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

«Пятый этаж»: теория относительности 100 лет спустя

27 ноября 2015

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Автор фото, Getty

Подпись к фото,

Существует немного теорий, которые могли бы сравниться по популярности и известности с теорией относительности Эйнштейна

25 ноября 1915 года Альберт Эйнштейн объявил полные математические подробности общей теории относительности. В общей теории относительности (ОТО) к трем пространственным измерениям добавляется время, и мир становится четырехмерным.

С тех пор теория многократно проверялась на практике и, в общем, доказала свою состоятельность, однако не во всем и не везде. А попытки объединить ее с другим детищем науки XX века — квантовой механикой, — и создать общую теорию «всего на свете» пока ни к чему не привели.

Да и сам Эйнштейн, как говорят, в конце жизни пытался изменить отдельные положения своей теории, но что-то у него не заладилось. Насколько современная наука продвинулась вперед за прошедшие сто лет?

В гостях у программы «Пятый этаж», которую ведут Михаил Смотряев и Александр Кан, — Андрей Старинец, научный сотрудник Центра теоретической физики имени Рудольфа Пайерлса Оксфордского университета.

Загрузить подкаст передачи «Пятый этаж» можно
здесь.

Андрей Старинец: Во-первых, давайте подведем черту под понятиями того, о чем мы будем говорить. Общая теория относительности, столетие которой мы отмечаем в этом году, — это теория гравитации. Это обобщение ньютоновской теории гравитации, которая была сформулирована в XVII веке, и замечательно нам служила и продолжает служить. Отклонение от ньютоновской теории гравитации в обычных ситуациях, например, на поверхности Земли, — это эффекты порядка десять в минус седьмой, десять минус в восьмой, то есть это не очень большие отклонения. Тем не менее, они заметны, они измеримы и они могут быть теоретически предсказаны, что было сделано Эйнштейном.

То есть общая теория относительности – это обобщение уже существовавшей к этому времени ньютоновской теории гравитации. Во-вторых, как и любая физическая теория, которая является обобщением теории №1, теория относительности Эйнштейна имеет свою область применения и свои пределы. Ничего страшного не произойдет, если через какое-то время выяснится, что нам нужно модифицировать эту теорию или заменить ее более общей. Речь не идет об опровержении теории относительности Эйнштейна, как специальной, так и общей теории относительности, потому что и та и другая теории подтверждены экспериментами. Тут говорить вообще не о чем.

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

Только люди, которые хотят чем-то прославиться, постоянно пишут какие-то трактаты об опровержении Эйнштейна. Это ерунда.

Речь идет об обобщении, то есть о том, чтобы найти теорию, которая обобщает теорию относительности Эйнштейна в тех пределах, в тех областях применимости, где теория относительности перестает работать по каким-то внутренним своим причинам, например, описание сингулярности черных дыр или описание Большого взрыва, самых первых мгновений Большого взрыва, когда классические уравнения общей теории относительности перестают работать, и сама теория нам об этом говорит. Вопрос заключается в том — и физики работают над этим очень напряженно, — чтобы обобщить то, что сделал Эйнштейн сто лет назад.

М.С.: С одной стороны, действительно здесь работы непочатый край, с другой стороны — время от времени раздаются из стана теоретических физиков заявления о том, что «мы уже близко». Началось все это с объединения слабых взаимодействий с электромагнитными. Очень популярны были грандмодели. Сейчас об этом говорят все меньше.

У человека, далекого от теоретической физики в ее текущем, нынешнем варианте, может сложиться такое представление исключительно на бытовом уровне, что ученые занимаются соединением каких-то одним им понятных концепций, для того чтобы это красиво выглядело, грубо говоря, не только изобретают велосипед, но и существенно его усложняют, потому что разобраться в теории струн с их многочисленными измерениями – у нас четыре измерения в голове укладываются очень сложно, простые, эйнштейновские, а добавить туда еще семь, а если вдруг не хватит, еще двадцать два, — это уже выходит за рамки.

Скажите, физики вообще понимают на пальцах, что именно они делают, или это уже давно вышло за рамки человеческого восприятия на том уровне, на уровне рецепторов мозга, которые нам даны природой?

А.С.: Я думаю, что физики достаточно хорошо понимают, что они делают. То, о чем вы говорили, — нужно иметь в виду, что обязательно необходимо отделить чисто научные проблемы, эволюцию чисто научных вещей от каких-то социологических эффектов, которые неизбежно им сопутствуют.

Вы говорили о некоем взрыве энтузиазма, связанном с успешным объединением электромагнетизма и слабых взаимодействий в 70-е годы с формулировкой теории струн в ее первоначальном виде. Это случилось в такой, в хорошей, форме в 1984 году. Этому сопутствовал определенный взрыв энтузиазма, во-первых, у самих физиков и потом в обществе, потому что это, как волны на воде, зачастую в искаженном виде, передавалось и в более широкие слои населения.

Люди считали, что сейчас мы сформулируем теорию всех взаимодействий, что мы объясним не только стандартную модель взаимодействия между частицами, квантовую гравитацию, объединим все это вместе, и у нас будет некий прорыв грандиозного масштаба – объяснимая космология и все остальное. Этого не случилось в последние десятилетия, и определенное разочарование в связи с этим есть. Это не значит, что люди не понимают, над чем они работают, что они заблуждались все эти 20-30 лет, все делали не так.

Есть какие-то определенные научные процессы, которые идут своим чередом, а есть социология, какие-то журналистские вещи и другие социологические эффекты, которые нужно очень четко отделять от научных. Проблемы по-прежнему открыты.

Проблемы какие? Эйнштейн в 1915 году фактически решил проблему объединения специальной теории относительности, у которой есть конечная скорость распространения взаимодействий, то есть скорость света, с теорией гравитации. Это и есть общая теория относительности, в которой гравитация распространяется со скоростью света, а не с бесконечной скоростью, как это было в ньютоновской теории. Эта проблема была решена.

Проблема, которая не решена до сих пор, — это объединение общей теории относительности, то есть релятивистской теории гравитации, с квантовой механикой или с квантовой теорией поля. Теория струн – это попытка решить эту проблему и попутно объединить четыре существующие взаимодействия. Эта попытка продолжается. Приведет ли она к успеху, сказать я не могу, потому что много усилий, как вы правильно заметили, потрачено на это, перспективы достаточно туманные в связи именно с колоссальной технической сложностью теории, с которой сталкиваются физики. Люди работают над этим.

Это не значит, что нет других попыток как-то объяснить или связать гравитацию с квантовой механикой, квантовой теорией поля. Нет связанной теории струн. Такие попытки тоже существуют. Это вариант свободного поиска очень многих – десятков, может быть, даже сотен – людей, которые безусловно понимают, что они делают. Другое дело, что эта работа очень и очень трудная.

Александр Кан: Я как раз отношусь к тем людям, которые вообще во всем этом практически ничего не понимают. Я даже пытался какое-то время разобраться, но давно эту затею бросил, и не буду сейчас пытаться просить вас, что-то еще объяснить. Меня интересует другое, как человека глубоко гуманитарного. Почему именно теория относительности, этот один из важнейших аспектов мировой физики, в котором, вы сами говорите, несколько сот человек занимаются, почему эта теория стала одной из самых поистине популярных научных теорий XX века?

По сути дела она относится не по степени своего постижения, а по популярности, к поп-науке. О ней все говорят, все знают, мультфильмы снимают, она фигурирует чуть ли не в анекдотах. Откуда именно эта теория получила столь широкое распространение во всем мире?

А.С.: Я думаю, что здесь есть несколько аспектов, один из которых связан действительно с определенной особенностью самой теории относительности. Дело в том, что в отличие от очень многих физических теорий, которые создавались как непосредственное обобщение экспериментальных данных, собранных на протяжении десятилетий, с огромным количеством ошибок, предварительных теорий, в общей теории относительности все произошло не так.

Общая теория относительности – это пример того, как фактически силой чистого разума или, если угодно, чистого гения можно было радикально изменить представление о структуре пространства, времени и о структуре Вселенной чисто теоретически. Конечно, были определенные предпосылки, были определенные противоречия, которые натолкнули Эйнштейна на мысль обо всем этом. Но все-таки это было очень не похоже на то, что происходило с другими физическими теориями.

В каком-то смысле этот триумф. Дело в том, что математика в общей теории относительности – это математика, которая в те годы, 100 лет назад, не изучалась на физических факультетах. Это были какие-то достаточно экзотические математические структуры, которых Эйнштейн сам не знал. У него были друзья математики, которые ему объясняли, как работать с этими техническими выражениями, и он научился у них фактически этому.

То есть некоей силой чистого разума, чистого гения можно было, тем не менее, предложить достаточно сложную нелинейную систему уравнений, которая оказалась правильной. Потом с помощью экспериментальных проверок, наблюдений и так далее эти представления оказались совершенно верными. Это сыграло значительную роль в популярности общей теории относительности.

Более того, я думаю, что это наложило отпечаток на то, как теоретическая физика вообще развивалась в XX веке, включая теорию струн, потому что это пример, что можно просто из определенной системы логики, математики, интуиции и так далее сформулировать правильную теорию очень общего характера. Это доминирует.

Второй аспект, который я обязан упомянуть, потому что он, наверняка, играл существенную роль, — это личность самого Эйнштейна, и исторический фон, и все перипетии того времени – 20-е годы, потом приход к власти нацизма, тот факт, что Эйнштейн был в тяжелейших отношениях с рейхом по понятным причинам, — такая социологическая компонента, которая, в популяризации, в привлечении внимания к этой теме со стороны журналистов, тоже сыграла свою роль.

М. С.: Андрей Олегович, вам не кажется в таком случае, что в определенной степени общая теория относительности и ее дальнейшее развитие стала заложницей своей собственной популярности, времени и автора? Эта идея объединения общей теории относительности, теории гравитации, которая является, по сути, классической теорией, с квантовой механикой, квантовой теорией поля, происходит, во многом, из-за того, что обе теории в своих пределах, в пределах применимости, хорошо себя зарекомендовали и прекрасно сочетаются с экспериментами.

