Теория эйнштейна о времени и пространстве: Симметрия пространства-времени и теория относительности Эйнштейна

Содержание

Пространство-время Эйнштейна — ЗНАНИЕ-СИЛА

Принцип относительности в поиске абсолютного

Объясняя историю физики, трудно взять из поворотной работы больше, чем отдельные фразы, – такие тексты пишутся для профессионалов. Однако начало статьи Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» 1905 года выглядит доступным: «Известно, что электродинамика Максвелла в применении к движущимся телам приводит к асимметрии, несвойственной самим явлениям. Например, взаимодействие магнита и проводника с током зависит лишь от их относительного движения, однако случаи, когда движется тот либо другой, описываются совсем по-разному. Если движется магнит, а проводник покоится, то вокруг магнита возникает электрическое поле, которое порождает ток в проводнике. Если же магнит покоится, а движется проводник, то никакого электрического поля вокруг магнита не возникает; зато в проводнике возникает электродвижущая сила, вызывающая точно такой же ток, как и в первом случае.

Примеры подобного рода, как и неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно «светоносной среды», побуждают предположить, что не только в механике, но и в электродинамике нет оснований для понятия абсолютного покоя и что для всех систем отсчета, для которых справедливы законы механики, справедливы также и законы электродинамики. К этому предположению, называемому далее «принципом относительности», добавим принцип, который лишь кажется противоречащим первому: свет в пустоте движется всегда с определенной скоростью, не зависящей от движения источника света. Этих двух принципов достаточно, чтобы на основе теории Максвелла для покоящихся тел построить простую и свободную от противоречий электродинамику движущихся тел. При этом понятие «светоносного эфира» окажется лишним».

Намерение Эйнштейна выглядит скромно – поправить формулировку теории Максвелла, не меняя ее основ. Однако, чтобы решить эту задачу, автору пришлось изменить основу всей физики – представления о пространстве и времени. Так в статье 1905 года родилась самая знаменитая, пожалуй, физическая теория – теория относительности.

Все в мире относительно, – гласит самое краткое изложение теории относительности и самое неправильное. Ведь Эйнштейн положил в основу теории два абсолютных принципа – принцип относительности и принцип постоянства скорости света в пустоте. А их конкретные точные следствия, подтвержденные экспериментально, засвидетельствовали, что принципы эти лежат в фундаменте мироздания.

В создании теории относительности помог Галилей, открывший, что равномерное движение – движение со скоростью, постоянной по величине и направлению, неотличимо от покоя. Свое открытие Галилей предлагал проверить каждому:

«Закройтесь в каюте корабля, взяв с собой мух, аквариум с рыбками и сосуд, вода из которого падает каплями в нижний сосуд с узкой шейкой. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте внимательно, как мухи и рыбки движутся во всех направлениях одинаково, капли попадают в сосуд, поставленный снизу, и предмет, брошенный с одинаковым усилием, упадет на одинаковом расстоянии независимо от направления. А если зажечь кусочек ладана, то увидите, как дым поднимается кверху, там задерживается и движется безразлично в одну или другую сторону наподобие облачка. Затем дайте кораблю движение с какой угодно скоростью, но равномерное, и вы не заметите никакой разницы во всех этих явлениях, и не сможете, по ним судя, узнать, движется корабль или покоится».

Из этого открытия Галилея вырос первый закон механики Ньютона, или закон инерции.

Хотя Галилей не говорил об электрических и магнитных опытах, до Максвелла легко было думать, что и в таких опытах покой неотличим от равномерного движения. Ситуация изменилась, когда выяснилось, что свет – это электромагнитные колебания, а скорость света оказалась в уравнениях электромагнитного поля. Если скорость света подобна скорости звука или скорости камня, то она должна зависеть от обстоятельств. Скорость звука, например, определенно зависела от свойств «звуконосной» среды – воздуха, воды и так далее, но в уравнениях Максвелла не участвовали никакие свойства «светоносной» среды – эфира. А зачем нужен эфир, если никакие его свойства не важны? Так что в теории Максвелла были несуразности и помимо той, с которой Эйнштейн начал свою статью о теории относительности.

Все несуразности ушли, когда Эйнштейн возвысил «каютный» закон механики до всефизического принципа и провозгласил скорость света «бесподобной». Если скорость света неизменна, то есть не зависит ни от чего, и в частности от эфира, то и сам эфир излишен – с его обязанностями вполне справится пустота. А, значит, в уравнениях Максвелла скорость света – настоящая физическая константа.

Эйнштейн исправил электродинамику, не меняя ни единого знака в максвелловских уравнениях. Ведь всякое движение под действием электромагнитного поля происходит во времени и пространстве с какой-то скоростью, а эти понятия Эйнштейн радикально изменил, совместив принцип относительности с неизменной скоростью света.

Первым, кто принял работу Эйнштейна и сразу же включился в ее развитие, стал Планк. Задача навести порядок в электродинамике Максвелла пришлась по душе ему, нечаянному революционеру, не принявшему первую теорию Эйнштейна – о квантах света в фотоэффекте. Планк показал, как надо изменить законы механики Ньютона, чтобы учесть новое понимание пространства, времени и электродинамики. В новых законах движения участвовала, конечно, скорость света.

Следующий важный шаг в оформлении теории относительности сделал математик Герман Минковский, когда осознал, что новые физические представления о пространстве и времени могут быть представлены как новая геометрия – геометрия пространства-времени. Точка пространства-времени – это физическое событие, происшедшее где-то и когда-то, к примеру, пересечение стрелки данных часов какой-то определенной точки на циферблате или включение фонаря. Главное же – отношение двух событий, двух точек пространства-времени.

