Содержание
Общая теория относительности: Простое объяснение | by Сергей Базанов | Space Review
Червоточины — это туннели в пространстве-времени, существование которых предсказывается Общей теорией относительности.
Когда Эйнштейн упомянул о своем желании решить проблему гравитации, ему было сказано две вещи: первое, — что это просто невозможно сделать, а второе заключается в том, что никто не поверит ему, даже если бы он это сделал. В ответ он создал свое величайшее творение — Общую теорию относительности.
Общая теория относительности сделала для гравитации то, что даже Ньютон не смог сделать, — дала ей объяснение, показала закономерность, благодаря которой вещи падают, вращаются на орбите и искажают время. Фактически, создание общей теории относительности связано с противостоянием с Ньютоном и его представлениями о гравитации, которая им описывалась как таинственна сила, сближающая объекты. Хотя по правде говоря, даже сам Ньютон не понимал, как это работает, поскольку сила притяжения действует через пустое пространство, и горько критиковал свою собственную теорию гравитации.
Тем не менее, несмотря на вопросы, которые остались без ответа, формулы Ньютона для гравитации всё еще использовались в течение десятилетий, как основа для универсальных законов физики, чтобы точно предсказывать движения планет и даже отправить людей на Луну. Чтобы понять общую теорию относительности, нам нужно кратко взглянуть на ньютоновскую теорию тяготения и на то, где она не дотягивает.
Перо и шар для боулинга в вакууме, при отсутствии сопротивления воздуха, падают с одинаковой скоростью.
Ньютоновская гравитация была сформулирована главным образом для объяснения двух вещей. Первым был вопрос о том, почему объекты разного веса падают на землю одновременно. Обратите внимание на слово «падают», а не «брошены». Бросание объектов добавляет дополнительную энергию, которую объект не имел бы, если бы он был просто уронен. Например, если бы не сопротивление воздуха, перо и свинцовый шар при падении приземлились бы одновременно. Два камня разных размеров и веса также будут приземляться на землю одновременно.
Другой вопрос, который Ньютон попытался решить, — это орбиты небесных тел, почему Луна вращается вокруг Земли, а Земля — вокруг Солнца. В конечном счете, ответ Ньютона на это заключался в том, что гравитация — это сила, пропорциональная массе объекта. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное притяжение.
Но, как мы уже упоминали ранее, проблема ньютоновской гравитации заключается в её действии на расстоянии. Силы зависят от массы объектов и от расстояния между ними. Проблема с этим в том, что сила не имеет носителя, она действует в пустом пространстве. Также проблема в том, что она нарушает «ограничение скорости» Вселенной: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если объект изменил свое положение во Вселенной, силы притяжения, с которой он действует на другие объекты, мгновенно изменились бы, нарушив это ограничение скорости.
В попытке решить проблему гравитации Эйнштейн впервые придумал Специальную теорию относительности, которая учитывала только объекты, движущиеся по прямой и с постоянной скоростью.
Однако она не включала ускорения, и Эйнштейн стремился создать теорию, которая могла бы применяться более широко. Так родился термин Общая теория относительности.
В начале 1900-х Эйнштейн провел мысленный эксперимент. Он смотрел в окно и представлял себе человека, падающего с крыши. Когда человек падал, он чувствовал себя невесомым. Но что если бы этот человек был в падающем лифте? Лифт будет двигаться с той же скоростью, что и человек, который также почувствует себя невесомым.
Именно тогда Эйнштейн понял, что происходит. Вопреки теории Ньютона, не было никакой гравитационной силы, тянущей объекты вниз. Вместо этого пространство вокруг них было изогнуто, подталкивая оба объекта к земле. Оно толкало, а не притягивало, как это считалось в теории притяжения Ньютона. Последствия этого открытия были удивительными. Это означало, что пространство является гибким, его можно складывать и изгибать. Эйнштейн объединил пространство и время в так называемый пространственно-временной континуум.
Внедрение любой массы в пространство искажает окружающее её пространство.