Нет ли здесь определенной инерции? В конце концов, уже сто лет у нас есть общая теория относительности, она прекрасно работает. Зачем выдумывать что-то новое абсолютно с нуля? Давайте продолжать пытаться строить стандартные модели на ее основе.

А.С.: Во-первых, за сто лет теория относительности была очень сильно развита. Уравнения самой теории не изменились, за исключением небольших вещей, которых я касаться не буду, но самые главные уравнения, написанные Эйнштейном, такие же, какие были в 1915 году.

Но это не значит, что теория не развивалась. Были найдены решения, была найдена интерпретация этих решений и так далее, то есть произошел очень большой прогресс в развитии самой теории. Что касается вашего главного вопроса, то, я думаю, что ответ на него отрицательный, то есть я не думаю, что речь идет о некоем заложничестве, некоем социологическом влиянии.

Это можно пояснить достаточно простым образом. Фактически уравнения Эйнштейна представляют собой одну строчку в компактном виде, где слева стоят определенные математические чисто геометрические выражения, которые имеют отношение к искривлению пространства-времени. В правой части стоит тензор энергии-импульса материи и энергии, то есть это наша стандартная модель, то есть те частицы, поля, которые у нас во Вселенной живут.

Эти поля и частицы описываются квантовой теорией поля, — мы прекрасно это знаем, — и они описываются ею прекрасно. То есть квантовая теория стоит справа, а слева стоят классические уравнения.

Это означает, что только в определенном пределе, когда мы можем говорить о квазиклассическом переходе квантовых полей к классическим, мы можем доверять этому уравнению. На классическом уровне оно работает прекрасно. Но поскольку правая часть квантуется, значит, и левая часть должна каким-то образом учитывать эти квантовые эффекты. Поэтому в каком-то смысле мне кажется, что квантование гравитации и создание квантовой теории гравитации — это просто необходимость, а не следствие социологической инерции.

М.С.: Раз уж мы к этому подошли, прогнозы дело не благодарное, конечно, но если это так необходимо, когда, по-вашему, в той или иной форме следует ждать появления общей теории всего? Мы помним, как в конце XIX – начале XX века физики провозгласили конец теоретической науки в течение 10-15 лет, а потом появился Эйнштейн, потом у него случился диалог с Бором, в это во все вмешался Планк, а последствия мы расхлебываем до сих пор?

А. С.: Да, последствия мы расхлебываем, в том числе и имея в виду колоссальное количество технологий, которые были созданы на базе квантовой механики и всего остального, что произошло в XX веке. Вопрос, конечно, чрезвычайно сложный.

Действительно невероятно сложно оценить перспективы создания квантовой гравитации, я уже даже не говорю о теории струн. Теория струн является главным кандидатом на создание теории квантовой гравитации, потому что там гравитация достаточно естественным образом вписывается вместе с остальными взаимодействиями. Не нужно предпринимать никаких неуклюжих теоретических попыток, все происходит достаточно естественно. Но, как я уже говорил, теория струн, возможно, переживает не самые лучшие годы в том смысле, потому что стало понятно, что эта теория невероятно сложная.

Обычно происходит как? Есть формулировка теории, есть какие-то уравнения, например, уравнение Эйнштейна. Их можно решить, из них что-то следует, какие-то физические эффекты, а потом кто-то идет, и эти физические эффекты проверяет, меряет. Получилось – хорошо, значит, теория правильная, не получилось – надо думать дальше.

С теорией струн ситуация очень тяжелая. Частично уравнения теории струн сформулированы и частично даже эффекты, можно сказать, предсказаны. Например, мы знаем, что к той же самой общей теории относительности теория струн предсказывает поправки. Но эти поправки чрезвычайно малы. Они настолько малы, что при нынешнем уровне экспериментальной техники, даже при каком-то гипотетическом прогрессе в уровне экспериментальной техники померить их будет практически невозможно. Во всяком случае, никто не догадался пока, в каких ситуациях их можно померить.

Сама теория струн не завершена, уравнения теории полностью не выписаны. В этой ситуации ответить на вопрос, когда же мы получим квантовую теорию гравитации, я боюсь, просто невозможно. Самый пессимистический прогноз – физик, как обычно, рассматривает предельные переходы – ноль, бесконечность и так далее, — это никогда. Можно рассуждать так, что есть какие-то вещи, которые при всем блеске человеческой мысли, возможно, так и останутся непознанными на том уровне, на котором существует человеческое сознание. Но это очень пессимистический прогноз.

Что касается оптимистического прогноза, я думаю, что теория струн, безусловно, будет развиваться и дальше, и в течение ближайших двадцати, может быть, тридцати лет станет ясно, можно ли дать ответ в рамках тех представлений теории струн, с которыми она была изначально сформулирована. Если, нет – это значит, что нужно будет вводить в игру какие-то дополнительные представления. Об этом, конечно, невозможно спекулировать ни в какой форме.

М.С.:Разве что, в очень квантовой форме, исходя из того, что это все процессы вероятностные – или будет, или нет.

Кто придумал теорию относительности

Главная » Raznoe » Кто придумал теорию относительности

Создание Эйнштейном теории относительности

Долгое время ни один ученый в мире не мог сравниться с Исааком Ньютоном по тому влиянию, которое тот оказал на представления человечества о природе. Такой человек появился на свет в 1879 г. в немецком городе Ульм, и звали его Альберт Эйнштейн.

Эйнштейн родился в семье торговца электротехническими товарами, учился в обычной гимназии в Мюнхене, не отличался особым прилежанием, затем не смог сдать вступительные экзамены в цюрихский Политехникум и заканчивал кантональную школу в городе Аарау. Только со второй попытки он поступил в Политехникум. Молодому человеку с трудом давались языки и история, зато он рано проявил большие способности к математике, физике и музыке, став неплохим скрипачом.

Летом 1900 г. Эйнштейн получил диплом преподавателя физики. Только через два года по рекомендации друзей он устроился на постоянную работу экспертом федерального патентного бюро в Берне. Эйнштейн проработал там с 1902 по 1909 г. Служебные обязанности оставляли ему достаточно времени для размышлений над научными проблемами. Наиболее удачным оказался для Эйнштейна 1905 г. – 26‑летний физик опубликовал пять статей, которые впоследствии были признаны шедеврами научной мысли. Работа «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света» содержала гипотезу о световых квантах – элементарных частицах электромагнитного излучения. Гипотеза Эйнштейна позволила объяснить фотоэлектрический эффект: появление тока при освещении вещества коротковолновым излучением. Эффект был открыт в 1886 г. Герцем и не укладывался в рамки волновой теории света. За эту работу позднее Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Открытие Эйнштейна создало идейную основу для модели атома Резерфорда – Бора, согласно которой свет излучается и поглощается порциями (квантами), и концепции «волн материи» Луи де Бройля. Незадолго до того Макс Планк установил, что тепло также излучается квантами. Был осуществлен синтез двух, казалось, несовместимых точек зрения на природу света, высказанных в свое время Гюйгенсом и Ньютоном.

Опубликованную в том же 1905 г. статью Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» можно рассматривать как введение в специальную теорию относительности, которая произвела переворот в представлениях о пространстве и времени.

Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь развития. Долгое время основными были обыденные представления о пространстве и времени, как о каких‑то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе Ньютона «Математические начала натуральной философии».

Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая оказывается ее частным случаем. Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности, из которого следует, что между покоем и движением – если оно равномерно и прямолинейно – нет никакой принципиальной разницы. Понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно‑временной континуум, пространственно‑временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 тысяч км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

Находясь в сопутствующей системе отсчета, т. е. двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский корабль отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Теория Эйнштейна использовала в качестве базового положение, что во Вселенной ничто не может двигаться быстрее света в вакууме и скорость света остается постоянной для всех наблюдателей, независимо от скорости их собственного перемещения в пространстве.

Статья «Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» завершала создание релятивистской (от лат. relativus – «относительный») теории. Здесь впервые была доказана связь между массой и энергией, в современных обозначениях – E = mc2. Эйнштейн писал: «…если тело отдает энергию E в виде излучения, то его масса уменьшается на E/c2… Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии». Это открытие вышло за пределы физики, техники и философии и до сегодняшнего дня косвенно определяет судьбу человечества. Так, атомная энергия – это, собственно говоря, превратившаяся в энергию масса.

Появление столь эпохальных работ не принесло Эйнштейну немедленного признания, он все еще вынужден был продолжать работать в патентном бюро. Только весной 1909 г. Эйнштейна избрали профессором теоретической физики в цюрихском Политехникуме и он смог уйти из бюро. В 1913 г. ученый был избран членом Прусской академии наук. В Берлине Эйнштейн получил благоприятные условия для продолжения своей научной работы. В 1916 г. он опубликовал «Основы общей теории относительности». Идеи Эйнштейна имели в глазах ученых‑теоретиков, а еще больше в его собственных глазах, не столько узкопрактический, сколько философский смысл. Он создал гармоничную картину Вселенной.

В 1921 г. Эйнштейн получил Нобелевскую премию за «заслуги в области теоретической физики и в особенности за открытие закона фотоэлектрического эффекта». Присуждение этой премии еврею привело к резкому росту антисемитских настроений в Германии. Нападки на Эйнштейна усилились, однако он продолжал активную научную работу, читал много публичных лекций.

В 1932 г. физик отправился в очередную поездку в США и домой уже не вернулся – там к власти пришел Гитлер, и ничего хорошего всемирно признанный гений от него не ожидал. С этих пор Эйнштейн работал в Америке. В 1939 г. он направил письмо президенту Рузвельту с призывом как можно быстрее создать атомную бомбу, чтобы исключить монополию со стороны Германии. Последняя так и не получила это страшное оружие, зато проект, поддержанный правительством США, как известно, завершился «успешно», и в этом есть немалая заслуга и Эйнштейна. Впрочем, он решительно осудил бомбардировку Хиросимы и Нагасаки. Скончался ученый в Принстоне в 1955 г. Он запомнился современникам не только теорией относительности, которую, по правде говоря, хотя бы приблизительно понимает ничтожный процент населения Земли, но и чудаковатостью и неподражаемым юмором.

agesmystery.ru

Теория относительности или закон всемирного тяготения?

Теория относительности или закон всемирного тяготения?

