Теория эйнштейн: Альберт Эйнштейн и «теория всего»

Эйнштейн снова не прав и его главную теорию переписали: как это меняет мир

Анастасия
Никифорова

Новостной редактор

Люди пока не умеют передвигаться со скоростью света. Однако авторы нового исследования решили понять, что бы такие наблюдатели видели. «Хайтек» рассказывает подробности о новом эксперименте.

Читайте «Хайтек» в

В начале ХХ века Альберт Эйнштейн полностью изменил восприятие времени и пространства людьми, пересмотрев саму суть этих концепций. Вместо привычного трехмерного пространства, он предложил время в качестве четвертого измерения. Да, и в целом, понятия времени и пространства, которые существовали отдельно, стали трактоваться как единое целое.

Два принципа и специальная теория относительности

Такое видение мира физик сформулировал в специальной теории относительности в 1905 году Альбертом Эйнштейном. Время и пространство «по Эйнштейну» различаются только знаком в некоторых уравнениях.

В целом, физик основывал специальную теорию относительности на двух предположениях: принципах относительности Галилея и постоянства скорости света.

• Согласно принципу относительности Галилея, законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Это значит, что математическая форма второго и третьего законов Ньютона не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.
• Согласно принципу постоянства скорости света, скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.

Что хотели проверить ученые?

Авторы нового исследования особое внимание уделили первому принципу, который предполагает, что в каждой инерциальной системе действуют одни и те же законы физики и все инерциальные наблюдатели равны. Примечательно, что обычно его применяют к наблюдателям, которые движутся относительно друг друга со скоростями, которые меньше скорости света. Однако нет фундаментальной причины, по которой наблюдателей, движущихся относительно описываемых физических систем с большими скоростями, не ждет тоже самое. Этот постулат стал основой нового исследования.

Физики решили проверить, (конечно, пока теоретически), что произойдет, если наблюдать мир из сверхсветовых систем отсчета. Возможно, это позволит включить основные принципы квантовой механики в специальную теорию относительности. Авторы революционной гипотезы — профессора Анджей Драган и Артур Экерт из Оксфордского университета.

Главные вопросы

Ученые задались вопросом, как бы увидели наш мир наблюдатели, которые движутся быстрее скорости света в вакууме. Они предположили, что они наблюдали бы не только явления, которые происходят спонтанно, без детерминированной причины, но и частицы, путешествующие одновременно по нескольким путям.

Кроме того, физики считают, что и само понятие времени было бы другим. Так, сверхсветовой мир характеризовался бы тремя временными измерениями и одним — пространственным. При этом, его требовалось бы описать на знакомом языке теории поля. Выходит, что присутствие сверхсветовых наблюдателей, логически, не противоречит науке. А, значит, сверхсветовые объекты действительно существуют. Ученые решили это проверить.

Авторы исходят из концепции пространства-времени, соответствующего нашей физической реальности: с тремя пространственными измерениями и одним — временным измерением. Однако с точки зрения сверхсветового наблюдателя только одно измерение этого мира сохраняет пространственный характер, то, по которому могут двигаться частицы. Остальные три — это измерения времени

С точки зрения такого наблюдателя частица «стареет» независимо в каждом из трех времен. Но для нас это выглядит как одновременное движение во всех направлениях пространства, т. е. распространение квантово-механической сферической волны, связанной с частицей.

Представление художника о квантовых волнах. Фото: maxpixel.net

Это соответствует принципу Гюйгенса, сформулированному в XVIII веке, согласно которому каждая точка, достигаемая волной, становится источником новой сферической волны. Первоначально его применяли только к световой волне, но квантовая механика распространила его на другие формы материи.

В итоге, включение в описание сверхсветовых наблюдателей требует создания нового определения скорости и кинематики. Оно сохраняет постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света в вакууме даже для сверхсветовых наблюдателей. Поэтому их расширенная специальная теория относительности не кажется такой уж «экстравагантной идеей», — объясняют ученые.

Как это меняет мир?

После учета сверхсветовых решений мир становится недетерминированным, а частицы двигаются сразу по множеству траекторий, в соответствии с квантовым принципом суперпозиции.

Согласно принципу детерменированности, существует строгая однозначная связь между величинами, характеризующими состояние механической системы в заданный момент времени, и значениями этих величин в любой последующий (или предыдущий) момент времени.