Минковский показал, что, в силу теории относительности, для любой пары событий, разделенных расстоянием r и временем t, величина r² – (ct)² , называемая интервалом между событиями, не просто сохраняет свою положительность, отрицательность или нулевое значение для всех наблюдателей, но и сохраняет свою численную величину. И это – новая абсолютная взаимосвязь событий в пространстве-времени, его метрика и основа его абсолютной хроно-геометрии.

Такая связь пространства и времени меняет взгляд на саму физическую константу c. Называть ее просто скоростью света можно лишь по историческим основаниям. Ведь связь пространства и времени проявляется в любых физических явлениях, поскольку все они проходят в пространстве и времени, даже если проходят без участия света, в кромешной тьме. На самом деле свету просто повезло – он распространяется со скоростью, равной фундаментальной константе c, выражающей связь пространства и времени. А теорию относительности, названную так исторически, чисто научно можно назвать c-теорией.

Разумеется, количественная роль фундаментальной константы c в конкретном физическом явлении может быть и пренебрежимо мала, но это уже зависит от требуемой точности описания. В обыденной жизни и в большой части физики участие c незаметно потому, что обыденные скорости ничтожно малы по сравнению со скоростью c.

Когда-то люди были уверены, что Земля плоская. Эта уверенность была вполне оправдана, когда в реальном жизненном опыте им не приходилось иметь дело с расстояниями в тысячи километров (радиус Земли, напомним, – примерно шесть тысяч километров). А те, для кого подобные расстояния стали обычным делом, – путешественники, географы, астрономы – заметили шарообразность Земли и измерили ее радиус. Точно так же и физики, взявшие в оборот скорости, сравнимые со скоростью света, не могли не заметить ее особые свойства.

Надо сказать, что вначале Эйнштейн без особого внимания отнесся к геометрической идее Минковского: мало ли какие фокусы могут делать математики с соотношениями физической теории! Он изменил свое отношение, когда взялся за новую проблему, порожденную его же успехом. Теория относительности, преодолев «асимметричность» электродинамики Максвелла, вошла в конфликт с ньютоновским законом всемирного тяготения.

Прежде чем перейти к этому конфликту, однако, посмотрим на создание теории относительности с такой высоты птичьего полета, с какой видна вся история фундаментальной физики. Крутым взлетом свободной интуиции Эйнштейн поднял странные результаты единичных искусных экспериментов до общего аксиоматического принципа – о неизменности скорости света. До того же уровня он поднял галилеевский принцип относительности, убрав неработающую аксиому о существовании эфира. Из двух его аксиом последовало новое понимание одновременности, «странный» закон сложения скоростей и другие следствия, доступные опытной проверке.

Все просто и логично, если не считать таинственной интуиции, о которой Эйнштейн сказал: «Понятия никогда нельзя вывести из опыта логически безупречным образом… Не согрешив против логики, никуда не придешь». Имеется в виду, конечно, логика предшествовавшей теории, но когда делается первый шаг, точнее, первый взлет, иной логики – логики новой теории – еще нет, и требуется огромная сила духа, чтобы из «нелогично» изобретенных аксиом настойчиво извлекать логические следствия, сверяя их с эмпирической реальностью.

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

Какую-то роль в этом играл, вероятно, грустный закон Планка о смене поколений в науке, – Лоренцу и Пуанкаре было уже за 50. Но важнее то, что великое физическое открытие – подлинно новое слово в науке – требует великого физика, каким оказался молодой патентный эксперт.

Лоренц и Пуанкаре – даже после эйнштейновской статьи 1905 года – опирались на понятие эфира. Они придумывали сложные механизмы взаимодействия эфира и вещества, чтобы обеспечить нужные соотношения пространственных и временных величин. А Эйнштейн, опираясь на экспериментальные данные, изобрел странный, но простой принцип постоянства скорости света – аксиому, из которой – вместе с принципом относительности – безо всяких эфирных механизмов логически следовали нужные соотношения. Он стремился не к «понятности» объяснения, а к раскрытию устройства природы. Обычно «понять» означает «свести к знакомому, привычному», и эфир был привычным. Держась за привычное, легче идти в неведомое. Но невозможно взлететь.

Об этом писал Галилей: «Природа не заботится о том, доступны ли человеческому восприятию ее скрытые причины и способы действия». И Максвелл видел опасность предвзятой физической гипотезы, когда через ее узкий окуляр рассматривается и осмысливается обширная область экспериментальных фактов. Стремление к предвзятой «понятности» скрытых причин ограничивает свободу взлета изобретательной интуиции. Эйнштейн показал это не хуже великих предшественников.

Теория относительности или закон всемирного тяготения?

Молодой великий физик не заснул на лаврах, было дело поинтереснее. Новорожденная теория относительности стояла перед суровой проблемой – она была несовместима с великим законом всемирного тяготения Ньютона. Основанная на этом законе теория гравитации уже более двух веков служила образцом физической теории, а образцом научного триумфа стало открытие планеты Нептун «на кончике пера», которым водил, можно сказать, закон Ньютона.

Согласно этому закону, сила притяжения между массами m и M

F = mM/r²,

где r – расстояние между точками ПРОСТРАНСТВА, в которых находятся эти массы в ДАННЫЙ – ОДИН И ТОТ ЖЕ – МОМЕНТ ВРЕМЕНИ. Фраза, еще недавно вполне научная, перестала быть таковой в свете теории относительности. Ведь для разных – но равноправных – наблюдателей, движущихся друг относительно друга, величина силы была бы разной. Значит, великий закон всемирного тяготения неверен, или, по меньшей мере, неточен?!