Надо сказать, что Эйнштейн безо всякого восторга встретил геометрическую идею Минковского: мало ли какие фокусы делают математики с законами физики… Он изменил свое отношение, когда взялся за новую проблему, порожденную его же успехом. Теория относительности, преодолев «асимметрию» электродинамики Максвелла, вошла в конфликт с законом гравитации Ньютона.

Прежде чем перейти к этому конфликту, посмотрим на создание теории относительности с такой высоты, с какой видна вся история фундаментальной физики. При этом воспользуемся уже знакомой эйнштейновской схемой:

В данном случае эмпирически наблюдаемая реальность Э — «неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно „светоносной среды“». Крутым взлетом свободной интуиции Эйнштейн поднял странные результаты единичных искусных опытов до общего аксиоматического принципа А — о неизменности скорости света. До того же уровня он поднял Галилеев принцип относительности, убрав неработающую аксиому о существовании эфира. Из двух его аксиом последовало новое понимание одновременности, «странный» закон сложения скоростей и другие утверждения У, доступные опытной проверке.

Все просто и логично, если не считать интуиции, о которой Эйнштейн сказал: «Понятия никогда нельзя вывести из опыта логически безупречным образом… Не согрешив против логики, никуда не придешь». Нарушать приходится логику старой теории, и требуется огромная сила духа, чтобы из «нелогично» изобретенных аксиом настойчиво извлекать логические следствия, сверяя их с эмпирической реальностью, и выяснять логику новой теории.

Драматизм такого соединения логики и интуиции проявился в авторстве теории относительности. 26-летний патентный эксперт третьего класса был не единственным, кто в 1905 году размышлял об электродинамике движущихся тел, о пространстве и времени. Больше других в этой области сделали тогда уже знаменитые Х.?Лоренц (голландский физик и нобелевский лауреат 1902 года) и А.?Пуанкаре (французский математик с глубоким интересом к физике). Их имена не зря вошли в нынешние термины теории относительности — «преобразования Лоренца» и «группа Пуанкаре». Эйнштейн изучал их труды, идеи которых вошли в теорию относительности. Лоренца и Пуанкаре можно назвать соавторами Эйнштейна, однако целостную и ясную физическую теорию относительности создал именно он.

Какую-то роль сыграл, вероятно, грустный закон Планка о смене поколений в науке. Лоренцу и Пуанкаре было уже за 50, и оба они — даже после эйнштейновской статьи 1905 года — держались за понятие эфира и придумывали сложные механизмы взаимодействия эфира и вещества, чтобы обеспечить правильные соотношения пространственных и временных величин. А Эйнштейн, опираясь на результаты опытов — те самые «неудавшиеся попытки», изобрел странный, но простой принцип постоянства скорости света — аксиому, которая вместе с принципом относительности безо всяких эфирных механизмов логически вела к новым важным результатам. Он стремился не к «понятности» объяснения, а к раскрытию устройства природы. «Понять» обычно означает «свести к знакомому, привычному», и эфир был привычным. Держась за привычное, легче идти в неведомое. Но невозможно взлететь.

Об этом писал Галилей: «Природа не заботится о том, доступны ли человеческому восприятию ее скрытые причины и способы действия». И Максвелл видел опасность предвзятой физической гипотезы, когда через ее узкий окуляр рассматриваются экспериментальные факты. Стремление к предвзятой «понятности» скрытых причин ограничивает свободу взлета изобретательной интуиции. Эйнштейн показал это не хуже великих предшественников. Можно сказать, что великое физическое открытие — подлинно новое слово в науке — требует великого физика, каким и оказался 26-летний патентный эксперт.

На лаврах молодой великий физик не почил, у него было дело поинтереснее и, как оказалось, потруднее. Новорожденная теория относительности поставила суровую проблему — она была несовместима с великим законом всемирного тяготения. Созданная Ньютоном теория гравитации уже более двух веков служила образцом в физике, а образцом научного триумфа стало открытие планеты Нептун «на кончике пера», которым водил, можно сказать, закон Ньютона.

Однако, согласно этому закону, сила притяжения между массами зависит от расстояния между ними — расстояния между точками ПРОСТРАНСТВА, в которых находятся эти массы в ДАННЫЙ — ОДИН И ТОТ ЖЕ — МОМЕНТ ВРЕМЕНИ. Фраза, еще недавно вполне научная, перестала быть таковой в свете теории относительности. Ведь для разных наблюдателей, движущихся по-разному, величина силы была бы разной. Значит, великий закон всемирного тяготения неверен?!

Эту проблему Пуанкаре осознал раньше Эйнштейна и предложил решение, точнее, даже два — два варианта обновить закон тяготения Ньютона: гравитация должна была распространяться со скоростью света, а при малых скоростях тел совпадать с Ньютоновой. В физике, однако, два варианта хуже, чем один, поскольку устройство природы лишь одно. Великий математик предложил новые формулы, выбрав физически хлипкую точку опоры. Он опирался на понятие эфира:

То, что гравитация распространяется со скоростью света, не может быть результатом каких-либо случайных обстоятельств, а должно быть обусловлено одним из свойств эфира; тогда возникает задача проникнуть в природу этого свойства и связать ее с другими свойствами эфира.

Искомый закон гравитации великий математик ограничил скучным условием:

Так как астрономические наблюдения, по-видимому, не обнаруживают заметных уклонений от закона Ньютона, выберем решение, наименее расходящееся с этим законом для малых скоростей тел.

Работа Пуанкаре в гравитации напоминает то, что делали теоретики в электромагнетизме до Максвелла. Тогда, в первой половине девятнадцатого века, старались обобщить закон взаимодействия электрических зарядов на случай их движения, хотя Фарадей уже открыл совершенно новое явление. Пуанкаре же исходил из того, что никаких новых явлений в гравитации, «по-видимому, не обнаружено». К размышлениям его побудила логическая неувязка, но физика все же основана на реально наблюдаемых явлениях.

Физик Эйнштейн молчал по поводу гравитации два года, пока не «придумал» новые явления. Придумал, еще не имея новой теории, но опираясь на новейшие достижения современной физики и… на ее самый первый результат — закон свободного падения, то есть опираясь на себя самого и на Галилея.

Неувязка теории относительности с законом Ньютона, похоже, побудила Эйнштейна спросить себя: а что, собственно, физика знает о гравитации, кроме этого закона? Ответ известен каждому школьнику, кто решал задачи о камне, брошенном под углом к горизонту: движение камня зависит только от его начальной скорости, но не зависит от массы. Движение тела под действием электричества очень даже зависит от его электрического заряда, а движение под действием гравитации совсем не зависит от массы тела, то есть гравитационного заряда.

Образованный школьник знает, что если в закон движения

ma = F

подставить силу

F?= GmM/r2,

то масса камня m сократится. Но не странно ли это? От массы зависит гравитационная сила, которая определяет движение, а само движение от массы не зависит?! Движется по одной и той же параболе и малая песчинка, и огромная глыба. Прямо не физика, а какая-то геометрия. Там тоже, какие бы линейку и циркуль ни взять — обычные или на основе натянутой нити, — свойства прямой и окружности от инструментов не зависят.

В 1907 году Эйнштейну физика была еще гораздо интереснее геометрии, и он в Галилеевом законе падения увидел путеводный принцип для поиска новой теории гравитации и назвал его принципом эквивалентности. Фактически Эйнштейн использовал еще одну придумку Галилея — опыты в каюте без окон, но каюту эту поместил в лифт.

Хотя первый лифт изобрел еще Архимед, обычным этот вид транспорта стал лишь к концу девятнадцатого века, когда решили наконец проблему безопасности — чтобы лифт не сорвался в свободное падение. Однако Эйнштейна интересовало как раз свободное падение лифта. Пока тот падает, физик-теоретик успеет мысленно проделать в нем любые опыты и убедится, что тяжесть вовсе не заметна. В наше время каждый может увидеть это на телеэкране — невесомость в свободно летящем лифте, названном Международной космической станцией. А Эйнштейн еще сто лет назад мысленно приделал к лифту реактивный двигатель, обеспечил — в полной пустоте — ускорение 9,8 м/сек2 и понял, что мысленный пассажир-экспериментатор обнаружит в лифте настоящую земную тяжесть. Таким образом, свободно падая вместе со своей лабораторией в каюте без окон, экспериментатор устраняет влияние гравитации, а, ускоренно двигаясь в полной пустоте, гравитацию обнаруживает. Эти соображения, доступные старшекласснику, стали важнейшим исследовательским инструментом Эйнштейна.

В предыдущих двух школьных формулах участвует одна и та же буква m, которая поэтому легко сокращается. Формулы более глубоко теоретические включали бы разные буквы — mи и mг, обозначающие массу инертную и массу гравитационную. Тогда закон свободного падения выразился бы равенством:

mи = mг,

отражающим экспериментальный факт, обнаруженный Галилеем: движение маятника (в пустоте) не зависит от того, какой груз висит на нити. Ньютон подтвердил этот факт с точностью до одной тысячной, а ко времени Эйнштейна точность повысилась до стомиллионной. Так же, как и с неудачными попытками обнаружить изменение скорости света, теоретик Эйнштейн доверился этой точности (и своей интуиции) и получил в руки принцип эквивалентности.

Принцип этот позволил Эйнштейну исследовать действие гравитации, не обращаясь к закону всемирного тяготения. Особенно интересно действие гравитации на движение при скорости, близкой к скорости света, когда без теории относительности не обойтись. Эйнштейн взялся за сам свет, к чему был подготовлен лучше других. Ведь в 1905 году свет был его главным инструментом в создании теории относительности, а идея квантов света объяснила явление фотоэффекта.

Воздействие гравитации на свет можно оценить двумя способами. Во-первых, свет, летящий в пустоте прямолинейно, попадая в ускоренно падающий лифт поперек его движению, очевидным образом движется относительно лифта по параболе, то есть искривляется. Во-вторых, энергия кванта света E = h?, согласно релятивистскому закону E = mc2, дает вполне определенную массу m, подвластную гравитации. Так, с помощью принципа эквивалентности Эйнштейн обнаружил два новых эффекта гравитации — искривление луча света и изменение его частоты. Однако, подсчитав эффект, понял, что «влияние гравитации Земли слишком мало, чтобы сравнить теорию с опытом». Четыре года спустя он придумает, как можно увеличить эффект, чтобы его наблюдать. Но уже в 1907 году он убедился в работоспособности принципа эквивалентности.

