Содержание
В чём суть теории относительности?
В чём суть теории относительности?
Осенью 1905 года Альберт Эйнштейн публикует статью «К электродинамике движущихся тел» и навсегда меняет представление людей о пространстве и времени.
Представьте себе, что ночью, пока вы крепко спали, всё во вселенной стало в тысячу раз больше: электроны, атомы, вы сами, ваша кровать, ваш айфон, Земля, Солнце и прочие звёзды. Сможете ли вы сказать, когда проснётесь, что произошли какие-то изменения?
Подобный мысленный эксперимент провёл в XIX веке учёный-математик Анри Пуанкаре. Он сам ответил на свои вопросы — нет, нельзя. Бессмысленно говорить, что вселенная стала больше. «Больше» — это значит больше относительно чего-то другого. Это говорит о том, что размер относителен. Нельзя сказать, что какой-либо физический объект имеет какие-то абсолютные размеры.
Пуанкаре ввёл метод мысленного (или умозрительного) эксперимента. Такой эксперимент можно вообразить, но нельзя выполнить в действительности.
На протяжении статьи мы не раз будем обращаться к этому методу.
Анри Пуанкаре
Французский математик, физик, механик, астроном и философ
То же самое справедливо и в отношении времени. Один интервал времени невозможно измерить иначе, как сравнивая его с каким-либо другим временным отрезком (например, год определяется периодом вращения Земли вокруг Солнца). Время также относительно. Относительными являются понятия верх и низ, право и лево.
А что можно сказать о движении? Оно относительно или абсолютно? Существует ли какой-либо эксперимент, который бы показал, движется объект или покоится? Когда мы сидим в вагоне и нам кажется, что поезд тронулся, как узнать, движемся ли мы или движется железнодорожная станция за окном?
Такими же вопросами задавался Эйнштейн перед тем, как сформулировать свою теорию относительности. Но давайте по порядку.
До Эйнштейна
Старые абсолюты и светоносный эфир
В начале XX века, до того, как Эйнштейн представил миру свою теорию, мир жил в соответствии с законами классической механики Ньютона.
Учёные были уверены, что пространство и время абсолютны, то есть должны существовать независимо от материи. Считалось само собой разумеющимся, что одно универсальное время течёт во всём космосе.
Вся наша вселенная, — также считали учёные, — заполнена невидимым и неподвижным веществом — эфиром, который проникает во все материальные тела и в котором распространяются электромагнитные волны.
Ещё в начале XIX века французский физик Огюстен Френель предложил считать свет волновым явлением, а не движением частиц (как думал Ньютон). Чтобы возникали колебания волн, нужна была особая «упругая среда», которую и предложил учёный, назвав её «светоносным эфиром». Для всех физиков того времени наличие «среды» казалось необходимым условием распространения света и электромагнитных полей, также как воздух необходим для распространения звука.
Учёные предположили, что раз Земля движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, то это движение должно создавать «эфирный ветер», дующий навстречу Земле в промежутках между её атомами с такой же скоростью.
Чтобы обнаружить этот ветер, нужно было лишь измерить скорость, с которой свет проходит определённое расстояние на земной поверхности туда и обратно. Из-за эфирного ветра свет будет двигаться быстрее в одном направлении, чем в другом, и эта скорость будет отличаться от установленной величины ≈ 300 000 км/с (это скорость световой волны в неподвижном эфире).
Однако никакие эксперименты не могли обнаружить движение Земли относительно эфира и изменение величины скорости света.
У Эйнштейна хватило смелости предположить: мы не можем обнаружить эфир, потому что его не существует, а величина скорости света неизменна и абсолютна.
Специальная теория относительности
Два постулата и одна знаменитая формула
Диалог из советской короткометражки «Что такое теория относительности» (1964 г.):
— А кто её знает? Пять с половиной человек во всём мире.
— Пять с половиной миллионов, вы хотели сказать. Если не больше.
— Пять с половиной притворяются, что понимают.
Боятся прослыть дураками.
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою знаменитую статью «К электродинамике движущихся тел», которую впоследствии стали называть специальной теорией относительности (СТО). Новая теория базировалась на двух постулатах (принципах):
Принцип относительности Эйнштейна
Не существует способа, чтобы установить, находится ли тело в состоянии покоя или равномерного движения относительно неподвижного пространства.
Принцип постоянства скорости света
Независимо от движения своего источника свет всегда движется через пустое пространство с одной и той же постоянной скоростью ≈ 300 000 км/с.
Чтобы понять, в чём смысл первого постулата, представьте два космических корабля, которые движутся навстречу друг другу с постоянной скоростью. В космосе нет ничего, что могло бы стать системой отсчёта. В каждом корабле находится по космонавту. Может ли каждый из космонавтов с абсолютной уверенностью утверждать, что движется только его корабль, либо движется только второй корабль, либо оба корабля находятся в движении?
Нет, отвечает Эйнштейн, не может.
Говорить об абсолютном движении любого из кораблей — значит говорить о чём-то не имеющим смысла. Реально только одно: относительное движение, в результате которого корабли сближаются с постоянной скоростью.
Чтобы понять суть второго постулата и глубже понять суть первого, проведём два мысленных эксперимента.
Мысленный эксперимент № 1
Представьте, что вы находитесь в поезде, который движется с постоянной скоростью 80 км/ч. Вы решили прогуляться до вагона-ресторана и поэтому идёте по ходу движения поезда со скоростью 5 км/ч. Итак, с какой же скоростью вы движетесь на самом деле?
По отношению к поезду вы движетесь со скоростью 5 км/ч. Но с какой скоростью вы будете передвигаться с точки зрения наблюдателя на платформе, мимо которой проезжает поезд? Этот вопрос решается простым сложением вашей скорости и скорости поезда: 85 км/ч.
Так с какой же скоростью вы двигаетесь на самом деле? Такой вопрос является бессмысленным, если не уточняется система отсчёта.
Вывод: всякое прямолинейное равномерное движение относительно.
Мысленный эксперимент № 2
Теперь представьте движущийся поезд, на крыше которого установлен излучатель света. Как мы знаем, скорость света ≈ 300 000 км/с. То есть по отношению к поезду скорость светового луча будет приблизительно равной 300 000 км/с. Но с какой скоростью будет двигаться свет по отношению к тому же наблюдателю на платформе? Казалось бы, мы должны прибегнуть к той же самой формуле сложения скоростей. Однако Эйнштейн заявляет (а многочисленные эксперименты доказывают), что и по отношению к поезду, и по отношению к наблюдателю на платформе скорость остаётся приблизительно равной 300 000 км/с.