В мире детерминизма каждое событие с необходимостью вызывается предшествующими, а также законами природы. Под жесткой детерминированностью процессов понимается однозначная предопределенность, то есть у каждого следствия есть строго определенная причина. В итоге, согласно расширенной теории относительности, наша реальность становится непредопределенной и похожа на хаос.

На самом деле, для сверхсветового наблюдателя частица, которая живет по законам классической механики, перестает иметь смысл, и поле становится единственной величиной, которую можно использовать для описания физического мира.

Представление художника о фрактале, который отражает четвертого измерение. Фото: maxpixel.net

До недавнего времени считалось, что принципы, которые составляют саму основу квантовой теории, — фундаментальны. Однако мысленный эксперимент ученых показал: обоснование квантовой теории с помощью расширенной теории относительности можно обобщить концепцией четырех измерений (пространство-время 1+3). Такое расширение связывает относительность с выводам, постулируемыми квантовой теорией поля.

Что в итоге?

Таким образом, в расширенной специальной теории относительности все частицы, похоже, обладают экстраординарными свойствами. Но работает ли это наоборот? Можно ли мы найти обычные для сверхсветовых наблюдателей частицы, те, которые движутся относительно нас со сверхсветовыми скоростями?

Увы, это не так просто, объясняют ученые. Одно только экспериментальное открытие новой фундаментальной частицы — уже подвиг. Однако ученые все же надеются использовать результаты исследования, чтобы лучше понять явления спонтанного нарушения симметрии, связанного с массой бозона Хиггса и других частиц в Стандартной модели, особенно в ранней Вселенной.

Ключевым компонентом любого механизма спонтанного нарушения симметрии является тахионное поле. Возможно, именно сверхсветовые явления играют ключевую роль в механизме Хиггса (теории, которая описывает, как частицы-переносчики слабого взаимодействия приобретают массы).

Читать далее:

Выяснилось, сколько лет воде, которую мы пьем сегодня

17-летний инженер придумал безмагнитный двигатель: его смогут применять в электромобилях

Недалеко от Земли нашли две планеты. Возможно, они обитаемы

Наука: Наука и техника: Lenta.ru

В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн направил на публикацию работу с основными уравнениями общей теории относительности (ОТО). Позднее стало понятно, что новая теория гравитации, которой в 2015 году исполняется сто лет, предсказывает существование черных дыр и пространственно-временных тоннелей. О них и расскажет «Лента.ру».

Что такое ОТО

В основе ОТО лежат принципы эквивалентности и общей ковариантности. Первое (слабый принцип) означает пропорциональность инертной (связанной с движением) и гравитационной (связанной с тяготением) масс и позволяет (сильный принцип) в ограниченной области пространства не различать гравитационное поле и движение с ускорением. Классический пример — лифт. При его равноускоренном движении вверх относительно Земли находящийся в нем наблюдатель не в состоянии определить, находится он в более сильном гравитационном поле или перемещается в рукотворном объекте.

Второй принцип (общей ковариантности) предполагает сохранение уравнениями ОТО своего вида при преобразованиях специальной теории относительности, созданной Эйнштейном и другими физиками к 1905 году. Идеи эквивалентности и ковариантности привели к необходимости рассмотрения единого пространства-времени, которое искривляется в присутствии массивных объектов. Это отличает ОТО от классической теории тяготения Ньютона, где пространство всегда плоское.

ОТО в четырехмерии включает в себя шесть независимых дифференциальных уравнений в частных производных. Для их решения (нахождения явного вида метрического тензора, описывающего кривизну пространства-времени) необходимо задание граничных и координатных условий, а также тензора энергии-импульса. Последний описывает распределение материи в пространстве и, как правило, связан с используемым в теории уравнением состояния. Кроме того, уравнения ОТО допускают введение в них космологической постоянной (лямбда-члена), с которой часто связывают темную энергию и, вероятно, отвечающее ей скалярное поле.

Черные дыры

В 1916 году немецкий математический физик Карл Шварцшильд нашел первое решение уравнений ОТО. Оно описывает гравитационное поле, созданное центрально-симметричным распределением масс с нулевым электрическим зарядом. Это решение содержало так называемый гравитационный радиус тела, определяющий размеры объекта со сферически-симметричным распределением материи, который не способны покинуть фотоны (движущиеся со скоростью света кванты электромагнитного поля).

