Теория эйнштейна о времени: Упрямая иллюзия или физическая реальность? Что наука говорит о времени |

Содержание

Упрямая иллюзия или физическая реальность? Что наука говорит о времени

Такое понятие, как время, фигурирует в любой науке. А как объясняет время физика?

Это, пожалуй, один из самых сложных вопросов, который в принципе можно задавать в физике. Мы хорошо умеем измерять время, но до сих пор довольно плохо понимаем, что именно мы при этом измеряем.

В Международной системе единиц (СИ) все стандартные единицы сегодня уже привязаны к значениям фундаментальных констант, то есть их значения определены точно и не нуждаются в эксперименте. И только единица измерения времени, секунда, все еще определяется из опыта.

Ответ на вопрос, что такое время, будет сильно зависеть от эпохи. В XX веке, например, этот вопрос много раз вставал с ног на голову.

Вместе с коллегами из СПбГУ Антон Шейкин занимается одной из модифицированных теорий гравитации ─ так называемый подход Редже-Тейтельбойма, или теория вложения, которая, в том числе, строилась с целью решения проблемы времени в теории гравитации.

Если вспомнить, откуда взялось представление о времени, то можно сказать, что первоначально человек вообще воспринимает время чисто психологически. Об этом, кстати, сообщал и Эйнштейн, когда пояснял свою теорию относительности на бытовом примере: он говорил, что час, проведенный в прекрасной компании, покажется короче, чем пять минут, проведенные на раскаленной плите. Но психологическое время, конечно, для физики никуда не годится, потому что оно неоднородно и может идти быстрее и медленнее. Поэтому нужны какие-то более стабильные источники ощущения течения каких-то процессов.

Люди довольно быстро научились измерять время, согласуя его с астрономическими циклами: суточный цикл, лунный цикл, годичный цикл. И долгое время именно астрономия предоставляла человечеству самый надежный источник понимания того, куда мы движемся. Люди видели вокруг себя повторяющиеся, периодические явления и учились сверять собственные ощущения текущих процессов с природными циклами.

Пожалуй, самый популярный ответ на вопрос, что такое время, звучит так: время ─ это то, что мы измеряем часами. А что такое часы? Часы ─ это некая физическая система, в которой происходят периодические процессы: то есть для того, чтобы определить время, нам нужен какой-то цикличный процесс. В древности эти цикличные процессы воспринимались как нечто настолько реальное, что древние греки даже считали, что время замкнуто в кольцо, идет по кругу.

В современной науке считается, что такого понятия, как абсолютное время, не существует?

Совершенно верно. В своих мемуарах Эйнштейн писал, что к началу XX века в Европе все знали, что такое абсолютное время, кроме него.

300 лет назад Ньютон сказал, что время ─ это ось, которая в каждой точке нашего пространства отсчитывает какой-то параметр; время в его концепции ─ это некая величина, которая может быть определена во всей Вселенной сразу, и поэтому можно говорить о том, что существует абсолютное время, которое мы можем определять без привязки к каким-то произвольным договоренностям.

Ньютоновское время ─ это некое Вселенское время, которое абсолютно объективно и не зависит от человеческих восприятий, эдакое идеальное время. Но, как мы знаем, ничего идеального в природе не существует, и ньютоновское время ─ это что-то вроде сферического коня в вакууме. Так что Эйнштейн в 1905 году сделал то, что давно было пора сделать с ньютоновским временем: он показал, что мы не можем его измерять.

Если любого физика спросить, что такое та или иная величина (например, время), то речь сразу зайдет о том, а как эту величину мы измеряем? Альберт Эйнштейн показал, что если мы можем обмениваться информацией только с конечной скоростью, например, скоростью света, то двум людям невозможно синхронизировать свои часы без всяких дополнительных договоренностей.

То есть непонятно, где причина, а где следствие?

Да. Эйнштейн показал, что при определенных условиях причины и следствия для разных людей могут даже меняться местами.

Когда говорят о теории относительности Эйнштейна, далеко не всегда уточняют, теория относительности чего?

Относительность положения провозгласил еще Коперник. Он сказал, мол, а зачем считать центром мира Землю, ведь из-за этого неудобно проводить расчеты; вместо этого можно в центр поставить Солнце или другую область недалеко от него. Относительность движения провозгласил Галилей. Он объяснил, что можно двигаться с постоянной скоростью и даже не замечать этого. Эйнштейн же провозгласил относительность времени, в результате чего ньютоновскому понятию абсолютной одновременности пришел конец.