В то время как естественное движение вещей состоит в том, чтобы следовать простейшему пути через пространство-время, масса изгибает окружающее её пространство так, что мы движемся к центрам большей массы. Это и есть сила, которую мы называем гравитацией.
Как это описывает орбиты планет и их лун? Ньютоновская гравитация говорит, что Солнце притягивает нас к себе, но мы не падаем на него, потому что Земля также одновременно движется в сторону по эллиптической орбите. Но согласно общей теории относительности, огромная масса Солнца искажает пространство вокруг себя, и это изогнутое пространство толкает Землю к Солнцу.
Большим шаром здесь является Солнце, превращающее пространство-время в чашу, которая заставляет Землю двигаться по круговой (точнее эллиптической) орбите.
Ни одно из этих изображений не является точным относительно того, как на самом деле выглядит кривизна пространства-времени — три измерения пространства, обернутые вокруг четвертого измерения (времени), — но наши умы не способны представить, как это будет выглядеть на самом деле.
Поскольку мы живем в трех измерениях, мы можем представить себе только трехмерные ситуации.
Откуда мы знаем, что Общая теория относительности работоспособна? Доказательства этого есть во всей Вселенной. Теория не только объясняет нейтронные звезды и аномалии орбиты Меркурия, но и правильно предсказывает черные дыры и способность гравитации сгибать свет. Звездный свет, например, искривляется, когда проходит вблизи Солнца. Еще один интересный момент со светом заключается в том, что когда он отклоняется вокруг более компактных объектов, это приводит к нескольким изображениям этого объекта. Это обычно наблюдаемое явление называется гравитационным линзированием и помогает подтвердить общую относительность.
Знаете ли вы, что время также может быть искажено? Время замедляется ближе к объектам очень большой массы. Например, для тех, кто живет в высоком небоскребе, время течет быстрее, чем для находящихся на земле. Но, эта разница очень мала, разумеется.
Теория относительности также предсказывает, что в момент зарождения нашей Вселенной она была очень горячей и плотной, что в конечном итоге привело к Большому взрыву.
С тех пор мы обнаружили, что наша Вселенная расширяется гораздо быстрее, чем предсказывал Эйнштейн.
Как выразился физик-теоретик Джон Уилер (John Wheeler), «пространство-время говорит материи, как двигаться, а материя говорит пространству-времени, как изгибаться».
Что касается опыта с двумя падающими объектами разной массы, теория относительности говорит, что они упали на пол одновременно, потому что на них не действует сила.
Применений общей теории относительности гораздо больше. Это был один из величайших даров Эйнштейна миру, и он продолжает проходить тестирование. Но это действительно рисует довольно странную картину Вселенной — ту, где червоточины могут существовать, и параллельные линии могут в конечном итоге расходиться. Мы до сих пор всё еще обсуждаем эту теорию. Мы продолжаем использовать слово «гравитация», и мы продолжаем думать с точки зрения ньютоновской гравитации, потому что это более понятно для нашего ума, чем изогнутое пространство-время.
Einstein was told two things when he mentioned wanting to solve the problem of gravity: one was that it simply couldn’t…
medium.com
Абсолютная общая теория относительности / / Независимая газета
Научное сообщество уже начало подготовку к празднованию 100-летия выдающегося достижения Альберта Эйнштейна
| Альберт Эйнштейн стал одним из самых востребованных персонажей массовой культуры. Почтовая открытка |
2 декабря 2015 года исполняется 100 лет со дня публикации Альбертом Эйнштейном статьи с изложением положений общей теории относительности (ОТО) всего на четырех страницах! Эйнштейновская теория гравитации и по истечении почти 100 лет остается самой успешной гравитационной теорией, хорошо подтвержденной точными наблюдениями и экспериментами. Так, во время полетов на Луну американских астронавтов по программе «Аполлон» расстояние между Землей и ее естественным спутником измерялось с точностью до 30 см.
Такая точность измерения позволила подтвердить теорию Эйнштейна: инертная масса и гравитационный заряд с учетом энергии гравитации связи здесь совпадают с точностью до 10–11.