Карл Шварцшильд

Фото: Diomedia

Определенная таким образом шварцшильдова сфера тождественна понятию горизонта событий, а массивный ограниченный ею объект — черной дыре. Восприятие приближения к нему тела в рамках ОТО различается в зависимости от позиции наблюдателя. Для связанного с телом наблюдателя достижение шварцшильдовой сферы произойдет за конечное собственное время. Для внешнего наблюдателя приближение тела к горизонту событий займет бесконечное время и будет выглядеть как его неограниченное падение на шварцшильдову сферу.

Советские физики-теоретики также внесли свой вклад в теорию нейтронных звезд. В статье 1932 года «К теории звезд» Лев Ландау предсказал существование нейтронных звезд, а в работе «Об источниках звездной энергии», опубликованной в 1938 году в журнале Nature, предположил существование звезд с нейтронным ядром.

Как массивные объекты превращаются в черные дыры? Консервативный и наиболее признанный в настоящее время ответ на этот вопрос дали в 1939 году физики-теоретики Роберт Оппенгеймер (в 1943 году он стал научным руководителем Манхэттенского проекта, в рамках которого в США была создана первая в мире атомная бомба) и его аспирант Хартланд Снайдер.

В 1930-х годах астрономы заинтересовались вопросом о будущем звезды, если в ее недрах закончилось ядерное топливо. Для небольших звезд, подобных Солнцу, эволюция приведет к превращению в белых карликов, у которых сила гравитационного сжатия уравновешивается электромагнитным отталкиванием электронно-ядерной плазмы. У более тяжелых звезд гравитация оказывается сильнее электромагнетизма, и возникают нейтронные звезды. Сердцевина у таких объектов — из нейтронной жидкости, а ее покрывает тонкий плазменный слой электронов и тяжелых ядер.

Сверхмассивная чёрная дыра потребляет материю вращающейся вокруг нее звезды (в представлении художника)

Изображение: East News

Предельное значение массы белого карлика, не дающее ему превратиться в нейтронную звезду, в 1932 году впервые оценил индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар. Этот параметр вычисляется из условия равновесия вырожденного электронного газа и сил гравитации. Современное значение предела Чандрасекара оценивается в 1,4 солнечной массы.

Верхнее ограничение на массу нейтронной звезды, при которой она не превращается в черную дыру, получило название предела Оппенгеймера-Волкова. Определяется из условия равновесия давления вырожденного нейтронного газа и сил гравитации. В 1939 году получили значение в 0,7 солнечной массы, современные оценки варьируются от 1,5 до 3,0.

Кротовая нора

Физически червоточина (кротовая нора) представляет собой тоннель, связывающий две удаленные области пространства-времени. Эти области могут находиться в одной и той же вселенной или связывать разные точки разных вселенных (в рамках концепции мультивселенной). В зависимости от возможности вернуться сквозь нору обратно их подразделяют на проходимые и непроходимые. Непроходимые дыры быстро закрываются и не позволяют потенциальному путешественнику проделать обратный путь.

Материалы по теме:

С математической точки зрения червоточина — это гипотетический объект, получаемый как особое несингулярное (конечное и имеющее физический смысл) решение уравнений ОТО. Обычно червоточины изображают в виде согнутой двумерной поверхности. Попасть с одной ее стороны на другую можно как обычным способом, так и по соединяющему их тоннелю. В наглядном случае двумерного пространства видно, что это позволяет существенно сократить расстояние.

В двумерии горловины червоточины — отверстия, с которых начинается и заканчивается тоннель — имеют форму окружности. В трехмерии горловина кротовой норы похожа на сферу. Образуются такие объекты из двух сингулярностей в разных областях пространства-времени, которые в гиперпространстве (пространстве большей размерности) стягиваются друг к другу с образованием норы. Поскольку нора — это пространственно-временной тоннель, путешествовать по нему можно не только в пространстве, но и во времени.

Обыкновенная (сверху) и неориентируемая (внизу) кротовые норы

Изображение: inspirehep. net

Впервые решения уравнений ОТО типа кротовой норы привел в 1916 году Людвиг Фламм. Его работа, описывавшая кротовую нору со сферической горловиной без гравитирующей материи, не привлекла внимания ученых. В 1935 году Эйнштейн и американо-израильский физик-теоретик Натан Розен, не знакомые с работой Фламма, нашли аналогичное решение уравнений ОТО. Ими двигало в этой работе желание объединить гравитацию с электромагнетизмом и избавиться от сингулярностей решения Шварцшильда.