Инструмент этот не был всемогущим. Помимо предсказания новых эффектов гравитации, Эйнштейн пытался объяснить эффект, уже известный астрономам, но непонятый: орбита Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, отклонялась от законов небесной механики Ньютона. Отклонялась очень мало, всего на одну десятимиллионную, но в пределах досягаемости для астрономической точности. Отклонение это выявил за полвека до того У.?Леверье, прославленный открытием Нептуна. Поведение Меркурия пытались объяснить влиянием еще одной незамеченной планеты или космической пыли, но безуспешно. В 1907 году не удалось это объяснить и Эйнштейну, одного его инструмента — принципа эквивалентности — оказалось мало.

Второй важный инструмент Эйнштейн нашел два года спустя в короткой заметке неизвестного ему П.?Эренфеста. Тот обнаружил парадокс в простом вращении диска вокруг своей оси. Согласно теории относительности размеры тела сокращаются вдоль движения, а поперечные остаются неизменными. Значит, длина окружности вращающегося диска уменьшится, а радиус остается, каким был в покое. Но тогда отношение длины окружности к радиусу станет меньше 2, вопреки Евклидовой геометрии?! Обсуждался и более общий вопрос: как понимать релятивистское сокращение, оно реально или субъективно? Эйнштейн изложил свое понимание в заметке 1911 года «К парадоксу Эренфеста»: сокращение нереально, поскольку его нет для наблюдателя, движущегося вместе с диском; однако оно вполне измеримо внешним наблюдателем.

С этого началась переписка и дружба двух физиков. Год спустя они встретились, и вот впечатление Эренфеста: «Неисчерпаемость идей, с одной стороны, абсолютная точность и аскетизм мышления — с другой… К тому же чрезвычайно простая, жизнерадостная, здоровая естественность, полная остроумия, — он необычайно душевен и одарен музыкально». Так выглядел Эйнштейн в 1912 году, когда к нему, после четырех лет размышлений, пришла величайшая его идея: гравитация — это переменная геометрия пространства-времени.

Следующая глава

fis.wikireading.ru

Теория относительности для чайников

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), которая объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.

Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.

Так что, если два космонавта, вы и, допустим, Герман, летите на двух космических кораблях и хотите сравнить ваши наблюдения, единственное, что вам нужно знать – это ваша скорость относительно друг друга.

Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно. Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движения материальных тел в общем случае.

Теория Эйнштейна базируется на двух основных принципах:

1. Принцип относительности: физические законы сохраняются даже для тел, являющихся инерциальными системами отсчета, т. е. двигающимися на постоянной скорости относительно друг друга.  

2. Принцип скорости света: скорость света остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. (Физики обозначают скорость света буквой с).

Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.

Альберт Эйнштейн был одним из первых, кто решил построить новую теорию на базе новых экспериментальных данных .

В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная. Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру.

Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты. 

В СТО Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.

Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.

На картинке ниже представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею. Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует. 

Сверху – вы послали луч света в потолок, он отразился и вертикально упал на детектор. Снизу – для Германа ваш луч света двигается по диагонали к потолку, а затем – по диагонали к детектору

Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.

Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.

Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. 2.

©deviantART/ RowanPhoenix

Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными. Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.

До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.

Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.

naked-science.ru

История создания общей теории относительности

О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей.

До теории относительности в физике было две прекрасно работающих по отдельности области: механика Ньютона, миллионы раз проверенная экспериментом, и электродинамика, сравнительно молодая, но уже крепко стоящая на ногах наука, описывающая в том числе распространение электромагнитных волн. Распространение волн описывалось уравнениями Максвелла, которые тоже были многократно проверены экспериментом и сомнений не вызывали. Тогда уже было известно, что свет — это тоже электромагнитная волна, и, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света. Но каждый раз, попытки измерить скорость в динамичной системе заканчивались провалом. Исходя из постулатов теории Ньютона — скорость света и скорость источника света необходимо было суммировать, но уравнения Максвелла не позволяли создать такую математическую модель, а попытки их доработать, чтобы подстроить под такую ситуацию, заканчивались крахом. Например: если лететь за светом со скоростью равной скорости света — то этот свет по уравнениям Максвелла исчезал.

XIX век был веком механики, вследствие чего все явления стремились описать при помощи механических моделей. Эфир является одной из таких моделей, предназначенной сперва для описания электродинамики, а позднее — и гравитации, а также строения элементарных частиц.

По сути, эфиродинамика была первой попыткой создать полевую теорию всего, и не самой плохой: и уравнения Максвелла, и даже преобразования Лоренца успешно выводились и обосновались исходя из положений эфиродинамики. Даже многие сугубо квантовые эффекты, например, планковский спектр излучения, в этой модели вполне объяснимы силами классической физики.

В наиболее простых моделях считалось, что эфир и материя — различные вещи, и первый не оказывает материи никакого сопротивления, поэтому законы Ньютона для движущихся тел какими были, такими и остаются, а уравнения Максвелла справедливы только в системе отсчета, которая статична относительно эфира. Такое решение всех устроило бы, но из него следовал один важный вывод: солнечная система, двигаясь с гигантскими скоростями в космосе, несётся сквозь эфир, поэтому можно поставить эксперимент по обнаружению этого «эфирного ветра». Майкельсон и Морли ставят такой опыт, и результат этого опыта породил сомнения физиков в существовании эфира. После физического конгресса 1900 г. в Париже, где лорд Кельвин заявил о «нулевом» результате эфирного опыта.

Классическая теория тяготения Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с понятием поля в современной физике. В теории Эйнштейна никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в вакууме.

Математически сила гравитации Ньютона выводится из потенциальной энергии тела в гравитационном поле. Потенциал гравитации, соответствующий этой потенциальной энергии, подчиняется уравнению Пуассона, которое не инвариантно при преобразованиях Лоренца. Причина неинвариантности заключается в том, что энергия в специальной теории относительности не является скалярной величиной, а переходит во временную компоненту 4-вектора. Векторная же теория гравитации оказывается аналогичной теории электромагнитного поля Максвелла и приводит к отрицательной энергии гравитационных волн, что связано с характером взаимодействия: одноимённые заряды (массы) в гравитации притягиваются, а не отталкиваются, как в электромагнетизме. Таким образом, теория гравитации Ньютона несовместима с фундаментальным принципом специальной теории относительности — инвариантностью законов природы в любой инерциальной системе отсчёта, а прямое векторное обобщение теории Ньютона, впервые предложенное Пуанкаре в 1905 году в его работе «О динамике электрона», приводит к физически неудовлетворительным результатам.

Инерциальные системы отсчёта (ИСО) — это системы отсчёта, в которых точечное тело, на которое не действуют никакие силы, сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Постулаты СТО формулируются именно для таких систем отсчёта, как, впрочем, и три закона Ньютона в ньютоновой механике.

Эйнштейн начал поиск теории гравитации, которая была бы совместима с принципом инвариантности законов природы относительно любой системы отсчёта. Результатом этого поиска явилась общая теория относительности, основанная на принципе тождественности гравитационной и инертной массы.

Принцип равенства гравитационной и инертной масс

В нерелятивистской механике существует два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе — к закону всемирного тяготения. Первая масса — инертная (или инерционная) — есть отношение негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса — гравитационная — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Вообще говоря, эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть пропорциональными друг другу. Их строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными друг другу.

Сам принцип был выдвинут ещё Исааком Ньютоном, а равенство масс было проверено им экспериментально с относительной точностью 10−3. В конце XIX века более тонкие эксперименты провёл Этвёш, доведя точность проверки принципа до 10−9. В течение XX века экспериментальная техника позволила подтвердить равенство масс с относительной точностью 10−12—10−13 (Брагинский, Дикке и т. д.).

Иногда принцип равенства гравитационной и инертной масс называют слабым принципом эквивалентности.

Принцип движения по геодезическим линиям

Если гравитационная масса точно равна инерционной, то в выражении для ускорения тела, на которое действуют лишь гравитационные силы, обе массы сокращаются. Поэтому ускорение тела, а следовательно, и его траектория не зависит от массы и внутреннего строения тела. Если же все тела в одной и той же точке пространства получают одинаковое ускорение, то это ускорение можно связать не со свойствами тел, а со свойствами самого пространства в этой точке.

Таким образом, описание гравитационного взаимодействия между телами можно свести к описанию пространства-времени, в котором двигаются тела. Естественно предположить, как это и сделал Эйнштейн, что тела движутся по инерции, то есть так, что их ускорение в собственной системе отсчёта равно нулю. Траектории тел тогда будут геодезическими линиями, теория которых была разработана математиками ещё в XIX веке.

Сами геодезические линии можно найти, если задать в пространстве-времени аналог расстояния между двумя событиями, называемый по традиции интервалом или мировой функцией. Интервал в трёхмерном пространстве и одномерном времени (иными словами, в четырёхмерном пространстве-времени) задаётся 10 независимыми компонентами метрического тензора. Эти 10 чисел образуют метрику пространства. Она определяет «расстояние» между двумя бесконечно близкими точками пространства-времени в различных направлениях. Геодезические линии, соответствующие мировым линиям физических тел, скорость которых меньше скорости света, оказываются линиями наибольшего собственного времени, то есть времени, измеряемого часами, жёстко скреплёнными с телом, следующим по этой траектории.

Современные эксперименты подтверждают движение тел по геодезическим линиям с той же точностью, как и равенство гравитационной и инертной масс.

Кривизна пространства-времени

Расхождение (девиация) геодезических линий вблизи массивного тела

Если запустить из двух близких точек два тела параллельно друг другу, то в гравитационном поле они постепенно начнут либо сближаться, либо удаляться друг от друга. Этот эффект называется девиацией геодезических линий. Аналогичный эффект можно наблюдать непосредственно, если запустить два шарика параллельно друг другу по резиновой мембране, на которую в центр положен массивный предмет. Шарики разойдутся: тот, который был ближе к предмету, продавливающему мембрану, будет стремиться к центру сильнее, чем более удалённый шарик. Это расхождение (девиация) обусловлено кривизной мембраны.