Science торопится
В связи с этим и неудивительно, что престижный американский научный журнал Science решил опередить другие профильные издания, посвятив свой специальный выпуск предстоящему 100-летию появления в печати знаменитой статьи Альберта Эйнштейна. Тема номера была вынесена на обложку – «General Relativity turns 100». В этот выпуск вошли 10 статей более трех десятков ученых.
Спецвыпуск начинается с предисловия двух научных обозревателей Маргарет Мюрхен и Роберта Гунтца «Einstein’s Vision» («Взгляд Эйнштейна»), где подчеркивается представление о том, что сидящий в лаборатории с утра до ночи в течение многих лет ученый это мифологическое представление о том, как делается наука. В действительности же прогресс в науке создается коллективом ученых – единой командой исследователей, отдельные гении не могут создать революционные теории… Но Альберт Эйнштейн это сделал.
Он, пожалуй, был и остается исключением.
Общеизвестно, что создание квантовой теории – совместное достижение многих исследователей, среди которых блистали Луи де Бройль, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер, Поль Дирак и др. В то время как общая теория относительности, как и специальная теория относительности (1905) были сформулированы лишь благодаря разуму отдельного человека. К концу 1915 года Эйнштейн пришел к твердому выводу, что гравитация – лишь отражение кривизны четырехмерного пространства-времени, выраженной через массу и энергию.
И через 100 лет наука, прежде всего физика, достигшая невиданных успехов, все еще оперирует постулатами ОТО в раскрытии тайн Вселенной – в поисках гравитационных волн, исследованиях сверхмощной гравитации черных дыр, расположенных в центре нашей Галактики, да и в поисках сценариев происхождения самой Вселенной. Именно поэтому Science посвящает свой спецвыпуск столь невероятным достижениям этой, по сути, единственной теории, заключают авторы предисловия.
Наблюдения
и подтверждения
Альберт Эйнштейн взорвал свою интеллектуальную бомбу, общую теорию относительности, как раз в тот период, когда реальные бомбы и снаряды Первой мировой войны громыхали почти по всей территории Европы. Многие видные ученые-физики оказались на фронтах боевых действий. Поразительно, что немецкий физик Карл Шварцшильд, призванный в армию в качестве артиллерийского офицера и попавший на российский фронт, успел зафиксировать на небосклоне странный сферический объект огромной массы без каких-либо признаков вращения – именно этот факт позже подтолкнул ученых к исследованиям так называемых черных дыр. Шварцшильд написал по этому поводу письмо Эйнштейну, в котором подчеркивал, что даже под грохотом снарядов и бомб он не перестает думать об идеях, выдвинутых им. Вскоре Шварцшильд скончался от полученных ран.
Другой немецкий ученый, астроном Эрвин Фройндлих, летом 1914 года со своей научной группой в Крыму наблюдал за солнечным затмением в попытках зафиксировать изменения гравитационного эффекта нашего светила.
Но сразу после начала войны они были арестованы, и астрономические приборы у них изъяли – наблюдения остались незавершенными. Позже, через пять лет после окончания войны, британский астроном Артур Эдингтон на острове Principle смог четко зафиксировать отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения. Это полностью подтвердило предсказания общей теории относительности.
Тут необходимо вернуться немного назад. В конце 1915 года астрономы четко зафиксировали аномальные отклонения в орбите Меркурия, что, пожалуй, является первым наглядным подтверждением правоты ОТО. Именно эти отклонения в перигелии Меркурия сильно вдохновили Эйнштейна и дали толчок к немедленной публикации его знаменитой статьи. Обо всем этом подробно пишет в своем научном обзоре Эмили Коновер. Далее она называет в качестве «красных дат» подтверждение ОТО еще четырех важных астрономических наблюдений.
В 1935 году молодой индийский физик Субраманьян Чандрасекхар, изучая в Лондоне соотношение между уравнениями квантовой механики и общей теорией относительности, пришел к выводу, что крупные, массивные звезды отличаются нестабильностью и к концу жизни превращаются в необычные объекты – черные дыры.