Эту проблему Пуанкаре осознал, быть может, раньше Эйнштейна. По крайней мере, уже спустя несколько месяцев после статьи Эйнштейна о теории относительности Пуанкаре предложил решение проблемы гравитации, a вернее, даже два – два варианта обновить закон тяготения Ньютона так, чтобы гравитация распространялась со скоростью света, а при малых скоростях тел совпадала с ньютоновской. В теоретической физике, увы, два варианта хуже, чем один, – ведь устройство природы лишь одно. Даже великий математик не добьется успеха, если выбрал физически хилую точку опоры.

Пуанкаре по-прежнему опирался на понятие эфира: «То, что гравитация распространяется со скоростью света, не может быть результатом каких-либо случайных обстоятельств, а должно быть обусловлено одним из свойств эфира; тогда возникает задача проникнуть в природу этого свойства и связать ее с другими свойствами эфира». Искомый закон гравитации великий математик ограничил скучным условием: «Так как астрономические наблюдения, по-видимому, не обнаруживают заметных уклонений от закона Ньютона, выберем решение, наименее расходящееся с этим законом для малых скоростей тел».

Работа Пуанкаре в гравитации напоминает то, что делали математики в электромагнетизме до Максвелла и несмотря на Фарадея. Тогда, в первой половине XIX века, математики старались обобщить закон Кулона – закон взаимодействия электрических зарядов – на случай их движения, однако уже были открыты новые явления, не укладывающиеся в старый закон. А Пуанкаре исходил из того, что никаких подобных явлений в гравитации «по-видимому, не обнаружено». Логическая неувязка побуждает к размышлениям, но физика – наука экспериментальная, основанная на реальных наблюдаемых явлениях, даже если это – теоретическая физика.

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

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

Конечно, школьник знает, что если в закон движения ma = F подставить силу F = GmM/r², то масса камня m сократится. Но все равно, не странно ли это? От массы зависит гравитационная сила, которая определяет движение, а само движение от массы не зависит?! Ни форма траектории, ни скорость движения! Прямо не физика, а какая-то геометрия. Там тоже, какую бы линейку ни взять – обычную деревянную, натянутую нить или луч света, – свойства фигур окажутся теми же.

Но в 1907 году Эйнштейну физика была гораздо интереснее геометрии, и он в законе свободного падения, открытом Галилеем, увидел путеводный принцип для поиска новой теории гравитации и назвал его принципом эквивалентности. Фактически Эйнштейн использовал еще одно изобретение Галилея – опыты в каюте без окон, хотя, учитывая бытовой прогресс, назвал каюту лифтом.

Первый известный лифт изобрел еще Архимед, но обычным делом этот вид транспорта стал лишь к концу XIX века, и главной проблемой была безопасность – чтобы лифт не сорвался в свободное падение. Однако Эйнштейну как раз свободное падение лифта было самым интересным. За время свободного падения лифта физик-теоретик может проделать любые мысленные опыты и убедиться, что мысленный экспериментатор-пассажир в лифте вообще не обнаружит тяжести. В наше время все видят на телеэкране это явление – невесомость в свободно летящем лифте под названием МКС (Международная космическая станция). А физик-теоретик уже сто лет назад мог мысленно поместить лифт в полной пустоте, приделать к нему реактивный двигатель, обеспечить движение с ускорением 10 м/сек² и понять, что мысленный пассажир-экспериментатор в лифте обнаружит настоящую земную тяжесть. Таким образом, ускоренное движение наблюдателя эквивалентно проявлениям гравитации. Этот принцип эквивалентности, понятный школьнику, стал важнейшим исследовательским инструментом Эйнштейна.

К тому времени сам инструментальный факт не раз проверялся. В предыдущих двух школьных формулах участвует одна и та же буква m, которая поэтому легко сокращается в школьной физике. В физике высоконаучной в этих формулах должны быть разные буквы – m_u и m_r, обозначающие массу инерциальную и массу гравитационную. Закон свободного падения можно выразить равенством

m_u = m_r,

которое выражает экспериментальный факт, впервые обнаруженный Галилеем и состоящий в том, что движение маятника не зависит от того, из какого вещества сделан груз, висящий на данной нити. Этот факт проверял Ньютон и подтвердил с точностью до одной тысячной, а ко времени Эйнштейна его подтвердили с точностью до стомиллионной, включая новые радиоактивные вещества. Так же, как и с неудачными попытками обнаружить изменение скорости света, теоретик Эйнштейн доверился эксперименту (и своей интуиции), что и дало ему в руки принцип эквивалентности.

Этот принцип дал возможность исследовать действие гравитации, не обращаясь к закону всемирного тяготения. Важнее всего было исследовать действие гравитации на движение со скоростью, близкой к скорости света, когда без теории относительности не обойтись. И Эйнштейн выбрал сам свет, к исследованию чего он был подготовлен лучше других. В 1905 году свет был его главным инструментом в создании теории относительности, а идея квантов света объяснила явление фотоэффекта.

И воздействие гравитации на свет он мог понять двумя способами. Во-первых, луч света, распространяющийся в пустоте по прямой, попадая в ускоренно падающий лифт поперек его движению, очевидным образом движется относительно лифта по параболе, то есть искривляется. Во-вторых, энергия кванта света E = hu, согласно релятивистскому закону E = mc², давала вполне определенную массу m, подвластную гравитации.

