например, кипячения в нем воды) пропорционально его величине, я пришел к значению параметра уравнений, равному ¾. Таким образом, рассматриваемые уравнения с параметром ½, которые описывают гармонические координаты, не отвечают неинерциальным системам отсчета. Им соответствует именно параметр ¾.

Данные уравнения с параметром ¾, дополняющие уравнения ОТО, были применены в моих работах [4–6] для описания свойств неинерциальных систем отсчета в ряде важных случаев. Одним из них была рассмотренная выше задача о системе отсчета, связанной с равномерно вращающимся вокруг своей оси твердым диском. Она свелась к крайне сложному уравнению, для которого удалось найти удивительное точное решение.

Оказалось, что вращение диска не приводит к замедлению времени, как и считали Ландау и Лифшиц, но, вопреки их предположению, радиус вращающегося диска приобретает некоторое увеличение по сравнению с неподвижным диском.

Другой исследовавшийся случай, на котором хочется остановиться, касался применения дополнительных уравнений к ОТО в задаче о гравитационном поле вне сферической массы в состоянии покоя, называемой задачей Шварцшильда. Она, как и в предыдущем случае, свелась к предельно сложному уравнению, которое, тем не менее, удалось также точно решить.

Интересным следствием полученного решения оказалась невозможность существования черных дыр (о них рассказывалось в моей предыдущей статье в “Чайке”. Это означает, что гравитационное поле звезд со сколь угодно большой массой не может препятствовать излучению ими света. Любопытно, что к такому результату приводят именно используемые дополнительные уравнения с параметром, равным ¾.

Проведенный анализ показывает, что ОТО Эйнштейна нельзя считать завершенной теорией. Она нуждается в дальнейшем развитии, которое может привести к новым и неожиданным результатам

[1] А Эйнштейн “Сущность теории относительности”, Москва, ИЛ, 1955.

[2] В.А. Фок “Теория пространства, времени и тяготения”, Москва, ГИТТЛ, 1955.

[3] Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц “Теория поля”, Москва, Наука, 1967.

[4] A.S. Rabinowitch “Noninertial Frames of Reference in General Relativity”, Physics Essays, 1996, Vol. 9, No. 3, pp. 387-392.

[5] A.S. Rabinowitch “Nonlinear Physical Fields and Anomalous Phenomena”, New York, Nova Science Publishers, 2009.

[6] А.С. Рабинович “Математические основы малоизученных аномальных физических явлений. Нелинейная электродинамика. Ядерная физика. Общая теория относительности. Космология”, Москва, УРСС, Кн. дом “Либроком”, 2015.

————

*Под системой отсчета понимается система пространственных координат и часов, связанных с телом, относительно которого изучается движение (прим. автора).

Общая теория относительности Эйнштейна

Одним из проявлений общей теории относительности являются гравитационные волны, изображенные здесь как создаваемые двумя сталкивающимися черными дырами.
(Изображение предоставлено Р. Хёртом/Caltech-JPL)

Общая теория относительности — это понимание физиком Альбертом Эйнштейном того, как гравитация влияет на ткань пространства-времени.

Теория, которую Эйнштейн опубликовал в 1915 году, расширила специальную теорию относительности, которую он опубликовал 10 лет назад. Специальная теория относительности утверждала, что пространство и время неразрывно связаны, но эта теория не признавала существование гравитации .

Эйнштейн провел десятилетие между двумя публикациями, определяя, что особенно массивные объекты деформируют ткань пространства-времени , искажение, которое проявляется как гравитация, согласно НАСА .

Связанный: Охота на червоточины: как ученые ищут туннели пространства-времени

Как работает общая теория относительности?

Чтобы понять общую теорию относительности, начнем с гравитации, силы притяжения, с которой два объекта действуют друг на друга. Сэр Исаак Ньютон количественно определил гравитацию в том же тексте, в котором он сформулировал свои три закона движения, «Начала».

По данным НАСА, гравитационная сила, действующая между двумя телами, зависит от того, насколько массивно каждое из них и как далеко друг от друга они расположены . Даже когда центр Земли притягивает вас к себе (удерживая вас прочно закрепленным на земле), ваш центр масс притягивается к Земле. Но более массивное тело почти не чувствует рывка от вас, в то время как с вашей гораздо меньшей массой вы оказываетесь прочно укоренившимся благодаря той же самой силе. Тем не менее законы Ньютона предполагают, что гравитация — это врожденная сила объекта, которая может действовать на расстоянии.

Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности определил, что законы физики одинаковы для всех неускоряющихся наблюдателей, и показал, что скорость света в вакууме одинакова независимо от скорости, с которой движется наблюдатель. путешествует, согласно Wired (открывается в новой вкладке).