Впрочем, сам термин «черные дыры» будет предложен значительно позже, после публикации оригинальных теоретических работ выдающегося индийского физика, удостоенного в 1983 году Нобелевской премии.
В 1936 году Альберт Эйнштейн совместно с профессором Натаном Розеном направил в журнал Physical Review статью под интригующим названием «Существуют ли гравитационные волны?». Их окончательный ответ был – нет. В это время как раз в научных журналах начали практиковать внутренние закрытые рецензии. Когда Эйнштейн узнал, что их статья получила критическую оценку, он немедленно отозвал ее и направил в другой журнал, но уже под другим заголовком «О гравитационных волнах», где авторы пришли к противоположным выводам и почти однозначно заявили о возможности существования гравитационных волн. Небезынтересно, пишет обозреватель Science, что Эйнштейн больше никогда не направлял свои статьи в Physical Review.
Тут любопытно отметить, что свою первую статью в журнале Science Альберт Эйнштейн опубликовал 2 января 1920 года.
В ней он в научно-популярной форме излагал свою ОТО в связи с предстоящим пятилетием первой публикации. Позже в Science появились десятки статей Эйнштейна.
ОТО становится ближе
Милестон, 1974 год. Наблюдая в Пуэрто-Риканской обсерватории за поведением нейтронной звезды PSR B1913+16, американские астрофизики Джозеф Тейлор и Рассел Хюлз обнаружили странное явление: импульсы сигналов, приходящие от упомянутой звезды в радиоволновом диапазоне, как правило, через 59 миллисекунд, иногда стали показывать другую периодичность – на десятки миллисекунд больше или меньше. Потом ученым удалось выяснить, что нейтронная звезда, вращающаяся вокруг другой, как бы меняет периодичность своих сигналов в зависимости от траектории движения – в направлении Земли или от нее. Это, по существу, подтверждение ОТО Эйнштейна о том, что нейтронные звезды теряют энергию, испуская гравитационные волны.
Значительно позже, в 80-х годах прошлого века, ученое сообщество пришло к выводу о том, что подобные пары нейтронных звезд рано или поздно, через несколько сотен миллионов лет, столкнутся между собой, испуская гравитационные волны огромной энергии.
Тейлор и Хюлз в 1993 году стали лауреатами Нобелевской премии по физике.
Создание GPS (Global Positioning System – система глобального позиционирования) было бы совершенно невозможным без учета одного из главных параметров ОТО – «растяжения времени». Именно для этих целей NASA запустила в 1977 году специальный спутник, где были установлены особо точные цезиевые часы для синхронизации временных параметров прохождения электромагнитных волн от спутниковых установок GPS до ваших мобильных телефонов. Такое уточнение относительного значения времени, как это предполагает ОТО, способствует точному вычислению местонахождения получателя сигналов от GPS. Дело в том, что часы на спутниках GPS на несколько десятков миллисекунд опережают время у навигаторов, находящихся на Земле. Если не учитывать этот параметр ОТО, то вся система навигации GPS становится абсолютно бесполезной.
Профессор Принстонского университета Дэвид Шпергел посвятил свою статью «Темная сторона космологии» рассмотрению сквозь призму ОТО сущности темной материи и темной энергии.
По мнению автора, стандартная космическая модель (СКМ) – довольно простая теория, состоящая всего из шести параметров, а именно: возраст Вселенной, плотность атомов, плотность материи Вселенной, амплитуда первоначальной флуктуации, зависимость космических структур от упомянутой флуктуации и эпоха формирования первых звезд.
На первый взгляд СКМ выглядит как весьма понятная простейшая модель. В то же время это довольно странная модель. Прежде всего речь идет о темной материи, состоящей из абсолютно неизвестных для науки частиц, а также о темной энергии, составляющей большую часть энергии Вселенной. Экспериментальное подтверждение существования темной материи и темной энергии, безусловно, потребует пересмотра стандартной модели современной физики, а возможно, даже опровержения общей теории относительности в крупных космических масштабах. Именно это направление научных исследований приобретает фундаментальное значение в XXI веке, заключает профессор Шпергел.