В 1962 году американские физики Джон Уилер и Роберт Фуллер показали, что червоточина Фламма и мост Эйнштейна-Розена быстро схлопываются и потому являются непроходимыми. Первое решение уравнений ОТО с проходимой кротовой норой предложил в 1986 году американский физик Кип Торн. Его червоточина заполнена материей с отрицательной средней плотностью массы, препятствующей закрытию тоннеля. Элементарные частицы с такими свойствами науке пока неизвестны. Вероятно, они могут входить в состав темной материи.

Гравитация сегодня

Решение Шварцшильда — самое простое для черных дыр. Сейчас уже описаны вращающиеся и заряженные черные дыры. Последовательная математическая теория черных дыр и связанных с ними сингулярностей развита в работах британского математика и физика Роджера Пенроуза. Еще в 1965 году в журнале Physical Review Letters он опубликовал статью под названием «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности».

Материалы по теме:

В ней описывается образование так называемой ловушечной поверхности, приводящей к эволюции звезды в черную дыру и возникновению сингулярности — особенности пространства-времени, где уравнения ОТО дают некорректные с физической точки зрения решения. Выводы Пенроуза считаются первым крупным математически строгим результатом ОТО.

Вскоре после этого ученый вместе с британцем Стивеном Хокингом показал, что в далеком прошлом Вселенная находилась в состоянии с бесконечной плотностью массы. Сингулярности, возникающие в ОТО и описанные в работах Пенроуза и Хокинга, не поддаются объяснению в современной физике. В частности, это приводит к невозможности описания природы до Большого взрыва без привлечения дополнительных гипотез и теорий, например, квантовой механики и теории струн. Развитие теории кротовых нор в настоящее время также невозможно без квантовой механики.

Новые измерения гравитации предполагают, что теория, предложенная Альбертом Эйнштейном, может быть ошибочной

Новое исследование, в котором использовались измерения космических явлений, показывает, что теория гравитации, предложенная Альбертом Эйнштейном, может быть ошибочной. Предыдущие попытки проверить знаменитые предсказания Эйнштейна обычно заканчивались в его пользу. Однако эта последняя попытка исправить несоответствие между общей теорией относительности физиков 20-го века и реальными космологическими измерениями указывает на возможность того, что, возможно, наконец пришло время переосмыслить теорию гравитации Эйнштейна.

Теория гравитации Эйнштейна прекрасно объясняет некоторые вещи, но не все

Гравитация повсюду и влияет на все. Более века общая теория относительности Альберта Эйнштейна с успехом описывала и предсказывала, как гравитация влияет на такие вещи, как планеты и звезды. Но это не всегда выдерживало чрезвычайно малые масштабы.

Вот где квантовая физика берет верх, пытаясь описать поведение материи и энергии в квантовом масштабе. Таким образом, продолжаются многочисленные эксперименты, пытающиеся исправить гравитацию в этих малых масштабах гравитацией в гораздо больших масштабах, затрагивающие все, от производства в атомном масштабе до квантовых компьютеров.

В то же время космологи и физики отмечают, что хорошо проверенные теории Эйнштейна также могут иметь проблемы в самых больших масштабах, особенно когда речь идет об объяснении огромного пространства всей Вселенной. В попытке устранить это противоречие между Эйнштейном и космологией группа исследователей решила более внимательно изучить фактические измерения массивных структур, таких как далекие галактики и сверхновые звезды. И их результаты показывают, что, возможно, наконец пришло время переосмыслить старые теории Альберта, особенно в таких огромных масштабах.

Использование наблюдений в реальном мире для проверки теории гравитации Эйнштейна выявило несоответствия

«Чтобы выяснить, верна ли общая теория относительности в больших масштабах, мы впервые решили одновременно исследовать три ее аспекта», основные исследователи исследования написали в статье для The Conversation. «Это расширение Вселенной, влияние гравитации на свет и влияние гравитации на материю».