Эйнштейн предложил мысленный эксперимент, установивший относительность одновременности. Он показал, что два события, одновременные для одного человека, могут быть разделены по времени, если один из этих людей, допустим, сядет в электричку или, наоборот, остановится, если до этого ехал. Эйнштейн доказал, что течение времени в физической системе зависит от того, с какой скоростью движется относительно нее наблюдатель.

Кажется, Эйнштейну принадлежит фраза, что время нужно для того, чтобы все события не произошли одновременно?

Да, можно и так понимать. Если говорить об инструментальном понимании времени, то зачем физикам вообще нужно понятие времени? Затем, что это величина, которая показывает, как эволюционирует физическая система, то есть это параметр эволюции. А если все события произошли в один и тот же момент времени, то, получается, никакой эволюции нет.

А сами физические законы со временем не эволюционируют? Мировые константы после Горячего Большого взрыва и по сей день не изменились?

Это очень интересный вопрос, потому что мы до сих пор до конца не уверены в том, что мировые константы, такие как скорость света, постоянная Планка или гравитационная постоянная, неизменны во времени. Это нужно устанавливать с помощью тончайших экспериментов.

В Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова делали расчеты для выяснения возможной вариации фундаментальных констант в прошлом на основе интересного наблюдения природного ядерного реактора в Окло. Наши ученые пытались выяснить, какова была скорость ядерных реакций, которые проходили там 2 миллиарда лет назад, и рассчитать на основе этих данных возможные изменения фундаментальных констант. Насколько я понимаю, удалось получить только ограничение сверху: если значение констант изменилось, то не более, чем на определенную величину. То есть нам (во всяком случае, мне) хочется верить, что, к примеру, скорость света и постоянная Планка со временем не меняются, но это, в общем, вопрос, который должен решать эксперимент.

Мы говорим, что нет абсолютного времени, а абсолютное пространство существует?

Это тоже довольно интересный вопрос, и поисками ответа на него занимался Эйнштейн под впечатлением от работ Эрнста Маха.

Эйнштейн почерпнул от Маха свою идею относительности пространства. Мах считал, что пространство ─ это не что иное, как вспомогательная величина, которая помогает нам описывать отношения между объектами. И, если мы зададимся вопросом, каковы свойства пространства, то обнаружим, что можем ответить на него лишь посредством наблюдения за движением каких-либо тел в этом пространстве. На основе этого Мах сделал вывод, что пространство ─ это нечто абсолютно вспомогательное, и подлинная физика должна основываться на описании систем отношений.

Эрнст Мах выдвинул довольно расплывчатый философский принцип (Эйнштейн так и назвал его ─ принцип Маха), согласно которому инерция тел определяется наличием всех остальных тел во Вселенной ─ то есть не пространство определяет свойство инерции тел, а наличие всех других тел в этом пространстве. Эйнштейн, создавая общую теорию относительности, думал, что воплощает в жизнь идею Маха. Но потом, когда он построил математическую формулировку общей теории относительности, оказалось, что с принципом Маха она не согласуется. Тем не менее идея о том, что пространство тоже не является абсолютным, была для Эйнштейна путеводной звездой.

Известно, что время и гравитация связаны. Гравитация вызывает замедление времени или наоборот ─ свойства времени порождают гравитацию?

Я бы сказал, что скорее первое, и здесь мы опять же возвращаемся к тому, что с понятием времени произошло в XX веке. Ньютон считал, что время ─ это просто параметр эволюции физической системы, который никак не связан со свойствами пространства и может определяться независимо от них. Общая теория относительности Эйнштейна и даже специальная теория относительности в формулировке Минковского опровергла это утверждение тем, что придала времени еще один смысл, помимо физического, ─ это геометрический смысл.

