Кто открыл теорию относительности: Два мифа о создании общей теории относительности / / Независимая газета

Содержание

Как Эйнштейн однажды потерялся, чуть не потеряв и общую теорию относительности / Хабр

К 1913 году Альберт Эйнштейн почти закончил общую теорию относительности. Но одна простая ошибка привела к тому, что он два года мучительно пересматривал свою теорию. И сегодня математики всё ещё сражаются с теми трудностями, что встали у него на пути.

Альберт Эйнштейн выпустил свою общую теорию относительности в конце 1915 года. А должен был бы закончить её на два года раньше. Когда исследователи изучали его записи того периода, они увидели практически законченные уравнения, в которых не хватало лишь парочки деталей. «Это должна была быть окончательная теория», — сказал Джон Нортон, эксперт по Эйнштейну и историк науки из Питтсбургского университета.

Но Эйнштейн в последний момент допустил критическую ошибку, отправившую его на путь сомнений и открытий – такой сложный, что тот едва не стоил ему его величайшего научного достижения. Последствия его решения продолжают отзываться в математике и физике сегодняшнего дня.


И вот эта ошибка. ОТО должна была вытеснить ньютоновскую гравитацию. Это значит, то она должна была объяснить те же самые физические явления, с которыми справлялись уравнения Ньютона, а также иные явления, которые ньютоновская теория объяснить не могла. Однако в середине 1913 года Эйнштейн убедил себя, и это было его ошибкой, что его новая теория не описывает те случаи, при которых гравитация оказывается слабой – а эти случаи теория Ньютона описывала хорошо. «Оглядываясь назад, эта ошибка кажется очень странной», — сказал Нортон.

Эйнштейн считал, что для исправления кажущегося недостатка нужно было отказаться от того, что составляло основу его новой теории.

Эйнштейновские уравнения гравитационного поля – уравнения ОТО – описывают, как форма пространства-времени реагирует на присутствие материи и энергии. Для описания этих изменений необходимо назначить пространству-времени систему координат – нечто вроде линий широты и долготы – обозначающую, где какие точки находятся.

Самое важное, что необходимо уяснить по поводу координатных систем – они придуманы людьми. В одной системе точка может иметь координаты (0, 0, 0), а в другой — (1, 1, 1). Физические свойства не менялись, мы просто пометили точку по-другому. «Эти метки имеют отношение к нам, а не к окружающему миру», — сказал Джеймс Везерол, философ науки из Калифорнийского университета в Ирвине.

Сначала Эйнштейн хотел, чтобы его уравнения не зависели от координат (он называл это принципом общей ковариантности), то есть, чтобы они выдавали правильные и непротиворечивые описания Вселенной вне зависимости от того, какую систему координат вы используете. Но Эйнштейн убедил себя, что для исправления ошибки, которую, как он считал, он совершил, необходимо было отказаться от общей ковариантности.

Ему это не только не удалось, он ещё и преумножил ошибки: он попытался показать, что его теория не могла бы обладать независимостью от координат даже в принципе, поскольку это нарушало бы законы причины и следствия. Как указывалось в одной из исследовательских работ по Эйнштейну, «для первоклассного разума нет ничего легче, чем придумать благовидные причины, по которым то, что не может сделать он, не может сделать никто».

Но Эйнштейн выбрался из этой ситуации как раз вовремя. К концу 1915 года ему уже было известно, что влиятельный немецкий математик Давид Гильберт очень близко подошёл к завершению своей общей теории относительности. За несколько беспокойных недель в ноябре 1915 Эйнштейн вернулся к тем уравнениям ОТО, что у него были изначально, и добавил несколько финальных штрихов. В ноябре 1915-го, на первой из четырёх лекций в Прусской академии наук, он объявил о своём достижении. И с тех пор наши взгляды на физический мир изменились навсегда.

Сегодняшние эйнштейновские уравнения подчиняются принципу общей ковариантности. Они выдают одинаковые физические истины о вселенной – как пространство-время искривляется в присутствии энергии и материи – вне зависимости от того, какие координаты вы используете для разметки.

Однако математики и физики до сих пор сражаются с теми трудностями, связанными с координатными системами, что замедлили Эйнштейна 100 лет назад. К примеру, монументальная попытка помирить ОТО с квантовой теорией спотыкается, в частности, из-за трудностей, связанных с разработкой теории квантовой гравитации, обладающей такой же ковариантностью, которой достигли уравнения Эйнштейна. «В каком-то смысле можно говорить, что у нас нет адекватной квантовой теории гравитации потому, что мы не знаем, как выразить решения уравнений Эйнштейна так, чтобы в них пропала зависимость от координат», — сказал Везерол.

На практике сложности обычно возникают с тем, чтобы нарушить ковариантность уравнений Эйнштейна – то есть, выбрать определённую координатную систему, хорошо подходящую для решения определённой проблемы. Эта трудность особенно сильно мешает математикам, изучающим гипотезу стабильности чёрной дыры. Для каждой определённой задачи какая-то одна координатная система подходит лучше других – и выбор координатной системы и её подстроек к изменению решения находится в области математического искусства.

Новые доказательства были бы получены гораздо проще, если бы существовала одна, универсальная система координат, хорошо подходящая для любой задачи и любой конфигурации пространства-времени. Но, как обнаружил Эйнштейн в течение тех лет обременительных странствий, Вселенная не признаёт какого-то привилегированного выбора координат.

«Дело не просто в том, что у нас нет такого выбора, — сказал Везерол. – Дело в том, что один из уроков, данных нам Эйнштейном, заключается в том, что было бы ошибкой ожидать наличия такого выбора».

Теория относительности великого Эйнштейна: кратко простыми словами про учение о времени и гравитации

Об учении Альберта Эйнштейна, которое свидетельствует об относительности всего, что происходит в этом бренном мире, не знает разве что ленивый. Уже почти сто лет длятся споры не только в мире науки, но и в мире практикующих физиков. Теория относительности Эйнштейна, описанная простыми словами достаточно доступна, и не является тайной для непосвященных. …

Содержание

Несколько общих вопросов

Учитывая особенности теоретического учения великого Альберта, его постулаты могут быть неоднозначно расценены самыми разными течениями физиков-теоретиков, достаточно высокими научными школами, а также приверженцами иррационального течения физико – математической школы.

Еще в начале прошлого века, когда произошел всплеск научной мысли и на фоне общественных изменений стали возникать те или иные научные течения, появилась теория относительности всего, в чем живет человек. Каким образом бы не оценивали наши современники данную ситуацию, все в реальном мире действительно не статично, специальная теория относительности Эйнштейна:

  • Меняются времена, меняются взгляды и ментальное мнение общества на те или иные проблемы общества в социальном плане,
  • Общественные устои и мировоззрение относительно учения о вероятности в различных государственных системах и при особых условиях развития социума менялись с течением времени и под влиянием иных объективных механизмов.
  • Каким образом формировались взгляды общества на проблемы социального развития, таким же было отношение и мнения о теории Эйнштейна о времени.

Важно! Теория гравитации Эйнштейна была основанием для системных споров среди наиболее солидных ученых, как в начале ее разработки, так и во время ее завершения. О ней говорили, проходили многочисленные диспуты, она становилась темой разговоров в самых высокопоставленных салонах разных стран.

Ученые обсуждали, оно было предметом разговоров. Была даже такая гипотеза, что учение доступно для понимания только трем людям из ученого мира. Когда же пришло время к объяснению постулатов приступили жрецы самой таинственной из наук – евклидовой математики. Тогда была совершена попытка построить ее цифровую модель и такие же математически выверенные последствия ее действия на мировое пространство, то автор гипотезы признался, что стало очень трудно понимать даже то, что он создал. Итак, что представляет собой общая теория относительности, что исследует и какое прикладное применение она нашла в современном мире?

История и корни теории

На сегодняшний день в подавляющем большинстве случаев достижения великого Эйнштейна кратко называют полным отрицанием того, что изначально было непоколебимой константой. Именно это открытие позволило опровергнуть известную всем школьникам силу притяжения или гравитацию как физический бином.

Большинство населения планеты, так или иначе, внимательно и вдумчиво или поверхностно, пусть даже однажды, обращалось к страницам великой книги – Библии.

Именно в ней можно прочесть о том, что стало истинным подтверждением сути учения – того, над чем работал в начале прошлого века молодой американский ученый. Факты левитации другие достаточно привычные вещи в ветхозаветной истории однажды стали чудесами в новое время. Эфир – пространство, в котором человек жил совершенно иной жизнью. Особенности жизни в эфире изучали многие мировые знаменитости в области естественных наук. И теория гравитации Эйнштейна подтвердила, что описанное в древней книге – это правда.

Работы Хендрика Лоренца и Анри Пуанкаре позволили экспериментальным путем обнаружить те или иные особенности эфира. В первую очередь это работы по созданию математических моделей мира. Основой было практическое подтверждение того, что при движении материальных частиц в эфирном пространстве происходит их сокращение относительно направления движения.

Труды этих великих ученых позволили создать фундамент для главных постулатов учения. Именно данный факт дает постоянный материал для утверждения, что труды Нобелевского лауреата и релятивистская теория Альберта были и остаются плагиатом. Многие ученые и сегодня утверждают, что многие постулаты, были приняты намного раньше, например:

  • Понятие условной одновременности событий,
  • Принципы гипотезы о постоянном биноме и критериях скорости света.

Что сделать, чтобы понять теорию относительности? Суть кроется в прошлом. Именно в трудах Пуанкаре было высказана гипотеза относительно того, что большие скорости в законах механики Ньютона нуждаются в переосмыслении. Благодаря высказываниям французского физика ученый мир узнал о том, насколько относительно движение в проекции к теории эфирного пространства.

В статической науке рассматривался большой объем физических процессов для различных материальных объектов, движущихся с равномерной скоростью. Постулаты общей концепции описывают процессы, происходящие с ускоряющимися объектами, объясняют существование частиц гравитонов и собственно гравитации. Суть теории относительности в пояснении тех фактов, которые ранее были нонсенсом для ученых. В случае необходимости описания особенностей движения и законов механики, соотношений пространства и временного континуума в условиях приближения к скорости света следует применять постулаты исключительно учения относительности.

О теории коротко и ясно

Чем же настолько отличается учение великого Альберта от того, чем занимались физики до него? Ранее физика была наукой достаточно статичной, которая рассматривала принципы развития всех процессов в природе в сфере системы «здесь, сегодня и сейчас». Эйнштейн позволил увидеть все происходящее вокруг не только в трехмерном пространстве, но и относительно разнообразных объектов и точек времени.

Опубликованные труды ученого-новатора и эта гипотеза была революционным переворотом взглядов на положение и состояние материальных элементов в движении. Особенно интересен учет параметров времени.

Внимание! В 1905 году, когда Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, она позволила объяснить и в доступном варианте интерпретировать движение между разными инерциальными системами расчетов.

Ее основные положения – соотношение постоянных скоростей двух объектов, движущихся относительно друг друга вместо принятия одного из объектов, которые можно принимать как один из абсолютных факторов отсчета.

Особенность учения заключается в том, что его можно рассматривать в отношении одного исключительного случая. Главные факторы:

  1. Прямолинейность направления перемещения,
  2. Равномерность движения материального тела.

При изменении направления или других простейших параметров, когда материальное тело может ускоряться или сворачивать в стороны, законы статичного учения относительности не действительны. В этом случае происходит вступление в силу общих законов относительности, что может объяснить движение материальных тел в общей ситуации. Таким образом, Эйнштейн нашел объяснение всем принципам взаимодействия физических тел между собой в пространстве.