Таким образом, с помощью принципа эквивалентности Эйнштейн обнаружил два новых эффекта гравитации – искривление луча света и изменение его частоты. Однако, подсчитав эффект, понял, что «влияние гравитации Земли слишком мало, чтобы сравнить теорию с опытом». Четыре года спустя Эйнштейн придумает, как можно воспользоваться гравитацией Солнца, чтобы увеличить эффект и сделать его наблюдаемым. Но уже в 1907 году он убедился в работоспособности принципа эквивалентности.

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

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

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

4.2. Пространство и время в свете теории Альберта Эйнштейна

Специальная
теория относительности созданная
в 1905 г. А.
Эйнштейном,
стала результатом обобщения и синтезом
классической механики Галилея – Ньютона,
и электродинамики Максвелла — Лоренса.
“Она описывает законы всех физических
процессов при скоростях движения,
близких к скорости света, но без учета
поля тяготения. При уменьшении скоростей
движения она сводится к классической
механике, которая, таким образом,
оказывается ее частным случаем”.

Скорость
света является предельной скоростью
распространения материальных воздействий.
Она не может складываться ни с какой
скоростью и для всех инерциальных систем
оказывается постоянной. Все движущиеся
тела на Земле по отношению к скорости
света имеют скорость, равную нулю.

Скорость
звука всего лишь 340 м/с.. Это не подвижность
по сравнению со скоростью света.

Из
этих двух принципов постоянства скорости
света и расширенного принципа
относительности Галилея – математически
следуют все положения специальной
теории относительности (СТО). Если
скорость света постоянна для всех
инерциальных систем, а они все равноправны,
то физические величины длины тела,
промежутка времени, массы для разных
систем отсчета будут различными. Так,
длина тела в движущейся системе будет
наименьшей по отношению к покоящейся.

Для
промежутка же времени, длительности
какого-либо процесса – наоборот. Время
будет как бы растягиваться, течь медленнее
в движущейся системе по отношению к
неподвижной, в которой этот процесс
будет быстрым.

Еще
раз подчеркнем, что эффекты специальной
теории относительности будут обнаруживаться
при скоростях, близких к световым. При
скоростях значительно меньше скорости
света формулы СТО переходят в формулы
классической механики.

А.
Эйнштейн попытался наглядно показать,
как происходит замедление течения
времени в движущейся системе по отношению
к неподвижной.

Пространство
и время являются также универсальными,
всеобщими формами бытия материи.
Нет явлений, событий, предметов, которые
существовали бы вне пространства или
вне времени. У Гегеля высшей реальностью
является абсолютная идея, или абсолютный
дух, который существует вне пространства
и вне времени. Только производная от
абсолютной идея природа развертывается
в пространстве.

Важным
свойством пространства является его
трёхмерность.

Положение
любого предмета может быть точно
определено только с помощью трех
независимых величин – координат. В
прямоугольной декартовой системе
координат это – XYZ,
называемые: длиной, шириной и высотой.
В сферической системе координат –
радиус-вектор r
и углы и . В циллиндрической системе
– высота z,
радиус — вектор и угол .

В
отличие от пространства, в каждую
точку которого, можно снова и снова
возвращаться (и в этом отношении оно
является, как бы обратным), время –
необратимо
и одномерно.
Оно течёт из прошлого через настоящее
к будущему. Нельзя возвратиться назад
в какую-либо точку времени, но нельзя
и перескочит через какой-либо временной
промежуток в будущее. отсюда следует,
что время составляет, как бы рамки
для причинно-следственных связей.

Пространство
обладает свойством однородности
и изотропности, а
время – однородности.
Однородность пространства заключается
в равноправии всех его точек, а изотропность
– в равноправии всех направлений. Во
времени все точки равноправны, не
существует преимущественной точки
отсчёта, любую можно принимать за
начальную.

В
современной науке используются понятия
биологического,
психологического и социального
пространства
и времени.

Так,
биологическое
пространство и время характеризует
особенности пространственно-временных
параметров органической материи.
Биологическое бытие человеческого
индивида, смену видов растительных и
животных организмов, их жизнь и
смерть.

Одновременно
идёт формирование нового феномена –
психологического
пространства и времени.
Психическая регуляция движения индивида
и его предметных действий происходит
не только на уровне отражения
внешнего физического пространства,
но и на основе собственной телесной
биомеханики и собственного пространства.

Становление
человеческого индивида и личности с
необходимостью включает не только
биологический и психологический циклы,
но и социальный. Он проходит в рамках
социогенеза – становления человеческого
общества, развитие форм социальной
организации и духовной жизни. Одновременно
идёт процесс формирования нового
феномена – социального
пространства и времени.
Анализируя этот феномен,
К.Ясперс
выделяет понятие “осевой эпохи” и
“осевого времени”.

10 вещей, в которых Эйнштейн был прав — исследование Солнечной системы НАСА

Сто лет назад, 29 мая 1919 года, астрономы наблюдали полное солнечное затмение в амбициозной попытке проверить общую теорию относительности Альберта Эйнштейна, увидев ее в действии. По сути, Эйнштейн считал, что пространство и время переплетены в бесконечную «ткань», подобную натянутому одеялу. Массивный объект, такой как Солнце, искривляет пространственно-временной покров своей гравитацией, так что свет больше не движется по прямой линии, проходя мимо Солнца.

Это означает, что видимое положение фоновых звезд, видимых вблизи Солнца на небе — в том числе во время солнечного затмения — должно казаться слегка смещенным в отсутствие Солнца, потому что гравитация Солнца искривляет свет. Но до эксперимента с затмением никто не мог проверить общую теорию относительности Эйнштейна, так как иначе никто не мог бы увидеть звезды вблизи Солнца в дневное время.