Профессор Р.
Д. Бландфорд в своей статье отмечает, что через 100 лет после своего появления на научном небосклоне ОТО утвердилась как самая успешная концептуальная физическая теория, прошедшая огромное число экспериментальных тестов и наблюдений, а главное, находит надежное применение для исследований широкого спектра космических феноменов. ОТО приобретает особое значение для понимания сущности черных дыр и нейтронных звезд – источников мощных, порой драматически громадных космических процессов. Поэтому ОТО, по оценке профессора Бландфорда, остается важной сферой изучения и применения и на последующее столетие.
Профессор Мишель Янссен из Университета Миннесоты (США) в своей статье «Beyond General relativity» («За пределами теории относительности») акцентирует внимание читателей на том, что последние 30 лет своей жизни Альберт Эйнштейн посвятил методологическим задачам науки и попыткам решения эпической задачи – унификации всех природных сил, утверждению теории Великого объединения.
Однако ему не удалось здесь добиться полного успеха, и эта задача до сих остается нерешенной.
Небезынтересно, что Эйнштейн, объединивший понятия пространства и времени, пришел к такому эпохальному выводу через глубокое изучение природы гравитации! Поиски и изучение гравитационных волн в последние 15–20 лет стали весьма интригующим направлением современной космологии. Эти эксперименты требуют объединения усилий многих коллективов ученых, финансовых и новых технологических ресурсов.
Вот что пишет об этом профессор Даниел Крери в статье под «темным» названием Dark lab («Темная лаборатория»). Большая команда американских и европейских астрофизиков, базирующихся в нескольких научных центрах, с привлечением ресурсов полдюжины обсерваторий, расположенных в Чили, Мексике, США, на Южном полюсе, а также в Северной и Южной Европе, где будут установлены новейшие сверхчувствительные детекторы, намерены в ближайшие три-четыре года решить сверхамбициозную задачу – проверку действия законов ОТО в центре нашей Галактики.
Астрофизики, изучая импульсы излучения, исходящие из центра Млечного Пути в миллиметровом радиодиапазоне, высказали предположение, что в самом центре нашей Галактики находится супермассивная черная дыра, масса которой в 4 млн раз превышает массу Солнца! Стало быть, там находится область космического пространства с самым мощным гравитационным полем. Но проблема в том, что для интенсивных наблюдений это пространство под названием Sagittarius A (Sgr. A) почти недоступно из-за «ослепляющих» лучей нескольких квазаров, особенно S2.
Астрономы предполагают, что к 2018 году звезда S2 пройдет на самом близком расстоянии от упомянутой черной дыры. Это позволит зафиксировать тень супермассивной черной дыры, тем самым зафиксировать ее основные параметры, а главное, как раз это может подтвердить или опровергнуть общую теорию относительности в таких супермасштабах.
Вся надежда на LIGO
Сверхчувствительные детекторы LIGO в ближайшие годы смогут раскрыть тайны гравитационных волн, пишет Science.
После нескольких десятков лет усилий американские ученые близки к раскрытию тайн гравитационных волн, предсказанных Альбертом Эйнштейном. В частности, этому может помочь фиксация мощных сигналов в процессе слияния двух нейтронных звезд или образования новой черной дыры. Для этих целей в двух научных центрах США – в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хафорде (штат Вашингтон) – завершается установка сверхчувствительных лазерных интерферометров LIGO, способных зарегистрировать и интерпретировать сигналы гравитационных волн. Если такое произойдет, то тем самым будет подтвержден основной принцип ОТО. Что в конечном счете откроет новые возможности в познании космоса.
Спецвыпуск Science завершается публикацией, подготовленной командой знаменитого космического телескопа Хаббл – коллектива ученых из 30 человек под сложным названием «Multiple images of highly magnified supernova formed an early-type cluster galaxy lens». Не будем утомлять наших читателей попыткой точного перевода заголовка этой весьма сложной по научным параметрам статьи.