Принципы теории относительности

Принципы учения

Утверждение об относительности в течение ста лет подвергается самым оживленным дискуссиям. Большинство ученых рассматривают различные варианты применения постулатов в качестве применения двух принципов физики. И этот путь имеет наибольшую популярность в среде прикладной физики. Основные постулаты теории относительности, интересные факты, которые сегодня нашли неопровержимое подтверждение:

  • Принцип относительности. Сохранность соотношения тел при всех законах физики. Принятие их в качестве инерциальных систем отсчета, которые двигаются на постоянных скоростях относительно друг друга.
  • Постулат о скорости света. Она остается неизменяемой константой, при всех ситуациях, независимо от скорости и соотношения с источниками света.

Несмотря на противоречия между новым учением и основными постулатами одной из самых точных наук, опирающихся на постоянные статичные показатели, новая гипотеза привлекла свежим взглядом на окружающий мир. Успех ученому был обеспечен, что подтвердило вручение ему Нобелевской премии в области точных наук.

Вручение Нобелевской премии

Что стало причиной столь ошеломительной популярности, и как Эйнштейн открыл свою теорию относительности? Тактика молодого ученого.

  1. До сих пор ученые с мировым именем выдвигали тезис, а только затем проводили ряд практических исследований. Если на определенном моменте были получены данные, не подходящие под общую концепцию, они признавались ошибочными с подведением причин.
  2. Молодой гений применил кардинально иную тактику, ставил практические опыты, они были серийными. Полученные результаты, несмотря на то, что могли каким-то образом не вписываться в концептуальный ряд, выстраивались в стройную теорию. И никаких «ошибок» и «погрешностей», все моменты гипотезы относительности, примеры и итоги наблюдений четко вписывались в революционное теоретическое учение.
  3. Будущий нобелевский лауреат опроверг необходимость изучения загадочного эфира, где распространяются волны света. Убежденность в том, что эфир существует, привела к ряду значительных заблуждений. Основной постулат – изменение скоростей пучка света относительно наблюдающего за процессом в эфирной среде.

Теория относительности для чайников

Теория относительности самое простое объяснение

Вывод

Главным достижением ученого является доказательство гармонии и единства таких величин, как пространство и время. Фундаментальность связи этих двух континуумов в составе трех измерений в сочетании с временным измерением, позволило познать многие тайны природы материального мира. Благодаря теории гравитации Эйнштейна стало доступно изучение глубин космоса и другие достижения современной науки, ведь полностью возможности учения не использованы и на сегодняшний день.

Читать онлайн «Эйнштейн на отдыхе. Постигаем теорию относительности», Марк Лашье-Рей – ЛитРес

Originally published in France as: Einstein à la plage.

La relativité dans un transat, second edition © Dunod, Paris, 2017

Illustrations by Rachid MARAÏ

Серия «Наука на отдыхе»

© Соколова М. С., перевод на русский язык, 2020

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2020

* * *

Пролог

Гений Альберта Эйнштейна

Гений Альберта Эйнштейна стоит у истоков революции в науке: прошло уже почти сто лет с того момента, как его имя стало синонимом выдающегося ума. Это получилось само собой, без каких-либо споров – люди почти сразу начали воспринимать Эйнштейна как одного из величайших ученых в истории человечества. Он произвел кардинальные перемены сразу в нескольких областях физики и является основоположником двух фундаментальных теорий ХХ века: специальной (1905) и общей (1915–1916) теорий относительности. Перевернув все прежние представления о времени, пространстве и материи, Эйнштейн произвел революцию, масштаб которой несопоставим со всем, что происходило до того в истории науки. И не только науки, но и философии.

«САМОЕ НЕПОСТИЖИМОЕ В ЭТОМ МИРЕ – ЭТО ТО, ЧТО ОН ПОСТИЖИМ».

Альберт Эйнштейн, 1936

Ученый родился 14 марта 1879 года в Германии и в раннем возрасте никак себя не проявил. Даже говорить он начал довольно поздно.

В школе будущему великому физику пришлось непросто, в основном из-за его презрения к любым навязанным извне авторитетам, которое он сохранит на всю жизнь. Учителя относились к нему как к легкомысленному нарушителю спокойствия. Но уже тогда он проявил сильный интерес к науке, к физике и математике, и по этим предметам оценки Эйнштейна всегда были безупречны.

В 17 лет со второй попытки он поступил в Высшее техническое училище (Политехникум) в Цюрихе. Первая попытка поступить годом ранее не удалась – Эйнштейн умудрился провалить экзамен по общей культуре. Однако его нонконформизм постоянно провоцировал критику со стороны преподавателей, и полученный в 1900 году диплом нельзя было назвать блестящим.

В течение двух последующих лет Эйнштейн усиленно занимался самообразованием. Тщетно он пытался получить место в университете и в конце концов смирился, поступив на работу в Федеральное бюро интеллектуальной собственности в Берне на должность специалиста третьего класса. Его работой стала оценка достоинств подаваемых патентных заявок, и у молодого человека оставалось время для собственных исследований. Он мечтал о докторской степени. Обстоятельства сложились весьма благоприятно для юного Эйнштейна: он мог изучать труды великих физиков и философов и обсуждать их с друзьями. Несомненно, на его взгляды оказали влияние и некоторые патентные заявки.

1905-й стал для Эйнштейна «годом чудес»: в течение всего нескольких месяцев он опубликовал пять статей, значение которых трудно переоценить. В двух из них были сформулированы основные принципы специальной теории относительности; после них пространство и время потеряли «абсолютный характер», которым они доселе обладали. И в них же было опубликовано знаменитое уравнение E = mc2. Одна из статей послужила основой для появления в будущем квантовой физики…

В январе 1906 года Эйнштейн получает степень доктора наук по физике, а 1908 году начинает работать в Бернском университете. И с этого момента его авторитет в научном сообществе неуклонно растет. Эйнштейн преподает и читает лекции, одновременно усиленно работает над расширением границ специальной теории относительности. Она кажется ему несовершенной, поскольку в ней никак не учитывается гравитация.

К концу 1915 года Эйнштейн заканчивает работу над общей теорией относительности, где гравитационные взаимодействия описаны совершенно иначе – в терминах геометрии, с учетом выводов специальной теории относительности 1905 года. К тому времени автор двух теорий уже стал профессором Берлинского университета, на тот момент – престижнейшего в мире.

Публикация выводов общей теории относительности в 1916 году, а особенно ее экспериментальное подтверждение 29 мая 1919 года, во время полного затмения солнца, принесли Эйнштейну мировую славу. Пресса и публика его обожают за величайший научный гений, за бунтарский дух, оригинальность, необычную внешность… В 1921 году американцы восторженно принимали Эйнштейна во время поездки по США.

Физики же восприняли общую теорию относительности с опаской: она им показалась слишком сложной и явно весьма далекой от какого-либо практического применения. А Эйнштейн, применив свои выводы ко Вселенной в целом, создал релятивистскую космологию. Его идеи были подхвачены бельгийским физиком Жоржем Леметром, затем другими учеными. Однако прошло несколько десятилетий, прежде чем физики осознали, что произошло на самом деле.

Только в 60-х годах ХХ века общая теория относительности и релятивистская космология обрели окончательное признание в научном мире благодаря результатам астрономических наблюдений. Эйнштейн надолго опередил время в своей «трехступенчатой релятивисткой революции» – специальная теория относительности, общая теория относительности, релятивистская космология!

Но и это еще не все – он был одним из создателей квантовой физики. Эта физическая теория действует в совершенно другом мире, там, где происходят взаимодействия между материей и энергией, в микромире, где все имеет исключительно малые размеры. Казалось бы, мир, весьма далекий от общей теории относительности и космологии… Впервые гипотезу о квантовой природе света Эйнштейн выдвинул в статье, датированной 1905 годом. И именно за эту теорию он получил Нобелевскую премию 1921 года (официально – «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта») – а за теорию относительности так и не был награжден!

Парадоксальным образом Эйнштейн весьма скептически относился к развитию квантовой физики. Начиная с 20-х годов ХХ века и до конца жизни он посвятил все свои силы разработке «единой теории поля», которая описывала бы в общих терминах гравитацию и электромагнетизм. Все его попытки провалились, однако с 50-х годов прошлого века до настоящего времени физики надеются объединить эти виды взаимодействий. И сегодня ведутся исследования, с помощью которых ученые стремятся объединить гравитацию и квантовую физику во что-то вроде «всеобщей теории поля».

Последний этап жизни Эйнштейна начался в 1932 году, незадолго до прихода к власти Гитлера: ученый покидает Германию и переселяется в Соединенные Штаты. Он становится профессором Университета Принстона, активно занимается борьбой с нацизмом и развитием идей пацифизма. В августе 1939 года Эйнштейн послал президенту Франклину Рузвельту письмо, ставшее знаменитым. В письме он объяснил, что уран, которым владела Германия, может стать материалом для создания атомной бомбы. Это письмо призывало начать «проект Манхэттен», чтобы разработать американское ядерное оружие. А в 1945 году Эйнштейн вновь написал Рузвельту, умоляя его отказаться от страшного оружия. И после войны ученый посвятил все свои силы борьбе за запрещение ядерного оружия в мире.

Он умер в Принстоне 18 апреля 1955 года от разрыва аневризмы, работая над текстом выступления по единой теории поля. Наука и гуманизм были его верными спутниками до самого конца…

Глава 1

Специальная теория относительности спасает физику

Физики XIX века столкнулись в своих исследованиях с серьезным вопросом: почему материя и свет ведут себя по-разному? Специальная теория относительности Эйнштейна разгадала эту загадку, изменив классические представления о времени и пространстве.

 НЕПРЕРЫВНОСТЬ И ПРОРЫВ

В Италии XVII века гениальный Галилео Галилей (1564–1642) открыл принцип, характеризующий движение материи, который позднее будет назван принципом относительности. В 1905 году юному Эйнштейну удалось расширить этот принцип на совершенно новую область – на распространение электромагнитных волн, то есть не только на область видимого света, но и на невидимые излучения: инфракрасные, ультрафиолетовые, радио.

Эйнштейн обосновал определяющую роль принципа относительности, развивая выводы Галилея. И в то же время он отверг ту теорию величайшего ученого Возрождения, которая описывала кинематику. Этот раздел физики описывает движение «свободных» объектов (на которые не действует никакая сила), в отличие от динамики, описывающей движение под влиянием различных силовых воздействий. Эйнштейн заменил кинематику Галилея новой, собственной кинематикой. Он разработал новую теорию, при этом радикально отбросив прежние представления о пространстве и времени, заменив их пространством-временем, некой единой сущностью с очень странными свойствами.

 НОВЫЙ ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Так в чем же состоит принцип относительности, впервые обнаруженный Галилеем и потом развитый Эйнштейном? И тот и другой сформулировали его так: «Законы физики формулируются одинаково для различных наблюдателей (физиков, осуществляющих измерения), движущихся относительно друг друга».

Однако есть одно обязательное и важное условие, чтобы этот принцип выполнялся: наблюдатели должны быть инерционными, то есть не подвергаться воздействию внешней силы и двигаться исключительно по причине собственной инерции. Из этого принципа выпадает, например, космонавт, запущенный в космос с помощью ракетных двигателей, или планета, втянутая в орбиту Солнца силой гравитации… Все инерционные наблюдатели движутся относительно друг друга равномерно, то есть по прямой и с постоянной скоростью (это, кстати, изложение другого принципа – принципа инерции).

 

Наблюдатель в состоянии покоя (который не движется) тоже считается инерционным. Принцип относительности, таким образом, требует, чтобы все законы физики формулировались для инерционного наблюдателя так, будто он находится в состоянии покоя! В этом и состоит сущность принципа, сформулированного Галилеем в виде красивой формулы «движение [равномерное] равно состоянию покоя».

Именно такой подход определил использование термина «относительность». Принцип требует, чтобы все инерционные наблюдатели играли строго идентичные роли, чтобы законы физики были одинаковыми для всех. В подобных условиях отличить наблюдателя в состоянии покоя от движущегося равномерно невозможно. Говоря иначе, единственным определением движения, имеющим смысл, становится движение разных наблюдателей относительно друг друга, и выражения «абсолютное движение» и «абсолютный покой» попросту бессмысленны, в природе они не существуют.