Мир праздновал результаты этого эксперимента с затмением — победу Эйнштейна и начало новой эры нашего понимания Вселенной.

Общая теория относительности имеет много важных последствий для того, что мы видим в космосе и как мы сегодня делаем открытия в глубоком космосе. То же верно и для более старой теории Эйнштейна, специальной теории относительности, с ее широко известным уравнением E=mc ² . Вот 10 вещей, вытекающих из теорий относительности Эйнштейна:

Высокоэнергетическое зрение

Это изображение, созданное на основе более чем шести лет наблюдений космического гамма-телескопа Ферми НАСА, впервые показывает, как выглядит все небо при энергиях от 50 миллиардов (ГэВ) до 2 триллионов электрон-вольт (ТэВ). Для сравнения, энергия видимого света колеблется между 2 и 3 электрон-вольтами. Предоставлено: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration | › Полное изображение и подпись

1. Универсальный предел скорости

Знаменитое уравнение Эйнштейна E=mc ² содержит «с» — скорость света в вакууме. Хотя свет бывает разных цветов — от радуги цветов, которые люди могут видеть, до радиоволн, которые передают данные космического корабля, — Эйнштейн сказал, что весь свет должен подчиняться ограничению скорости в 186 000 миль (300 000 километров) в секунду. Таким образом, даже если две частицы света несут очень разное количество энергии, они будут двигаться с одинаковой скоростью.

Это было доказано экспериментально в космосе. В 2009 году космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» обнаружил два фотона практически одновременно, причем один из них несет в миллион раз больше энергии, чем другой. Оба они произошли из области высоких энергий около столкновения двух нейтронных звезд около 7 миллиардов лет назад. Нейтронная звезда — это очень плотный остаток взорвавшейся звезды. В то время как другие теории утверждали, что само пространство-время имеет «пенистую» текстуру, которая может замедлять более энергичные частицы, наблюдения Ферми говорят в пользу Эйнштейна.

Формирование галактик, кажется, образует улыбающееся лицо. Два желтых пятна висят на широкой дуге света. Нижняя дугообразная галактика имеет характерную форму галактики с гравитационной линзой — ее свет прошел вблизи массивного объекта на пути к нам, заставив его исказиться и растянуться. Авторы и права: ЕКА/Хаббл и НАСА; Благодарность: Джуди Шмидт (geckzilla)

2. Сильное линзирование

Подобно тому, как Солнце преломляет свет от далеких звезд, проходящих близко к нему, массивный объект, такой как галактика, искажает свет от другого объекта, который находится намного дальше. В некоторых случаях это явление действительно может помочь нам открыть новые галактики. Мы говорим, что более близкий объект действует как «линза», действуя как телескоп, который показывает более удаленный объект. Целые скопления галактик могут быть линзированы и действовать как линзы.

Когда объект линзы появляется достаточно близко к более удаленному объекту в небе, мы на самом деле видим несколько изображений этого далекого объекта. В 1979 году ученые впервые наблюдали двойное изображение квазара, очень яркого объекта в центре галактики, в котором находится сверхмассивная черная дыра, питающаяся диском втекающего газа. Эти кажущиеся копии удаленного объекта меняют яркость, если изменяется исходный объект, но не все сразу, из-за того, как само пространство искривляется гравитацией объекта переднего плана.

Иногда, когда удаленный небесный объект точно выровнен с другим объектом, мы видим, как свет изгибается в «кольцо Эйнштейна» или дугу. На этом изображении, полученном космическим телескопом Хаббла НАСА, широкая дуга света представляет собой далекую галактику, которая была сфокусирована, образуя «смайлик» с другими галактиками.

Карта темной материи, составленная на основе измерений гравитационного линзирования 26 миллионов галактик в Обзоре темной энергии. Предоставлено: Чихвей Чанг/Институт космологической физики им. Кавли Чикагского университета/Сотрудничество DES.

3. Слабое линзирование

Когда массивный объект действует как линза для удаленного объекта, но объекты не выровнены особым образом по отношению к нашему взгляду, проецируется только одно изображение удаленного объекта. Это случается гораздо чаще. Гравитация более близкого объекта делает фоновый объект более крупным и растянутым, чем он есть на самом деле. Это называется «слабое линзирование».

Слабое линзирование очень важно для изучения некоторых из самых больших тайн Вселенной: темной материи и темной энергии. Темная материя — это невидимый материал, который взаимодействует с обычной материей только посредством гравитации и скрепляет целые галактики и группы галактик, как космический клей. Темная энергия ведет себя как противоположность гравитации, заставляя объекты удаляться друг от друга. Три предстоящие обсерватории — широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп НАСА, WFIRST, миссия, европейская космическая миссия Euclid с участием НАСА и наземный Большой синоптический обзорный телескоп — будут ключевыми игроками в этих усилиях. Изучая искажения галактик со слабой линзой по всей Вселенной, ученые могут охарактеризовать последствия этих загадочных явлений.

Гравитационное линзирование в целом также позволит космическому телескопу НАСА «Джеймс Уэбб» искать некоторые из самых первых звезд и галактик во Вселенной.