Минковский писал: «Отныне пространство само по себе и время само по себе низводятся до роли теней и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Имелось в виду, что мы живем в некотором четырехмерном геометрическом пространстве-времени, то есть в некой единой структуре, в которой у времени есть та же самая геометрическая интерпретация, что и у наших координатных осей X, Y, Z. Но довольно скоро здесь возникли некие трудности: оказалось, что время как геометрическая характеристика того мира, в котором мы живем, и время физическое, вообще говоря, не вполне тождественны. Можно привести такой пример. Есть целый класс физических теорий, например, геометрическая оптика, механика частиц в специальной теории относительности или гравитация, в которых нет предпочтительного выбора времени. Если вы, например, занимаетесь вопросом распространения лучей света в рамках геометрической оптики, то можете определить время так, как захотите; важно лишь, чтобы луч света в одной точке был раньше, а в другой позже. Если вы соблюдаете это требование, то можете определять время как угодно. И оказывается, что в таких теориях физическое время как бы пропадает, и не очень понятно, а как вообще строить физическую теорию. Но здесь нам на помощь приходит геометрическое время. Допустим, мы не знаем, как удобнее рассматривать эволюцию этой физической системы, но у нас есть понимание, что вся эта физическая система находится в некотором геометризованном мире. Тогда мы можем просто одно из направлений этого общегеометрического пространства рассматривать как наш параметр эволюции.

Кажется, у Эйнштейна была такая мысль, что всю физику можно свести к геометрии?

Да, но не всегда получается. И здесь кроется как раз одна из главных трудностей, которая препятствует успешному квантованию гравитации. Эйнштейн действительно построил теорию, которая полностью геометризовала гравитацию. Он сказал, что гравитационное взаимодействие тел ─ это не что иное, как движение в искривленном пространстве-времени, а не влияние некой силы. По сути, это и есть влияние геометрии пространства. Но вот когда дело доходит до построения квантовой теории, ученые начинают нуждаться в физическом времени. Нам необходим некий параметр эволюции, который бы определял, грубо говоря, что было раньше, а что потом.

И этот параметр вводится искусственно?

В общей теории относительности не существует, как мы уже говорили, выделенного физического времени, его надо как-то отдельно изобретать.

Да, этот параметр нужно искусственно ввести, потому что в общей теории относительности со временем происходят еще более страшные вещи, чем в специальной. Так, в специальной теории относительности время определяется с учетом выбора системы отсчета, но действуют вполне простые линейные преобразования. Если вы знаете, как выглядит время в одной системе отсчета, вы сразу же пишите формулы в другой системе отсчета, которая движется с постоянной скоростью относительно нее, и формулы очень простые. А вот в общей теории относительности выбор времени гораздо более широк. Эйнштейн сказал, что время в общей теории относительности вообще можно выбирать, как угодно. То есть произвольным образом вы выберете время и можете построить физическую теорию. И это, с одной стороны, вроде как хорошо, а с другой стороны ─ ужасно. Потому что с существованием времени как какого-то физического параметра, который реально куда-то течет, связано существование сохраняющихся величин, например, энергии; ведь энергия ─ это величина, сохраняющаяся в физической системе, если эта система не чувствует сдвигов по времени.

Если я сегодня провел эксперимент, завтра проделал то же самое, и результаты эксперимента совпадают, это может означать, что в той физической системе, в которой я работал, существует сохраняющаяся энергия, и эта энергия ─ главный инструмент для построения квантовой теории чего бы то ни было. То есть если я знаю, как записать энергию любой физической системы, я ее могу попытаться проквантовать. Так вот, произвольность выбора времени в теории гравитации приводит к тому, что энергию там очень сложно определить.

Парадоксально, но полная энергия любой физической системы, в которой действуют гравитационные силы, равна нулю, с некоторыми оговорками. И главная проблема, которая препятствует построению квантовой теории гравитации, заключается в том, что в общей теории относительности невозможно без дополнительных предположений определить, чему равна энергия гравитирующей системы. Таким образом, произвол выбора времени приводит к тому, что ни одно из времен нельзя наделить физическими свойствами.

Можно ли сказать, что время ─ это конструкт наблюдателя? Если убрать из Вселенной всех живых существ, будет ли существовать время?

Это уже вопрос к буддистам. Если дерево упало в лесу, и его шума никто не слышал, то падало оно или нет?

А что физика на этот вопрос отвечает?

Если мы рассматриваем геометрическое время, как одно из направлений нашего общего пространства, пространства Минковского, например (если гравитацией пренебрегаем) или пространства Римана, то время, конечно, существует, даже если удалить всю материю из Вселенной.

Есть очень широкий класс вакуумных решений уравнений Эйнштейна, где, если я удаляю из Вселенной абсолютно всю материю и спрашиваю: «а как же будет выглядеть эта Вселенная, будет ли в ней время?», Эйнштейн говорит, что, конечно же, будет, потому что это просто четырехмерное пространство-время, которое можно вывести на бумаге.