Кратко вот о чем идет речь.
Уже в далеком 1964 году астрофизик Рефедал высказал предположение о том, что лучи сверхновой звезды, проходящие через мощное гравитационное поле, могут быть использованы для измерения темпов расширения Вселенной. Упомянутая статья в Science как раз является подтверждением этой давней гипотезы. Телескоп Хаббл зафиксировал четыре изображения одной сверхновой, составляющих по форме так называемую конфигурацию Einstain cross («Крест Эйнштейна») вокруг эллиптической галактики в кластере Macsj1149,6 + 2223.
Гравитационный потенциал кластера создает также множественные имиджи другой спиральной сверхновой звезды из соседней галактики. Причем эта суперновая вновь может появиться в другом кластере через определенное время. Все это как раз свидетельствует о темпах расширения Вселенной, о распределении материи в Галактике и замедлении времени в гравитационном поле.
Тут необходимо подчеркнуть, что появление упомянутой статьи в Science, по существу, стало главной астрономической сенсацией начала 2015 года.
Причем мировые СМИ дали этому явлению примерно такую интерпретацию. Космический телескоп Хаббл зарегистрировал нейтронную звезду, которая появилась 9 млрд лет тому назад из точечной сингулярности бесконечно большой плотности. Как известно, сингулярности непредсказуемы, поскольку там нарушаются все известные нам физические законы, кстати и ОТО тоже там не действует.
Как бы то ни было, Хаббл зарегистрировал упомянутые четыре пересекающихся имиджа лучевой линзы, «запущенной» в свое время – 5 млрд лет тому назад – в сторону нашей Галактики. И все это прекрасно «очертило» феномен Креста Эйнштейна, что, по существу, является прекрасным историко-пространственным подтверждением общей теории относительности…
Как будто кто-то специально старался приурочить это событие к 100-летию уникально успешной теории Альберта Эйнштейна.
относительность | Определение, уравнения и факты
инвариантность скорости света
Смотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Альберт Эйнштейн
Анри Пуанкаре
Бернхард Риманн
Артур Эддингтон
Герман Вейль
- Похожие темы:
- замедление времени
парадокс близнецов
специальная теория относительности
общая теория относительности
гравитационное красное смещение
Просмотреть весь соответствующий контент →
Резюме
Прочтите краткий обзор этой темы
относительность , обширные физические теории, созданные физиком немецкого происхождения Альбертом Эйнштейном.
Своими теориями специальной теории относительности (1905 г.) и общей теории относительности (1915 г.) Эйнштейн опроверг многие предположения, лежащие в основе более ранних физических теорий, переопределив в процессе фундаментальные концепции пространства, времени, материи, энергии и гравитации. Наряду с квантовой механикой теория относительности занимает центральное место в современной физике. В частности, теория относительности обеспечивает основу для понимания космических процессов и геометрии самой Вселенной.
E = mc 2
Посмотреть все видео к этой статье друг друга так, что наблюдатель не может с помощью чисто механических экспериментов отличить одно от другого. Начав с поведения света (и всех других электромагнитных излучений), специальная теория относительности делает выводы, противоречащие повседневному опыту, но полностью подтверждаемые экспериментами. Специальная теория относительности показала, что скорость света — это предел, к которому может приблизиться, но не достичь любой материальный объект; это происхождение самого известного уравнения в науке, E = м c 2 ; и это привело к другим мучительным последствиям, таким как «парадокс близнецов».
«Общая теория относительности» занимается гравитацией, одной из фундаментальных сил Вселенной. (Другими являются электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.) Гравитация определяет макроскопическое поведение, поэтому общая теория относительности описывает крупномасштабные физические явления, такие как динамика планет, рождение и смерть звезд, черных дыр и эволюция Вселенная.
Специальная и общая теория относительности оказали глубокое влияние на физическую науку и на существование человечества, особенно в области применения ядерной энергии и ядерного оружия. Кроме того, относительность и ее переосмысление фундаментальных категорий пространства и времени послужили основой для определенных философских, социальных и художественных интерпретаций, которые по-разному повлияли на человеческую культуру.