Вывод: Скорость света абсолютна и ≈ 300 000 км/с вне зависимости от выбора системы отсчёта (или скорости движения наблюдателя).
У СТО есть несколько интересных следствий, самое захватывающее из которых — относительность времени. Чтобы проиллюстрировать это следствие, давайте проведём ещё один мысленный эксперимент.
Мысленный эксперимент № 3
Представьте, что в вагоне движущегося поезда есть два выхода, двери на них автоматические, равноудалены от центра и открываются по световому сигналу.
Свет зажигается ровно посередине вагона. Вопрос: какая из дверей откроется раньше?
Они откроются одновременно, скажете вы. Ведь свет пройдёт в обоих направлениях одинаковое расстояние с одинаковой скоростью (≈ 300 000 км/с).
Но это если наблюдатель находится в поезде. А что увидит человек, стоящий на платформе, мимо которой едет поезд? Для него задняя дверь вагона идёт навстречу сигналу и откроется раньше, а передняя (она уходит от луча) — позже. То есть для него эти события уже не будут одновременными.
Вывод: измерение времени зависит от относительного движения объекта и наблюдателя.
Утверждая это, Эйнштейн отказывается от понятия универсального космического времени. Имеются, говорил он, только местные времена. На Земле, например, каждый летит в пространстве с одной и той же скоростью, следовательно, все часы показывают одно и то же «земное время».
E = mc2 или ещё одно следствие СТО
Ещё одним важным следствием СТО является эквивалентность массы и энергии: при определённых условиях энергия переходит в массу, а при некоторых других условиях масса переходит в энергию.
Когда энергия сообщается чайнику путём нагревания (при этом ускоряются его молекулы), содержимое чайника действительно весит немного больше, чем прежде. Когда чайник остывает, его масса уменьшается.
Это увеличение и уменьшение массы бесконечно малы, и ими можно пренебречь (в обычных физических расчётах). Однако это превращение массы в энергию совсем не ничтожно, когда взрывается водородная бомба. Взрыв бомбы — это мгновенное превращение в энергию части массы материала бомбы. Формулу, выражающую соотношение между массой и энергией, знает любой школьник:
E = mc2
где Е — энергия; m — масса; с2 — квадрат скорости света.
Эйнштейн получил это выражение из своей специальной теории относительности. Из этой формулы видно, что чрезвычайно малое количество массы способно освободить чудовищное количество энергии.
Взрыв водородной бомбы — это мгновенное превращение в энергию части массы материала бомбы.
Общая теория относительности
Кое-что о гравитации и пространственно-временном континууме
Общая теория относительности была опубликована Эйнштейном в 1915 году.
После того, как в 1919 году она была экспериментально подтверждена и признана учёным сообществом, лондонская газета Times напечатала статью под заголовком: «Революция в науке. Новая теория Вселенной. Идеи Ньютона отвергнуты».
Так что же революционного было в новой теории Эйнштейна?
Общую теорию относительности (ОТО) стало возможно применять не только к телам, движущихся равномерно и прямолинейно, но и к ускоряющимся объектам. Таким образом, ОТО включила в себя специальную теорию как частный случай. Самое важное — она дала новую интерпретацию гравитации.
ОТО сделала наш мир четырёхмерным: к трём пространственным (длина, высота, ширина) измерениям добавилось время. В трёхмерном мире мы можем говорить о пространственном расстоянии между двумя объектами. В четырёхмерном мире речь идёт уже о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удалённость друг от друга — как по времени, так и в пространстве (да, это сложно понять, а тем более представить!).
Все четыре измерения неразрывны и составляют четырёхмерный пространственно-временной континуум или пространство-время.
Как же Эйнштейн интерпретирует гравитацию в этом четырёхмерном пространстве-времени?
Закон всемирного тяготения Ньютона говорит о том, что между любыми двумя телами во вселенной существует сила взаимного притяжения. Например, Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения или гравитационные силы.
Что по этому поводу говорит ОТО?
Согласно теории Эйнштейна, гравитация — это следствие деформации упругой ткани пространства-времени под воздействием массы объекта. Чем тяжелее объект, тем сильнее искривляется пространство-время под ним и тем, соответственно, сильнее его гравитационное поле.
За счёт своей массы Земля искривляет пространство-время под собой. Из-за этого искривления Луна «вынуждена» двигаться по определённой траектории вокруг нашей планеты.
Представьте себе туго натянутое полотно, в центр которого помещён апельсин.
Полотно деформируется под тяжестью апельсина, и вокруг него образуется впадина в форме воронки. Если на полотно поместить маленький мраморный шарик, траектория его движения будет идти вокруг апельсина, постепенно спускаясь вниз по воронке. Апельсин не притягивает шарик. Он создаёт поле (впадину) такой структуры, что шарик, выбирая путь наименьшего сопротивления, скатывается к нему.
Точно так же Луна движется вокруг Земли: траектория движения нашего спутника задаётся искривлением пространства-времени под массивной планетой.
Масса Юпитера настолько велика, что планета создаёт мощное гравитационное поле или искривление пространства-времени под собой. Благодаря этому искривлению многочисленные астероиды «вынуждены» следовать по определенным орбитам вблизи орбиты самого Юпитера. Таким образом Юпитер не даёт астероидам вторгнуться в область орбит соседних планет.
Многие современные учёные считают, что именно этот феномен защищает нашу планету от метеоритного апокалипсиса.
Давайте резюмируем.
Специальная теория относительности (СТО) рассматривает механику движения тел в пустом (не искривленном) пространстве-времени. В этой теории Эйнштейн ввёл два постулата. Один из них говорит о том, что не существует способа, чтобы установить, находится ли тело в состоянии покоя или равномерного движения. Второй постулат утверждает, что скорость света одинакова для любого наблюдателя во вселенной. Общая теория относительности (ОТО) изучает явления гравитации и искривление пространства-времени объектами, обладающими массой.
ОТО предсказала существование чёрных дыр — невероятно массивных космических объектов.
Художники фильма «Интерстеллар» предположили, как может выглядеть чёрная дыра для космонавтов, наблюдающих её невооружённым глазом.
Теория относительности помогла людям понять, как небольшая масса вещества может переходить в огромное количество энергии и какие законы управляют чёрными дырами.
Однако у теории Эйнштейна есть следствие, не такое пугающее, как существование чёрных дыр, и не такое опасное, как водородная бомба, — а вполне мирное и сугубо прикладное.
Речь о спутниковой системе навигации (GPS, ГЛОНАСС), которая позволяет самолётам ориентироваться в пространстве, такси объезжать городские пробки, а нам «привязать» фотографии в Facebook к месту, где они были сделаны.