Это исследование включало реконструкцию модели всей Вселенной от Большого взрыва до наших дней, чтобы увидеть, сочетаются ли недавние измерения космологических явлений с известными константами (такими как постоянно расширяющаяся Вселенная или идея о том, что 70% темной энергии состоит из , 25% темной материи и 5% обычной материи в космосе) подобны тому, что предсказал Эйнштейн, или если его теория развалится в таком огромном масштабе.

В частности, исследовательская группа под руководством Кадзуя Коямы, профессора космологии Портсмутского университета, и Левона Погосяна, профессора физики Университета Саймона Фрейзера, использовала реальные измерения, сделанные спутниками и телескопами, для построения своей модели. . Это включало измерения космического фонового излучения (света, оставшегося после Большого взрыва), сделанные спутником Planck, различные каталоги сверхновых, сделанные Хабблом и другими телескопами, а также наблюдения за формой и распределением далеких галактик, сделанные Sloan Digital. Телескопы Sky Survey (SDSS) и Dark Energy Survey (DES).

Космическое микроволновое фоновое излучение: Изображение предоставлено: НАСА

После включения этих данных в реконструкцию всей Вселенной, процесс, который Кояма, Погосян и их коллеги описали в журнале Nature Astronomy , исследовательская группа обнаружила некоторые интригующие и потенциально неожиданные Результаты.

«Мы нашли интересные намеки на возможное несовпадение с предсказанием Эйнштейна, хотя и с довольно низкой статистической значимостью», — объясняют они. «Это означает, что, тем не менее, существует вероятность того, что гравитация работает по-разному в больших масштабах и что общую теорию относительности, возможно, потребуется изменить».

После использования реальных, реальных измерений для воссоздания Вселенной команда обнаружила, что их смоделированная Вселенная и теоретическая Вселенная, предсказанная с помощью теории Эйнштейна, просто не складываются.

Это несоответствие между теорией и измеренными данными было особенно неэффективным при объяснении того, что космологи называют напряжением Хаббла. Исследователи объясняют хаббловское напряжение тем, что «разные способы измерения скорости космического расширения… дают разные ответы».

На самом деле команда обнаружила, что даже корректировка теории Эйнштейна не может полностью решить проблему. Вместо этого, возможно, потребуется добавить ряд параметров, объясняющих разницу между теорией и реальностью.

«Полное решение, вероятно, потребует нового компонента космологической модели, существовавшего до того времени, когда протоны и электроны впервые объединились в водород сразу после Большого взрыва, например, особая форма темной материи, ранний тип темной материи. энергии или первичных магнитных полей», — объясняют они. «Или, возможно, в данных есть пока неизвестная систематическая ошибка».

Будущие наблюдения могут пролить новый свет на этот вопрос, так сказать гравитационное отклонение звездного света. Но, отмечают они, общая теория относительности оказалась менее чем успешной в объяснении вещей как в чрезвычайно малых (квантовых) масштабах, так и в самых больших масштабах, в данном случае — в необъятности всей Вселенной. Однако они также отмечают, что их исследование выявило потенциальный путь к поиску решения.

«Наше исследование показало, что можно проверить справедливость общей теории относительности на космологических расстояниях, используя данные наблюдений», — пишут авторы исследования. «Хотя мы еще не решили проблему Хаббла, через несколько лет у нас будет намного больше данных с новых зондов».

По мере поступления этих новых данных авторы исследования говорят, что они могут продолжать настраивать свои модели, пока не найдут недостающие параметры или каким-то образом не найдут путь к еще более серьезному решению, которое даже сам Эйнштейн не мог представить.

«Мы сможем использовать эти статистические методы, чтобы продолжать корректировать общую теорию относительности, — заключают они, — исследовать пределы модификаций, чтобы проложить путь к решению некоторых открытых проблем в космологии».

Подпишитесь и свяжитесь с автором Кристофером Плейном в Твиттере @plain_fiction

Солнечное затмение, подтвердившее теорию относительности Эйнштейна , что способствовало современному пониманию Вселенной. Альберт Эйнштейн завершил свою общую теорию относительности в 1915. Эта теория изменила наше понимание понятий пространства, времени и гравитации, установленных Исааком Ньютоном. Одно из предсказаний новой теории заключалось в том, что лучи света, достигающие нас от далеких звезд, искривляются, когда проходят вблизи Солнца, из-за гравитации Солнца и природы пространства и времени. Это предсказание было подтверждено астрономическими наблюдениями за измерением света, достигающего Земли от далеких звезд.

