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

Содержание

Что такое Общая теория относительности Эйнштейна?

Общая теория относительности является основным строительным блоком современной физики. Она объясняет гравитацию, основываясь на способности пространства «изгибаться», или, говоря точнее, связывает силу тяжести с изменяющейся геометрией пространства-времени. Альберт Эйнштейн основал «Общую» теорию относительности (ОТО) в 1915 году, через десять лет после создания «специальной» теории, применив универсальную скорость света и предположив, что законы физики остаются неизменными в любой данной системе отсчета. Но так ли сложна ОТО, как может показаться на первый взгляд?

Общая теория относительности – геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности

Общую теорию относительности Эйнштейна можно выразить всего в 12 словах:«пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как изгибаться». Но это краткое описание, сделанное физиком Джоном Уилером, скрывает более сложную и глубокую истину. Помимо квантовой теории, общая теория относительности является одним из двух столпов современной физики – нашей рабочей теории гравитации и очень большой теории планет, галактик и Вселенной в целом. Она является продолжением специальной теории относительности Эйнштейна – но настолько массивной, что ему потребовалось 10 лет, с 1905 по 1915 год, чтобы перейти от одной к другой.

Как пишет New Scientist, согласно специальной теории относительности (СТО) движение искривляет пространство и время. ОТО Эйнштейна объединила ее с принципом, отмеченным Галилеем более трех столетий назад: падающие объекты ускоряются с одинаковой скоростью независимо от их массы.

Перо и молоток, упавшие с падающей Пизанской башни, ударятся о землю одновременно, если вы не учитываете сопротивление воздуха.

Вслед за Галилеем Исаак Ньютон показал, что это может быть верно только в том случае, если присутствует странное совпадение: инерционная масса, которая количественно определяет сопротивление тела ускорению, всегда должна быть равна гравитационной массе, которая количественно определяет реакцию тела на гравитацию. Нет никакой очевидной причины, почему это должно быть так, но ни один эксперимент никогда не разделял эти две величины.

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 переплетенного «пространства-времени», вы можете построить картину, в которой гравитация является лишь формой ускорения.

Массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, заставляя предметы ускоряться по направлению к ним.

Хотя гравитация доминирует в больших космических масштабах и вблизи очень больших масс, таких как планеты или звезды, она на самом деле является самой слабой из четырех известных сил природы – и единственной, не объясненной квантовой теорией. Квантовая теория и общая теория относительности применяются в разных масштабах. Это мешает понять, что происходило в самые ранние моменты Большого взрыва, например, когда Вселенная была очень маленькой, а сила гравитации огромна. В другой ситуации, когда эти силы сталкиваются у горизонта событий черной дыры, возникают неразрешимые парадоксы.

Например, квантовая механика имеет способы принимать во внимание такие понятия, как бесконечность, но если мы попытаемся сделать то же самое с общей теорией относительности, математика порождает предсказания, которые не имеют смысла.

Некоторые физики возлагают надежду на то, что однажды некая «теория всего» сможет объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, хотя такие попытки, как теория струн и теория петлевой квантовой гравитации, до сих пор не принесли никаких результатов. Между тем ОТО Эйнштейна предсказала, что очень плотные скопления массы могут исказить пространство-время настолько, что даже свет не сможет вырваться из него. Теперь мы называем эти объекты «черными дырами», можем фотографировать «горизонт событий», который окружает этих космических монстров, и практически убеждены, что в центре каждой массивной галактики вращается сверхмассивная черная дыра.

Математические уравнения общей теории относительности Эйнштейна, проверенные снова и снова, в настоящее время являются наиболее точным способом предсказания гравитационных взаимодействий, заменив разработанные Исааком Ньютоном за несколько столетий до этого.

Еще больше интересных статей о том, как устроена Вселенная вокруг нас, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Подписка позволяет читать статьи, которых нет на сайте.

Но, возможно, самый большой триумф общей теории относительности наступил в 2015 году, когда были открыты гравитационные волны – рябь в пространстве-времени, вызванная движением очень массивных объектов. Сигнал о том, что две черные дыры соединились и слились воедино, стал триумфом кропотливой, терпеливой работы, проделанной международной командой исследователей лабораторий LIGO VIRGO. Подробнее о том, как эксперты ищут гравитационные волны сегодня, читайте в увлекательном материале Ильи Хеля. Так или иначе, разработка квантово-физической «версии» общей теории относительности остается постоянной целью современной физики.