Несмотря на всю красоту, логичность и экспериментальную подтверждённость, теория относительности пока не согласована с другой значимой теорией XX века — квантовой механикой. Самый большой вызов для современных физиков — объединить две теории в единую теорию квантовой гравитации, которая в итоге приведёт нас к возможности описать все известные фундаментальные взаимодействия или к «теории всего».
Акай Муртазаев: «Оставьте Эйнштейна в покое!»
Он поясняет: пока труд Муртузалиева не опубликован, не обсужден и не признан специалистами, говорить о его влиянии на доселе неопровержимую теорию величайшего ученого явно преждевременно. Так как Муртузалиев не представил содержание своей «всеобщей единой теории», остановимся лишь на тех вопросах, которые касаются критики теории относительности Эйнштейна.
– Теорию относительности Эйнштейна кто только не пытался опровергнуть или подвергнуть сомнению ее постулаты, но до сих пор этого никому не удалось сделать, – говорит Муртазаев. – Нужно учитывать еще и то, что всё же вопросами оспаривания в данном случае должны заниматься специалисты, люди, в чьей компетенции сомневаться не приходится. В данном случае физики или математики профессионалы. Дилетантам лучше теорию относительности оставить в покое!
К примеру, в интервью Муртузали Магомедович утверждает, что более 60 лет ученые мира не могут найти однозначное физическое объяснение так называемому неоднородному псевдоожижению (проблема «кипящего слоя»), что не соответствует действительности. Этот процесс давно и хорошо изучен, широко используется на практике, например при производстве полиэтилена низкого давления, при обогащении минерального сырья и т. д. Чтобы простыми словами пояснить этот процесс, достаточно привести в качестве примера действие аппарата по производству всем известного попкорна, созданного как раз на основе использования того же эффекта.
Только замечу, что этот вопрос никакого отношения к теории относительности не имеет в принципе.
Говоря о противоречиях в теории Эйнштейна, на которые сослался предыдущий собеседник «ДП», Муртазаев подчеркивает: ни одного противоречия в ней нет. Теория относительности построена на простых и многократно проверенных на практике аксиомах. Выводы и следствия из теории работают. Десятки эффектов, явлений, закономерностей и приборов, основанных на вытекающих из теории относительности положениях, используются в повседневной жизни, и мы их наблюдаем воочию.
– Тем не менее, кажущиеся противоречия могут возникнуть у людей, не разбирающихся в сути самой теории. В этом нет ничего предосудительного, потому что она действительно весьма сложна, но на практике прекрасно работает. Да, есть парадоксы, которые как следствие вытекают из основных положений теории относительности, но, повторюсь, с теорией всё в порядке!
Муртузали Магомедович по сути оспаривает возможность существования так называемого эффекта замедления времени.
Но и тут позволю себе не согласиться. Приведу несколько примеров. Специалистам хорошо известны примеры увеличения времени жизни элементарных частиц, двигающихся со скоростью, близкой к скорости света. В Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) неоднократно проводился опыт по ускорению мюонов (разновидность элементарных частиц). Так вот, было показано, что в точном соответствии с предсказаниями теории Эйнштейна время жизни мюона при движении его со скоростью, равной 0,9994 скорости света, увеличивается в 29 раз. Существует целый раздел физики – физика высоких энергий, где специалисты такие эффекты наблюдали тысячи раз. Для простого обывателя более понятен эксперимент Хафеле – Китинга, в ходе которого в 1971 году в США проводилось сравнение показаний неподвижных цезиевых атомных часов и таких же синхронизированных часов, облетевших на самолете земной шар. Полученные результаты не вызывают сомнения, этот эффект существует. «Парадокс близнецов» Эйнштейна вытекает из теории и наблюдается в реальности, и физики его понимают.
Это еще одно подтверждение правильности теории относительности.
В системах ГЛОНАСС и GPS ежегодно, а в отдельных случаях и ежедневно корректируется время. О чем это говорит, если пояснять простым языком? Время и физические процессы, которые идут на орбитальных станциях, и такие же процессы на поверхности Земли идут с разной скоростью, поэтому и необходимо вносить коррективы. Этот эффект используется даже в смартфонах. Следовательно, реальность процесса замедления времени никто из специалистов отрицать не будет.
Детально разбирая мнение Муртузали Муртузалиева, Акай Муртазаев обсуждает и точку зрения коллеги по поводу возможности перемещения во времени.
– Напрямую в теории относительности Эйнштейна о путешествии во времени не сказано ничего, но как раз из нее вытекает, что вернуться в прошлое мы не можем, – говорит ученый. – Любому явлению должна предшествовать его причина, что и говорит о том, что возврат в определенный временной отрезок невозможен. Нарушить причинно-следственную связь нельзя! Оказаться в будущем по той же самой причине невозможно.
Однако быть категоричным в вопросе путешествий в будущее не хочется, это слишком тонкий вопрос. Однозначно лишь то, что сегодня для нас такие перспективы весьма туманны. А фантазировать можно сколько угодно, но при чем здесь Эйнштейн?!
С момента зарождения теория относительности только укреплялась в своей истинности, убежден Муртазаев. Ни одного экспериментального факта, опровергающего ее работоспособность, не существует. О том, останется ли она незыблемой еще через сотни лет, говорить сейчас рано. При этом теория, как уже было сказано, не претендует на звание всеобщей.
– К примеру, труд Эйнштейна не опровергает теорию Ньютона, а только уточняет границы ее применимости. Классическая теория Ньютона становится частным случаем более общей теории Эйнштейна, – поясняет собеседник «ДП». – В то же время нельзя отрицать возможность возникновения в последующем более глобальной теории, когда теория Эйнштейна может стать лишь ее частью. Область ее применимости может быть ограничена. Определение границ применимости теории Эйнштейна – сама по себе фундаментальная задача современной физики.
Профессор Муртузалиев в своем интервью упоминает и эффект сложения скоростей, якобы противоречащий наблюдаемым явлениям. При этом ссылается на процесс сложения скоростей движения поезда, Земли, Солнца и т.д. Хочу сразу отметить, что этот эффект (на самом деле постулат) постоянства скорости света – незыблемая основа теории Эйнштейна и подтвержден многочисленными наблюдаемыми данными и экспериментами. Нет ни одного примера, противоречащего этому положению. Трудно понять этот феномен, если путаешь прямолинейное и нелинейное движение, инерциальную и неинерциальную систему отсчета, релятивистские и нерелятивистские скорости и т.д. Тогда какие могут быть претензии к теории Эйнштейна?