В результате он обнаружил, что пространство и время переплелись в единый континуум, известный как пространство-время. И события, происходящие в одно и то же время для одного наблюдателя, могут происходить в разное время для другого.

Связанный: Что произошло бы, если бы скорость света была намного меньше?

Разрабатывая уравнения своей общей теории относительности, Эйнштейн понял, что массивные объекты вызывают искажение пространства-времени. Представьте, что вы устанавливаете большой объект в центре батута. Объект вдавливался в ткань, вызывая появление ямочек. Если затем вы попытаетесь катить шарик по краю батута, шарик будет двигаться по спирали внутрь к телу, притягиваясь почти так же, как гравитация планеты притягивает камни в космосе.

За десятилетия, прошедшие с тех пор, как Эйнштейн опубликовал свои теории, ученые наблюдали бесчисленное количество явлений, соответствующих предсказаниям теории относительности.

Гравитационное линзирование

Свет огибает массивный объект, например черную дыру, заставляя его действовать как линза для объектов, находящихся за ним. Астрономы обычно используют этот метод для изучения звезд и галактик за массивными объектами.

Крест Эйнштейна, квазар в созвездии Пегаса, по данным Европейского космического агентства (ESA), является прекрасным примером гравитационного линзирования. Квазар виден таким, каким он был около 11 миллиардов лет назад; 9Галактика 0005 , за которой она находится, примерно в 10 раз ближе к Земле. Поскольку два объекта выровнены так точно, четыре изображения квазара появляются вокруг галактики, потому что сильная гравитация галактики искривляет свет, исходящий от квазара.

Связанный: Что такое квантовая гравитация?

В случаях, подобных кресту Эйнштейна, различные изображения гравитационно-линзированного объекта появляются одновременно, но это не всегда так. Ученым также удалось наблюдать примеры линзирования, в которых, поскольку свет, проходящий вокруг линзы, проходит по разным путям разной длины, разные изображения появляются в разное время, как в случае одного особенно интересного 9.0005 сверхновая .

Крест Эйнштейна — пример гравитационного линзирования. (Изображение предоставлено НАСА и Европейским космическим агентством (ЕКА))

Изменения орбиты Меркурия

Орбита Меркурия очень постепенно смещается с течением времени из-за искривления пространства-времени вокруг массивного Солнца, согласно НАСА (открывается в новой вкладке).

Меркурий, ближайшая к Солнцу планета, перигелий Меркурия (точка на его орбите, ближайшая к Солнцу), по прогнозам, с течением времени будет двигаться в несколько ином направлении. Согласно предсказаниям Ньютона, гравитационные силы в Солнечной системе должны опережать прецессию Меркурия (изменение его орбитальной ориентации), измеряемую в 5600 угловых секунд за столетие (1 угловая секунда равна 1/3600 градуса). Однако существует расхождение в 43 угловых секунды за столетие, что объясняет общая теория относительности Эйнштейна. Используя теорию Эйнштейна об искривленном пространстве-времени, прецессия перигелия Меркурия должна опережать немного больше, чем согласно предсказаниям Ньютона, поскольку планеты не вращаются вокруг Солнца по статической эллиптической орбите.

Действительно, несколько исследовательских работ, опубликованных с середины 20-го века, подтвердили точность расчетов Эйнштейна прецессии перигелия Меркурия.

Через несколько миллиардов лет это колебание может привести даже к столкновению самой внутренней планеты с Солнцем или планетой.

Перетаскивание пространства-времени вокруг вращающихся тел

Вращение тяжелого объекта, такого как Земля, должно скручивать и искажать пространство-время вокруг него. В 2004 году НАСА запустило гравитационный зонд B (GP-B). По данным НАСА , оси точно откалиброванных гироскопов спутника со временем немного сместились, что соответствует теории Эйнштейна.

«Представьте, что Земля погружена в мед», — сказал главный исследователь Gravity Probe-B Фрэнсис Эверитт из Стэнфордского университета в заявлении НАСА о миссии.

«Когда планета вращается, мед вокруг нее будет кружиться, и то же самое с пространством и временем. GP-B подтвердил два самых глубоких предсказания Вселенной Эйнштейна, имеющих далеко идущие последствия для астрофизических исследований.»

Гравитационное красное смещение

электромагнитное излучение объекта слегка растянуто внутри гравитационного поля. Подумайте о звуковых волнах, исходящих от сирены в машине скорой помощи; когда транспортное средство движется к наблюдателю, звуковые волны сжимаются, но когда оно удаляется, они растягиваются или смещаются в красную сторону. То же явление, известное как эффект Доплера, происходит со световыми волнами на всех частотах.