Квантовая физикаОбщая теория относительности

Для отправки комментария вы должны или

Общая теория относительности — что это такое, основные положения, открытия, доказательства, опровержения

Наряду со специальной теорией относительности, общая теория относительности является гениальным трудом Альберта Эйнштейна, который в начале 20 века перевернул взгляд физиков на мир. Спустя сто лет ОТО является основной и важнейшей теорией физики в мире, и вместе с квантовой механикой претендует на один из двух краеугольных камней «теории всего».

Общая теория относительности описывает гравитацию как следствие искривления пространства-времени (объединенного в ОТО в одно целое) под действием массы. Благодаря ОТО ученые вывели множество констант, проверили кучу необъяснимых явлений и придумали такие вещи, как черные дыры, темная материя и темная энергия, расширение Вселенной, Большой Взрыв и многое другое. Также ОТО наложила вето на превышение скорости света, тем самым буквально заточив нас в наших окрестностях (Солнечной системы), но оставила лазейку в виде червоточин — коротких возможных путей через пространство-время.

Самое обсуждаемое по теме Общая теория относительности

Труды Альберта Эйнштейна позволили человечеству познать Вселенную. Его Общая теория относительности (ОТО), разработанная в 1915 году, является строительным блоком современной физики – она объясняет гравитацию, основываясь на способности пространства «изгибаться», или, выражаясь точнее, связывает силу тяжести с изменяющейся геометрией пространства-времени. Интересно, что всего четыре года спустя после публикации ОТО, наблюдение за звездами в момент солнечного затмения показало, что массивные тела в космическом масштабе работают подобно линзам. Это открытие подтвердило правильность теории Эйнштейна. Со временем развитие технологий позволило астрономам рассматривать Вселенную буквально под микроскопом. Так, с помощью космического телескопа Hubble в 2019 году астрономам удалось сфотографировать редкое явление под названием «кольцо Эйнштейна» – далекую галактику, изображение которой раздробилось в результате гравитационного линзирования (оно превращает изображения далеких галактик в вытянутые эллипсы или даже кольца). Но самое интригующее фото последних лет, все же, принадлежит телескопу Gaia – недавно с его помощью ученым удалось запечатлеть целых 12 «колец Эйнштейна».

Классические модели физики – законы движения Ньютона и Общая теория относительности Эйнштейна предполагают, что такие свойства объекта как положение и движение являются абсолютными. Эти теории являются венцом достижений современной физики, описывающей природу изысканно, но по отдельности. ОТО имеет дело с большими знакомыми объектами и событиями Вселенной, в то время как квантовая механика охватывает невидимый и странный микромир, где две частицы, разделенные тысячами световых лет, могут мгновенно реагировать на движения друг друга. Эти два теоретических мира, определенный классический и неопределенный квантовый, работают чрезвычайно хорошо. Классический для больших массивных объектов, таких как бейсбольные мячи и планеты, и квантовый для малых легких объектов, таких как атомы и молекулы. Однако оба этих подхода рушатся, когда мы пытаемся изучать массивные, но маленькие объекты, например внутреннее устройство черных дыр или наблюдаемую Вселенную вскоре после Большого взрыва. Но почему?

Гравитация, как мы знаем сегодня, обладает способностью искривлять пространство и время. Как утверждал Эйнштейн в Общей теории относительности (ОТО), время, по мере приближения к Земле, идет медленнее. Это происходит из-за того, что гравитация большой массы, например, такой как наша планета, искривляет пространство и время вокруг нее. Этот эффект называется «эффектом замедления времени» и он проявляется даже на малых уровнях. Однако за пределами физических законов мы воспринимаем время иначе, точнее, искаженно. Так, если поместить одни часы на вершине горы, а другие оставить на пляже, то в конце-концов вы увидите, что все часы показывают разное время. Ученые впервые наблюдали эффект замедления времени в космическом масштабе, когда звезда проходила рядом с черной дырой. Затем тот же эффект был зафиксирован в меньших масштабах – исследователи использовали пару чрезвычайно точных атомных часовых механизмов, причем одни часы были расположены на 33 сантиметра выше, чем другие. Результаты показали, что время снова замедлилось на часах, расположенных ближе к Земле.

Когда кто-то говорит что-то про гравитационные волны, многим остается только недоумевать и не понимать, что это вообще такое. Если вы этого не знали, расслабьтесь — даже ученые не могут дать на это развернутый ответ. Конечно, в целом они понимают, что это такое и откуда берется, но белые пятна в этой истории все равно еще остаются. Даже то, что несколько лет назад их смогли зафиксировать, не дает развернутого ответа на вопрос, что же это такое. Все из-за того, что они появляются в далеком космосе и уже потом доходят до нас. Примечательно, что предсказал их существование еще Альберт Эйнштейн, а современные ученые только сейчас начинают подбираться к их разгадке. Понимание того, откуда они берутся и что из себя представляют, пусть и примерное, очень интересно. Попробуем рассказать об этом попроще и без лишних сложных формул.