Правильность выводов Эйнштейна подтверждается всей совокупностью данных ядерной физики, физики высоких энергий, спектроскопии, астрофизики, электродинамики, космологии. Надеюсь, наш профессор не будет подвергать сомнению эти основополагающие разделы физики! Кстати, хочу обратить внимание на то, что постоянство и предельное значение скорости света вытекает из основных уравнений электродинамики – уравнений Максвелла.
2.
И все же, почему в названии использовано понятие относительности? Отвечая на этот вопрос, Акай Муртазаев поясняет: все события, происходящие в инерциальных системах отсчета, зависят от наблюдателя.
– Иными словами, все происходящие вокруг вас процессы зависят от того, в какой системе отсчета вы находитесь. К примеру, для одного из близнецов, находящегося в космосе, ход времени сильно отличается от хода времени для другого близнеца, оставшегося на Земле, и это различие тем больше, чем с большей скоростью двигается космический близнец относительно неподвижного собрата на Земле. Такие понятия трудно постижимы для обывателей, но неопровержимы, так действительно происходит в реальности. Те, кто не может их объяснить или вникнуть в их суть, пытаются всячески опровергнуть выводы немецкого ученого, но это лишь повторение неудач ряда специалистов, которым не удалось этого сделать.
Многие, в том числе и известные физики, пытались в течение долгих лет построить альтернативную теорию.
Целый ряд ученых достаточно далеко продвинулся в этом направлении. Например, академик А. Логунов. Это серьезный ученый, в компетенции которого сомневаться не приходится, он 17 лет работал вице-президентом РАН, 15 лет – ректором МГУ. Его альтернативная теория – релятивистская теория гравитации – широко известна среди специалистов. Но признание она получила только среди представителей своей школы и отдельных зарубежных ученых!
Коль на Логунова ссылается профессор Муртузалиев, хочу обратить внимание на то, как должен продвигать свою теорию настоящий ученый. Логунов опубликовал свои результаты в известных научных журналах. Затем он выступал на многочисленных конференциях и, наконец, неоднократно докладывал о своих результатах на научных семинарах в Москве, где собиралось множество специалистов. Поэтому возникает вопрос: где можно ознакомиться с «всеобщей единой теорией» Муртузалиева, где она опубликована, с кем она обсуждалась? Если такая теория существует, то почему бы автору не выступить на семинаре, скажем, в Институте физики ДФИЦ РАН?
И в заключение хочу отметить, что на сегодняшний день существует около тридцати альтернативных теорий, но все они, решая какие-то частные вопросы, далеко уступают в полноте и непротиворечивости общей теории относительности.
Акай Муртазаев убежден: сомневаться в справедливости теории относительности Эйнштейна не приходится. Тем не менее, каждый волен разбирать ее суть, пытаясь опровергнуть или дополнить. Но поскольку затрагиваются основы всей современной физики, делать это нужно, опираясь на научные опыты, факты и проверенные теории, не ссылаясь голословно на неведомые теории.
Теория относительности против квантовой механики: битва за вселенную | Физика
Это самая большая из проблем, это самая маленькая из проблем. В настоящее время у физиков есть два отдельных свода правил, объясняющих, как работает природа. Есть общая теория относительности, которая прекрасно объясняет гравитацию и все то, над чем она доминирует: обращение планет, сталкивающиеся галактики, динамику расширяющейся Вселенной в целом. Это большое. Затем есть квантовая механика, которая имеет дело с тремя другими силами — электромагнетизмом и двумя ядерными силами. Квантовая теория прекрасно описывает, что происходит при распаде атома урана или при попадании отдельных частиц света в солнечный элемент.
Это мало.
Теперь о проблеме: теория относительности и квантовая механика — принципиально разные теории, имеющие разные формулировки. Это не просто вопрос научной терминологии; это столкновение действительно несовместимых описаний реальности.
Конфликт между двумя половинками физики назревал уже более века — он был вызван парой статей Эйнштейна 1905 года, одна из которых обрисовывала теорию относительности, а другая вводила квантовую теорию, — но недавно он вступил в интригующую, непредсказуемую новую фазу. . Два известных физика заняли крайние позиции в своих лагерях, проводя эксперименты, которые могли бы окончательно решить, какой подход является первостепенным.
По сути, вы можете думать о разделении между релятивистской и квантовой системами как на «гладкие» и «коренастые». В общей теории относительности события непрерывны и детерминированы, а это означает, что каждая причина соответствует определенному локальному следствию. В квантовой механике события, возникающие в результате взаимодействия субатомных частиц, происходят скачками (да, квантовыми скачками) с вероятностными, а не определенными результатами.
Квантовые правила допускают соединения, запрещенные классической физикой. Это было продемонстрировано в широко обсуждаемом недавнем эксперименте, в котором голландские исследователи бросили вызов локальному эффекту. Они показали, что две частицы — в данном случае электроны — могут мгновенно влиять друг на друга, даже если они находятся на расстоянии мили друг от друга. Когда вы пытаетесь интерпретировать гладкие релятивистские законы в кратком квантовом стиле или наоборот, все идет ужасно неправильно.
Теория относительности дает бессмысленные ответы, когда вы пытаетесь уменьшить ее до квантовых размеров, в конечном итоге опускаясь до бесконечных значений в своем описании гравитации. Точно так же квантовая механика сталкивается с серьезными проблемами, когда вы увеличиваете ее до космических размеров. Квантовые поля несут определенное количество энергии даже в, казалось бы, пустом пространстве, и количество энергии увеличивается по мере того, как поля становятся больше. Согласно Эйнштейну, энергия и масса эквивалентны (это сообщение E=mc 2 ), поэтому накопление энергии точно такое же, как накопление массы.
Станьте достаточно большим, и количество энергии в квантовых полях станет настолько большим, что создаст черную дыру, из-за которой Вселенная свернется сама в себя. Упс.
«Квантовая механика предоставила концептуальные инструменты для Большого адронного коллайдера». новая теория, в которой сами квантовые единицы пространства могут быть достаточно большими, чтобы их можно было изучать напрямую. Тем временем Ли Смолин, один из основателей Института теоретической физики «Периметр» в Ватерлоо, Канада, стремится продвинуть физику вперед, возвращаясь к философским корням Эйнштейна и расширяя их в захватывающем направлении.
Чтобы понять, о чем идет речь, вспомните прецеденты. Когда Эйнштейн представил общую теорию относительности, он не только заменил теорию гравитации Исаака Ньютона; он также представил новый взгляд на физику, который привел к современной концепции Большого взрыва и черных дыр, не говоря уже об атомных бомбах и корректировках времени, необходимых для GPS вашего телефона.