Когда экзопланета проходит перед более далекой звездой, ее гравитация вызывает искривление траектории звездного света, а в некоторых случаях приводит к кратковременному осветлению фоновой звезды, наблюдаемой в телескоп. Художественная анимация иллюстрирует этот эффект. Это явление гравитационного микролинзирования позволяет ученым искать экзопланеты, которые слишком далеки и темны, чтобы их можно было обнаружить каким-либо другим способом. Авторы и права: NASA Ames/JPL-Caltech/T. Пайл

4. Микролинзирование

До сих пор мы говорили о гигантских объектах, действующих как увеличительные линзы для других гигантских объектов. Но звезды также могут «линзовать» другие звезды, в том числе звезды, вокруг которых есть планеты. Когда свет от фоновой звезды «линзируется» более близкой звездой на переднем плане, яркость фоновой звезды увеличивается. Если у этой звезды на переднем плане также есть планета, вращающаяся вокруг нее, то телескопы могут обнаружить дополнительную выпуклость в свете звезды на заднем плане, вызванную вращающейся планетой. Этот метод поиска экзопланет, то есть планет вокруг звезд, отличных от нашей, называется «микролинзирование».

Космический телескоп НАСА «Спитцер» в сотрудничестве с наземными обсерваториями с помощью микролинзирования обнаружил планету-«ледяной шар». В то время как микролинзирование пока обнаружило менее 100 подтвержденных планет, WFIRST может найти более 1000 новых экзопланет, используя этот метод.

Это первое изображение черной дыры. С помощью телескопа Event Horizon ученые получили изображение черной дыры в центре галактики M87. Предоставлено: Сотрудничество с телескопом Event Horizon.

5. Черные дыры

Само существование черных дыр, чрезвычайно плотных объектов, из которых не может выйти свет, является предсказанием общей теории относительности. Они представляют собой самые крайние искажения ткани пространства-времени и особенно известны тем, как их огромная гравитация влияет на свет странным образом, который могла объяснить только теория Эйнштейна.

В 2019 году международная коллаборация Event Horizon Telescope при поддержке Национального научного фонда и других партнеров представила первое изображение горизонта событий черной дыры, границы, которая определяет «точку невозврата» черной дыры для близлежащего материала. Рентгеновская обсерватория НАСА «Чандра», массив ядерных спектроскопических телескопов (NuSTAR), обсерватория Нила Герелса «Свифт» и космический гамма-телескоп Ферми скоординировано изучали одну и ту же черную дыру, и исследователи все еще анализируют результаты.

Галактика M87, запечатленная здесь космическим телескопом НАСА «Спитцер», является домом для сверхмассивной черной дыры, которая выбрасывает в космос две струи вещества почти со скоростью света. На вставке показан крупный план ударных волн, создаваемых двумя струями. Предоставлено: NASA/JPL-Caltech/IPAC

6. Релятивистские струи

На этом изображении со спутника Spitzer показана галактика Мессье 87 (M87) в инфракрасном свете, в центре которой находится сверхмассивная черная дыра. Вокруг черной дыры находится диск чрезвычайно горячего газа, а также две струи вещества, вылетающие в противоположных направлениях. Один из джетов, видимый справа на изображении, направлен почти точно на Землю. Его повышенная яркость обусловлена излучением света от частиц, движущихся к наблюдателю со скоростью, близкой к скорости света, эффект, называемый «релятивистским излучением». Напротив, другая струя невидима на всех длинах волн, потому что она удаляется от наблюдателя со скоростью, близкой к скорости света. Детали того, как работают такие струи, до сих пор остаются загадкой, и ученые будут продолжать изучать черные дыры в поисках новых подсказок.

Впечатление этого художника изображает аккреционный диск, окружающий черную дыру, в которой прецессирует внутренняя область диска. «Прецессия» означает, что орбита вещества, окружающего черную дыру, меняет ориентацию вокруг центрального объекта. Кредиты: ESA / ATG medialab

7. Гравитационный вихрь

Говоря о черных дырах, их гравитация настолько сильна, что они заставляют падающий материал «раскачиваться» вокруг них. Подобно тому, как ложка перемешивает мед, где мед — это пространство вокруг черной дыры, искажение пространства черной дырой оказывает колебательный эффект на материал, вращающийся вокруг черной дыры. До недавнего времени это было только теоретически. Но в 2016 году международная группа ученых, использующая XMM-Newton Европейского космического агентства и решетку ядерных спектроскопических телескопов НАСА (NUSTAR), объявила, что они впервые наблюдали сигнатуру колеблющейся материи. Ученые продолжат изучать эти странные эффекты черных дыр, чтобы еще больше изучить идеи Эйнштейна из первых рук.

Между прочим, это колебание вещества вокруг черной дыры похоже на то, как Эйнштейн объяснил странную орбиту Меркурия. Будучи ближайшей к Солнцу планетой, Меркурий испытывает наибольшее гравитационное притяжение со стороны Солнца, поэтому ориентация его орбиты медленно вращается вокруг Солнца, создавая колебания.

Усовершенствованный LIGO увидел гравитационные волны от двух черных дыр, слившихся на расстоянии более миллиарда световых лет от Земли. Это компьютерное моделирование показывает (в замедленной съемке), как это будет выглядеть вблизи. Если бы этот фильм воспроизводился в реальном времени, он длился бы примерно одну треть секунды. Предоставлено: SXS Lensing

8. Гравитационные волны

Рябь в пространстве-времени, называемая гравитационными волнами, была предложена Эйнштейном около 100 лет назад, но фактически не наблюдалась до недавнего времени. В 2016 году международное сотрудничество астрономов, работающих с детекторами Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), объявило об знаменательном открытии: этот грандиозный эксперимент обнаружил тонкий сигнал гравитационных волн, который путешествовал 1,3 миллиарда лет после того, как две черные дыры слились в катастрофическое событие. Это открыло совершенно новую дверь в область науки, называемую астрономией с несколькими посланниками, в которой можно изучать как гравитационные волны, так и свет.