Аналогично, в пространстве-времени девиация геодезических линий (расхождение траекторий тел) связана с его кривизной. Кривизна пространства-времени однозначно определяется его метрикой — метрическим тензором. Различие между общей теорией относительности и альтернативными теориями гравитации определяется в большинстве случаев именно способом связи между материей (телами и полями негравитационной природы, создающими гравитационное поле) и метрическими свойствами пространства-времени.

Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности

Часто неправильно считают, что в основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности гравитационного и инерционного поля, который может быть сформулирован так:

Достаточно малая по размерам локальная физическая система, находящаяся в гравитационном поле, по поведению неотличима от такой же системы, находящейся в ускоренной (относительно инерциальной системы отсчёта) системе отсчёта, погружённой в плоское пространство-время специальной теории относительности.

Иногда тот же принцип постулируют как «локальную справедливость специальной теории относительности» или называют «сильным принципом эквивалентности».

Исторически этот принцип действительно сыграл большую роль в становлении общей теории относительности и использовался Эйнштейном при её разработке. Однако в самой окончательной форме теории он, на самом деле, не содержится, так как пространство-время как в ускоренной, так и в исходной системе отсчёта в специальной теории относительности является неискривленным — плоским, а в общей теории относительности оно искривляется любым телом и именно его искривление вызывает гравитационное притяжение тел.

Важно отметить, что основным отличием пространства-времени общей теории относительности от пространства-времени специальной теории относительности является его кривизна, которая выражается тензорной величиной — тензором кривизны. В пространстве-времени специальной теории относительности этот тензор тождественно равен нулю и пространство-время является плоским.

По этой причине не совсем корректным является название «общая теория относительности». Данная теория является лишь одной из ряда теорий гравитации, рассматриваемых физиками в настоящее время, в то время как специальная теория относительности (точнее, её принцип метричности пространства-времени) является общепринятой научным сообществом и составляет краеугольный камень базиса современной физики. Следует, тем не менее, отметить, что ни одна из прочих развитых теорий гравитации, кроме ОТО, не выдержала проверки временем и экспериментом.

Основные следствия ОТО

Орбита Ньютона (красная) и Эйнштейна (голубые) одной планеты вращающейся вокруг звезды

Согласно принципу соответствия, в слабых гравитационных полях предсказания общей теории относительности совпадают с результатами применения ньютоновского закона всемирного тяготения с небольшими поправками, которые растут по мере увеличения напряжённости поля.

Первыми предсказанными и проверенными экспериментальными следствиями общей теории относительности стали три классических эффекта, перечисленных ниже в хронологическом порядке их первой проверки:

1.   Дополнительный сдвиг перигелия орбиты Меркурия по сравнению с предсказаниями механики Ньютона.

2.  Отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца.

3.  Гравитационное красное смещение, или замедление времени в гравитационном поле.

Существует ряд других эффектов, поддающихся экспериментальной проверке. Среди них можно упомянуть отклонение и запаздывание (эффект Шапиро) электромагнитных волн в гравитационном поле Солнца и Юпитера, эффект Лензе — Тирринга (прецессия гироскопа вблизи вращающегося тела), астрофизические доказательства существования чёрных дыр, доказательства излучения гравитационных волн тесными системами двойных звёзд и расширение Вселенной.

До сих пор надёжных экспериментальных свидетельств, опровергающих ОТО, не обнаружено. Отклонения измеренных величин эффектов от предсказываемых ОТО не превышают 0,01 % (для указанных выше трёх классических явлений). Несмотря на это, в связи с различными причинами теоретиками было разработано не менее 30 альтернативных теорий гравитации, причём некоторые из них позволяют получить сколь угодно близкие к ОТО результаты при соответствующих значениях входящих в теорию.



biofile.ru

Смотрите также

• Кто и в каком году изобрел велосипед
• Первый в мире пулемет кто изобрел
• Серая шейка рассказ кто написал
• Создатель эфира виталик
• Кортик и бронзовая птица кто написал
• Кто придумал кока колу
• Кто написал белый пудель
• Кто изобрел пиво
• Кто написал властелин колец и хоббит
• Кто написал сказку маленький принц
• Белое и черное кто написал

Кто открыл теорию относительности

Главная » Raznoe » Кто открыл теорию относительности

Теория относительности Эйнштейна

Кто бы мог подумать, что мелкий почтовый служащий изменит основы науки своего времени? Но такое случилось! Теория относительности Эйнштейна заставила пересмотреть привычный взгляд на устройство Вселенной и открыла новые области научного познания.

Большинство научных открытий сделано с помощью эксперимента: ученые повторяли свои опыты много раз, чтобы быть уверенными в их результатах. Работы обычно проводились в университетах или исследовательских лабораториях больших компаний.

Альберт Эйнштейн полностью изменил научную картину мира, не проведя ни одного практического эксперимента. Его единственными инструментами были бумага и ручка, а все эксперименты он проводил в голове.

Движущийся свет

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свои первые статьи. В них шла речь о движении со скоростью, близкой к скорости света. Выдвинутая им теория получила название специальной теории относительности.

Альберт Эйнштейн (1879—1955) основывал все свои выводы но результатах «мысленного эксперимента». Эти эксперименты можно было совершить только в воображении.

Скорости всех движущихся тел относительны. Это означает, что все объекты движутся или остаются неподвижными только относительно какого-либо другого объекта. Например, человек, неподвижный относительно Земли, в то же время вращается вместе с Землей вокруг Солнца. Или допустим, что по вагону движущегося поезда идет человек в сторону движения со скоростью 3 км/час. Поезд движется со скоростью 60 км/час. Относительно неподвижного наблюдателя на земле скорость человека будет равна 63 км/час – скорость человека плюс скорость поезда. Если бы он шел против движения, то его скорость относительно неподвижного наблюдателя была бы равна 57 км/час.

Эйнштейн утверждал, что о скорости света так рассуждать нельзя. Скорость света всегда постоянна, независимо от того, приближается ли источник света к вам, удаляется от вас или стоит на месте.

Чем быстрее, тем меньше

С самого начала Эйнштейн выдвинул несколько удивительных предположений. Он утверждал, что, если скорость объекта приближается к скорости света, его размеры уменьшаются, а масса, наоборот, увеличивается. Никакое тело нельзя разогнать до скорости равной или большей скорости света.

Другой его вывод был еще удивительней и, казалось, противоречил здравому смыслу. Представьте, что из двоих близнецов один остался на Земле, а другой путешествовал по космосу со скоростью, близкой к скорости света. С момента старта на Земле прошло 70 лет. Согласно теории Эйнштейна, на борту корабля время течет медленнее, и там прошло, например, только десять лет. Получается, что тот из близнецов, кто оставался на Земле, стал на шестьдесят лет старше второго. Этот эффект называют «парадоксом близнецов». Звучит просто невероятно, но лабораторные эксперименты подтвердили, что замедление времени при скоростях, близких к скорости света, действительно существует.

Беспощадный вывод

Теория Эйнштейна также включает известную формулу E=mc2, в которой E – энергия, m – масса, а c – скорость света. Эйнштейн утверждал, что масса может превращаться в чистую энергию. В результате применения этого открытия в практической жизни появились атомная энергетика и ядерная бомба.

Эйнштейн был теоретиком. Эксперименты, которые должны были доказать правоту его теории, он оставлял другим. Многие из этих экспериментов было невозможно проделать до тех пор, пока не появились достаточно точные измерительные приборы.

Факты и события

• Был произведен следующий эксперимент: самолет, на котором были установлены очень точные часы, взлетел и, облетев с большой скоростью вокруг Земли, опустился в той же точке. Часы, находившиеся на борту самолета, на ничтожную долю секунды отстали от часов, которые оставались на Земле.
• Если в лифте, падающем с ускорением свободного падения, уронить шар, то шар не будет падать, а как бы зависнет в воздухе. Это происходит потому, что шар и лифт падают с одинаковой скоростью.
• Эйнштейн доказал, что тяготение влияет на геометрические свойства пространства-времени, которое в свою очередь влияет на движение тел в этом пространстве. Так, два тела, начавшие движение параллельно друг другу, в конце концов встретятся в одной точке.

Искривляя время и пространство

Десятью годами позже, в 1915—1916 годах, Эйнштейн построил новую теорию гравитации, названную им общей теорией относительности. Он утверждал, что ускорение (изменение скорости) действует на тела так же, как и сила гравитации. Космонавт не может по своим ощущениям определить, притягивает ли его большая планета, или ракета начала тормозить.

Если космический корабль разгоняется до скорости, близкой к скорости света, то часы на нем замедляются. Чем быстрее движется корабль, тем медленнее идут часы.

Отличия ее от ньютоновской теории тяготения проявляются при изучении космических объектов с огромной массой, например планет или звезд. Эксперименты подтвердили искривление лучей света, проходящих вблизи тел с большой массой. В принципе возможно столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет выйти за его пределы. Это явление получило название «черной дыры». «Черные дыры», по-видимому, обнаружены в составе некоторых звездных систем.

Ньютон утверждал, что орбиты планет вокруг Солнца фиксированы. Теория Эйнштейна предсказывает медленный дополнительный поворот орбит планет, связанный с наличием гравитационного поля Солнца. Предсказание подтвердилось экспериментально. Это было поистине эпохальное открытие. В закон всемирного тяготения сэра Исаака Ньютона были внесены поправки.

Начало гонки вооружений

Работы Эйнштейна дали ключ ко многим тайнам природы. Они оказали влияние на развитие многих разделов физики, от физики элементарных частиц до астрономии – науки о строении Вселенной.

Эйнштейн в своей жизни занимался не только теорией. В 1914 году он стал директором института физики в Берлине. В 1933 году, когда к власти в Германии пришли нацисты, ему, как еврею, пришлось уехать из этой страны. Он переехал в США.

В 1939 году, несмотря на то что он был противником войны, Эйнштейн написал президенту Рузвельту письмо, в котором предупреждал его, что можно сделать бомбу, обладающую огромной разрушительной силой, и что фашистская Германия уже приступила к разработке такой бомбы. Президент отдал распоряжение начать работы. Это положило начало гонке вооружений.

www.what-this.ru

Теория относительности Эйнштейна для чайников

Специальная теория относительности (СТО) или частная теория относительности – это теория Альберта Эйнштейна, опубликованная в 1905 году в работе «К электродинамике движущихся тел» (Albert Einstein — Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921. Juni 1905).