В 1960-х годах, по данным Американского физического общества , физики Роберт Паунд и Глен Ребка выстрелили гамма-лучами сначала вниз, а затем вверх по стене башни Гарвардского университета. Паунд и Ребка обнаружили, что гамма-лучи немного изменили частоту из-за искажений, вызванных гравитацией.

Гравитационные волны

Эйнштейн предсказал, что сильные события, такие как столкновение двух черных дыр, создают рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны. А в 2016 году Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) объявила, что впервые обнаружила такой сигнал.

Это обнаружение произошло 14 сентября 2015 года. LIGO, состоящая из двух объектов в Луизиане и Вашингтоне, недавно была модернизирована и находилась в процессе калибровки, прежде чем они были подключены к сети. Первое обнаружение было настолько большим, что, по словам тогдашнего представителя LIGO Габриэлы Гонсалес, команде потребовалось несколько месяцев анализа, чтобы убедить себя, что это был настоящий сигнал, а не сбой.

Связанный: Фантомная энергия и темная гравитация: объяснение темной стороны Вселенной

«Нам очень повезло с первым обнаружением, которое было настолько очевидным», — сказала она во время 228-го собрания Американского астрономического общества в июне. 2016.

С тех пор ученые начали быстро ловить гравитационные волны. В общей сложности LIGO и ее европейский аналог Virgo обнаружили в общей сложности 50 гравитационно-волновых событий, по словам официальных лиц программы, по данным Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории.

Эти столкновения включали в себя необычные события, такие как столкновение с объектом, который ученые не могут окончательно идентифицировать как черную дыру или нейтронную звезду, слияние нейтронных звезд, сопровождаемое ярким взрывом, столкновение несовместимых черных дыр и многое другое.

Наблюдение за нейтронными звездами

Представление художника о вращающемся пульсаре. (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech)

В 2021 году исследование, опубликованное в журнале Physical Review X , поставило под сомнение несколько предсказаний Эйнштейна, наблюдая систему двойных пульсаров на расстоянии около 2400 световых лет от Земли. Каждое из семи предсказаний общей теории относительности было подтверждено исследованием.

Пульсары — тип нейтронных звезд, которые пульсируют из-за лучей электромагнитного излучения, исходящих от их магнитных полюсов.

Подопытные пульсары вращаются очень быстро — около 44 раз в секунду — и на 30% массивнее Солнца, но имеют диаметр всего 15 миль (около 24 километров), что делает их невероятно плотными. Это означает, что их гравитационное притяжение огромно, например, на поверхности нейтронной звезды гравитация примерно в 1 миллиард раз сильнее, чем на Земле. Это делает нейтронные звезды отличным объектом для проверки предсказаний теории Эйнштейна, таких как способность гравитации преломлять свет.

«Мы следим за распространением радиофотонов, испускаемых космическим маяком, пульсаром, и отслеживаем их движение в сильном гравитационном поле пульсара-компаньона», — говорится в заявлении профессора Ингрид Стейрс из Университета Британской Колумбии в Ванкувере.

«Впервые мы видим, как свет не только задерживается из-за сильного искривления пространства-времени вокруг спутника, но и что свет отклоняется на небольшой угол в 0,04 градуса, который мы можем обнаружить. Никогда прежде не было такого был проведен эксперимент с такой большой кривизной пространства-времени», — добавляет Лестница.

Дополнительные ресурсы

Относительность: Специальная и общая теория — 100-летие издания (открывается в новой вкладке)
Природа пространства и времени (Серия лекций Института Исаака Ньютона, 3) (открывается в новой вкладке)
Книга по физике: простое объяснение больших идей (открывается в новой вкладке)

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Нола Тейлор Тиллман — автор статей для Space. com. Она любит все, что связано с космосом и астрономией, и наслаждается возможностью узнать больше. Она имеет степень бакалавра английского языка и астрофизики в колледже Агнес Скотт и проходила стажировку в журнале Sky & Telescope. В свободное время она обучает своих четверых детей дома. Подпишитесь на нее в Твиттере: @NolaTRedd

Общая теория относительности Эйнштейна

Эйнштейн провел десятилетие между двумя публикациями, определяя, что особенно массивные объекты деформируют ткань пространство-время , искажение, которое проявляется как гравитация, согласно НАСА (открывается в новой вкладке).

Связанный: Охота на червоточины: как ученые ищут туннели пространства-времени

Как работает общая теория относительности?

Чтобы понять общую теорию относительности, давайте начнем с гравитации, силы притяжения двух объектов друг к другу. Сэр Исаак Ньютон количественно определил гравитацию в том же тексте, в котором он сформулировал свои три закона движения, «Начала».