Получается, даже если выключить гравитацию и убрать всю материю, все равно время останется?

Если убрать из Вселенной абсолютно всю материю, то в принципе можно построить модель такой Вселенной, в которой пространство будет все еще искривлено. Такое пространство можно описать, как пространство, по которому бегают гравитационные волны, начинающиеся с одного края Вселенной и заканчивающиеся на другом.

А что искривляет это пространство, если нет материи?

Это очень неоднозначный вопрос. Факт заключается в том, что решение уравнения Эйнштейна для таких ситуаций существует. Имеет ли оно какой-то физический смысл? Зависит от того, у кого спрашивать. Если убрать из Вселенной всю материю и потребовать, чтобы на бесконечности от наблюдателя гравитационного поля не было, то пространство, в общем, будет плоским. Но если не требовать граничных условий на бесконечности, если не требовать, чтобы на произвольно больших расстояниях у вас пространство было статичным и никакие процессы в нем не происходили, то вы можете придумать какие-то вселенные, в которых материи нет совсем, а гравитация все-таки присутствует. Однако с точки зрения физики это, конечно, трудно интерпретировать, потому что принято считать, что любая гравитационная волна порождается каким-то источником. Хотя с точки зрения абстрактного математика это решение ничем не хуже, чем другие. А со стороны физики, конечно, гравитация порождается материей. Если вы убираете материю и накладываете разумные условия на свойства вашего пространства, то гравитация тоже исчезает.

Каков главный вклад гравитации в свойства времени?

Она, собственно, и определяет эти свойства. В плоском пространстве время ─ просто одно из направлений, его свойства заданы глобально. Но если вы гравитацию подключаете, то свойства времени в каждой точке начинают сразу меняться. В общей теории относительности свойства времени меняются локально. В каждой точке вашего пространства находится сколько-нибудь материи. Эта материя в свою очередь вызывает гравитацию, а гравитация определяет, как будет течь время в этой точке. Джон Уилер, знаменитый физик-теоретик, который популяризовал понятие черной дыры, очень поэтично это выражал в двух фразах: «Пространство говорит материи, куда ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться».

Время может двигаться вспять?

Здесь я могу сослаться на Сергея Владиленовича Красникова ─ пожалуй, главного в нашей стране специалиста по путешествиям во времени, он работает в Пулковской обсерватории. Сергей Владиленович, когда я слушал его доклады, утверждал, что машины времени не запрещаются классической общей теорией относительности. В рамках классической теории Эйнштейна может существовать пространство-время с нарушенной причинностью, то есть такое, в котором в принципе возможно движение назад по времени. Один из очень интересных результатов Красникова заключается в том, что машину времени, как оказывается, нельзя построить, то есть нельзя построить такое пространство-время, в котором гарантированно нарушалась бы причинность. Но мы можем на него наткнуться! Нельзя гарантировать, что при соблюдении каких-то действий, при выполнении каких-то действий, вы неизбежно попадете, как говорится, назад в прошлое…

То есть искусственно не создать, но в природе можно встретить?

Именно так. И это один из главных результатов, который, собственно, Красников получил. Но это, разумеется, чисто классическое рассмотрение. В целом, общее мнение таково, что для того, чтобы понять, возможны ли в действительности путешествия во времени и как они могут происходить, нам все-таки нужна квантовая теория гравитации. Квантовые поправки могут очень сильно повлиять на возможность путешествия во времени. Но я оговорюсь, это все пока что вопросы, имеющие исключительно академический интерес, потому что мы еще очень и очень далеки от любых экспериментов в этой области. Ну а конечный судья в физике ─ это, разумеется, эксперимент.

Эйнштейн и общая теория относительности: к загадке «пространства-времени»

Рубрики : Наука, Последние статьи

Нашли у нас полезный материал? Помогите нам оставаться свободными, независимыми и бесплатными, сделав любое пожертвование:

Donate

25 ноября 1915 года Альберт Эйнштейн объявил исчерпывающие математические подробности своей общей теории относительности (ОТО).

Мы перевели эссе астронома Национального аэрокосмического института Стена Оденвальда (Sten Odenwald), который рассказыват, какие вопросы эйнштейновская теория продолжает ставить перед нами и почему гравитация и природа пространства остаются сегодня такими же загадочными, какими были и 100 лет назад.