Точно так же квантовая механика сделала гораздо больше, чем просто переформулировала уравнения электричества, магнетизма и света из учебника Джеймса Клерка Максвелла. Он предоставил концептуальные инструменты для Большого адронного коллайдера, солнечных элементов, всей современной микроэлектроники.
То, что возникло в результате этого беспорядка, может быть не чем иным, как третьей революцией в современной физике с ошеломляющими последствиями. Это могло бы сказать нам, откуда взялись законы природы, и построен ли космос на неопределенности или он фундаментально детерминирован, где каждое событие окончательно связано с причиной.
Маленькое прекрасно
Хоган, поборник квантовой теории, можно назвать физиком фонарного столба: вместо того, чтобы блуждать в темноте, он предпочитает сосредоточить свои усилия там, где свет яркий, потому что именно там вы скорее всего, они смогут увидеть что-то интересное. Это руководящий принцип его нынешних исследований. Столкновение между теорией относительности и квантовой механикой происходит, когда вы пытаетесь проанализировать, что делает гравитация на очень коротких расстояниях, отмечает он, поэтому он решил по-настоящему хорошенько взглянуть на то, что происходит прямо там.
«Держу пари, что мы можем провести эксперимент, который сможет увидеть что-то о том, что происходит, об этом интерфейсе, который мы до сих пор не понимаем», — говорит он.
Основное допущение в физике Эйнштейна — допущение, на самом деле восходящее к Аристотелю, — состоит в том, что пространство непрерывно и бесконечно делимо, так что любое расстояние можно разбить на еще меньшие расстояния. Но Хоган сомневается, действительно ли это так. Точно так же, как пиксель — это наименьшая единица изображения на вашем экране, а фотон — наименьшая единица света, утверждает он, может существовать нерушимая наименьшая единица расстояния: квант пространства.
Объемное пространство не совсем соответствует идеям теории струн или любой другой предложенной физической модели
В сценарии Хогана было бы бессмысленно спрашивать, как ведет себя гравитация на расстояниях, меньших, чем один кусок пространства. Гравитация не могла бы функционировать на самых маленьких масштабах, потому что такого масштаба не существовало бы.
Другими словами, общая теория относительности была бы вынуждена примириться с квантовой физикой, потому что пространство, в котором физики измеряют эффекты теории относительности, само было бы разделено на нерушимые квантовые единицы. Театр реальности, в котором действует гравитация, будет происходить на квантовой сцене.
Хоган признает, что его концепция звучит немного странно даже для многих его коллег, занимающихся квантовой практикой. С конца 1960-х годов группа физиков и математиков разрабатывала структуру, называемую теорией струн, чтобы помочь согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой; с годами она превратилась в стандартную мейнстримную теорию, даже несмотря на то, что не смогла реализовать большую часть своих ранних обещаний. Подобно решению с узким пространством, теория струн предполагает фундаментальную структуру пространства, но отсюда они расходятся. Теория струн утверждает, что каждый объект во Вселенной состоит из вибрирующих энергетических струн.
Подобно объемному пространству, теория струн предотвращает гравитационную катастрофу, вводя во Вселенную конечный, наименьший масштаб, хотя единичные струны значительно меньше даже тех пространственных структур, которые пытается найти Хоган.
Массивное пространство не совсем соответствует идеям теории струн или любой другой предлагаемой физической модели, если уж на то пошло. «Это новая идея. Этого нет в учебниках; это не предсказание какой-либо стандартной теории, — говорит Хоган, ничуть не обеспокоенный. — Но стандартной теории не существует, верно?
Если он прав насчет компактности пространства, это перечеркнет многие нынешние формулировки теории струн и вдохновит на новый подход к переформулированию общей теории относительности в квантовых терминах. Это предложило бы новые способы понять неотъемлемую природу пространства и времени. И, что самое странное, возможно, это укрепит представление о том, что наша, казалось бы, трехмерная реальность состоит из более простых двухмерных единиц.
Хоган серьезно относится к метафоре «пикселя»: точно так же, как телевизионное изображение может создать впечатление глубины из множества плоских пикселей, предполагает он, так и само пространство может возникнуть из набора элементов, действующих так, как будто они обитают только в двух измерениях.
Как и многие идеи из дальнего края сегодняшней теоретической физики, рассуждения Хогана могут подозрительно походить на ночные философствования в общежитии первокурсников. Что их кардинально отличает, так это то, что он планирует подвергнуть их жесткому экспериментальному испытанию. Как бы прямо сейчас.
Начиная с 2007 года Хоган начал думать о том, как построить устройство, которое могло бы измерять чрезвычайно мелкую зернистость пространства. Как оказалось, у его коллег было множество идей, как это сделать, используя технологии, разработанные для поиска гравитационных волн. В течение двух лет Хоган подготовил предложение и работал с сотрудниками из Фермилаб, Чикагского университета и других учреждений над созданием машины для обнаружения фрагментов, которую он более изящно назвал «голометром».
(Название — эзотерический каламбур, отсылающий как к геодезическому инструменту 17-го века, так и к теории о том, что двумерное пространство может казаться трехмерным, по аналогии с голограммой.)
Под слоями концептуальной сложности голометр технологически представляет собой немногим больше, чем лазерный луч, полуотражающее зеркало, разделяющее лазер на два перпендикулярных луча, и два других зеркала, отражающих эти лучи обратно вдоль пары 40-метровых туннели. Лучи калибруются для регистрации точного положения зеркал. Если бы пространство было объемным, расположение зеркал постоянно блуждало (строго говоря, блуждание совершает само пространство), создавая постоянные, случайные вариации в их разделении. Когда два луча рекомбинируются, они будут немного рассинхронизированы, и величина несоответствия покажет масштаб кусков пространства.
Для того чтобы найти масштаб крупности, который Хоган надеется найти, ему необходимо измерять расстояния с точностью 10 -18 м, что примерно в 100 млн раз меньше атома водорода, и собирать данные со скоростью около 100 млн показаний в секунду.
. Удивительно, но такой эксперимент не только возможен, но и практичен. «Мы смогли сделать это довольно дешево благодаря достижениям в фотонике, большому количеству готовых деталей, быстрой электронике и тому подобному», — говорит Хоган. «Это довольно спекулятивный эксперимент, поэтому вы бы не стали его проводить, если бы он не был дешевым». Сейчас голометр работает, собирая данные с заданной точностью; он рассчитывает получить предварительные показания к концу года.