Принцип относительности Галилея стал основой для физики Ньютона. Он показывает, как эти ученые трактовали понятия пространства и времени в своих теориях.

Эйнштейн же смог распространить этот принцип на явления электромагнетизма. Основные принципы электромагнетизма были сформулированы шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860 году: он построил единую теорию для электрических и магнитных взаимодействий. А эйнштейновский принцип относительности, распространенный на эти явления, лег в основу новой теории – специальной теории относительности. Как и его прообраз у Галилея, новый принцип относительности описывает инерционных наблюдателей, движущихся равномерно. Но при этом он принимает во внимание электромагнитные взаимодействия, что сразу меняет картину, поскольку порождает исчезновение отдельных абсолютных понятий пространство и время и заменяет их единым пространством-временем! А еще десять лет спустя Эйнштейн распространит новые принципы на неинерционных наблюдателей и неравномерное движение. Так были сформулированы принципы общей теории относительности (ее мы обсудим в следующей главе), рассматривающей уже «искривленное» пространство-время. Такова была его миссия…

1905, «ГОД ЧУДЕС»

В 1905 году Альберт Эйнштейн работал в Федеральном бюро интеллектуальной собственности в Берне. Он должен был оценивать новизну и значение подаваемых в бюро заявок на патенты. «Без этой работы, – писал он, – […] я сошел бы с ума». Эйнштейн радуется материальной независимости, которая позволяет ему размышлять о том, что его интересует, и публикует пять фундаментальных статей, оказавших революционное влияние на физику. Это был воистину волшебный год!

В первой же статье «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» он выдвигает гипотезу о существовании «кванта света». Эта гипотеза легла в основу квантовой физики, и за нее он получит Нобелевскую премию 1921 года (единственную за всю его научную карьеру, что поразительно).

Две другие статьи, «Новое определение размеров молекул» и «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты», связаны с темой его докторской диссертации. Он объясняет явление броуновского (совершенно хаотичного) движения частиц в жидкости соударениями частиц с молекулами жидкости. Этот вывод подтверждает гипотезу о существовании атомов и молекул…

Выводы четвертой статьи «К электродинамике движущихся тел» легли в основу специальной теории относительности, а пятая статья «Зависит ли масса тела от содержащейся в нем энергии?» породила самую знаменитую формулу физики E = mc2.

 ПРОТИВНАЯ ПРОБЛЕМА СКОРОСТЕЙ

Однако как Эйнштейну удалось обойтись без времени? Благодаря удивительной нерешенной задаче, которая возникла из галилеевой кинематики.

Последняя, как мы уже упоминали, описывает движения свободных объектов, не вступающих ни в какие взаимодействия. Подобное движение, таким образом, не может зависеть ни от чего, кроме как от собственных свойств времени и пространства! И кинематика предстает как проявление свойств пространства и времени и взаимодействий, которые их связывают.

Кинематика Галилея (или Ньютона) имеет одно важное ограничение: скорости объектов в рассматриваемых ею задачах складываются линейно, арифметически: если вы идете со скоростью V1 в поезде, мчащем со скоростью V2, то относительно рельсов вы движетесь со скоростью V1 + V2. Этот очевидный и априорный вывод породил тем не менее научный кризис…

Физики еще в XIX веке понемногу начали замечать, что свет не подчиняется законам механики Ньютона: вместо того чтобы прибавлять к собственной скорости скорость источника света, свет движется всегда одинаково! Несоответствие игнорировать не получалось, оно было подтверждено в 1887 году эпохальным опытом Майкельсона и Морли. Эксперимент убедил научное сообщество: свет не подчиняется законам кинематики, в отличие от материи. Но как интерпретировать это несоответствие, если считать, что кинематика отражает фундаментальные взаимоотношения пространства и времени? Как свойства пространства и времени могут отличаться в зависимости от того, что вы рассматриваете – свет или материю? Это была настоящая тайна.

ЭФИР НЕ ПРОСМАТРИВАЕТСЯ

В том же XIX веке физики полагали, что свету, чтобы распространяться, нужна некая среда, занимающая собою все пространство. Эту среду они называли «светоносным эфиром». Свет казался волной, похожей на волны на воде, а эти последние распространяются во вполне конкретной среде. Ученые предполагали, что эфир может играть для света ту же роль, что, скажем, море – для волн. Однако если бы свет распространялся в эфире согласно законам механики Галилея и Ньютона, его скорость суммировалась бы со скоростью источника света при условии, что свет движется. Физики полагали, что можно определить скорость движения Земли в эфире, измеряя скорости (априори предполагавшиеся разными) нескольких лучей света: один луч распространялся бы в направлении вращения Земли по орбите вокруг Солнца, а другой – против или перпендикулярно орбите.

В 1887 году американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли использовали интерферометр (весьма точный инструмент, изобретенный Майкельсоном) для проведения этого опыта. Результат оказался отрицательным: в какую бы сторону ни направлялся световой луч, скорость света оставалась неизменной и никаких признаков «эфирного ветра» обнаружено не было…

Некоторые физики предполагали, что у загадки есть ответ. В начале ХХ века Джордж Фицджеральд, Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре предлагали независимо друг от друга формулы, позволяющие решить неудобную проблему. Они изменяли (кинематический) принцип сложения скоростей: предлагалось не складывать скорости арифметически, но подвергать их математическому преобразованию, которое позднее получило название «преобразование Лоренца». Формулы учитывали особенности поведения и материи, и света[1].

Общая теория относительности Эйнштейна открыла жестокую вселенную — Век науки

Создание нового космоса

Разум Альберта Эйнштейна заново изобрел пространство и время, предсказывая вселенную настолько причудливую и грандиозную, что она бросила вызов пределам человеческого воображения. Идея, рожденная в швейцарском патентном бюро, которая превратилась в зрелую теорию в Берлине, изложила радикально новую картину космоса, основанную на новом, более глубоком понимании гравитации. Исчезла ньютоновская идея, господствовавшая почти два века, о массах, которые, казалось бы, притягивают друг друга. Вместо этого Эйнштейн представил пространство и время как единую ткань, искаженную массой и энергией. Объекты искажают ткань пространства-времени, как груз, опирающийся на батут, и кривизна ткани направляет их движения. Благодаря этому пониманию гравитация была объяснена.

Эйнштейн представил свою общую теорию относительности в конце 1915 года в серии лекций в Берлине. Но все обратили внимание только на солнечное затмение в 1919 году. Его теория предсказывала, что массивный объект — скажем, солнце — может искажать пространство-время поблизости настолько, чтобы отклонять свет от его прямолинейного направления. Таким образом, далекие звезды появятся не совсем там, где ожидалось. Фотографии, сделанные во время затмения, подтвердили, что смещение положения соответствует предсказанию Эйнштейна. «Огни в небе кривые; люди науки более или менее взволнованы, — заявил Нью-Йорк Таймс заголовок. Даже десятилетие спустя в статье Science News-Letter , предшествовавшей Science News , говорилось о «бунтах для понимания теории Эйнштейна». По-видимому, пришлось вызвать дополнительную полицию, чтобы контролировать толпу из 4500 человек, которые «сломали железные ворота и растерзали друг друга» в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке, чтобы услышать объяснение общей теории относительности.

Полное затмение в мае 1919 года подтвердило предсказания общей теории относительности о том, насколько массивный объект будет преломлять свет, и сделало Альберта Эйнштейна знаменитостью. Дайсон, А. С. Эддингтон и К. Дэвидсон/Wikimedia Commons

К 1931 году физик Альберт А. Майкельсон, первый американец, получивший Нобелевскую премию в области естественных наук, назвал теорию «революцией в научной мысли, беспрецедентной в истории науки».

Но при всех способностях к предсказанию, которые мы сегодня приписываем Эйнштейну, он был неохотным прорицателем. Теперь мы знаем, что общая теория относительности предлагала гораздо больше, чем Эйнштейн хотел или мог увидеть. «Это был совершенно иной взгляд на Вселенную, — говорит астрофизик Дэвид Спергель из Института Флэтайрона Фонда Саймонса в Нью-Йорке, — и он имел некоторые дикие последствия, которые сам Эйнштейн не хотел принимать». Более того, говорит Спергель (член Почетного совета Общества науки, издатель Science News ), «самые дикие аспекты общей теории относительности оказались правдой».

«[Общая теория относительности] имела некоторые дикие последствия, которые сам Эйнштейн не хотел принимать».

астрофизик Дэвид Спергель

То, что маскировалось под тихое, статичное, конечное место, вместо этого превратилось в динамичную, постоянно расширяющуюся арену, заполненную собственным буйством изгибающих пространство зверей. Галактики собираются в сверхскопления в масштабах, намного превышающих все, что эксперты считали до 20-го века. В этих галактиках находятся не только звезды и планеты, но и зоопарк экзотических объектов, иллюстрирующих склонность общей теории относительности к странностям: нейтронные звезды, которые упаковывают массу толстой звезды в размер города, и черные дыры, которые так искажают пространство-время. сильно, что ни один свет не может ускользнуть. И когда эти бегемоты сталкиваются, они сотрясают пространство-время, выбрасывая огромное количество энергии. Наш космос жесток, развивается и наполнен научно-фантастическими возможностями, которые на самом деле исходят прямо из общей теории относительности.

Нейтронные звезды (одна изображена) раздавливают массу, эквивалентную Солнцу, до размеров города. Кейси Рид/Penn State Univ.

«Общая теория относительности открыла нам огромный простор для изучения, экспериментирования и экспериментов», — говорит астрофизик Сол Перлмуттер из Калифорнийского университета в Беркли. От идеи о том, что Вселенная резко меняется в течение своего существования — «идея о продолжительности жизни Вселенной вообще является странной концепцией», — говорит он, — к идее о том, что космос расширяется, к мысли, что он может разрушиться и прийти в движение. до конца, и даже что могут быть другие вселенные. «Вы понимаете, что мир может быть намного интереснее, чем мы уже могли себе представить».

Общая теория относительности стала основой сегодняшнего понимания космоса. Но современная картина далека от завершения. Остается много вопросов о загадочной материи и силах, о начале и конце Вселенной, о том, как наука о больших соединяется с квантовой механикой, наукой об очень малых. И некоторые астрономы считают, что многообещающий способ ответить на некоторые из этих неизвестных — это еще одна из изначально недооцененных особенностей общей теории относительности — способность искривленного света увеличивать особенности космоса.

Квазары (один показан) настолько ярки, что могут затмить свои родные галактики. Несмотря на то, что эти вспышки были впервые обнаружены, они вызывали недоумение, но они вызваны массивными питающими черными дырами. Общая теория относительности в настоящее время проверяется с невозможным ранее уровнем точности, говорит астрофизик Приямвада Натараджан из Йельского университета. «Общая теория относительности расширила наши представления о космосе, затем дала нам более четкое представление о космосе, а затем изменила ситуацию и сказала: «Теперь мы можем проверить это гораздо сильнее». исправлена ​​и, возможно, обнаружит более драматические трещины, которые укажут путь к более полной картине.

Итак, спустя столетие после дебюта общей теории относительности нам еще многое предстоит предсказать. Вселенная может оказаться еще более дикой.
— Элизабет Куилл

Черные дыры

Спустя чуть более века после того, как Эйнштейн обнародовал общую теорию относительности, ученые получили визуальное подтверждение одного из ее самых впечатляющих чудовищ. В 2019 году глобальная сеть телескопов обнаружила массовое искривление пространства-времени с таким рвением, что ничто, даже свет, не могло ускользнуть от его ловушки. Телескоп Event Horizon опубликовал первое изображение черной дыры в центре галактики M87. 900:05 В 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope опубликовала это первое в истории изображение черной дыры в центре галактики M87. На изображении видна тень монстра на его аккреционном диске. Event Horizon Telescope Collaboration

«Сила изображения велика», — говорит Казунори Акияма, астрофизик из обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института в Вестфорде, штат Массачусетс, который руководил одним из команды, создавшие образ. «Я ожидал, что мы увидим что-то экзотическое, — говорит Акияма. Но, посмотрев на первое изображение, он вспоминает: «Боже мой, — подумал он, — оно просто идеально соответствует нашим представлениям об общей теории относительности».