Она объясняла движение между разными инерциальными системами отсчёта или движение тел, двигающихся в отношении друг друга с неизменной скоростью. В этом случае ни один из объектов не должен приниматься за систему отсчёта, а рассматривать их надо относительно друг друга. СТО предусматривает только 1 случай, когда 2 тела не изменяют направление движения и двигаются равномерно.

Законы СТО перестают действовать, когда одно из тел изменяет траекторию движения или повышает скорость. Здесь имеет место общая теория относительности (ОТО), дающая общее толкование движения объектов.

Два постулата, на которых строится теория относительности:

1. Принцип относительности — Согласно ему, во всех существующих системах отсчета, которые двигаются в отношении друг друга с неизменяющейся скоростью и не меняют направление, действуют одни и те же законы. 8 м/с.

Альберт Эйнштейн за основу брал экспериментальные, а не теоретические данные. Это явилось одной из составляющих его успеха. Новые экспериментальные данные послужили базой для создания новой теории.

Физики с середины XIX века занимались поиском новой загадочной среды, названной эфиром. Полагалось, что эфир может проходить через все объекты, но не участвует в их движении. Согласно убеждениям об эфире, изменяя скорость зрителя в отношении эфира, меняется и скорость света.

Эйнштейн, доверяя экспериментам, отверг понятие новой среды эфира и допустил, что скорость света всегда является постоянной и не зависит от любых обстоятельств, таких как скорость самого человека.

Временные промежутки, расстояния, и их однородность

Специальная теория относительности связывает временные промежутки и пространство. В Материальной вселенной существует 3 известных измерения в пространстве: вправо и влево, вперед и назад, вверх и вниз. Если добавить к ним другое измерение, названное временным, то это составит основу пространственно-временного континуума.

Если Вы осуществляете движение с малой скоростью, ваши наблюдения не будут сходиться с людьми, которые двигаются быстрее.

Позже эксперименты подтвердили, что пространство, так же как и время, не может восприниматься одинаково: от скорости движения объектов зависит наше восприятие.

Соединение энергии с массой

Эйнштейн вывел формулу, которая соединила в себе энергию с массой. Эта формула получила широкое распространение в физике, и она знакома каждому ученику: E=m*c², в которой E-энергия; m- масса тела, c-скорость распространения света.

Масса тела возрастает пропорционально увеличению скорости света. Если достигнуть скорости света, масса и энергия тела становятся безразмерными.

Увеличивая массу объекта, становится сложнее достичь увеличения его скорости, т. е для тела с бесконечно огромной материальной массой необходима бесконечная энергия. Но на деле этого достичь нереально.

Теория Эйнштейна объединила два отдельных положения: положение массы и положение энергии в один общий закон. Это сделало возможным преобразование энергии в материальную массу и наоборот.

www.sciencedebate2008.com

Общая теория относительности

На выступлении 27 апреля 1900 года в королевском институте Великобритании лорд Кельвин сказал: «Теоретическая физика представляет собой стройное и законченное здание. На ясном небе физики имеются всего лишь два небольших облачка – это постоянство скорости света и кривая интенсивности излучения в зависимости от длины волны. Я думаю, что эти два частных вопроса будут скоро разрешены и физикам XX века уже нечего будет делать.» Лорд Кельвин оказался абсолютно прав с указанием ключевых направлений исследований в физике, но не верно оценил их важность: родившиеся из них теория относительности и квантовая теория оказались бескрайними просторами для исследований, занимающих учёные умы вот уже на протяжении более сотни лет.

Формирование теории

3D-модель искривления пространства-времени под действием Солнца и Земли

Так как специальная теория относительности не описывала гравитационное взаимодействие, Эйнштейн вскоре после её завершения приступил к разработке общей версии этой теории, за созданием которой он провёл 1907-1915 годы. Теория была прекрасной в своей простоте и согласованности с природными явлениями за исключением единственного момента: во времена составления теории Эйнштейном ещё не было известно об расширении Вселенной и даже о существовании других галактик, поэтому учёными того времени считалось что Вселенная существовала бесконечно долго и была стационарна. При этом из закона всемирного тяготения Ньютона следовало, что неподвижные звёзды должны были в какой-то момент просто быть стянуты в одну точку.

Не найдя для этого явления лучшего объяснения, Эйнштейн ввёл в свои уравнения космологическую постоянную, которая численно компенсировала гравитационное притяжение и позволяла таким образом стационарной Вселенной существовать без нарушения законов физики. В последствии Эйнштейн стал считать введение космологической постоянной в свои уравнения своей самой большой ошибкой, так как она не была необходима для теории и ничем кроме выглядящей на тот момент стационарной Вселенной не подтверждалось. А в 1965 году было обнаружено реликтовое излучение, что означало что Вселенная имела начало и постоянная в уравнениях Эйнштейна оказалось и вовсе не нужна. Тем не менее космологическая постоянная всё-таки была найдена в 1998 году: по полученным телескопом «Хаббл» данным, далёкие галактики не тормозили свой разлёт в следствии притяжения гравитацией, а даже ускоряли свой разлёт.

Основы теории

Процесс движения лучей света по геодезическим линиям под действием массивных тел

«Крест Эйнштейна» (вверху) и «Космическая подкова» (внизу)

Кроме основных постулатов специальной теории относительности, здесь добавилось и новое: механика Ньютона давала численную оценку гравитационного взаимодействия материальных тел, но не объясняла физику этого процесса. Эйнштейну же удалось описать это посредством искривления массивным телом 4-мерного пространства-времени: тело создаёт вокруг себя возмущение, в результате которого окружающие тела начинают двигаться по геодезическим линиям (примерами таких линий являются линии земной широты и долготы, которые для внутреннего наблюдателя кажутся прямыми линиями, но в реальности немного искривлены). Таким же образом откланяются и лучи света, что искажает видимую картину за массивным объектом. При удачном совпадении положений и масс объектов это приводит к эффекту гравитационного линзирования (когда искривление пространства-времени выступает в роли огромной линзы, делающей источник далёкого света намного ярче). Если же параметры совпадают не идеально – это может приводить к образованию «креста Эйнштейна» или «круга Эйнштейна» на астрономических снимках далёких объектов.

Среди предсказаний теории также было гравитационное замедление времени, (которое при приближении к массивному объекту действовало на тело точно также, как и замедление времени в следствии ускорения), гравитационное красное смещение (когда луч света, испущенный массивным телом, уходит в красную часть спектра в следствии потери им энергии на работу выхода из «гравитационного колодца»), а также гравитационные волны (возмущение пространства-времени, которое производит любое тело имеющее массу в процессе своего движения).

Статус теории

Первое подтверждение общей теории относительности было получено самим Эйнштейном в том же 1915 году, когда она и была опубликована: теория с абсолютной точностью описывала смещение перигелия Меркурия, которое до этого никак не могли объяснить при помощи ньютоновской механики. С того момента было открыто множество других явлений, которые предсказывались теорией, но на момент её публикации были слишком слабы чтобы их можно было засечь. Последним таким открытием на данный момент стало открытие гравитационных волн 14 сентября 2015 года.

Теория относительности и квантовая теория

Не смотря на то, что теория относительности замечательно описывает процессы в макромире, но миром микромира всё же правит квантовая теория. Сам Эйнштейн в последние годы жизни пытался объединить две эти теории в одну объединённую теорию, которая уже получила название «теории всего». Однако в этот раз он потерпел неудачу также, как и множество учёных пытавшихся это сделать после него. Примерно до начала 2000-х годов казалось, что с появлением теории струн решение уже почти найдено, однако примирить в ней все виды взаимодействий и элементарных частиц так до сих пор и не удалось: если при одном числе измерений в этой теории хорошо описываются одни частицы, то другие из них никак не вписываются, при другом же их числе теорией замечательно описываются противоположные частицы, но уже не вписываются первые. Таким образом поиски объединённой теории всё ещё продолжаются.

comments powered by HyperComments

spacegid.com

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.

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.

uchim.guru

Смотрите также

• Кто изобрел попкорн
• Создатель ракеты фау 2
• Кто написал уроки французского
• Божественную комедию кто написал
• Кармен кто написал
• Кому была выгодна первая мировая война
• Кто написал анну каренину
• Тетерев и лиса кто написал
• Грачи прилетели кто написал картину
• Кто придумал карлсона
• Квазимодо кто придумал

Общая теория относительности Эйнштейна

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

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

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

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

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

Как работает общая теория относительности?

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

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

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

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

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

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

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

Гравитационное линзирование

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

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

Связанный: Что такое квантовая гравитация?

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

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

Изменения орбиты Меркурия

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

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

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

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

Перетаскивание пространства-времени вокруг вращающихся тел

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

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

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

Гравитационное красное смещение

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

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

Гравитационные волны

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

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

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

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

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

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

Наблюдение за нейтронными звездами

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

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

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

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

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

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

Дополнительные ресурсы

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

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

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

.

Как Эйнштейн пришел к общей теории относительности ‹ Literary Hub

В 1905, физики кое-что поняли о законах, управляющих двумя типами сил: электричеством, магнетизмом и гравитацией. Мы видели, что законы электричества и магнетизма, закодированные в уравнениях Максвелла, заставили переосмыслить самые основные концепции пространства и времени. А как же закон всемирного тяготения Ньютона? Как можно очистить его от понятий абсолютного пространства и абсолютного времени?

В 1907 году, через два года после выдвижения своей специальной теории относительности, Эйнштейна попросили написать рецензию на эту тему. В ходе этого проекта он столкнулся с вопросом: как теория гравитации Ньютона согласуется с его принципами? Простой ответ: нет. На самом деле это было связано с недостатком закона тяготения Ньютона, который был очевиден с момента его обнародования.