У Хогана есть своя доля яростных скептиков, в том числе многие в сообществе теоретической физики. Причину разногласий легко понять: успех голометра означал бы провал большой части работы, проделанной в теории струн. Однако, несмотря на этот поверхностный спор, Хоган и большинство его коллег-теоретиков разделяют глубокое убеждение: они в целом согласны с тем, что общая теория относительности в конечном итоге окажется подчиненной квантовой механике. Остальные три закона физики следуют квантовым законам, поэтому вполне логично, что и гравитация тоже.
Однако для большинства современных теоретиков вера в примат квантовой механики еще глубже. На философско-эпистемологическом уровне они рассматривают крупномасштабную реальность классической физики как своего рода иллюзию, приближение, возникающее из более «истинных» аспектов квантового мира, действующего в чрезвычайно малом масштабе. Массивное пространство, безусловно, соответствует этому мировоззрению.
Хоган сравнивает свой проект со знаменитым экспериментом Майкельсона-Морли XIX века.века, которые искали эфир – гипотетическую субстанцию пространства, которая, согласно ведущей теории того времени, пропускала световые волны через вакуум. Эксперимент ничего не нашел; этот сбивающий с толку нулевой результат вдохновил Эйнштейна на создание специальной теории относительности, которая, в свою очередь, породила общую теорию относительности и, в конце концов, перевернула весь мир физики с ног на голову. В дополнение к исторической связи, эксперимент Майкельсона-Морли также измерял структуру пространства с помощью зеркал и расщепленного луча света, следуя установке, удивительно похожей на установку Хогана.
«Мы делаем голометр именно в таком духе. Если мы чего-то не видим или видим, в любом случае это интересно. Причина проведения эксперимента — просто посмотреть, сможем ли мы найти что-то, что послужило бы основой для теории», — говорит Хоган. «Вы узнаете, из чего сделаны ваши коллеги-теоретики, по тому, как они реагируют на эту идею. Там есть мир очень математического мышления. Я надеюсь на экспериментальный результат, который заставит людей сфокусировать теоретическое мышление в другом направлении».
Независимо от того, найдет ли он свою квантовую структуру пространства, Хоган уверен, что голометр поможет физике решить ее большую-маленькую проблему. Это покажет правильный путь (или исключит неверный путь) к пониманию лежащей в основе квантовой структуры пространства и того, как она влияет на протекающие через него релятивистские законы гравитации.
Более широкое видение
Если вы ищете совершенно другое направление, Смолин из Института Периметра — ваш человек.
Там, где Хоган мягко идет против течения, Смолин — полный инакомыслящий: «Есть одна вещь, которую Ричард Фейнман сказал мне, когда я был аспирантом. Он примерно сказал: «Если все ваши коллеги пытались продемонстрировать, что что-то верно, но потерпели неудачу, это может быть потому, что это неправда». Что ж, теория струн существует уже 40 или 50 лет без определенного прогресса».
И это только начало более широкой критики. Смолин считает, что мелкомасштабный подход к физике изначально неполноценен. Современные версии квантовой теории поля прекрасно объясняют, как ведут себя отдельные частицы или небольшие системы частиц, но они не учитывают того, что необходимо для создания разумной теории космоса в целом. Они не объясняют, почему реальность похожа на , это , а не на что-то другое. В терминах Смолина квантовая механика — это просто «теория подсистем Вселенной».
Более плодотворный путь вперед, по его мнению, состоит в том, чтобы рассматривать вселенную как единую огромную систему и строить новую теорию, применимую ко всему этому.
И у нас уже есть теория, обеспечивающая основу для такого подхода: общая теория относительности. В отличие от квантовой структуры, общая теория относительности не оставляет места для внешнего наблюдателя или внешних часов, потому что нет «снаружи». Вместо этого вся реальность описывается в терминах отношений между объектами и между различными областями пространства. Даже такую базовую вещь, как инерция (сопротивление вашего автомобиля движению до тех пор, пока его не заставит двигатель, и его склонность продолжать движение после того, как вы уберете ногу с педали акселератора) можно рассматривать как связанную с гравитационным полем любой другой частицы. во вселенной.
«Что, если бы Вселенная была совершенно пуста, за исключением двух астронавтов, один из которых вращается, а другой стоит на месте?» Фотография: НАСА/Рейтер
Последнее утверждение настолько странно, что стоит остановиться на мгновение, чтобы рассмотреть его более внимательно. Рассмотрим мысленную проблему, тесно связанную с той, которая первоначально привела Эйнштейна к этой идее в 1907 году.
Что, если бы Вселенная была совершенно пуста, за исключением двух астронавтов? Один из них вращается, другой стоит на месте. Вращающийся чувствует головокружение, делая в пространстве колеса телеги. Но какой из двух крутится? С точки зрения любого астронавта, вращается другой. Эйнштейн утверждал, что без какой-либо внешней ссылки невозможно сказать, какой из них правильный, и нет причин, по которым один должен чувствовать эффект, отличный от того, что испытывает другой.
Различие между двумя астронавтами имеет смысл только тогда, когда вы снова представляете остальную вселенную. Таким образом, в классической интерпретации общей теории относительности инерция существует только потому, что вы можете измерить ее относительно всего космического гравитационного поля. То, что верно в этой мысленной проблеме, верно для любого объекта в реальном мире: поведение каждой части неразрывно связано с поведением любой другой части. Если вы когда-нибудь чувствовали, что хотите стать частью чего-то большого, что ж, эта физика для вас.
Кроме того, считает Смолин, это многообещающий способ получить более подробные ответы о том, как на самом деле работает природа во всех масштабах.
«Общая теория относительности не является описанием подсистем. Это описание всей вселенной как закрытой системы», — говорит он. Поэтому, когда физики пытаются разрешить противоречие между теорией относительности и квантовой механикой, им кажется разумной стратегией последовать примеру Эйнштейна и пойти настолько далеко, насколько это возможно.
Смолин прекрасно осознает, что он выступает против господствующей приверженности мелкомасштабному квантовому мышлению. «Я не хочу будоражить события; просто так бывает. Моя роль состоит в том, чтобы четко обдумать эти сложные вопросы, изложить свои выводы и дать пыли улегться», — добродушно говорит он. «Я надеюсь, что люди будут участвовать в аргументах, но я действительно надеюсь, что аргументы приведут к проверяемым прогнозам».
На первый взгляд, идеи Смолина кажутся прекрасной отправной точкой для конкретных экспериментов.
Он предполагает, что, поскольку все части вселенной связаны в пространстве, они также могут быть связаны во времени. Его аргументы привели его к гипотезе о том, что законы физики развиваются на протяжении истории Вселенной. За эти годы он разработал два подробных предложения о том, как это могло бы произойти. Его теория космологического естественного отбора, которую он разработал в 1990-х годах, рассматривает черные дыры как космические яйца, из которых вылупляются новые вселенные. Совсем недавно он разработал провокационную гипотезу о появлении законов квантовой механики, названную принципом предшествования, и эту гипотезу, кажется, гораздо легче подвергнуть проверке.