« Боже мой, » Казунори Акияма вспоминает, как подумал после того, как впервые увидел изображение черной дыры. «Это просто идеально соответствует нашим представлениям об общей теории относительности».

Долгое время черные дыры были просто математическими диковинками. Доказательства того, что они действительно живут в космосе, не появлялись до второй половины 20-го века. Это обычная история в анналах физики. Странность в уравнении некоторых теоретиков указывает на ранее неизвестное явление, которое запускает поиск доказательств. Как только данные становятся доступными и если физикам немного повезет, поиск уступает место открытиям.

В случае черных дыр немецкий физик Карл Шварцшильд нашел решение уравнений Эйнштейна вблизи одной сферической массы, такой как планета или звезда, в 1916 году, вскоре после того, как Эйнштейн предложил общую теорию относительности. Математика Шварцшильда показала, как кривизна пространства-времени будет отличаться вокруг звезд той же массы, но все меньшего размера — другими словами, звезд, которые становятся все более и более компактными. Из математики вышел предел тому, насколько мала масса может быть сжата. Затем в 1930-е годы Дж. Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер описали, что произойдет, если массивная звезда, коллапсирующая под тяжестью собственной гравитации, уменьшится до критического размера — известного сегодня как «радиус Шварцшильда» — и достигнет точки, из которой ее свет никогда не сможет достичь нас. Тем не менее Эйнштейн — и большинство других — сомневались в том, что то, что мы сейчас называем черными дырами, на самом деле правдоподобно.

Термин «черная дыра» впервые появился в печати в Science News Letter . Это было в рассказе 1964 года Энн Юинг, которая освещала встречу в Кливленде Американской ассоциации содействия развитию науки. Примерно в это же время начали появляться намеки в пользу реальности черных дыр. Всего несколько месяцев спустя Юинг сообщил об открытии квазаров, описав их в Science News Letter как «самый далекий, самый яркий, самый сильный, самый тяжелый и самый загадочный источник света и радиоволн». Хотя в то время квазары не были связаны с черными дырами, они намекали на некоторые космические электростанции, необходимые для обеспечения такой энергии. Использование рентгеновской астрономии в 1960-х годах открыло новые особенности космоса, в том числе яркие маяки, которые могли исходить от черной дыры, поглощающей звезду-компаньон. А движение звезд и газовых облаков вблизи центров галактик указывало на что-то чрезвычайно плотное, скрывающееся внутри.

В статье Science News в 1964 году квазары описывались как «самые далекие, самые яркие, самые сильные, самые тяжелые и самые загадочные источники света и радиоволн». Science News

Черные дыры выделяются среди других космических чудовищ тем, как крайние они. Самые большие из них в миллиарды раз превышают массу Солнца, и когда они разрывают звезду на части, они могут выплевывать частицы с энергией в 200 триллионов электрон-вольт. Это примерно в 30 раз больше энергии протонов, которые мчатся вокруг крупнейшего и самого мощного ускорителя частиц в мире — Большого адронного коллайдера.

В качестве доказательства, накопленного в 1990-х годах и до сегодняшнего дня, ученые поняли, что эти огромные звери не только существуют, но и помогают формировать космос. «Эти объекты, предсказанные общей теорией относительности, которые были математическими диковинками, стали реальными, а затем стали маргинальными. Теперь они стали центральными», — говорит астрофизик Приямвада Натараджан из Йельского университета. Теперь мы знаем, что сверхмассивные черные дыры находятся в центрах большинства, если не всех галактик, где они генерируют потоки энергии, влияющие на то, как и где формируются звезды. «В центре галактики они определяют все, — говорит она.

Хотя визуальное подтверждение появилось недавно, кажется, что черные дыры давно знакомы. Это метафора любого непознаваемого пространства, любой глубокой пропасти, любого усилия, которое поглощает все наши усилия, но мало что дает взамен. Настоящие черные дыры, конечно, многое дали взамен: ответы ученым, стремящимся понять наш космос, плюс новые вопросы для размышления. Чудо и развлечение для космических фанатиков. Потерянный альбом Weezer. Многочисленные серии Доктор Кто. Голливудский блокбастер Интерстеллар .

Физика Николаса Юнеса из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн черные дыры и другие космические гиганты продолжают удивлять. «От одной мысли о размерах этих объектов, о том, насколько они велики, насколько они тяжелы, насколько они плотны, — говорит он, — просто захватывает дух».
— Элизабет Куилл

Гравитационные волны

Когда гиганты общей теории относительности сталкиваются, они разрушают космическую ткань. Рябь в пространстве-времени, называемая гравитационными волнами, исходит наружу, визитная карточка бурного и самого энергичного танго.

Математика Эйнштейна предсказывала, что такие волны могут создаваться не только гигантскими столкновениями, но и взрывами и другими ускоряющимися телами. Но долгое время обнаружение любой пространственно-временной ряби было сверхъестественной мечтой. Только самые драматические космические события могли создать сигналы, достаточно сильные для прямого обнаружения. Эйнштейн, назвавший волны gravitationswellen , не знал, что в космосе существуют такие крупные события.

Математика общей теории относительности предсказывала, что гигантские космические столкновения вызовут рябь в пространстве-времени, но долгое время никто не знал, что такие столкновения (один из них проиллюстрирован) происходят в реальности. MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Alamy Stock Photo

Начиная с 1950-х годов, когда другие еще спорили о том, существуют ли гравитационные волны на самом деле, физик Джозеф Вебер посвятил свою карьеру попыткам обнаружить их. После десяти с лишним лет усилий он заявил об обнаружении в 1969 году, идентифицировав видимый сигнал, возможно, от сверхновой или от недавно открытого типа быстро вращающейся звезды, называемой пульсаром. Через несколько лет после сообщения о первой находке Science News опубликовал более дюжины статей о том, что стало называться «проблемой Вебера». Исследование за исследованием не могли подтвердить результаты. Более того, источников волн найти не удалось. А 19Заголовок 73 гласил: «Углубление сомнений в волнах Вебера».

Вебер придерживался своего утверждения до своей смерти в 2000 году, но его волны так и не были подтверждены. Тем не менее ученые все больше верили, что гравитационные волны будут найдены. В 1974 году радиоастрономы Рассел Халс и Джозеф Тейлор заметили нейтронную звезду, вращающуюся вокруг плотного компаньона. В последующие годы нейтронная звезда и ее компаньон стали сближаться на расстояние, которое можно было бы ожидать, если бы они отдавали энергию гравитационным волнам. Вскоре ученые заговорили не о проблеме Вебера, а о том, какое оборудование может улавливать волны. «Теперь, хотя они еще не видели, физики верят, — писал Дитрик Э. Томсен в Science News в 1984 году. 

В 1969 году Science News сообщил о предполагаемом обнаружении гравитационных волн физиком Джозефом Вебером, но его выводы так и не были подтверждены, и источник волн не был найден. Science News

Это было другая стратегия обнаружения, разрабатываемая десятилетиями, которая обеспечит необходимую чувствительность. Усовершенствованная лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, или LIGO, которая сообщила о первых подтвержденных гравитационных волнах в 2016 году, опирается на два детектора: один в Хэнфорде, штат Вашингтон, и один в Ливингстоне, штат Луизиана. Каждый детектор разделяет луч мощного лазера. на два, при этом каждый луч проходит по одному из двух плеч детектора. В отсутствие гравитационных волн два луча рекомбинируют и гасят друг друга. Но если гравитационные волны растягивают одно плечо детектора и сжимают другое, лазерный луч больше не совпадает.

Машины — невероятный инженерный подвиг. Даже рябь пространства-времени, обнаруженная при столкновении черных дыр, может растянуть плечо детектора LIGO всего лишь на одну десятитысячную ширины протона.

Ученые обнаруживают рябь в пространстве-времени с 2015 года. Исследуйте 50 известных космических столкновений, о которых сообщили детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo по состоянию на конец 2020 года. Нади Бремер/
VisualCinnamon.com

Когда было объявлено о первом обнаружении двух сталкивающихся черных дыр, это открытие было провозглашено началом новой эры в астрономии. было Science News’s история года в 2016 году, и такой большой успех, что пионеры детектора LIGO получили Нобелевскую премию по физике в следующем году. В течение пяти лет после того первого отчета ученые с LIGO и другим детектором гравитационных волн, Virgo, базирующимся в Италии, зарегистрировали еще десятки обнаружений. Большинство волн возникло в результате слияния черных дыр, хотя в некоторых событиях участвовали нейтронные звезды. Столкновения выявили ранее неизвестные места рождения некоторых тяжелых элементов, указали на яркую струю заряженных субатомных частиц, которая может дать ключ к разгадке загадочных вспышек высокоэнергетического света, известных как гамма-всплески, и показали, что черные дыры среднего размера между Масса Солнца в 100 и 100 000 раз действительно существует — наряду с подтверждением того, что Эйнштейн был прав, по крайней мере, до сих пор.

Прошло всего пять лет, а некоторые ученые уже жаждут чего-то еще более экзотического. В статье Science News об обнаружении черных дыр, вращающихся вокруг червоточин с помощью гравитационных волн, физик Витор Кардосо предположил грядущий переход к более необычным явлениям: «Нам нужно искать странные, но захватывающие сигналы», — сказал он.

Астрономия гравитационных волн только начинается. Улучшенная чувствительность существующих наземных детекторов увеличит громкость гравитационных волн, что позволит обнаруживать их из менее энергичных и более удаленных источников. Детекторы будущего, в том числе космический LISA, запуск которого запланирован на 2030-е годы, смогут обойти неприятный шум, возникающий при сотрясении поверхности Земли.

«Возможно, самым захватывающим было бы наблюдать, как маленькая черная дыра падает в большую черную дыру с впечатляющим экстремальным соотношением масс», — говорит Николас Юнес, астрофизик из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн. В таком случае маленькая черная дыра будет летать взад-вперед, вперед-назад, вращаясь в разных направлениях, следуя по дико эксцентричным орбитам, возможно, в течение многих лет. Это могло бы стать окончательной проверкой уравнений Эйнштейна, показав, действительно ли мы понимаем, как пространство-время крайне искривлено.
— Элизабет Куилл

LISA Pathfinder (на фото), запущенный в 2015 году, тестировал технологии для будущей обсерватории гравитационных волн в космосе. CARREAU/ESA

Космическое расширение

Уравнения общей теории относительности Эйнштейна были источником, из которого вытекает наш нынешний взгляд на космос. То, что эта теория продолжает задавать так много интересных вопросов, отчасти делает ее «просто невероятной», — говорит Дэвид Спергель, астрофизик из Института Флэтайрон Фонда Саймонса в Нью-Йорке.

В 1920-х годах Александр Фридман, русский метеоролог-математик, адаптировал исходные уравнения Эйнштейна для описания Вселенной, которая со временем росла или сжималась. Эйнштейн не был готов принять расширяющуюся Вселенную — на самом деле, он добавил член в свои уравнения, чтобы космос оставался статичным (термин теперь известен как космологическая постоянная). Но астроном Эдвин Хаббл в конце концов заставил Эйнштейна передумать. В 1929 году с помощью новаторских данных обсерватории Лоуэлла в Аризоне, собранных Весто Слайфером, и 100-дюймового телескопа в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии, тогда крупнейшей в мире, Хаббл обнаружил, что более далекие галактики, которые тогда обычно называли как «внегалактические туманности», казалось, удалялись от нас быстрее, чем близлежащие галактики.