Например, телескопы НАСА совместно измеряли свет от слияния двух нейтронных звезд после того, как LIGO обнаружил сигналы гравитационных волн от события, как было объявлено в 2017 году. Учитывая, что гравитационные волны от этого события были обнаружены всего за 1,7 секунды до гамма-излучения от слияния, после того как оба прошли 140 миллионов световых лет, ученые пришли к выводу, что Эйнштейн был прав еще в одном: гравитационные волны и световые волны распространяются с одинаковой скоростью.

Как показано на этой иллюстрации, «Кассини» погрузится в атмосферу Сатурна 15 сентября 2017 года. Предоставлено: NASA/JPL-Caltech.

9. Солнце задерживает радиосигналы

Космические аппараты для исследования планет также доказали правоту Эйнштейна в отношении общей теории относительности. Поскольку космические корабли общаются с Землей с помощью света в виде радиоволн, они дают прекрасную возможность увидеть, изменяет ли гравитация массивного объекта, такого как Солнце, путь света.

В 1970 году Лаборатория реактивного движения НАСА объявила, что Mariner VI и VII, совершившие облет Марса в 1969 году, проводили эксперименты с использованием радиосигналов — и также согласились с Эйнштейном. Используя сеть дальнего космоса НАСА (DSN), два моряка провели для этой цели несколько сотен радиоизмерений. Исследователи измерили время, которое потребовалось радиосигналам для прохождения от тарелки DSN в Голдстоуне, штат Калифорния, до космического корабля и обратно. Как и предсказывал Эйнштейн, общее время прохождения туда и обратно было задержано из-за гравитации Солнца. Для Mariner VI максимальная задержка составляла 204 микросекунды, что, хотя и намного меньше одной секунды, почти точно соответствовало тому, что предполагала теория Эйнштейна.

В 1979 году спускаемые аппараты «Викинг» провели еще более точный эксперимент в этом направлении. Затем, в 2003 году, группа ученых использовала космический корабль НАСА «Кассини», чтобы повторить подобные радионаучные эксперименты с точностью в 50 раз большей, чем у «Викинга». Ясно, что теория Эйнштейна подтвердилась!

Концепция космического корабля Gravity Probe B. Коллаж изображений был отредактирован, чтобы сформировать завершенный космический корабль. Авторы и права: Кэтрин Стефенсон, Стэнфордский университет и корпорация Lockheed Martin.

10. Доказательство с орбиты Земли

В 2004 году НАСА запустило космический корабль под названием Gravity Probe B, специально предназначенный для наблюдения за тем, как теория Эйнштейна разыгрывается на орбите Земли. Теория гласит, что Земля, вращающееся тело, должна притягивать ткань пространства-времени вокруг себя во время вращения, в дополнение к искажению света своей гравитацией.

Космический корабль имел четыре гироскопа и указывал на звезду IM Пегаса, когда вращался вокруг Земли над полюсами. В этом эксперименте, если бы Эйнштейн ошибался, эти гироскопы всегда указывали бы в одном и том же направлении. Но в 2011 году ученые объявили, что наблюдали крошечные изменения в направлениях гироскопов из-за того, что Земля из-за ее гравитации волочила вокруг себя пространство-время.

Глобальная система позиционирования или GPS — это космическая радионавигационная система Соединенных Штатов, которая помогает определять трехмерное положение с точностью до метра (например, широту, долготу и высоту) и обеспечивает точное время с точностью до наносекунды в любой точке Земли. Кредит: НАСА

Бонус: Ваш GPS!

Говоря о временных задержках, GPS (глобальная система позиционирования) на вашем телефоне или в вашем автомобиле полагается на теории Эйнштейна для точности. Чтобы знать, где вы находитесь, вам нужен приемник — например, ваш телефон, наземная станция и сеть спутников, вращающихся вокруг Земли для отправки и приема сигналов. Но, согласно общей теории относительности, из-за того, что гравитация Земли искривляет пространство-время, на спутниках время движется немного быстрее, чем на Земле. В то же время специальная теория относительности говорит, что время движется медленнее для объектов, которые движутся намного быстрее, чем другие.

Когда ученые рассчитали суммарный эффект этих сил, они обнаружили, что часы на спутниках всегда немного опережают часы на Земле. Хотя разница в день составляет миллионные доли секунды, это изменение действительно складывается. Если бы в GPS не была встроена технология относительности, ваш телефон уводил бы вас за много миль от вашего пути!

Эйнштейн открыл мир, сформированный пространством и временем

Вы можете измерять время, глядя на часы. Вы можете измерить пространство, наблюдая, как спортсмены бегут из одной точки в другую.

Переплетите эти измерения пространства и времени, и вы получите соревновательную гонку. Пусть зрители посмотрят на гонку с разных точек зрения, и вы получите еще один пример теории относительности Эйнштейна.

Альберт Эйнштейн довольно точно предположил, что время и пространство относительны, а не абсолютны. Несмотря на то, что они неразрывно связаны, пространство и время воспринимаются разумными существами по-разному. Это потому, что движение объекта и то, как он воспринимает время, связаны с другими вещами вокруг него.

Например, мотоциклист, который мчится вдоль трассы, увидит, что спортсмены движутся медленно, а зритель, сидящий неподвижно на трибунах, увидит, что бегуны движутся быстрее. Однако, в конце концов, время финиша победителя гонки будет почти одинаковым для мотоциклиста и стационарного болельщика, если они нажмут «старт» и «стоп» на своих секундомерах в точные моменты.