Принцип предшествования Смолина возникает как ответ на вопрос, почему физические явления воспроизводимы. Если вы проводите эксперимент, который уже проводился ранее, вы ожидаете, что результат будет таким же, как и в прошлом. (Зажгите спичку, и она загорится; зажгите таким же образом другую спичку, и… вы поняли идею.
) Воспроизводимость — настолько привычная часть жизни, что мы обычно даже не задумываемся об этом. Мы просто приписываем стабильные результаты действию естественного «закона», который действует одинаково во все времена. Смолин предполагает, что эти законы действительно могут проявиться со временем, поскольку квантовые системы копируют поведение подобных систем в прошлом.
Один из возможных способов поймать эмерджентность в действии — провести эксперимент, который никогда раньше не проводился, чтобы не было прошлой версии (то есть прецедента), которую можно было бы скопировать. Такой эксперимент может включать создание очень сложной квантовой системы, содержащей множество компонентов, существующих в новом запутанном состоянии. Если принцип приоритета верен, первоначальный ответ системы будет по существу случайным. Однако по мере повторения эксперимента приоритет нарастает, и ответ должен стать предсказуемым… в теории. «Систему, с помощью которой Вселенная создает прецедент, было бы трудно отличить от шума экспериментальной практики, — соглашается Смолин, — но это не невозможно».
Хотя приоритет может проявляться на атомном уровне, его влияние будет общесистемным, космическим. Это восходит к идее Смолина о том, что мелкомасштабное редукционистское мышление кажется неправильным способом решения больших головоломок. Совместная работа двух классов физических теорий, хотя и важна, но также недостаточна. Что он хочет знать, что мы все хотим знать, так это то, почему Вселенная такая, какая она есть. Почему время движется вперед, а не назад? Как мы оказались здесь, с этими законами и с этой вселенной, а не с какими-то другими?
Нынешнее отсутствие каких-либо осмысленных ответов на эти вопросы указывает на «что-то глубоко неправильное в нашем понимании квантовой теории поля», — говорит Смолин. Как и Хоган, он меньше озабочен исходом любого эксперимента, чем более широкой программой поиска фундаментальных истин. Для Смолина это означает возможность рассказать полную, связную историю о вселенной; это означает способность предсказывать эксперименты, а также объяснять уникальные свойства атомов, планет, радуг и людей.
Здесь он снова черпает вдохновение у Эйнштейна.
«Урок общей теории относительности снова и снова — это триумф реляционализма», — говорит Смолин. Наиболее вероятным способом получить важные ответы является взаимодействие со вселенной в целом.
И победитель есть?
Если вы хотите выбрать арбитра в дебатах между большими и малыми, вы вряд ли найдете лучшего, чем Шон Кэрролл, эксперт по космологии, теории поля и гравитационной физике в Калифорнийском технологическом институте. Он разбирается в теории относительности, разбирается в квантовой механике и у него здоровое чувство абсурда: он называет свой личный блог «Нелепая Вселенная». С самого начала Кэрролл присуждает большинство баллов квантовой стороне. «Большинство из нас в этой игре считают, что квантовая механика гораздо более фундаментальна, чем общая теория относительности», — говорит он. Это было преобладающим мнением с 1920-х годов, когда Эйнштейн пытался и неоднократно безуспешно пытался найти недостатки в противоречивых предсказаниях квантовой теории.
Недавний голландский эксперимент, демонстрирующий мгновенную квантовую связь между двумя далеко разнесенными частицами — событие, которое Эйнштейн высмеивал как «жуткое действие на расстоянии», — только подчеркивает силу доказательств.
Иллюстрация Оуэна Гилдерслив.
При более широком рассмотрении реальная проблема заключается не в общей теории относительности и квантовой теории поля, объясняет Кэрролл, а в классической динамике и квантовой динамике. Относительность, несмотря на ее кажущуюся странность, является классической в том, как она рассматривает причину и следствие; квантовая механика определенно нет. Эйнштейн надеялся, что более глубокие открытия откроют классическую детерминистическую реальность, скрывающуюся за квантовой механикой, но такой порядок еще не найден. Продемонстрированная реальность жутких действий на расстоянии доказывает, что такого порядка не существует.
«Во всяком случае, люди недооценивают степень, в которой квантовая механика просто полностью отбрасывает наши представления о пространстве и локальности [представление о том, что физическое событие может влиять только на свое непосредственное окружение].
Таких вещей просто нет в квантовой механике», — говорит Кэрролл. Это могут быть крупномасштабные впечатления, возникающие из очень разных мелкомасштабных явлений, как аргумент Хогана о трехмерной реальности, возникающей из двухмерных квантовых единиц пространства.
Несмотря на это кажущееся одобрение, Кэрролл считает голометр Хогана маловероятным, хотя и признает, что он удален из области его исследований. С другой стороны, он не слишком высоко ценит попытки Смолина начать с фундаментальной вещи — космоса; он считает, что это понятие столь же абсурдно, как и попытка доказать, что воздух более фундаментален, чем атомы. Что касается того, какая квантовая система может вывести физику на новый уровень, Кэрролл в целом сохраняет оптимизм в отношении теории струн, которая, по его словам, «кажется очень естественным расширением квантовой теории поля». Во всех этих отношениях он верен господствующему квантовому мышлению в современной физике.
Тем не менее, решение Кэрролла, хотя и почти полностью проквантовое, не является просто одобрением мелкомасштабного мышления.
До сих пор существуют огромные пробелы в том, что может объяснить квантовая теория. «Наша неспособность понять правильную версию квантовой механики смущает», — говорит он. «И наш нынешний способ мышления о квантовой механике — это просто полный провал, когда вы пытаетесь думать о космологии или всей вселенной. Мы даже не знаем, который час». И Хоган, и Смолин поддерживают это мнение, хотя и не согласны с тем, что делать в ответ. Кэрролл предпочитает восходящее объяснение, в котором время возникает из мелкомасштабных квантовых взаимодействий, но заявляет, что он «полностью агностик» в отношении конкурирующего предположения Смолина о том, что время более универсально и фундаментально. Что касается времени, то решение еще не принято.
Как бы ни тряслись теории, большие масштабы неизбежно важны, потому что это мир, в котором мы живем и наблюдаем. По сути, вселенная в целом является ответом, и задача физиков состоит в том, чтобы найти способы исключить ее из своих уравнений. Даже если Хоган прав, его пространственные фрагменты должны усредняться в гладкой реальности, с которой мы сталкиваемся каждый день.