В 1929 году Эдвин Хаббл (на фото) сообщил, что далекие галактики, кажется, улетают от нас быстрее, чем близлежащие галактики, что является ключевым свидетельством того, что Вселенная расширяется. Небесный рекорд скорости», В журнале Science News-Letter сообщалось о группе туманностей, известной как скопление Большой Медведицы, которая улетала от нас со скоростью 7 200 миль в секунду. Статья резюмировала выводы Хаббла в последних двух абзацах истории. «Неясно, что именно означают эти высокие скорости», — говорится в статье, приписывая взаимосвязь между расстоянием и скоростью распространению световых волн. Со временем стало ясно, что наш космос расширяется, как пирог, а галактики расходятся одна от другой, как изюм. Более того, общая теория относительности предсказала это. Физик Джон Арчибальд Уилер, поборник общей теории относительности после смерти Эйнштейна, назвал расширение Вселенной «самым драматичным предсказанием, которое когда-либо делала наука».

Оттуда посыпались новые вопросы, ответы и снова вопросы о прошлом и настоящем нашей вселенной. Вот что в настоящее время известно ученым, а также некоторые из их идей:

Большой взрыв

В течение прошлого века ученые определили, что вселенная, какой мы ее знаем, началась миллиарды лет назад с Большого взрыва. Идея взрыва началась с работы Жоржа Леметра, бельгийского космолога и священника, который в конце 1920-х годов, как и Фридман несколькими годами ранее, решил уравнения Эйнштейна для расширяющейся Вселенной. Далее Леметр пришел к выводу, что расширяющаяся Вселенная должна была произойти из чего-то, из «первобытного атома». Более десяти лет спустя, пытаясь объяснить происхождение химических элементов, физик Джордж Гамов и его доктор философии. Студент Ральф Альфер описал горячую и плотную отправную точку — «перегретую нейтральную ядерную жидкость», — в которой водород и гелий нагреваются всего за 300 секунд, а затем все элементы поднимаются вверх. (Теперь мы знаем, что предлагаемый процесс не может объяснить элементы, кроме водорода, гелия и некоторого количества лития.) Ханс Бете был добавлен в качестве автора статьи в шутку, поэтому три фамилии в статье (Альфер, Бете и Гамов ) станет каламбуром «альфа, бета, гамма», первых трех букв греческого алфавита.

Остаточный свет Большого взрыва, космический микроволновый фон (здесь нанесен на карту спутником Планка) дает ключ к разгадке распределения материи в ранней Вселенной. 1964 год, когда астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон по счастливой случайности обнаружили реликтовое микроволновое излучение, оставшееся от Большого Взрыва (которое, к сожалению, уже было предсказано Альфером и его коллегой Робертом Херманом). Все более точные исследования этого «космического микроволнового фона» в последующие десятилетия, наряду с оценками возраста шаровых скоплений, сузились до даты рождения Вселенной 13,8 миллиарда лет назад.

Ускоренное расширение

Не только Вселенная расширяется, но и само расширение ускоряется. Когда астрофизик Сол Перлмуттер начал сканировать небо в поисках сверхновых в конце 1980-х годов, он предположил, что расширение Вселенной со временем замедляется, сдерживаемое гравитационным притяжением всей материи в космосе. Он и другие физики говорили о «параметре замедления». В зависимости от размера этого параметра расширение может расти все медленнее, но продолжаться вечно, что приводит к холодному и темному будущему. Или гравитация может победить, и Вселенная схлопнется сама по себе в «Большом сжатии».

В конце 1960-х годов журнал Science News опубликовал обзор доказательств теории Большого взрыва и стационарных теорий Вселенной с пометкой «Остатки генезиса». Science News

Сверхновые звезды, которые искал Перлмуттер, сверхновые типа Ia, могут дать ответ. Яркость этих взрывов должна соответствовать их расстоянию; более слабые взрывы находятся дальше и, следовательно, дальше во времени. Но команда Перлмуттера обнаружила, что далекие сверхновые звезды были слабее, чем ожидалось, как и другая команда под руководством Брайана Шмидта. Две команды сообщили в 1998, что Вселенная разлетается быстрее, чем когда-либо прежде.

По иронии истории термин, который Эйнштейн добавил к своим уравнениям общей теории относительности, чтобы сохранить вселенную статической, — «космологическая постоянная», от которой отказался Фридман, теперь возродился. Это было применено к таинственной силе, теперь называемой «темной энергией», которая, по-видимому, управляет ускоренным расширением Вселенной.

Ускоренное расширение — одно из ключевых открытий за последнее столетие, говорит астрофизик Приямвада Натараджан из Йельского университета. «Вселенная стала нефиксированной», — говорит она. «Вселенная не пришвартована». Чем бы ни была эта темная энергия, она является основным компонентом нашего космоса.

Материя и энергия

«Темная энергия» — не единственная известная нам скрытая сущность. Еще в 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки обнаружил, что галактики в скоплении Кома, на расстоянии более 300 миллионов световых лет от Земли, ведут себя плохо. Галактики внутри скопления двигались быстрее, чем это можно было бы объяснить притяжением видимой материи, что наводило на мысль о существовании некой «dunkle Materie», как описал ее Цвикки по-немецки. Астроном Вера Рубин и ее коллеги подтвердили существование темной материи в 1970-е годы. Эти исследования звезд, вращающихся вокруг галактических центров, показали, что дальние звезды движутся так же быстро, как и внутренние, настолько быстро, что галактики должны разлетаться друг от друга. Но это не так. Расчеты показали, что в галактиках должно быть гораздо больше темной материи, чем обычного вещества.

«Возможна зоология частиц темной материи».

астрофизик Томмазо Треу

Попытки определить, что такое темная материя, до сих пор не увенчались успехом. Но вещество может быть не таким простым, как мы себе представляем, говорит астрофизик Томмазо Треу из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Я всегда думаю, что если бы я был темной материей, пытающейся представить, на что похожи светящиеся люди, я бы подумал: один электрон, один протон, один фотон», — говорит он. Он и представить себе не мог, какое огромное количество частиц стало частью стандартной модели физиков элементарных частиц. Темная материя также может быть более сложной. «Возможна зоология частиц темной материи», — добавляет Треу.

Независимо от того, что именно представляет собой темная материя, ее открытие и открытие темной энергии кардинально изменили наше представление о том, из чего состоит наш космос. Обычные вещи, которые мы можем обнаружить — звезды, планеты, люди, пытающиеся все это понять, — составляют лишь около 5 процентов массы и энергии Вселенной. Темная энергия составляет около 70 процентов, а темная материя — примерно 25 процентов.

Инфляция

Несмотря на изначальный беспорядок Большого Взрыва, кажется, что материя распределена в основном равномерно в самом большом масштабе. Ученые долго ломали голову над тем, почему так должно быть.

В начале 1980-х физик Алан Гут предложил идею, объясняющую, почему Вселенная такая «гладкая», а также некоторые другие загадки современного космоса. Гут предположил, что сразу после Большого взрыва, в течение короткого периода, продолжавшегося всего доли секунды, Вселенная раздувалась достаточно быстро, чтобы распределить материю равномерно, с небольшими отклонениями. Из тех небольших отклонений, где материя была немного плотнее, в конечном итоге образовались галактики. Этот период «раздувания» был настолько быстрым, что видимая Вселенная выросла из мельчайших пятнышек до метра в поперечнике — все еще маленького, как мы себе представляем сегодня, но раздутого в диаметре более чем на 50 порядков.

Сегодня преобладает мнение, что Вселенная началась с Большого взрыва, за которым последовал короткий период сверхбыстрого расширения, известного как инфляция. Таинственная сила, известная как темная энергия, по-видимому, ускоряет расширение Вселенной сегодня. НАСА, Научная группа WMAP

Инфляция стала, по словам астрофизика Дэвида Спергеля, «наиболее общепринятым расширением» нашей стандартной картины космоса. Это многое объясняет, и за этим стоит довольно много веских доказательств, но это еще не подтверждено.

Некоторым критикам не нравятся некоторые аспекты инфляции. «Легко получить вечную инфляцию», например, говорит Спергель, который называет себя «одним из самых агностиков» в аргументах по поводу инфляции. В случае вечной инфляции карманы Вселенной — фактически большая часть Вселенной — продолжали бы раздуваться после того, как остановился бы наш.

Этот сценарий приводит к очевидному вопросу: почему мы находимся там, где мы есть? Или, другими словами, что делает наш карман таким особенным? Отсюда некоторым физикам нравится отправляться в философское путешествие; Спергель видит в этом признак того, что чего-то не хватает.

Что осталось?

Несмотря на все, что мы теперь знаем, и как далеко нас завела общая теория относительности, наша картина Вселенной далека от завершения. Многие физики надеются, что другая идея, столь же интуитивная, как идея Эйнштейна, поможет прояснить некоторые важные вопросы, на которые мы еще не ответили: что такое темная материя? Что такое темная энергия? Почему материи в космосе больше, чем антиматерии? Как общая теория относительности согласуется с квантовой механикой? Перлмуттера интересует один вопрос: что происходило прямо перед Большим взрывом?

Существует большая вероятность, отмечает он, что окончательный ответ может быть не таким удовлетворительным, как мы ожидали — сродни 42, которые компьютер Deep Thought раскрывает как ответ на «великий вопрос жизни, вселенной и всего остального». в Автостопом по Галактике . «Трудно думать о том, что считается удовлетворительным ответом, даже если вы вообще можете что-то придумать и вообразить, что это правда», — говорит Перлмуттер. По его словам, одна из самых фундаментальных частей занятий наукой — это выяснить, что считается вопросом, а что — ответом, который вас интересует.

Его мнение напоминает мнение одного астронома, который после участия в опросе о происхождении Вселенной, проведенном издателем Science News Letter в конце 1950-х годов, сказал, что большая часть «удовольствия от астрономических исследований ” исчезнет, ​​если когда-нибудь будет найден верный ответ.
— Элизабет Куилл

Поддержите наше следующее столетие

Через 100 лет после нашего основания высококачественные и чрезвычайно точные отчеты о ключевых достижениях в науке, технологиях и медицине никогда не были более важными — или более нуждающимися в вашей поддержке . Лучший способ помочь? Подписывайся.

Подписаться

Гравитация как линза

Всемирная известность Эйнштейна пришла в 1919 году. В том же году ученые измерили отклонение света звезд, проходящего мимо Солнца во время солнечного затмения. Уравнения Эйнштейна предсказывали, что свет будет отклоняться в два раза больше, чем предсказывала теория Ньютона, и Эйнштейн был прав — фраза, которая будет повторяться снова и снова на страницах Science News и в других местах. В то время Эйнштейн не понимал, что гравитация может не только преломлять свет, но и действовать как линза; его пришлось уговорить написать статью о феномене ресторанного помойки по имени Руди В. Мандл в 19-м веке.30 с.

Сегодня «гравитационное линзирование» — бесценный инструмент для исследования космоса. «Природа дает вам бесплатную увеличительную линзу, — говорит астрофизик Томмазо Треу из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Фактически, астрономы использовали сотни линз с момента первого примера линзирования, когда астрономы обнаружили «двойные квазары, настолько идентичные», что они, вероятно, были одним и тем же объектом, как сообщал Science News в 1979 году. К 1990 году астроном Дэниел В. Уидман был уже впечатлен ее победами: «Редко в астрономии можно применить такую ​​простую теорию, как гравитационное линзирование, к такому широкому кругу наблюдений», — сказал он Новости науки. С тех пор область применения только расширилась.