Сегодня все мы привыкли слышать о том, что общая теория относительности описывает гравитацию как «искажение пространства» и что эта теория привела к ряду сенсационных открытий и объяснений – например, космологической гипотезы Большого Взрыва, черных дыр и замедления хода времени под влиянием гравитации.

Мы даже слышали об эффекте Лензе — Тирринга, предсказанном в 1918 году, согласно которому вращающиеся тела могут «стягивать» само пространство и вызывать удивительные, но очень слабые изменения поведения вращающихся гироскопов в гравитационном поле. Этот причудливый феномен был детально изучен спутником NASA Gravity Probe B.

Если вы хотите узнать больше об общей теории относительности, достаточно выйти в Интернет, где есть сотни ресурсов, рассказывающих о ней. Но, несмотря на её популярность и тот прогресс, толчком которого она стала, остаются весьма колючие детали, которые требуют разработки или непосредственного наблюдения.

ОСНОВНЫЕ ИДЕИ

Искажение пространства-времени, вызванное вращением Земли (Фото: NASA / GP-B)

Теория относительности базируется на идее, что пространство и время образуют единую физическую сущность под названием «пространство-время». Каждый раз, когда вы пытаетесь описать поведение чего-то, вам необходимо описывать его эффекты не только в связи с тремя измерениями пространства, но и четвертым временным измерением. Они тесно связаны друг с другом, особенно когда вы математически описываете физические процессы. Вы не можете просто путешествовать из одной точки в другую с определенной скоростью, вы должны учитывать, как это движение меняется с течением времени. Всё это элементарные вещи — написано множество статей о том, как «замедляется ход времени» и «объекты сжимаются по направлению движения». Но общая теория относительности добавляет ещё одну странную деталь к описанию четырехмерного пространства-времени.

В первую очередь ОТО утверждает, что пространство-время и гравитационные поля — одно и то же. Они описываются одним и тем же математическим символом в теории. Гравитация — это не сила вообще, а констатация того, как объекты движутся в пространстве-времени. Если они движутся по прямой, то не будет вообще никакой гравитационной силы. Вот что вы почувствовали бы в совершенно пустом пространстве. Но в присутствии материи (или энергии) пространство-время искажается геометрически, так что самые прямые линии из возможных в четырех измерениях становятся искаженными. Мы испытываем это искривление в четырех измерениях как изменение ускорения или гравитационную силу между этими объектами. Но что касается того, почему объекты (и энергия) могут искажать пространство-время, этот вопрос до сих пор остаётся без ответа.

В других ситуациях, как, например, с электромагнитной силой, мы имеем дело с полем, которое растягивается через пространство и расширяется со скоростью света из своего источника. Это силовое поле встраивается в пространство, подобно краске, оставшейся в мазке краски на вашей стене. Но общая теория относительности говорит, что гравитация совсем не такая. То, что мы называем пространством-временем, само по себе является гравитацией. В отличие от электромагнитного поля, гравитация не «окрашивает» поверхность пространства-времени. Чтобы понять в полной мере, что такое гравитация, вам нужно хорошо усвоить, что такое пространство и время как физические вещи, а не математические абстракции! Эйнштейн оставил две таких цитаты:

Пространство и время являются принципами нашего мышления, а не условиями, в которых мы живём.
…
Пространство-время не претендует на собственное существование как таковое, только на роль структурного качества [гравитационного] поля.

НЕ ВСЕ СИЛЫ ОДИНАКОВЫ

Искаженное пространство вокруг скопления галактик CL0024 (Фото: Большой (синоптический обзорный телескоп Консорциум)

За последние 100 лет мы усвоили из многочисленных экспериментов, что гравитация принципиально отличается от других трёх сил. Эти три силы — электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие – всё, что нам нужно для описания природы материи и её взаимодействия. Это описание называется Стандартной моделью и является удивительно точной математической моделью, способной объяснить самые сложные эксперименты, проводимые в настоящее время на Большом адронном коллайдере в CERN.

Хотя физики пытались описать гравитацию (пространство-время) тем же математическим языком, что используется в Стандартной модели, это привело к массе технических проблем. Не потому, что математики недостаточно изобретательны (ведь в результате этих попыток у нас появилась теория струн и петлевой квантовой гравитации), а потому, что по-прежнему всё это не доказывает, что гравитация (пространство-время) является того же рода «квантовым полем», что и поля Стандартной модели. Лауреат Нобелевской премии Фримен Дайсон отмечал:

…Теории квантовой гравитации [могут быть] непроверяемы и научно бессмысленны. В таком случае классическая вселенная и квантовая вселенная могли бы сосуществовать тихо и мирно. Не было бы никакого несоответствия между двумя этими картинами. Обе картины вселенной могут быть верными, и поиск теории объединения может оказаться иллюзией.