Не зря говорят, что талантливый человек талантлив во всем. Гениальность тоже можно назвать талантом, так как это уникальная особенность человека быть умным, рассудительным и находить простое объяснение сложным вещам. Сказанное идеально подходит к Альберту Эйнштейну, который является самым известным ученым в истории науки. Он не только сформулировал сложнейшую теорию относительности, но и смог очень четко и с тонкой ноткой юмора высказаться о простых вещах. О тех вещах, которые окружают каждого из нас в повседневной жизни. От этого его личность становится более интересной, а цитаты — вечными.

Исследователи из проекта LIGO продемонстрировали, как сверхтонкая настройка приборов позволяет им раздвигать границы фундаментальных законов физики. Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаруживает гравитационные волны, возникающие в результате катастрофических событий во Вселенной, таких как слияние нейтронных звезд и черных дыр. Эти пространственно-временные колебания позволяют ученым наблюдать гравитационные эффекты в экстремальных условиях и исследовать фундаментальные вопросы о Вселенной и ее истории. Недавно ученые зарегистрировали движение массивного объекта — зеркала детектора — под действием квантовых эффектов. Но что это означает?

Астрономы впервые увидели всплеск света от столкновения двух черных дыр. Объекты встретились находясь на расстоянии 7,5 миллиардов световых лет от Земли. В момент их встречи в вихре горячей материи, вращающейся вокруг более крупной, сверхмассивной черной дыры, началось слияние. Этот водоворот называется аккреционным диском и вращается вокруг горизонта событий черной дыры – места в космосе, в котором сила гравитация настолько сильна, что даже фотоны света не могут ее покинуть. Вот почему ученые никогда не видели столкновения двух черных дыр. В отсутствие света идентифицировать такие слияния можно только обнаружив гравитационные волны – рябь в пространстве-времени, создаваемой столкновениями массивных объектов.

Альберт Эйнштейн снова оказался прав: впервые наблюдения с помощью Большого телескопа Европейской южной обсерватории (ESO) VLT показали, что звезда, которая вращается вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики, движется как предсказано общей теорией относительности (ОТО) Эйнштейна. При этом ее орбита имеет форму «розетки», а не эллипса, как предсказывает ньютоновская теория гравитации. Сверхмассивная черная дыра Стрелец А* расположена в центре Млечного Пути на расстоянии 26 тысяч световых лет от Земли и окружена горячим радиоизлучающим газовым облаком. Так как в данный момент Стрельца A* находится «в спячке» и не поглощает материю, она не выбрасывает энергию и раскаленную материю — джеты. По этой причине черная дыра не видна для большинства телескопов, а рядом с ней расположены десятки звезд и крупных облаков газа. Последние 27 лет астрономы вели наблюдения за звездой S2, так как она движется вокруг черной дыры на расстоянии менее 20 миллиардов километров. При этом S2 вращается не по круговой орбите, а процессирует — это значит что местоположение самой ближайшей к черной дыре точки меняется с каждым оборотом звезды. В результате этой траектории орбита S2 повторяет форму «розетки».

Ученые из Национального исследовательского ядерного университета “МИФИ” представили научному сообществу оригинальную теорию, согласно которой окружающая нас Вселенная может быть частью одной большой кротовой норы. Мало того, микроскопическими кротовыми дырами может быть и все то, из чего мы состоим: все нейтроны, электроны и протоны. Если теория ученых будет подтверждена, уже в самое ближайшее будущее стандартная физика может претерпеть настоящую революцию.

100 лет общей теории относительности

Барб Мэтсон
25 ноября 2015 г.
Комментарии к записи 100 лет общей теории относительности отключены

На этой неделе исполняется 100 лет общей теории относительности Эйнштейна. 25 ноября 1915 года Эйнштейн опубликовал уравнения гравитационного поля, лежащие в основе общей теории относительности.

Конечно, вы слышали об Эйнштейне — он был умным парнем. И вы, наверное, слышали об общей теории относительности, но что она означает? И, что еще более важно, почему вас это должно волновать?

Уравнения общей теории относительности Эйнштейна были впервые опубликованы 25 ноября 1915 года в Proceedings of the Royal Prussian Academy of Science. Проблемы с чтением страницы? Это на немецком! Название переводится как: «Уравнения гравитационного поля». Предоставлено: Proceedings of the Royal Prussian Academy of Sciences, Berlin

Более чем за два столетия до Эйнштейна гравитация описывалась законом всемирного тяготения Ньютона. Если вы изучали физику в средней школе, вы, вероятно, узнали об этом. Возможно, вы даже проводили эксперимент, вычисляя ускорение свободного падения падающего на Землю объекта (вы даже помните, что оно равно 90,8 м/с ² ). Оказывается, ньютоновское формирование гравитации отлично подходит для большинства практических целей здесь, на Земле.