Ньютон — и, возможно, что более важно, его критики — были очень обеспокоены особенностью его теории, называемой действием на расстоянии . Согласно законам Ньютона, если бы, скажем, Солнце внезапно «подпрыгнуло» (возьмем на данный момент надуманную возможность того, что какой-нибудь космический захватчик прикрепит к нему ракеты), воздействие на планеты Солнечной системы было бы мгновенным. И это несмотря на то, что планеты находятся далеко. Нептун, например, находится так далеко, что свету от Солнца требуется четыре часа, чтобы добраться до него, но он будет двигаться немедленно в ответ на внезапное движение Солнца.

Ньютона критиковали за это — не предполагал ли он, что некое высшее существо ответственно за взаимодействие между звездами и планетами? Но его закон оказался чрезвычайно успешным, и почти на два столетия этот вопрос был в значительной степени отложен. Действительно, только в начале 20 века удалось серьезно проверить эту тревожную особенность.

Но со специальной теорией относительности уже нельзя было отвести взгляд. Не имело смысла применять этот принцип к электромагнетизму, но не к силе гравитации. Трудно было понять, почему утверждение Эйнштейна о том, что события в одном месте и в одно время могут влиять на события в другом только после того, как пройдет достаточно времени, чтобы свет прошел от одного к другому, не должно применяться ни к какому закону природы. Это не был кризис в смысле очевидной экспериментальной или наблюдательной проблемы. Теория Ньютона работает так хорошо, потому что скорость света очень велика. Свет движется так быстро, что в большинстве ситуаций, с которыми астрономы столкнулись в течение двух столетий после того, как Ньютон выдвинул свой закон, эффекты конечной (в отличие от бесконечной!) скорости распространения информации и взаимодействий было невозможно увидеть.

Процесс создания того, что Эйнштейн назвал своей общей теорией относительности, потребовал восьмилетней борьбы и сочетания экстраординарной научной проницательности и упорного труда.

Тем не менее Эйнштейн начал обдумывать, как можно изменить теорию Ньютона, чтобы сохранить ее огромные успехи и при этом учесть принцип относительности. Другими словами, новые законы в ситуациях, когда изучаемые объекты движутся значительно медленнее скорости света или когда сила тяжести не слишком сильное , следует уменьшить до Ньютона.

Процесс создания того, что Эйнштейн назвал своей общей теорией относительности, длился восемь лет и сочетал в себе исключительную научную проницательность и упорный труд. По пути было много оплошностей. Но эта теория еще полнее раскрыла гениальность Эйнштейна, чем его достижения 1905 года. Эйнштейн мог бы подойти к проблеме, заметив, что закон силы тяготения Ньютона почти такой же, как закон силы Кулона для заряженных частиц. Просто замените электрические заряды массами, и они будут похожи. Электрическая сила описывается уравнениями Максвелла. Так что он мог бы попытаться написать уравнения, подобные уравнениям Максвелла, но для гравитационной силы.

Скорее всего, я поступил бы так, и результатом был бы провал. Но Эйнштейн думал гораздо глубже, прежде чем начать свою борьбу. Его поразил тот факт, что планеты, звезды и другие небесные объекты притягиваются друг к другу; они никогда не расталкивают друг друга. Это отличается от электрических сил, когда протон притягивает электрон — притягивает электрон к себе — два протона отталкиваются друг от друга. Сила тяжести всегда кажется притягательной и никогда не отталкивающей. Это трудно воспроизвести с помощью закона Кулона. Вместо этого Эйнштейн взял пример с наблюдений, предшествовавших Ньютону.

Среди самых известных экспериментов Галилея были его исследования падающих предметов. Архимед, древнегреческий философ, утверждал, что тяжелые предметы падают быстрее, чем более легкие.

Это было правдоподобное предположение, но не утверждение, основанное на тщательных наблюдениях. Галилей был настроен скептически и исследовал вопрос экспериментально. Действительно ли он сбрасывал предметы разной массы с Пизанской башни, является предметом научных дискуссий, но он провел эксперименты, в которых установил, что предметы разной массы падают на землю с одинаковой скоростью, пренебрегая тем фактом, что воздух стремится чтобы все замедлить. (На поверхность земли лист бумаги падает гораздо медленнее, чем кирпич, из-за сопротивления воздуха, но вы можете легко провести вариант этого эксперимента, сбросив два тяжелых предмета разного веса с одного и того же высота. )

За прошедшие века эти наблюдения были улучшены различными исследователями, включая Ньютона. Очень чувствительные эксперименты были проведены в конце 19 века бароном Лорандом Этвешем, венгерским физиком, который использовал другую стратегию, прикрепляя различные предметы к стержню. Устройство было настроено так, чтобы оно двигалось, если объекты разных типов по-разному реагировали на гравитацию, но не иначе. Этвёш установил, что для ряда веществ эти ответы были одинаковыми или лучше, чем одна миллионная; нынешние эксперименты в тысячи раз лучше.

В законах Ньютона масса связана с инерцией, скоростью, с которой вещи ускоряются под действием силы. Но это также связано с силой притяжения между двумя объектами. Ньютон, по-видимому, под влиянием Галилея, предположил, что эти два вида массы одинаковы. Но с точки зрения Ньютона это был просто факт; никакие глубокие принципы не навязывали эти отношения. Этвёш (и другие) установили, что инерционная масса такая же, как гравитационная масса с высокой степенью точности.

Теория Эйнштейна представила радикально новую концепцию пространства и времени. Они больше не были закреплены навечно, но откликались на присутствие материи.

Эйнштейн начал с этого наблюдения и предположил, что эквивалентность точно равна . Затем он провел очень простой, но очень оригинальный мысленный эксперимент в условиях повседневной жизни. Разрабатывая специальную теорию относительности, Эйнштейн рассуждал по аналогии с опытом одной важной технологии того времени — железных дорог. Теперь он рассуждал, ссылаясь на другую, более новую технологию — лифты.

Он представил, как перерезает трос лифта, чтобы лифт мог свободно падать (довольно страшная перспектива). Он отметил, что из-за этой предполагаемой эквивалентности инертной и гравитационной масс наблюдатели в лифте при свободном падении будут испытывать то, что мы сейчас называем невесомостью. Они могли бы, например, плавать в лифте или передавать мяч туда-сюда без чувства гравитации. Как если бы на объекты в лифтах не действовала гравитационная сила. К сожалению, для пассажиров это продлится только до тех пор, пока лифт не упадет на дно шахты.

Но в наши дни мы регулярно достигаем невесомости в космических путешествиях. Международная космическая станция, когда она вращается вокруг Земли, находится в состоянии свободного падения . Он падает из-за земного притяжения. Он остается на орбите, потому что нисходящая гравитация конкурирует с энергией движения, обеспечиваемой первоначальным запуском, чтобы космический корабль постоянно вращался вокруг Земли. Эффект свободного падения также может быть достигнут с самолетом путем отключения двигателей на определенный период времени. Обычно это делается в рамках подготовки космонавтов. Известно, что Стивен Хокинг, один из великих теоретиков гравитации, участвовал в таком полете в 2007 г.

У Эйнштейна не было такого преимущества, а самые высокие здания того времени допускали падение всего за 4–5 секунд. Но он понял, что явление невесомости следует из наблюдений Галилея и Этвеша. Эйнштейн назвал свою реализацию «самой счастливой мыслью в моей жизни» и возвел ее в принцип: ни один эксперимент не может отличить свободное падение в гравитационном поле от движения с равномерным ускорением (как в лифте). Он выдвинул гипотезу, свой «Принцип эквивалентности», что это должно применяться ко всем законам природы: гравитации, электромагнетизму и законам, которые еще предстоит открыть.

Отсюда до математических уравнений шла долгая борьба. Эйнштейн приблизительно знал, что он ищет, но когда он отправился в путешествие, у него не было подходящей математики для достижения этой цели. Давид Гильберт, профессор из Геттингена, Германия, и один из величайших математиков того времени, действительно знал необходимую математику и тоже искал теорию гравитации; вполне вероятно, что если бы он полностью разбирался в вопросах физики, то первым добрался бы до общей теории относительности, и он действительно почти это сделал.

Однако в 1915 году Эйнштейн завершил и опубликовал свою общую теорию. Теория отвечала его основным требованиям. Во-первых, это соответствовало принципам специальной теории относительности. Например, гравитационное взаимодействие распространяется со скоростью света; на расстоянии действия не было. Во-вторых, он включал принцип эквивалентности. Наконец, она сводилась к законам Ньютона, за исключением очень исключительных обстоятельств. Вокруг типичных звезд и планет поправки были бы очень малы.

Теория Эйнштейна представила радикально новую концепцию пространства и времени. Они больше не были закреплены навечно, но откликались на присутствие материи.

Теория Эйнштейна представила радикально новую концепцию пространства и времени. Они больше не были закреплены навечно, но откликались на присутствие материи. Пространство может быть искривлено, время может течь быстрее или медленнее вблизи больших или меньших концентраций материи. Большинство физиков и математиков, знакомых с этой теорией, описали бы ее как прекрасную, но хотя принципы просты, математика довольно сложна, а расчеты могут быть сложными. Эйнштейн, однако, сосредоточился не только на великих принципах и прекрасной математике, но и на наблюдаемых следствиях теории. Поскольку в большинстве случаев поправки к законам Ньютона чрезвычайно малы, ему пришлось искать ситуации, когда эти эффекты, хотя и небольшие, были бы достаточно заметными, чтобы их можно было обнаружить. Он сделал три предсказания, которые можно было реально проверить с помощью доступных тогда технологий.

Одно из этих предсказаний правильнее было бы описать как «постдиктион», объясняющий уже известную загадку движения планеты Меркурий. Солнце оказывает доминирующее влияние на каждую из планет; планеты также притягиваются друг к другу, но эти эффекты относительно невелики. Принимая во внимание, во-первых, только силу Солнца, Ньютон показал, что планеты будут двигаться по орбитам в форме эллипсов, как это наблюдал Кеплер. Согласно Ньютону, эти орбиты должны сохранять свою форму и ориентацию на все времена, игнорируя притяжение других планет.