Согласно Science News , в 1979 году астрономы сообщили о «двойных квазарах, настолько идентичных», что они, вероятно, были одним и тем же объектом. На этом изображении, полученном космическим телескопом Хаббла, виден единственный квазар, QSO 0957+561, в центре; она выглядит как две благодаря гравитационному линзированию. ESA, NASA

Принцип прост. Точно так же, как увеличительное стекло преломляет свет, создавая множественные изображения или фокусируя свет для создания изображений большего размера, чем исходное, массивные объекты в космосе могут искривлять и фокусировать свет более удаленных объектов. Результатом могут быть вытянутые формы, драматические арки, яркие кольца и множественные изображения необычайной красоты. Когда передний план и удаленная галактика идеально совпадают, они могут создать так называемое «кольцо Эйнштейна». Когда выстроятся три галактики, получится двойное кольцо Эйнштейна.

Когда фоновая галактика и ее гравитационная линза правильно выровнены, галактика может выглядеть как подкова (показано) или даже кольцо. ESA, Hubble & NASA

В отличие от некоторых других диких предсказаний общей теории относительности, «это не так уж и странно, — говорит Лилия Уильямс, астрофизик из Миннесотского университета, — но определенно круто». Тем более, что везде. «Это затрагивает практически все аспекты астрофизики», — добавляет Уильямс.

Помимо прочего, гравитационное линзирование использовалось для:
1. Изучение ранних галактик

Массивные скопления галактик, такие как Abell 2744 (на фото), искривляют и фокусируют свет более удаленных объектов, что дает астрономам возможность увеличивать особенности космоса. НАСА, ЕКА и Дж. Лотц, М. Маунтин, А. Кукемур и группа HFF (STScI)

Одной из часто используемых линз является скопление галактик Abell 2744. Находящееся на расстоянии около 4 миллиардов световых лет, оно имеет массу примерно в 2 квадриллиона солнц, что дает это впечатляющая светоизгибающая сила. С помощью Abell 2744 астрономы в 2014 году обнаружили одну из самых слабых и далеких галактик, которые когда-либо наблюдались. Галактика, которая казалась в 10 раз больше и ярче, чем выглядела бы в противном случае, возникла всего через 500 миллионов лет после рождения Вселенной. Виды таких древних галактик могут помочь ученым понять, как галактики формируются и растут с течением времени.

2. Увеличьте звезды

В 2018 году астрономы сообщили, что с помощью линзирования обнаружили голубую сверхгигантскую звезду примерно в 9 миллиардах световых лет от Земли, самую удаленную стабильную звезду из когда-либо обнаруженных. Исследователи пришли к выводу, что звезда по прозвищу Икар увеличилась более чем в 2000 раз по сравнению с ее первоначальной яркостью.

3. Предсказать будущее

(По крайней мере, будущие наблюдения.)

Увидев четыре изображения одной и той же сверхновой, снятые скоплением галактик на переднем плане, исследователи в 2015 году предсказали, что еще одно изображение появится, возможно, в течение года или около того. Действительно, изображение сверхновой Рефсдала появилось точно по расписанию. Предсказание стало возможным благодаря пониманию распределения массы в скоплении переднего плана.

В 2015 году исследователи сообщили, что видели четыре изображения одной и той же сверхновой (стрелки) по прозвищу Рефсдал. Гравитация промежуточной галактики искривила свет сверхновой, чтобы создать множественные изображения. С. РОДНИ/ДЖУ И КОМАНДА FRONTIERS; J. LOTZ/STSCI И КОМАНДА FRONTIER FIELDS; M. POSTMAN/STSCI И CLASH TEAM; AND Z. LEVAY/STSCI

4. Поиск экзопланет

Астрономы обнаружили более сотни планет, вращающихся вокруг звезд, отличных от Солнца, с помощью варианта гравитационного линзирования, известного как микролинзирование. При микролинзировании гравитационное притяжение звезды или планеты настолько незначительно искажает свет более удаленного объекта, что несколько изображений перекрываются, слегка осветляя фоновый объект, когда линза проходит впереди. В 2006 году астрономы, использующие этот метод, сообщили о самой маленькой планете, которая существовала за пределами Солнечной системы.

5. Исследование темной материи

В 1980-х годах астроном Богдан Пачиньский предложил использовать микролинзирование для поиска темной материи в виде обычного вещества — барионной материи, состоящей из протонов и нейтронов, — которую просто не было видно. Это было смелое предложение; эти барионные MACHO или массивные компактные гало-объекты лишь изредка проходили перед фоновыми звездами. «Если вы хотите иметь хоть какой-то значительный шанс наблюдать его, вам нужно смотреть на миллион звезд», — говорит Уильямс. С тех пор обширные космические исследования, проведенные несколькими группами, показали, что этих барионных MACHO слишком мало, чтобы объяснить темную материю.

Изучая, как эллиптические галактики (оранжевые на этих изображениях космического телескопа Хаббла) искажают свет фоновых галактик (синий), исследователи могут лучше понять распределение темной материи вокруг этих эллиптических галактик. Философские труды Королевского общества A: Mathematical, Physical и технических наук

Более того, гравитационное линзирование является «лучшим инструментом для картографирования распределения темной материи во всех масштабах», добавляет Уильямс. Гравитация — единственная сила, на которую, по-видимому, реагирует темная материя, а гравитационное линзирование — чисто гравитационное явление, что делает их идеальной парой. Картирование темной материи дает ключ к пониманию того, из чего она состоит. Недавно линзирование показало, что некоторые сгустки темной материи в скоплениях галактик могут быть более плотными, чем ожидалось.

6. Карта структуры Вселенной

Сильные линзы — те, которые создают множественные изображения — встречаются крайне редко. Но каждый источник света во вселенной искривлен; разбросанность массы по космосу означает, что мы смотрим на звезды через текстурированную дверь душа. Используя это «слабое линзирование», исследователи анализируют эти меньшие искажения света на многих объектах, чтобы составить карту вещества на небе. В качестве одного из примеров крупного международного сотрудничества, известного как Исследование темной энергии, были сделаны снимки сотен миллионов галактик в поисках искажений формы.

Группа исследования темной энергии использует так называемое «слабое линзирование» для картирования темной материи и обычной материи в трехмерном пространстве.

7. Найдите ключи к разгадке темной энергии

Результаты такого картирования не только показывают, как сгущается материя, но также могут дать ключ к разгадке того, как Вселенная расширялась с течением времени, и, таким образом, дать представление о космическом толчке темной энергии. Использование гравитационного линзирования для исследования темной энергии является ключевой целью будущих телескопов, в том числе наземной обсерватории Веры С. Рубин, космического корабля «Евклид» Европейского космического агентства и римского космического телескопа Нэнси Грейс.

Вероятно, в будущем ученые найдут еще больше применений для гравитационного линзирования. Астроном Кристофер Кочанек из Университета штата Огайо хотел бы, чтобы микролинзирование использовалось для исследования черных дыр. Черные дыры, которые активно питаются, или вращаются по орбите вместе с компаньоном, или сталкиваются друг с другом и, таким образом, производят потоки гравитационных волн, — все они поддаются обнаружению. Но, по-видимому, существует гораздо большая популяция черных дыр в диапазоне звездных масс, которые бесшумно плывут по космосу. «На самом деле мы не знаем, сколько черных дыр, черных дыр звездной массы, во Вселенной», — говорит Кочанек. Было бы интересно узнать, сколько таких зверей среди нас.

Спустя столетие стало яснее, чем когда-либо, что общая теория относительности дала нам не только таких зверей, но и основу и инструменты для их понимания — наряду со всеми другими космическими причудами вокруг нас. И когда космос открылся нам, человеческий разум расширился, чтобы встретить его. Так много в общей теории относительности «бросает вызов вашему опыту», — говорит Треу. Предсказания и последствия теории противоречат нашей интуиции о Вселенной. «Это прекрасное отражение способности человеческого разума выходить за пределы опыта», — говорит он. «Мы можем думать о вещах, которые так нелогичны, и находить в них смысл».
— Элизабет Куилл

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 Куэрденом

Альберт Эйнштейн во время лекции в Вене в 1919 г.21. Альберт Эйнштейн (1879–1955) был немецким физиком-теоретиком и философом науки. 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»). В 1921 году он получил Нобелевскую премию по физике «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта. Последний сыграл решающую роль в создании квантовой теории. История науки с точки зрения ее согласия с экспериментальными результатами и ее способности предсказывать новые явления — только квантовая механика может претендовать на то, чтобы соперничать с ее успехами. продолжал объяснять новые разработки, на которые даже не намекали 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 9.0008 ; 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 вещи; 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 приведенный выше 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 окажетесь на синем пути; 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: ESA/Hubble & NASA

Кольцо Эйнштейна в виде 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, что и , происходит вблизи массивного объекта, только искривление происходит с чем-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.0007 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, чтобы сформировать 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 решила 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 «искривлением времени», 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 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 удивительное — 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 себе, 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.

Кажется, 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 относительных , 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, пожалуй, самым важным открытием, которое пришло из специальной теории относительности, была идея о том, что пространство и время — это не священный, неизменный фон 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.

  • Общие вопросы
    • Должны ли мы беспокоиться об относительности при изучении галактических объектов? (Средний)
    • Что такое гравитон? (Средний)
  • Специальная теория относительности
    • Может ли кто-нибудь путешествовать по вселенной в течение своей жизни? (Начинающий)
    • Путешествуя со скоростью света, сколько времени потребуется, чтобы добраться до ближайшей галактики? (Начинающий)
    • Что такое замедление времени? (Средний)
    • Почему относительные скорости не могут в сумме превышать скорость света? (Средний)
    • Наблюдает ли фотон за другими фотонами, движущимися мимо него со скоростью света? (Средний уровень)
  • Общая теория относительности
    • Что делает квантовую механику и общую теорию относительности несовместимыми? (Дополнительно)
    • Почему астрономы интересуются гравитационными волнами? (Средний)
    • Если гравитация не является силой, то как она ускоряет объекты? (Дополнительно)
    • Доказано ли существование гравитационных волн? (Средний)
    • По-разному ли гравитация влияет на свет разных цветов? (Средний)
    • Смещается ли свет в синий цвет, когда он подвергается гравитационной линзе? (Средний)
    • Какова скорость свободного падения? (Средний)
    • Если гравитация — это «искривление пространства», а не сила, почему мяч и пуля движутся по разным траекториям? (Средний)
    • Если часы в гравитационном поле идут медленно, как мы можем узнать истинный возраст Солнечной системы и Вселенной? (Средний уровень)
    • Если фотоны имеют нулевую массу, то почему они ощущают действие гравитации? (Дополнительно)
    • Существует ли гиперпространство? (Средний)
  • Космология
    • Если во время Большого взрыва Вселенная была бесконечно плотной, почему время не остановилось? (Начинающий)
    • Может ли ускорение Вселенной быть аналогичным кажущемуся ускорению самолета? (Средний)
    • Время шло медленнее сразу после Большого Взрыва? (Дополнительно)
    • Как Вселенная может расширяться быстрее скорости света во время инфляции? (Дополнительно)
    • Может ли гравитационное линзирование от промежуточных галактик вызывать наблюдаемую рябь на космическом микроволновом фоне? (Дополнительно)
    • Чем отличается «доплеровское» красное смещение от «гравитационного» или «космологического» красного смещения? (Дополнительно)
  • Скорость света
    • Почему гравитация не меняет скорость света? (Начинающий)
    • Подождите, я все еще не понимаю, почему информация не может двигаться быстрее скорости света. (Начинающий)
    • Кто первым измерил скорость света? (Средний)
    • Как ученые замедляют свет? (Средний)
    • Почему свет далеких галактик не достигает нас мгновенно? (Средний)
    • Вселенная расширяется быстрее скорости света? (Средний)
    • Что происходит с веществом, если его скорость больше скорости света? (Средний)
    • Разве тахионы не движутся быстрее света? (Средний)
    • Излучение Черенкова распространяется быстрее света? (Средний)
    • Подразумевает ли квантовая запутанность связь быстрее, чем световая? (Средний)
    • Могу ли я общаться быстрее света? (Дополнительно)
    • Проводился ли эксперимент, в котором измерялась скорость выше скорости света в вакууме? (Дополнительно)
  • Путешествие во времени
    • Возможно ли путешествие во времени? (Начинающий)
    • Что произойдет, если вы вернетесь в прошлое и убьете свою бабушку? (Начинающий)
    • Возможны ли машины времени? (Средний)
  • Черные дыры
    • Из чего состоят черные дыры? (Средний)
    • Если свет не имеет массы, то что же притягивает его в черную дыру? (Средний)
    • Что происходит с пространством-временем внутри черной дыры? (Средний)
    • Как гравитоны покидают черные дыры, чтобы сообщить Вселенной о своей гравитации? (Дополнительно)
  • Геометрия пространства-времени
    • Если пространство-время искривлено, можем ли мы заглянуть в космос и увидеть давний свет Земли? (Средний)
    • Как вселенная может быть «плоской»? Мы в 3D! (Начинающий)
    • Что такое измерение? (Средний)
    • Какова форма Вселенной? (Средний уровень)
    • Как может измениться геометрия в пространстве? (Средний)
    • Что происходит с пространством-временем внутри черной дыры? (Средний)
    • Почему Вселенная плоская, а не сферическая? (Дополнительно)
    • Как будет выглядеть «открытая геометрия» Вселенной? (Дополнительно)
    • Что такое «скрученные» размеры? (Расширенный)