Когда этот результат был опубликован, он вызвал большое волнение и интерес в научном сообществе и широкой публике, и Эйнштейн в одночасье стал суперзвездой.

Драматическое объявление

7 ноября 1919 года в британской газете London Times была опубликована статья под сенсационным заголовком « Революция в науке. Новая теория Вселенной. Идеи Ньютона опровергнуты. » В статье сообщается о результатах астрономических наблюдений, проведенных ранее в том же году двумя экспедициями, одна из которых располагалась на острове Принсипи, недалеко от западного побережья Африки, а другая — в городе Собрал в Бразилии. Из этих двух мест можно было наблюдать полное солнечное затмение в один и тот же день. Целью этих наблюдений была проверка одного из предсказаний общей теории относительности Эйнштейна. Эйнштейн утверждал, что пути световых лучей, исходящих от далеких звезд, будут искривляться, когда они проходят мимо Солнца на пути к Земле.

Как наблюдения за искривленными световыми лучами могут подтвердить теорию Эйнштейна и изменить взгляды людей на пространство, время и гравитацию? Начнем с предыстории.

Специальная теория относительности

1905 год был одним из самых продуктивных в научной карьере немецкого физика еврейского происхождения Альберта Эйнштейна. В том же году он сформулировал специальную теорию относительности. Эта теория основана на двух предположениях:

Во-первых, теория применима к системам, движущимся с постоянной скоростью по отношению друг к другу. Для простоты представим себе человека, сидящего в вагоне поезда. Окна закрыты, стука колес по гусеницам не слышно. Если поезд движется с постоянной скоростью, нет никакого эксперимента, который мог бы провести человек в поезде, чтобы определить скорость поезда или решить, движется он или стоит на месте относительно платформы.

Второе предположение говорит нам, что распространение света ведет себя иначе, чем движение других вещей. Скорость света всегда постоянна — она не зависит от скорости источника света или скорости наблюдателя. Например, когда я еду на своей машине и спрашиваю, с какой скоростью движется соседняя машина, ответ зависит от моей скорости. Если соседний автомобиль движется с той же скоростью, что и мой автомобиль, то он будет казаться покоящимся относительно моего автомобиля. Но если я буду ехать медленнее, то будет казаться, что другая машина удаляется от меня. Эйнштейн понял, что свет ведет себя по-разному: скорость света не зависит от состояния движения того, кто ее измеряет, и от скорости источника, из которого этот свет излучается.

Вам это кажется странным? Ну, это становится еще более странным! Из этих двух предположений следует, что если два человека движутся друг относительно друга и измеряют длину определенного объекта, то получают разные результаты! Далее, если они измерят время между двумя событиями, они не сойдутся во времени, прошедшем между ними. Иногда они даже не сойдутся в том, какое событие произошло первым! Измерения расстояния, времени и одновременности событий являются относительными , что означает, что они зависят от состояния движения того, кто проводит измерения. Понятия расстояния и времени в специальной теории относительности Эйнштейна сильно отличаются от мировоззрения, предложенного английским математиком и физиком Исааком Ньютоном. Согласно теориям Ньютона, пространство и время являются отдельными сущностями и абсолютны — результаты измерения времени и расстояния в пространстве не зависят от движения того, кто их проводит.

Один из известных выводов теории Эйнштейна состоит в том, что масса и энергия эквивалентны друг другу — вывод, который представлен самой известной в науке формулой E = mc ² . E представляет энергию, m представляет массу, а c представляет собой скорость света. Согласно этой формуле небольшое количество массы может быть преобразовано в огромное количество энергии. В реакторах, обеспечивающих ядерную энергию, эти процессы протекают управляемым образом. В атомной бомбе они происходят неконтролируемым образом, что приводит к катастрофическому взрыву. В ядре Солнца четыре ядра водорода сливаются в сложном процессе, чтобы стать ядром гелия. Масса ядра гелия немного меньше массы четырех ядер водорода. Масса, которая теряется в этом процессе, становится энергией и является источником энергии Солнца и, следовательно, источником жизни на Земле.