Еще во времена Ньютона астрономы с точностью изучали движение планет. Они тщательно вычисляли орбиты на бумаге, делая поправки на всевозможные мелкие эффекты, такие как притяжение планет друг к другу. Они сравнили эти расчеты с такими же тщательными наблюдениями. Они пришли к выводу, что небольшие поправки, связанные с другими планетами и другими эффектами, приведут к медленному отклонению от результатов Ньютона; эллипс будет постепенно вращаться с течением времени. Это называют (те, у кого память на школьную аналитическую геометрию лучше, чем у меня) прецессией перигелия. Уже в 1850-х годах астрономы заметили, что прецессия Меркурия не была вполне на скоростях, предсказываемых законами Ньютона; было небольшое отклонение. Они предложили множество объяснений, таких как маленькая невидимая планета или пыль, но ни одно из них не было убедительным.

Эйнштейн знал о несоответствии в движении Меркурия. Он понял, что Меркурий, будучи ближайшей к Солнцу планетой, испытывает самую сильную силу гравитации и, таким образом, был многообещающим полигоном для проверки его теории. Эйнштейн решил вычислить поправку к результату Ньютона. Он обнаружил, что это именно то, что нужно для объяснения наблюдаемой прецессии. Я могу только представить, что он чувствовал. Для физика открытие нового закона природы является высшим достижением. Я предположил несколько, но вероятность того, что кто-то из них верен, как правило, невелика. Эйнштейн действительно вспомнил, что был чрезвычайно взволнован — он сказал, что у него учащенное сердцебиение, — и, получив правильный результат для перигелия Меркурия, убедился, что его теория верна.

Но изобретение теорий для объяснения возможных расхождений в наблюдениях все еще находится в сфере более «рутинной» науки. Еще лучше было впереди. Второе предсказание было настоящим предсказанием в том смысле, что он предложил измерение, которое еще не было выполнено, и предсказал результат. В теории Ньютона сила тяжести описывается как действующая на массу. Траектория спутника, проходящего рядом с Солнцем, будет искривляться под действием гравитации Солнца. Но в специальной теории относительности масса — это просто форма энергии, а в общей теории гравитация действует на все формы энергии. Свет не имеет массы, но несет энергию. Таким образом, пути световых лучей должны измениться с простых прямых линий, когда они проходят вблизи объектов с сильной гравитацией. В 1911, прежде чем теория была полностью разработана, Эйнштейн попытался рассчитать эффект. Он обнаружил, что во время солнечного затмения можно увидеть небольшое изменение положения звезд, выстроившихся вдоль Солнца.

Эйнштейн был гением — и ему тоже повезло. Как я уже сказал, математика общей теории относительности сложна и в то время была довольно незнакомой. Оказалось, что в своих первых расчетах отклонения света Солнцем, до того, как его теория была окончательно оформлена, Эйнштейн допустил ошибку. Он фактически получил значение, которое получил бы Ньютон, если бы энергия света рассматривалась как эквивалентная массе, через E = mc2.

Уже в 1912, а затем в 1914 году экспедиции по наблюдению за искривлением света во время затмений не дали результатов, первый раз из-за дождя, второй, когда его отменили из-за начавшейся Первой мировой войны. В 1915 году, когда он опубликовал окончательную версию общей теории, он получил правильный результат для искривления света, найдя двойное ньютоновское значение. Война препятствовала дальнейшим измерениям до 1919 года.

В том же году двум экспедициям, одной на остров Принсипи под руководством английского астронома Артура Эддингтона, и одной в Бразилию под руководством Эндрю Кроммелина из Гринвичской обсерватории, удалось наблюдать эффект. Результаты были оглашены на совместном заседании Королевского общества и Королевского астрономического общества: предсказание Эйнштейна подтвердилось. К этому времени Эйнштейн был уже хорошо известен в научном сообществе, и отдельные статьи о нем появлялись в популярной печати, но теперь его имя стало нарицательным.

Заголовок London Times от 17 ноября 1919 года был типичен: «Революция в науке. Новая теория Вселенной. Ньютоновские идеи ниспровергнуты».

Когда я был студентом, общая теория относительности Эйнштейна была предметом восхищения — это то, о чем должен кое-что знать любой самопровозглашенный физик-теоретик. В то же время, говоря, что вы могли бы поработать над этим , вы бы закатили глаза. В те дни существовало лишь очень ограниченное свидетельство того, что теория верна — кроме перигелия и искривления света, только явление, называемое сменяется красным смещением — и казалось, что только мечтатели могли вообразить, что будут новые испытания.

Хуже того, теория в сочетании с квантовой механикой, предметом следующей главы, казалась бессмысленной. Атака на эту проблему еще больше поставила вас на обочину. Тем не менее, большинство великих теоретиков той эпохи пытались решить эти вопросы, в том числе Ричард Фейнман и Лев Ландау (один из величайших русских физиков-теоретиков 20-го века). В 19В 80-х годах Стивен Хокинг поднял вопросы, которые оспаривали представление о том, что общая теория относительности и квантовая механика могут быть согласованы, и утверждал, что потребуется переформулировка квантовой механики.

За время моей карьеры все резко изменилось. Теория Эйнштейна теперь хорошо проверена. Наше понимание общей теории относительности является важным инструментом в наших исследованиях Вселенной. Наблюдение за черными дырами стало почти рутиной. Общая теория относительности — важнейший инструмент для определения состава нынешней Вселенной и, как мы увидим, необходимый для нашего понимания Большого взрыва. Недавнее открытие гравитационных волн, предсказанных теорией более века назад, открыло новое окно в астрофизические явления. Общая теория относительности даже играет роль в наших навигационных приложениях (через Глобальную систему позиционирования или GPS). Что касается квантовой механики, мы тоже многому научились, хотя экспериментальная проверка того, что мы действительно понимаем (и подсказки относительно того, чего мы не понимаем), вероятно, не за горами.

________________________________________________

Выдержки из This Way to the Universe Майкла Дайна. Авторское право © 2022. Доступно в Dutton Books.

Был ли Эйнштейн первым, кто открыл общую теорию относительности?

25 ноября 1915 года Эйнштейн представил одну из самых замечательных научных работ двадцатого века в Прусскую академию наук в Берлине. В документе представлена ​​окончательная форма так называемых уравнений Эйнштейна, уравнений поля гравитации, лежащих в основе общей теории относительности Эйнштейна. Несколько лет назад мы отметили столетие этой теории. В течение нескольких лет работа Эйнштейна вытеснила универсальную теорию гравитации Ньютона в качестве нашего объяснения явления гравитации, а также опровергла понимание Ньютоном таких фундаментальных понятий, как пространство, время и движение. В результате Эйнштейн стал и остается самым известным и прославленным ученым после самого Ньютона.

Но что, если Эйнштейн не был первым ученым, опубликовавшим эти знаменитые уравнения? Должны ли они называться не уравнениями Эйнштейна, а уравнениями Эйнштейна-Гильберта, в честь также немецкого математика Давида Гильберта? В 1915 году Эйнштейн посетил Гильберта в Геттингене, и Гильберт убедил его в том, что цель полностью общей теории относительности достижима, а Эйнштейн почти убедил себя, что это невозможно. Эйнштейн вернулся к работе и к ноябрю нашел уравнения поля, которые придали общей теории относительности ее окончательную форму. Однако Гильберт также работал над идеями, которые обсуждал с ним Эйнштейн, и опубликовал статью, в которой обсуждалось, как теория Эйнштейна согласуется с его собственными представлениями о роли математики в физике. Аргумент в пользу уважения Гильберта содержится в написанной им статье, которая включала уравнения Эйнштейна, полученные из фундаментальных принципов.

Эта статья, хотя и появилась через несколько месяцев после работы Эйнштейна, была представлена ​​20 ноября, и Гильберт даже отправил Эйнштейну копию, которая, вероятно, была получена Эйнштейном до того, как он представил свою собственную статью. Фактически, некоторые люди даже зашли так далеко, что предположили, что Эйнштейн мог украсть окончательную форму своих уравнений у Гильберта. Конечно, даже если бы это было правдой, мы говорим только об одном последнем члене в уравнениях (Эйнштейн опубликовал близкую к правильной версию ранее в этом месяце), и Эйнштейну по-прежнему принадлежит исключительная заслуга в огромном количестве работы, которая была проделана. аргумент, по которому уравнения с этими уникальными свойствами были выделены в первую очередь. Мы по-прежнему признаем Эйнштейна за критическое физическое мышление, признавая при этом превосходные математические способности Гильберта в более быстром нахождении окончательной правильной формы уравнений. Тем не менее, возможно, Гильберт заслужил бы долю похвалы за этот последний шаг.

Почему же тогда в празднованиях упоминается только Эйнштейн и почти полностью опускается Гильберт? Одна из причин заключается в том, что в конце 1990-х историк Лео Корри, работавший над Гильбертом, сделал замечательное открытие. Он нашел копию корректуры статьи Гильберта со штампом печатника, датированным 6 декабря 1915 года. Эти корректуры показывают, что после этой даты Гильберт внес существенные изменения в статью. Кроме того, доказательства не содержат уравнений Эйнштейна. Корректура тут и там была вырезана (вероятно, самими печатниками, когда они работали), поэтому возможно, что уравнения были бы там, если бы у нас были недостающие части. Но также вполне возможно, что среди изменений, внесенных Гильбертом в статью, он воспользовался возможностью, чтобы включить окончательную форму уравнений из статьи Эйнштейна. Действительно, некоторые изменения, внесенные им после 6 декабря, заключались в обновлении его аргументации с более ранних версий теории Эйнштейна до более поздней версии.

Безусловно, именно Эйнштейн чувствовал себя пострадавшей стороной в этом недолговечном споре о приоритетах (вероятно, это был единственный случай в его жизни, когда Эйнштейн оказался в таком споре). Он пожаловался другу, что Гильберт пытается «нострифицировать» свою теорию, претендовать на долю заслуг. Эйнштейн действительно жаловался самому Гильберту, и некоторые из изменений, внесенных Гильбертом в доказательства, включали добавление замечаний, подтверждающих основные идеи, лежащие в основе теории, Эйнштейну. Во всяком случае, Эйнштейн старался не позволять собственническим чувствам окрашивать чувство благодарности к Гильберту. Он хорошо помнил, что Гильберт сыграл важную роль в том, чтобы побудить Эйнштейна вернуться к своей теории в то время, когда Эйнштейн в какой-то степени отказался от своих первоначальных целей.