    • Избранные ссылки команды The Ask an Astronomer о теории относительности:

    • Моделирование экстремального пространства-времени (SXS) — исследовательское сотрудничество с участием нескольких учреждений, включая Корнелл. Целью является моделирование черных дыр и других экстремальных пространственно-временных явлений, чтобы лучше понять теорию относительности и физику экзотических объектов в далеком космосе.
    • Учебное пособие по общей теории относительности: учебное пособие по общей теории относительности, включая приключения с Озом и волшебником.
    • NASA Relativity FAQ: множество общих вопросов и ответов о теории относительности.
    • Объяснение теории относительности Рэндаллом Манро (xkcd): использование только тысячи наиболее часто используемых слов
    • Теория относительности Альберта Эйнштейна в словах из четырех букв или меньше: именно то, что она говорит!

    Как задать вопрос?

    Если у вас есть вопрос о другой области астрономии, найдите интересующую вас тему в архиве на боковой панели или выполните поиск, используя приведенную ниже форму поиска. Если вы все еще не можете найти то, что ищете, задайте свой вопрос здесь.

    Как Эйнштейн открыл общую теорию относительности в условиях войны, разводов и соперничества

    Общая теория относительности началась с внезапной мысли. Это было в конце 1907 года, через два года после «чудесного года», когда Альберт Эйнштейн создал свою специальную теорию относительности и свою теорию световых квантов, но он все еще был экспертом в швейцарском патентном бюро. Мир физики еще не догнал его гения. Сидя в своем кабинете в Берне, его «поразила» мысль, он вспоминал: «Если человек свободно падает, он не почувствует собственного веса». Позже он назовет это «самой счастливой мыслью в моей жизни».

    История о падающем человеке стала культовой, и в некоторых рассказах она действительно связана с художником, который упал с крыши многоквартирного дома рядом с патентным бюро. Как и другие великие истории об открытии гравитации — Галилей, сбрасывающий объекты с Пизанской башни, и яблоко, падающее на голову Исааку Ньютону, — она была приукрашена народными преданиями. Несмотря на склонность Эйнштейна сосредотачиваться на науке, а не на «просто личном», даже он вряд ли стал бы смотреть, как настоящий человек прыгает с крыши, и думать о теории гравитации, не говоря уже о том, чтобы назвать это самой счастливой мыслью в своей жизни.

    Эйнштейн вскоре усовершенствовал свой мысленный эксперимент, чтобы падающий человек находился в закрытой камере, такой как лифт, в свободном падении. В камере он чувствовал бы себя невесомым. Любые предметы, которые он уронит, будут плавать рядом с ним. У него не было возможности сказать — он не мог провести эксперимент, чтобы определить, — падает ли камера с ускоренной скоростью или парит в свободной от гравитации области космического пространства.

    Затем Эйнштейн представил, что человек находится в той же камере далеко в космосе, где нет ощутимой гравитации, а постоянная сила с ускорением тянет камеру вверх. Он чувствовал, что его ноги прижаты к полу. Если он уронит предмет, он упадет на пол с ускоренной скоростью, как если бы он стоял на Земле. Невозможно было провести различие между эффектами гравитации и эффектами ускорения.

    Эйнштейн назвал это «принципом эквивалентности». Локальные эффекты силы тяжести и ускорения эквивалентны. Следовательно, они должны быть проявлением одного и того же явления, некоего космического поля, отвечающего как за ускорение, так и за гравитацию.

    Эйнштейну потребовалось еще восемь лет, чтобы превратить свой мысленный эксперимент с падением человека в самую красивую теорию в истории физики. Он перешел от своей степенной жизни женатого отца, работающего в швейцарском патентном бюро, к одинокой жизни профессора в Берлине, отчужденному от своей семьи и все более отчужденному от своих коллег из Прусской академии наук из-за роста антисемитизма. Принятое в прошлом году Калифорнийским технологическим институтом и Принстонским университетом решение бесплатно разместить в сети архив статей Эйнштейна позволяет взглянуть на то, как он жонглировал космическим и личным на протяжении всего этого периода. Мы можем наслаждаться его волнением в конце 1907, когда он набросал то, что он назвал «новым соображением, основанным на принципе относительности, об ускорении и гравитации». Затем мы можем почувствовать его сварливую скуку неделю спустя, когда он отклонил заявку электрической компании на патент на машину переменного тока, назвав заявку «неправильной, неточной и неясно подготовленной». Ближайшие годы будут полны человеческих драм, поскольку Эйнштейн соревнуется с соперником, чтобы дать математическое выражение теории относительности, борясь со своей бывшей женой из-за денег и своего права навещать двух своих маленьких сыновей. Но к 1915 его работа завершилась завершенной теорией, которая навсегда изменила наше понимание Вселенной.

    Изгибание света

    В течение почти четырех лет после утверждения, что гравитация и ускорение эквивалентны, Эйнштейн мало что делал с этой идеей. Вместо этого он сосредоточился на квантовой теории. Но в 1911 году, когда он, наконец, пробился сквозь стены академии и стал профессором немецкого университета Карла-Фердинанда в Праге, он снова обратил свое внимание на создание теории гравитации, которая помогла бы ему обобщить специальную теорию относительности — соотношение между пространством и временем, которые он определил в 1905.

    Когда Эйнштейн разработал свой принцип эквивалентности, он понял, что он имеет несколько неожиданных разветвлений. Например, его мысленный эксперимент в камере показал, что гравитация искривляет свет. Представьте, что камера ускоряется вверх. Луч света проникает через крошечное отверстие в одной из стен. К тому времени, когда он достигает противоположной стены, свет становится немного ближе к полу, потому что камера устремилась вверх. И если бы вы могли построить траекторию луча через камеру, она была бы искривлена ​​из-за направленного вверх ускорения. Принцип эквивалентности говорит, что этот эффект должен быть одинаковым независимо от того, ускоряется камера вверх или покоится в гравитационном поле. Другими словами, свет должен искривляться при прохождении через гравитационное поле.

    В 1912 году Эйнштейн попросил своего старого одноклассника помочь ему со сложной математикой, которая могла бы описать искривленное и искривленное четырехмерное пространство-время. До этого его успех был основан на его таланте улавливать основные физические принципы природы. Он оставил другим задачу найти наилучшее математическое выражение этих принципов. Но теперь Эйнштейн понял, что математика может быть инструментом для открытия, а не только для описания законов природы.

    Целью Эйнштейна, когда он работал над своей общей теорией относительности, было найти математические уравнения, описывающие два взаимосвязанных процесса: как гравитационное поле действует на материю, указывая ей, как двигаться, и как материя порождает гравитационные поля в пространстве-времени, сообщая пространству-времени, как двигаться. изгиб.

    Еще три года Эйнштейн боролся с набросками и набросками, в которых оказывались недостатки. Затем, начиная с лета 1915 года, математика и физика начали объединяться.

    Личные разгадки

    К тому времени он переехал в Берлин, чтобы стать профессором и членом Прусской академии. Но он обнаружил, что работает практически без поддержки. Антисемитизм рос, и вокруг него не было кружка коллег. Он расстался со своей женой, Милевой Марич, коллегой-физиком, которая в 1919 году была его рупором в формулировании специальной теории относительности. 05, и она вернулась в Цюрих с двумя сыновьями, 10 и 4 лет. У него был роман со своей кузиной Эльзой, на которой он позже женился, но он жил один в скудно обставленной квартире в центре Берлина, где он ел с перерывами, спал беспорядочно, играл на скрипке и вел свою уединенную борьбу.

    На протяжении 1915 года его личная жизнь начала рушиться. Некоторые друзья уговаривали его развестись и жениться на Эльзе; другие предупреждали, что его нельзя видеть с ней или подпускать к своим двум мальчикам. Марик неоднократно отправляла письма с просьбой о деньгах, и в какой-то момент Эйнштейн ответил с необузданной горечью. «Я считаю такое требование не подлежащим обсуждению», — ответил он. «Я нахожу ваши постоянные попытки завладеть всем, что у меня есть, абсолютно постыдными». Он изо всех сил старался поддерживать переписку со своими сыновьями, но они редко отвечали, и он обвинял Марика в том, что он не доставляет им свои письма.

    Тем не менее, несмотря на эти личные потрясения, Эйнштейн к концу июня 1915 года смог разработать многие элементы общей теории относительности. В конце того же месяца он прочитал недельную серию лекций о своих развивающихся идеях в Геттингенском университете в Германии, выдающемся математическом центре мира. Первым среди гениев был Давид Гильберт, и Эйнштейн особенно стремился — может быть, даже слишком, — объяснить ему все хитросплетения теории относительности.

    Соперничество

    Поездка в Геттинген была триумфальной. Несколько недель спустя Эйнштейн сообщил своему другу-ученому, что ему «удалось убедить Гильберта в общей теории относительности». В письме к другому коллеге он был еще более экспансивным: «Я совершенно очарован Гильбертом!»

    Гильберт был так же очарован Эйнштейном и его теорией, что вскоре решил посмотреть, сможет ли он сделать то, чего до сих пор не добился Эйнштейн: вывести математические уравнения, которые завершат формулировку общей теории относительности.

    Эйнштейн начал слышать шаги Гильберта в начале октября 1915 года, как только он понял, что его текущая версия теории, основанная на Entwurf , или наброске, который он уточнял в течение двух лет, имеет серьезные недостатки. Его уравнения не учитывали должным образом вращательное движение. Кроме того, он понял, что его уравнения в целом не являются ковариантными, а это означает, что они на самом деле не делают все формы ускоренного и неравномерного движения относительными и не объясняют полностью аномалию, которую астрономы наблюдали на орбите планеты Меркурий. Перигелий Меркурия — его точка наибольшего приближения к Солнцу — постепенно смещался таким образом, который не учитывался ни ньютоновской физикой, ни современной версией его собственной теории Эйнштейна.

    Эйнштейн столкнулся с двумя тикающими часами: он чувствовал, что Гильберт приближается к правильным уравнениям, и он согласился прочитать серию из четырех формальных лекций по четвергам по своей теории в ноябре для членов Прусской академии. Результатом стал изнурительный месячный вихрь, во время которого Эйнштейн боролся с чередой уравнений, исправлений и обновлений, которые он спешил завершить.