Общая теория относительности

Специальная теория относительности имеет два основных ограничения: во-первых, эта теория относится только к системам, движущимся с постоянной скоростью; он не учитывает ускоренное движение, то есть движение, которое ускоряется или замедляется или меняет свое направление, как в карусели. Второе ограничение заключается в том, что специальная теория относительности не может принять во внимание гравитационную силу, центральную силу, которая удерживает Луну на фиксированной орбите вокруг Земли и планеты на их орбитах вокруг Солнца.

Завершив специальную теорию относительности, Эйнштейн начал искать теорию, которая была бы свободна от этих двух ограничений. Его 10-летние поиски привели к общей теории относительности. Основная идея этой теории состоит в том, что гравитационная сила — сила притяжения между двумя объектами — это не сила, как в теории Ньютона, а свойство пространства, точнее пространства и времени. В новой теории Эйнштейна пространство и время объединены в одно целое — пространство-время. В теории Ньютона пространство и время являются «сценой», на которой происходят все физические процессы. В теории Эйнштейна пространство и время принимают участие в этих процессах и находятся под их влиянием. Согласно Эйнштейну, массивные объекты во Вселенной, обладающие массой, такие как планеты и звезды, искривляют пространство-время вокруг себя. Это означает, что объекты и световые лучи, движущиеся во Вселенной, движутся через искривленное пространство-время. Очень сложно объяснить эту концепцию так, чтобы ее было легко понять. Даже физики, изучающие такие явления, с трудом могут представить себе искривленное пространство-время. Эти понятия лучше всего описываются на языке математики с использованием методов, разработанных математиками еще в девятнадцатом веке. Используя эти методы, в 1915 Эйнштейн нашел уравнения, описывающие влияние массы на структуру пространства-времени, и уравнения движения, следующие из этого влияния. Эти уравнения — величайшее достижение Эйнштейна, и они лежат в основе всего, что мы знаем о Вселенной — о том, как она возникла, как развивалась и какова ее структура.

Наблюдения за солнечным затмением подтвердили теорию Эйнштейна

Когда Эйнштейн начал развивать свою общую теорию относительности, он уже знал, что световые лучи искривляются вблизи Солнца. Еще до того, как у него появилась окончательная теория, Эйнштейн подсчитал, насколько искривляются эти световые лучи, но, хотя в то время он этого не знал, он получил результат, который был в два раза меньше правильного значения. В 1913 марта Эйнштейн отправил письмо астроному Джорджу Хейлу, который был директором обсерватории Маунт-Вильсон, крупнейшей обсерватории в Соединенных Штатах. Эйнштейн спросил Хейла, есть ли способ наблюдать за звездами вблизи Солнца в дневное время. Хейл ответил, что единственный способ наблюдать эти звезды — во время полного солнечного затмения.

Возможно, вам все еще интересно, почему для доказательства теории Эйнштейна понадобилось солнечное затмение. Во-первых, важно помнить, что для того, чтобы увидеть влияние гравитации Солнца на свет от далеких звезд, Солнце должно находиться между нами и звездами, за которыми мы наблюдаем, то есть это следует делать в дневное время. Обычно невозможно увидеть звезды днем, потому что солнце такое яркое! Но во время солнечного затмения, когда небо темное, эти звезды будут видны. Солнечное затмение происходит потому, что плоскость орбиты Луны вокруг Земли искривлена ​​относительно плоскости орбиты Земли вокруг Солнца. Иногда Земля, Луна и Солнце пересекаются таким образом, что образуют прямую линию. Когда это происходит, луна закрывает солнце, и происходит солнечное затмение. Но Луна слишком мала, чтобы отбрасывать тень на всю землю, и поэтому есть районы, где происходит полное солнечное затмение, а в других районах только частичное.

Эйнштейн рассудил, что если астрономы сравнили фотографии звезд, сделанные во время солнечного затмения, когда солнце находилось между Землей и звездами, с фотографиями тех же звезд, сделанными в ночное время, когда солнце не было между Землей и звездами. звезды, положение звезд должно казаться сдвинутым. Если бы положение звезд на двух фотографиях различалось, это означало бы, что гравитационное поле Солнца искривляет путь света от этих звезд (рис. 1).

• Рисунок 1. Когда лучи света от далекой звезды проходят через гравитационное поле Солнца, лучи искривляются.
• Наблюдатель на Земле увидит, что положение звезды сместилось, когда солнце находится на пути света звезды, по сравнению с тем, когда солнце находится в другой области неба, не на пути света.