Тест «Британника»
Физика и законы природы
Какая сила замедляет движение? Каждому действию есть равное и противоположное что? В этом викторине по физике нет ничего, что E = mc было бы квадратным.
Космология до теории относительности
Механическая вселенная
Теория относительности изменила научную концепцию Вселенной, которая началась с попыток понять динамическое поведение материи. В эпоху Возрождения великий итальянский физик Галилео Галилей вышел за рамки философии Аристотеля и представил современное изучение механики, которое требует количественных измерений тел, движущихся в пространстве и времени. Его работа и работы других привели к основным понятиям, таким как скорость, которая представляет собой расстояние, которое тело проходит в заданном направлении в единицу времени; ускорение, скорость изменения скорости; масса, количество вещества в теле; и сила, толчок или тяга к телу.
Следующий важный шаг произошел в конце 17 века, когда гениальный британский ученый Исаак Ньютон сформулировал свои три знаменитых закона движения, первый и второй из которых представляют особый интерес в теории относительности. Первый закон Ньютона, известный как закон инерции, гласит, что тело, на которое не действуют внешние силы, не испытывает никакого ускорения — либо остается в покое, либо продолжает двигаться прямолинейно с постоянной скоростью.
Второй закон Ньютона гласит, что сила, приложенная к телу, изменяет его скорость, вызывая ускорение, пропорциональное силе и обратно пропорциональное массе тела. При построении своей системы Ньютон также определил пространство и время, приняв и то, и другое за абсолюты, не подверженные влиянию чего-либо внешнего. Время, писал он, «течет равномерно», а пространство «всегда остается одинаковым и неподвижным».
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас
Законы Ньютона доказали свою применимость во всех приложениях, например, при расчете поведения падающих тел, но они также послужили основой для его выдающегося закона всемирного тяготения (термин, происходящий от латинского gravis , или «тяжелый», использовался по крайней мере с 16 века). Начав с наблюдения (возможно, мифического) падающего яблока, а затем рассматривая Луну, вращающуюся вокруг Земли, Ньютон пришел к выводу, что между Солнцем и его планетами действует невидимая сила.
Он сформулировал сравнительно простое математическое выражение для силы тяготения; в нем говорится, что каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой, действующей через пустое пространство и зависящей от массы объектов и расстояния между ними.
Закон всемирного тяготения блестяще объяснил механизм кеплеровских законов движения планет, которые немецкий астроном Иоганн Кеплер сформулировал в начале XVII века. Механика Ньютона и закон всемирного тяготения вместе с его предположениями о природе пространства и времени казались полностью успешными в объяснении динамики Вселенной, от движения на Земле до космических событий.
Однако этот успех в объяснении явлений природы подвергся проверке с неожиданной стороны — поведения света, чья неосязаемая природа веками озадачивала философов и ученых. В 1865 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что свет представляет собой электромагнитную волну с колеблющимися электрическими и магнитными компонентами.
Уравнения Максвелла предсказывали, что электромагнитные волны будут распространяться в пустом пространстве со скоростью почти точно 3 × 10 8 метра в секунду (186 000 миль в секунду) — т. е. согласно измеренной скорости света. Эксперименты вскоре подтвердили электромагнитную природу света и установили его скорость как фундаментальный параметр Вселенной.
Замечательный результат Максвелла ответил на давние вопросы о свете, но поднял еще один фундаментальный вопрос: если свет — это движущаяся волна, какая среда поддерживает ее? Океанские волны и звуковые волны состоят из поступательного колебательного движения молекул воды и атмосферных газов соответственно. Но что вибрирует, создавая движущуюся световую волну? Или, другими словами, как энергия, воплощенная в свете, перемещается из точки в точку?
Для Максвелла и других ученых того времени ответ заключался в том, что свет распространяется в гипотетической среде, называемой эфиром (aether). Предположительно, эта среда пронизывала все пространство, не препятствуя движению планет и звезд; однако он должен был быть более жестким, чем сталь, чтобы световые волны могли проходить через него с высокой скоростью, подобно тому, как натянутая гитарная струна поддерживает быстрые механические вибрации.