Другой компонент теории Эйнштейна объясняет это явление: при 186 000 миль в секунду скорость света всегда будет одинаковой в вакууме. Это правило важно из-за третьего фактора его теории: ничто не движется быстрее света. (Ну, почти ничего; ученые верят, что некоторые вещи работают быстрее, не нарушая теории.)

Эти три фактора во многом определяют то, как мы видим и взаимодействуем с пространством и временем, или, проще говоря, с «пространством-временем». Взаимодействие всего этого завораживает, даже если ваш мозг должен немного напрячься, чтобы поместить все это в контекст. Но приготовьтесь еще немного напрячь свои мыслительные способности. Попробуйте поместить свое понимание пространства-времени в театр не только Земли, но и Вселенной.

Как все это работает, если думать о нашей жизни как о части всего сущего?

Задержка во времени раскрывает историю Вселенной

Теория Эйнштейна о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света, имеет значение в космосе по нескольким причинам. Во-первых, это мешает людям исследовать глубь галактики. Поскольку только фотоны могут двигаться со скоростью света, люди застряли на скоростях, меньших скорости света, и поэтому не проживут достаточно долго, чтобы совершить путешествие в дальние уголки космоса.

Хотя это может показаться барьером, в других отношениях связь между пространством и временем позволила нам лучше понять галактику и ее происхождение, по словам Ватче Саакяна, профессора теоретической физики и космологии в колледже Харви Мадда в Клермонте, Калифорния. .

«Когда две точки в пространстве должны быть связаны друг с другом, всегда существует временная шкала», — сказал Саакян. «Время, необходимое объекту, чтобы заговорить с другим, равно скорости одного светового сигнала другому. При наблюдении за окружающим миром все передается с временной задержкой». На Земле эта временная шкала, пожалуй, наиболее очевидна во времени, прошедшем между вспышкой молнии и слышимым громом. «Это дает вам ощущение того, что у вас нет мгновенного доступа к информации», — сказал он.

Это взаимодействие становится более заметным, когда мы смотрим на луну. «Свет Луны достигает нас за 1,3 световых секунды», — сказал Саакян. «Всякий раз, когда вы смотрите вверх, это 1,3 секунды. Если бы Луна взорвалась, нам потребовалось бы 1,3 секунды, чтобы увидеть, что ее больше не существует».

Учитывая, что люди не получат доступ к дальним уголкам космоса в ближайшее время, временной лаг между событием и восприятием дал нам уникальную возможность увидеть историю Вселенной, сказал Саакян. «Чем глубже вы смотрите в космос, вы также смотрите в прошлое».

Червоточина поможет, только если мы сможем ее создать

Кажется, постоянно появляются новые откровения о том прошлом. Телескопические достижения продолжают приводить к удивительным открытиям о других галактиках, независимо от того, насколько они удалены.

В прошлом году ученые, изучающие галактику, намного большую, чем наш Млечный Путь, с более чем триллионом звезд, обнаружили, что ее свет излучался всего через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва — на 1 миллиард лет раньше, чем предполагалось ранее. Конечно, что такое миллиард лет, когда возраст самой Вселенной оценивается в 13,8 миллиарда лет? Что ж, обновленная информация о возрасте галактики — полезная часть головоломки, которая, как надеются ученые, в конечном итоге объяснит, как массивные галактики формировались и умирали в ранней Вселенной. У этой конкретной галактики было подавленное звездообразование, что означает, что она умирала.

Можно ли когда-нибудь получать информацию быстрее скорости света, чтобы мы могли видеть, что происходит во Вселенной ближе к нашему времени? По словам Саакяна, для этого потребуется червоточина, разрыв в пространстве-времени, который может дать нам кратчайший путь для исследования и наблюдения за более глубокими уголками космоса. Хотя это захватывающий сюжетный ход в фильмах, известно, что такой излом во времени не существует.

«Мы знаем математическую теорию для их создания, но того, что нам нужно сделать, не существует», — сказал Дэвид Маттингли, доцент кафедры физики и астрономии в Университете Нью-Гэмпшира. «Нам нужен другой вид материи, и он должен обладать другими свойствами».

Наша неспособность сократить космические путешествия может разочаровать поклонников научно-фантастических фильмов, таких как «Интерстеллар», в котором сюжет убедительно построен вокруг червоточины, сказал Маттингли, но во Вселенной есть что исследовать в рамках ограничений нашего пространственно-временного континуума. «У нас есть много практической работы, чтобы просто колонизировать и исследовать нашу собственную солнечную систему», — сказал он. «В космосе гораздо больше планет, которые мы будем заняты исследованием».

Гравитация в значительной степени влияет на пространство-время

Если уж на то пошло, ученым еще предстоит определить, как одни давние теории применимы к пространству-времени, а другие нет. По словам Маттингли, теория относительности Эйнштейна работает в нашей Солнечной системе, но ньютоновская физика, управляющая законами движения, — нет.

Представьте, если бейсбольный мяч упал на Землю из определенной точки атмосферы. По словам Маттингли, законы гравитации сообщают, как он будет ускоряться с определенной и измеримой скоростью. Теперь, выпустив бейсбольный мяч из центра Солнечной системы с неизменными законами гравитации, мяч занимает больше времени, чем ожидалось. «Ну, можно сказать, что гравитация ослабевает на больших расстояниях, но есть ли что-то, чего я не вижу, что тянет мой бейсбольный мяч?»

Действительно, на движение бейсбольного мяча повлияло таинственное притяжение, сказал Маттингли.