Но в 1905 году Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности, которая показала, что пространство и время переплетаются как единая структура, которую он назвал пространство-время. Затем, в течение следующего десятилетия, он работал над тем, чтобы включить гравитацию в эту картину. Результатом стала общая теория относительности.

В своей основе общая теория относительности — это способ описать гравитацию, приписав ее искривлению пространства-времени, возникающему в присутствии массивных тел. Массивные объекты заставляют пространство-время растягиваться. Один из способов подумать об этом — представить, что между парой человек натягивается кусок ткани, а затем бросается в середину софтбольный мяч. Мяч оставит вмятину на ткани. Затем, если вы прокатите небольшой мяч по ткани, он будет казаться притянутым к софтболу, хотя на самом деле он просто следует за вмятиной на ткани. Это не полная картина того, как работают гравитация и общая теория относительности, но это хороший способ начать осваивать теорию Эйнштейна.

Массивные объекты заставляют пространство-время искривляться подобно тому, как тяжелый мяч создает углубление в растянутом куске ткани. (Фото: NASA/GSFC/J. Friedlander)

Эйнштейн понял, что традиционное гравитационное поле можно понимать как движение частиц — звезд, планет и даже света — на растянутой и искривленной поверхности пространства-времени.

Гравитацию можно рассматривать как движение частиц в искривленном пространстве-времени. Предоставлено: NASA

Хотя концепция кажется простой, формулировка общей теории относительности сложна. Одна из причин того, что общая теория относительности кажется нам такой чуждой, заключается в том, что ее эффекты незаметны с нашей точки зрения. Они вступают в игру, только если вы хотите сделать очень точные измерения гравитации, если вы путешествуете со скоростью, близкой к скорости света, или если вы оказались в области экстремальной гравитации (например, очень, очень близко к черной дыре).

Однако есть одно место, где вы сталкиваетесь с относительностью изо дня в день. Вы знаете этот смартфон в вашем кармане? Тот, который вы используете, чтобы проложить путь к новому ресторану? Или пометить свое местоположение на картинке? Это зависит от технологии GPS, которая нуждается в общей и специальной теории относительности для правильной работы.

GPS использует радиосигналы от сети спутников, вращающихся вокруг Земли на высоте 20 000 км, для точного определения местоположения приемника GPS. Точность позиционирования GPS зависит от точности измерения времени в миллиардные доли секунды. Однако для достижения такой точности синхронизации необходимо учитывать относительность.

Сеть спутников глобального позиционирования (GPS) передает радиосигналы для точного определения местоположения приемников GPS (например, вашего смартфона) на поверхности Земли. (Фото: НАСА/GSFC)

Специальная теория относительности показывает, что если мы поместим часы на спутник и сравним их записанное время с идентичными часами в нашей системе отсчета на Земле, то покажется, что часы спутника отстают. Для спутников GPS эта разница составляет около 7 микросекунд в сутки. С другой стороны, общая теория относительности показывает, что те же самые часы будут идти на 45 микросекунд в день быстрее .

Комбинированный эффект теории относительности заключается в том, что часы на спутниках идут быстрее примерно на 38 микросекунд каждый день. Это звучит как крошечная сумма — какая разница? Ну, если не учитывать эти релятивистские эффекты, ошибки будут накапливаться примерно на 10 км в день. А тот новый ресторан, который вы хотели посетить? Он не будет находиться рядом с тем местом, где, по мнению GPS, он должен быть!

ССЫЛКИ:
* Занимаемся астрономией с закрытыми глазами (гостевой блог Blueshift Айры Торп)
* Кому какое дело до гравитации? (гостевой блог Blueshift, автор Umburto Cannella)

Теги: гравитационные волны, гравитация

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 настолько масштабное, что ему потребовалось 10 лет, с 1905 по 1915 год, чтобы перейти от одного к другому.

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). , 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.

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.

Между тем общая теория относительности никогда не обнаруживала недостатка. Его предсказание о том, что очень плотные скопления массы могут искривлять пространство-время настолько сильно, что даже свет не может выйти из него, подтвердилось.

Что такое Общая теория относительности Эйнштейна?

Общая теория относительности — что это такое, основные положения, открытия, доказательства, опровержения

100 лет общей теории относительности

Общая теория относительности | New Scientist

Реклама