Несмотря на это противоречие, идея эфира казалась существенной, пока окончательный эксперимент не опроверг ее.
В 1887 году американский физик немецкого происхождения А.А. Майкельсон и американский химик Эдвард Морли провели исключительно точные измерения, чтобы определить, как движение Земли в эфире влияет на измеренную скорость света. В классической механике движение Земли прибавляло бы или вычитало из измеренной скорости световых волн точно так же, как скорость корабля прибавляла бы или вычитала из скорости океанских волн, измеренной от корабля. Но эксперимент Майкельсона-Морли дал неожиданный результат, поскольку измеренная скорость света оставалась неизменной независимо от движения Земли. Это могло означать только то, что эфир не имел смысла и что поведение света не могло быть объяснено классической физикой. Вместо этого объяснение возникло из специальной теории относительности Эйнштейна.
Общая теория относительности | New Scientist
Теория Эйнштейна о том, как гравитация искривляет пространство и время
vchal/Getty Images
Общая теория относительности Эйнштейна может быть резюмирована всего 12 словами: «Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя сообщает пространству-времени, как искривляться».
Но за этим кратким описанием от физика Джона Уилера скрывается более сложная и глубокая правда. Помимо квантовой теории, общая теория относительности является одним из двух столпов современной физики — нашей рабочей теории гравитации и очень больших планет, галактик и Вселенной в целом. Это расширение специальной теории относительности Эйнштейна, но такое масштабное, что ему потребовалось 10 лет, с 1905 по 1915, чтобы добраться от одного до другого.
Специальная теория относительности говорит нам, что движение искажает пространство и время. Главный переворот Эйнштейна с общей теорией относительности состоял в том, чтобы объединить это с принципом, отмеченным более чем тремя веками ранее Галилеем: падающие объекты ускоряются с одинаковой скоростью независимо от их массы. Известно, что перо и молот, сброшенные с Пизанской башни, упадут на землю одновременно, если вы пренебрегаете сопротивлением воздуха. (Во время посадки на Луну Аполлона-15 в 1971, астронавт Дэвид Скотт подтвердил этот принцип на безвоздушной Луне.
)
Вслед за Галилеем Исаак Ньютон показал, что это может быть правдой, только если имеет место странное совпадение: инерционная масса, количественно определяющая сопротивление тела ускорению, всегда должна равняться гравитационной массе. , который количественно определяет реакцию тела на гравитацию. Нет очевидной причины, по которой это должно быть так, однако ни один эксперимент никогда не различал эти две величины.
Реклама
Точно так же, как он использовал постоянную скорость света для построения специальной теории относительности, Эйнштейн объявил это принципом природы: принципом эквивалентности. Вооружившись этим и новой концепцией пространства и времени как переплетения «пространство-время», вы можете построить картину, в которой гравитация — это всего лишь форма ускорения. Массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, заставляя вещи двигаться к ним с ускорением.
Это объясняет, почему мы чувствуем тягу вниз к Земле и почему Земля вращается вокруг Солнца.
Хотя гравитация доминирует в больших космических масштабах и вблизи очень больших масс, таких как планеты или звезды, на самом деле она является самой слабой из четырех известных сил природы — и единственной, не объясняемой квантовой теорией.
Пройдите наш онлайн-курс по общей теории относительности под руководством экспертов, чтобы узнать больше об основополагающей идее Эйнштейна. Две теории обычно работают в очень разных масштабах, так что это не большая проблема. Но это мешает нам понять, что произошло в самые ранние моменты Большого взрыва, например, когда Вселенная была очень маленькой, а гравитация была очень сильной. А в другой ситуации, когда они сталкиваются — на горизонте событий черной дыры — возникают неразрешимые парадоксы.
Большая надежда состоит в том, что некая «теория всего» может однажды объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, хотя такие попытки, как теория струн и петлевая квантовая гравитация, до сих пор не дали результатов.