Даже если Смолин ошибается, существует целая Вселенная с уникальными свойствами, которые необходимо объяснить — то, что, по крайней мере, на данный момент, не может сделать только квантовая физика.
Раздвигая границы понимания, Хоган и Смолин помогают физике установить эту связь. Они подталкивают его к примирению не только между квантовой механикой и общей теорией относительности, но и между идеей и восприятием. Следующая великая теория физики, несомненно, приведет к новой прекрасной математике и невообразимым новым технологиям. Но лучшее, что он может сделать, — это создать более глубокий смысл, который связывает нас, наблюдателей, определяющих себя как фундаментальный масштаб вселенной.
Первоначально это эссе появилось в 29-м выпуске «Наутилуса». Чтобы узнать больше, посетите nautil.us
Следите за длинным чтением в Твиттере на @gdnlongread или подпишитесь на еженедельную рассылку длинного чтения здесь.
Учебное пособие Альберта Эйнштейна: Общая теория относительности
Специальная теория относительности Эйнштейна была «особой», потому что она
речь шла только о конкретном случае внутренних систем отсчета.
Инерциальная система отсчета – это тело, которое либо покоится, либо
который движется с постоянной скоростью. Напротив, его генерал
Теория относительности объясняет не только это, но и
тела, которые ускоряются (т. е. изменяют свою скорость). Эйнштейн
начал свою теорию с мысленного эксперимента, т.
осуществляется только в сознании экспериментатора. Этот эксперимент
представляет себе физика в комнате на Земле, бросающего мяч в
земля. Мяч падает на пол с ускорением, потому что
от силы тяжести. (ссылка здесь) Однако физик бы
наблюдать то же явление в ускоряющемся космическом корабле в районе
космического пространства без гравитации: после выпуска шара он бы
зависнуть в воздухе, когда пол космического корабля устремился
до удара. Однако физику внутри корабля мяч
будет казаться, что он «падает» на пол точно так же, как это было в
комната на земле. Таким образом, для физика внутри было бы невозможно
космический корабль, чтобы отличить гравитацию от любых других
ускорение. Действительно, в этом и заключалась суть эйнштейновской «эквивалентности
принцип», который постулирует эквивалентность физических эффектов внутри
системы отсчета в состоянии покоя в гравитационном поле (например, в комнате)
и в системе отсчета, ускоряющейся в отсутствие каких-либо
гравитационное поле (как в ракете).
Принцип эквивалентности также
постулирует эквивалентность гравитационной массы (мера силы
тело воздействует на другое) и инерционная масса (мера силы тела).
устойчивость к ускорению).
На основе этого принципа Эйнштейн сформулировал принцип
общей ковариантности, которая составляет основу его общей теории
относительности. Эта максима гласит, что законы физики
то же в все (т.е. и инерционные и гравитационные)
опорные кадры. Это расширяет первый постулат специального
относительности, чтобы включить также и ускоряющиеся системы отсчета.
По сути, с помощью своего общего принципа ковариации Эйнштейн применил
принцип эквивалентности специальной теории относительности: учитывая, что
законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета и
что инертная и гравитационная массы эквивалентны, законы
физики одинаковы во всех ускоряющих системах отсчета.
Одним из следствий этого принципа является то, что пространство-время в
наличие материи искривлено. (Пространство-время – это четырехмерное
континуум времени и пространства, в котором любое событие или физический объект
расположен.
) Это можно понять, представив космический корабль, ускоряющийся
вверх сквозь пространство. Если луч света попадет в корабль через окно,
человек внутри корабля увидит, как световой луч изгибается вниз,
потому что к тому времени, когда свет достигает другой стенки космического корабля,
эта стена ускорится вверх; таким образом луч света входит
через окно на одной высоте и попадает в противоположную стену на
высота ближе к полу космического корабля. А потому что ничего
может двигаться быстрее света, мы знаем, что свет всегда должен двигаться
кратчайшее расстояние между двумя точками; и так как самый короткий
расстояние между двумя точками ускоряющегося космического корабля искривлено,
само пространство-время должно быть искривлено. Как показал Эйнштейн, масса
вызывает искривление пространства-времени почти так же, как игра в боулинг.
мяч будет деформировать форму натянутого резинового листа, на который
он отдыхает. Вместо того, чтобы говорить о таинственных силах
притяжение, как это делал Ньютон,
Эйнштейн понимал гравитацию как чистую геометрию.
С помощью
своих друзей-математиков Минковского и Гроссмана он смог
для количественной оценки степени, в которой тело искажает окружающее его пространство-время.
После завершения общей теории относительности Эйнштейн
начал работать над его четким и всеобъемлющим изложением.
До этого момента большинство его публикаций были предварительными отчетами.
о состоянии его исследований, понятных только тем физикам,
который все это время следил за его работой. В 1916 году он опубликовал
трактат под названием «Основы общей теории относительности»,
в которой он установил терминологию «специальной» и «общей» теории относительности.
и официально представил свою теорию. Затем, в конце 1916, он
опубликовал небольшую книгу под названием Об особом и общем
Теория относительности, общепонятная. Эта работа
был написан с минимальным количеством математики и был разработан
обратиться к еще более широкому кругу читателей, хотя и несколько
образование в области математики или физики.
Придя к окончательной форме своей теории общего
теории относительности в ноябре 1915 года Эйнштейн предложил три возможных теста
за его теорию.
Они включали орбиту планеты Меркурий,
искривление звездного света вблизи солнца и красное смещение света.
Хотя все эти тесты были успешно выполнены для подтверждения
теории Эйнштейна, это был второй тест, получивший наибольшее количество
внимание и катапультировал Эйнштейна в международную известность.
6 ноября 1919, группа британских астрономов во главе с Артуром
Эддингтон сообщил Лондонскому королевскому обществу, что во время
недавнее полное солнечное затмение, они заметили, что позиции
звезд вблизи Солнца, казалось, немного сместились от
их правильные положения. Величина изгиба полностью соответствовала
с теорией относительности Эйнштейна. Публикация этого
Обнаружение в газетах по всему миру сделало Эйнштейна немедленным
знаменитость. История была еще более сенсационной, если учесть, что
теория немецкого физика была подтверждена группой британских
астрономов сразу после Первой мировой войны. Таким образом, из всех
многочисленные вклады в физику, именно общая теория относительности
впервые принес ему широкую известность и признание, которыми он будет пользоваться
на всю оставшуюся жизнь.