Немецкая астрономическая экспедиция планировала провести наблюдения во время полного солнечного затмения 21 августа 1914 года в районе Крыма в России. Но тут началась первая мировая война и экспедиция попала в плен, а ее оборудование было конфисковано.

Исследователи наконец получили еще одну возможность во время солнечного затмения 29 мая 1919 года (рис. 2). В то время Эйнштейн уже имел окончательную общую теорию относительности и на ее основе предсказал, что скорость искривления в два раза сильнее, чем он предполагал ранее. Как указывалось ранее, эти наблюдения были получены из двух мест, Собрал и Принсипи. После нескольких месяцев анализа наблюдений, что было непростой задачей, с использованием имевшихся в то время ресурсов, руководители экспедиций Артур Эдингтон и Чарльз Дэвидсон вместе с королевским астрономом сэром Фрэнком Дайсоном заявили, что «результаты экспедиций на Собрал и Принсипи почти не оставляют сомнений в том, что искривление света вокруг Солнца действительно происходит и что его скорость соответствует той, которую требует теория относительности Эйнштейна». Тот факт, что это предсказание общей теории относительности было подтверждено независимыми измерениями в двух удаленных друг от друга точках, помог убедить научное сообщество в том, что этот вывод действительно верен.

• Рисунок 2 – Солнечное затмение 1919 года и звезды вокруг него.
• Расположение звезд на этой фотографии сравнивали с фотографиями, сделанными, когда солнце находилось в другой части неба. При этом исследователи обнаружили, что положение звезд, похоже, изменилось. Это происходит потому, что гравитация Солнца искривляет световые лучи звезд, как показано на рисунке 1.

Влияние теорий Эйнштейна

Это был чрезвычайно важный результат. Это не только подтвердило общую теорию относительности Эйнштейна, но и помогло ученым понять ценное астрономическое явление, называемое гравитационным линзированием, которое может помочь ученым в изучении Вселенной. Степень искривления световых волн при прохождении вблизи Солнца очень мала. Объекты с гораздо большей массой, такие как черные дыры или даже целые галактики, могут вызывать гораздо более сильное искривление, до такой степени, что источники света позади этих массивных объектов можно увидеть в наши телескопы. Эйнштейн заметил возможность гравитационного линзирования еще в 1912, но он опубликовал свои идеи и связанные с ними расчеты только 24 года спустя.

Сенсационное название новостной статьи об успехах британских экспедиций вызвало большой ажиотаж в научном сообществе. Это также вызвало ажиотаж у широкой публики, который был усилен из-за периода, когда статья была опубликована — всего через несколько лет после Первой мировой войны, унесшей миллионы жизней и приведшей к большим разрушениям. Статья напомнила людям об интеллекте человеческого разума и показала им, что в науке может быть международное сотрудничество. Это породило новую надежду. Интерес широкой публики к Эйнштейну и восхищение им были заоблачны, и он за одну ночь стал суперзвездой. Эйнштейн пользовался этим статусом до конца своей жизни, и его все еще хорошо знают и уважают сегодня.

Примечание автора

Ханох Гутфройнд также делится захватывающими мыслями о важности уникальной рукописи, которая была продана с аукциона в ноябре 2021 года. Эта рукопись показывает, как Альберт Эйнштейн и его давний друг Мишель Бессо работали вместе, чтобы изучить последствия предварительного теории, опубликованной Эйнштейном в 1913 году. Результат их работы помог Эйнштейну завершить свою общую теорию относительности 2 года спустя. Узнайте больше здесь!

Дополнительные показания

На сотый год истории, которая является темой этой статьи, были опубликованы две книги, описывающие ее научный и исторический контекст: С. Джеймс Гейтс-младший и Кэти Пеллетье, Доказывая правоту Эйнштейна — смелые экспедиции, которые изменили то, как We Look at the Universe, Hachette Book Group, 2019. Дэниел Кеннефик, Ни тени сомнения — затмение 1919 года, которое подтвердило теорию относительности Эйнштейна, Princeton University Press, 2019.

Глоссарий

Солнечное затмение : ↑ Явление, происходящее, когда Луна находится прямо между Солнцем и Землей, так что Луна отбрасывает тень на часть Земли.