    Даже когда 4 ноября Эйнштейн прибыл в большой зал Прусской государственной библиотеки, чтобы прочесть первую из своих лекций, он все еще боролся со своей теорией. «Последние четыре года, — начал он, — я пытался создать общую теорию относительности». С большой откровенностью он подробно описал проблемы, с которыми столкнулся, и признал, что до сих пор не придумал полностью работающих уравнений.

    Эйнштейн был в агонии одного из самых концентрированных безумий научного творчества в истории. В то же время он имел дело с личными кризисами в своей семье. Продолжали приходить письма от его бывшей жены, которые требовали от него денег и обсуждали принципы его контактов с их двумя сыновьями. Через общего друга она потребовала, чтобы он не просил, чтобы его дети приезжали к нему в гости в Берлин, где они могли бы узнать о его романе. Эйнштейн заверил друга, что в Берлине он живет один и что в его «заброшенной» квартире царит «почти церковная атмосфера». Друг ответил, имея в виду работу Эйнштейна по общей теории относительности: «Это справедливо, потому что там действуют необычные божественные силы».

    В тот самый день, когда он представил свою первую работу, он написал мучительно-пронзительное письмо своему старшему сыну Гансу Альберту, жившему в Швейцарии:

    Вчера получил твое милое маленькое письмо и обрадовался ему. Я уже боялся, что ты вообще больше не захочешь мне писать…. Я буду настаивать на том, чтобы мы были вместе в течение месяца каждый год, чтобы ты увидел, что у тебя есть отец, который привязан к тебе и любит тебя. Вы можете узнать от меня много хороших и хороших вещей, которые никто другой не может предложить вам так легко…. За последние несколько дней я закончил одну из лучших работ в своей жизни; когда ты станешь старше, я расскажу тебе об этом .

    Он закончил небольшим извинением за то, что выглядел таким отвлеченным. «Часто я настолько поглощен своей работой, что забываю пообедать», — писал он.

    Эйнштейн также вступил в неловкое общение с Гильбертом. Ему сообщили, что геттингенский математик заметил недостатки в уравнениях Entwurf . Обеспокоенный тем, что его обнаружат, он написал Гильберту письмо, в котором сообщил, что сам обнаружил недостатки, и прислал копию своей лекции от 4 ноября.

    В своей второй лекции, прочитанной 11 ноября, Эйнштейн ввел новые координатные условия, которые позволили его уравнениям быть в целом ковариантными. Как оказалось, это изменение не сильно улучшило ситуацию. Он был близок к окончательному ответу, но мало продвинулся вперед. Он снова отправил свою статью Гильберту и спросил, как продвигаются его собственные поиски. «Мое собственное любопытство мешает моей работе!» он написал.

    Гильберт прислал ему ответ, который, должно быть, обеспокоил Эйнштейна. Он сказал, что у него есть «решение вашей великой проблемы», и пригласил Эйнштейна приехать в Геттинген 16 ноября и получить сомнительное удовольствие услышать его. «Поскольку вы так заинтересованы, я хотел бы изложить свою теорию во всех подробностях в предстоящий вторник», — написал Гильберт. — Мы с женой были бы очень рады, если бы вы остались с нами. Затем, подписавшись своим именем, Гильберт почувствовал себя обязанным добавить дразнящий и обескураживающий постскриптум. «Насколько я понимаю вашу новую статью, решение, данное вами, полностью отличается от моего».

    В голове

    Эйнштейн написал четыре письма 15 ноября, в понедельник, которые дают представление о переплетении его личных и профессиональных драм. Гансу Альберту он предложил поехать в Швейцарию на Рождество, чтобы навестить его. «Может быть, было бы лучше, если бы мы были где-нибудь одни», — например, в уединенной гостинице, — сказал он сыну. «Что вы думаете?»

    Затем он написал своей бывшей жене примирительное письмо, в котором поблагодарил ее за готовность не «подрывать мои отношения с мальчиками». И он сообщил другу: «Я модифицировал теорию гравитации, поняв, что в моих более ранних доказательствах был пробел… Я буду рад приехать в Швейцарию в конце года, чтобы увидеть моего дорогого мальчика.

    Он также ответил Гильберту и отклонил его приглашение посетить Геттинген на следующий день. Его письмо не скрывало беспокойства: «Намеки, которые вы дали в своих сообщениях, пробуждают самые большие ожидания. Тем не менее я должен воздержаться от поездки в Геттинген… Я устал и мучаюсь от болей в желудке…. Если возможно, пришлите мне исправление вашего исследования, чтобы смягчить мое нетерпение».

    В то время как Эйнштейн торопливо придумывал точную формулировку своей теории, он совершил прорыв, превративший его тревогу в восторг. Он проверил набор пересмотренных уравнений, чтобы увидеть, дадут ли они правильные результаты для аномального смещения орбиты Меркурия. Ответ оказался правильным: его уравнения предсказывали, что перигелий должен смещаться примерно на 43 угловых секунды за столетие. Он был так взволнован, что у него забилось сердце. «Я был вне себя от радости и волнения в течение нескольких дней», — сказал он коллеге. Другому физику он ликовал: «Результаты движения Меркурия по перигелию наполняют меня большим удовлетворением. Как нам помогает педантичная точность астрономии, над которой я тайно высмеивал!»

    Утром своей третьей лекции, 18 ноября, Эйнштейн получил новую статью Гильберта и был встревожен тем, насколько она похожа на его собственную работу. Его ответ Гильберту был краток и явно имел целью утвердить приоритет. «Система, которую вы предоставили, согласуется — насколько я понимаю — в точности с тем, что я нашел за последние несколько недель и представил в Академию», — написал он. «Сегодня я представляю в Академию доклад, в котором я количественно вывожу из общей теории относительности без какой-либо направляющей гипотезы движение Меркурия по перигелию. Ни одна гравитационная теория не достигла этого до сих пор».

    На следующий день Гилберт ответил любезно и великодушно, не заявляя о своем приоритете. «Сердечно поздравляю с победой над движением перигелия», — написал он. «Если бы я мог считать так же быстро, как вы, в моих уравнениях электрон должен был бы капитулировать, а атом водорода должен был бы извиниться за то, почему он не излучает». Однако на следующий день Гильберт отправил в геттингенский научный журнал статью с описанием своей версии уравнений общей теории относительности. Название, которое он выбрал для своей работы, было не скромным: «Основы физики», как он ее назвал.

    Неясно, насколько внимательно Эйнштейн прочитал статью Гильберта и повлияла ли она на его мышление, когда он готовил свою решающую четвертую лекцию в Прусской академии. Тем не менее, к своей заключительной лекции 25 ноября, озаглавленной «Уравнения поля гравитации», он подготовил набор ковариантных уравнений, описывающих общую теорию относительности.

    Для неспециалиста это было далеко не так ясно, как, скажем, E = mc 2 . Тем не менее, используя сжатые обозначения тензоров, в которых расползающиеся математические сложности могут быть сжаты в маленькие нижние индексы, суть окончательного уравнения поля Эйнштейна достаточно компактна, чтобы быть украшенной на футболках, которые носят фанаты физики. В одном из своих многочисленных вариантов это можно записать как:

    R µν — (1/2) g µν R = (8 π G/c4) T µν

    Левая часть уравнения, которая теперь известна как тензор Эйнштейна и может можно записать просто как G μν — описывает, как геометрия пространства-времени искажается и искривляется массивными объектами. Правая часть описывает движение материи в гравитационном поле. Взаимодействие между двумя сторонами показывает, как объекты искривляют пространство-время и как, в свою очередь, это искривление влияет на движение объектов.

    И в то время, и по сей день существует спор о том, какие элементы математических уравнений общей теории относительности первыми были открыты Гильбертом, а не Эйнштейном. Как бы то ни было, именно теория Эйнштейна была формализована этими уравнениями, которые он объяснил Гильберту во время их совместного пребывания в Геттингене тем летом 1915 года. Гильберт любезно отметил это в окончательной версии своей статьи: «Дифференциальные уравнения гравитации эти результаты, как мне кажется, согласуются с великолепной общей теорией относительности, установленной Эйнштейном». Как он позже резюмировал: «Эйнштейн проделал всю работу, а не математики».

    В течение нескольких недель Эйнштейн и Гильберт восстанавливали свои отношения. Гильберт предложил Эйнштейну членство в Королевском научном обществе в Геттингене, и Эйнштейн ответил ему любезным письмом, в котором говорилось, что два человека, увидевших мельком трансцендентные теории, не должны умаляться земными эмоциями. «Между нами возникло некое неприязнь, причину которой я не хочу анализировать», — писал Эйнштейн. «Я боролся с чувством горечи, связанным с этим, и это с полным успехом. Я снова думаю о вас с нескрываемой гениальностью и прошу вас попытаться сделать то же самое со мной. Объективно обидно, когда два настоящих парня, вырвавшихся из этого убогого мира, не доставляют друг другу взаимного удовольствия».

    «Самые смелые мечты»

    Гордость Эйнштейна была понятна. В возрасте 36 лет он произвел драматический пересмотр нашего представления о Вселенной. Его общая теория относительности была не просто интерпретацией некоторых экспериментальных данных или открытием более точного набора законов. Это был совершенно новый взгляд на реальность.

    Своей специальной теорией относительности Эйнштейн показал, что пространство и время не существуют независимо друг от друга, а образуют ткань пространства-времени. Теперь, с его общей версией теории, эта ткань пространства-времени стала не просто вместилищем для объектов и событий. Вместо этого у него была собственная динамика, которая определялась и, в свою очередь, помогала определять движение объектов внутри него — подобно тому, как ткань батута изгибается, как шар для боулинга и некоторые бильярдные шары, катящиеся по нему и, в свою очередь, что динамическое изгибание ткани батута будет определять траекторию катящихся шаров и заставлять бильярдные шары двигаться к шару для боулинга.

    Изгибающаяся и колеблющаяся ткань пространства-времени объясняет гравитацию, ее эквивалентность ускорению и общую теорию относительности всех форм движения. По мнению Поля Дирака, пионера квантовой механики, лауреата Нобелевской премии, это было «вероятно, величайшее научное открытие из когда-либо сделанных». А Макс Борн, другой гигант физики 20-го века, назвал это «величайшим подвигом человеческого мышления о природе, самым удивительным сочетанием философской проницательности, физической интуиции и математических способностей».

    Весь процесс утомил Эйнштейна. Его брак распался, а Европу бушевала война. Но он был счастлив как никогда. «Теперь сбылись самые смелые мечты», — ликовал он своему лучшему другу, инженеру Микеле Бессо. “ Общая ковариация. Движение перигелия Меркурия удивительно точно». Он подписался «довольным, но довольно измученным».

    Много лет спустя, когда его младший сын Эдуард спросил, почему он так знаменит, Эйнштейн ответил, используя простое изображение, чтобы описать свое фундаментальное открытие, что гравитация представляет собой искривление ткани пространства-времени. «Когда слепой жук ползает по поверхности изогнутой ветки, он не замечает, что пройденный им след действительно искривлен», — сказал он. «Мне посчастливилось заметить то, чего не заметил жук».

    Нажмите, чтобы увеличить.

    Эта статья была первоначально опубликована под названием «Как Эйнштейн заново изобрел реальность» в журнале Scientific American 313, 3, 38-45 (сентябрь 2015 г.)

    Уравнения гравитационного поля. А. Эйнштейн в Preussische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte , страницы 844–847; 2 декабря 1915 г.

    Эйнштейн: его жизнь и вселенная. Уолтер Айзексон. Саймон и Шустер, 2007.

    ИЗ НАШИХ АРХИВОВ

    Обобщенная теория гравитации. Альберт Эйнштейн; Апрель 1950 г.

    Интервью с Эйнштейном. И. Бернард Коэн; Июль 1955 г.

    ОБ АВТОРАХ

      Уолтер Исааксон является генеральным директором Института Аспена.