Ричард Фейнман также отметил в 1962 году:

Крайняя слабость квантовых гравитационных эффектов в настоящее время представляет некоторые философские проблемы. Может быть, природа пытается сказать нам что-то новое, может, мы не должны пытаться квантовать гравитацию. Все еще возможно, что квантовая теория не гарантирует нам, что гравитация должна квантоваться.

Сегодня мы знаем о теории струн и других математических моделях пространства-времени и гравитации, но они не отражают картины того, как на самом деле может выглядеть гравитация или пространство-время. Так же, как схематические диаграммы, используемые для сборки радиоприемников, которые не описывают движение электронов через цепь компонентов, струны и петли просто могут быть нашими математическими инструментами, которые помогают делать определённые расчёты. Они также похожи на символические диаграммы Фейнмана, используемые для описания электромагнитных квантовых взаимодействий. Однако эти вычисления не востребованы на практике, поскольку в настоящее время нет данных, которые сообщали бы о необходимости «квантовать» гравитацию для объяснения известных наблюдаемых измерений.

Мы можем утверждать, что физика была бы проще, если бы пространство-время квантовалось, но нет никаких свидетельств того, что наша особая тяга к объединению действительно необходима реальному миру. Природа могла бы быть математически более красивой, если пространство-время оказалось бы полем, состоящим из гравитонов или других квантовых элементов, но эти требования подгоняются математическими интересами, а не очевидными или необходимыми потребностями физики. И всё же поиск стоит всех усилий, поскольку общая теория относительности в свои 100 лет продолжает задавать нам вопрос, как материя может «генерировать» пространство-время вокруг нас, или, наоборот, как пространство-время может генерировать вселенную и её физическое содержание. В теории Эйнштейна есть решения, в которых пространство-время не содержит материи вообще и, соответственно, вообще не требует его источника. Существуют также новейшие теории, которые и вовсе указывают на то, что информация более фундаментальна, чем само пространство-время.

Всё это сводится к одному: если мы не знаем, чем является пространство-время с точки зрения физического агента, как мы вообще можем пытаться понять гравитацию или манипулировать ей искусственно, не говоря уж о создании «варп-двигателей»?

Возможно, когда ОТО исполнится 200, мы всё это поймем. Или нет?..

Источник: «Happy Birthday Einstein! 100 years of General Relativity», Huffington Post

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

времянаукафизика



Как понять теорию относительности — Лайфхакер

29 сентября 2019Образование

О том, как в знаменитой теории Альберта Эйнштейна взаимосвязаны скорость света, масса, время и пространство.

Как известно, вся материальная Вселенная имеет три измерения: вверх-вниз, вправо-влево, вперёд-назад. Четвёртое измерение — это время. Вместе они и составляют пространственно-временной континуум. Но вся загвоздка в том, что наши представления о пространстве и времени напрямую зависят от скорости, с которой мы движемся.

Именно взаимоотношения между временем, пространством и движущимся объектом описывает специальная теория относительности (СТО), разработанная Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Позже на её основе великий физик создал также общую теорию относительности (ОТО), которая, помимо времени и пространства, учитывает и другие факторы, например гравитацию. О ней мы говорить не будем — для этого потребовался бы отдельный научный труд. Итак, приступим к изучению специальной теории относительности!

Главные принципы теории относительности

Первое, что нужно понять для освоения теории относительности: движение относительно.

Это значит, что наличие или отсутствие движения всегда определяется относительно других объектов. Движение и его скорость зависят от наблюдателя (того, кто смотрит на объект) и системы отсчёта (того, откуда он смотрит).

Представьте, что пассажир едет в поезде и читает книгу. Для него книга неподвижна, как неподвижны и кресла в поезде, и другие пассажиры (если они сидят на своих местах, а не пробираются к вагону-ресторану, конечно). Скорость всех неподвижных объектов в поезде, с точки зрения нашего пассажира-читателя, будет равна нулю.

В это время на платформе стоит другой человек, мимо которого со свистом пролетает поезд. Для него и пассажир с книгой, и кресла движутся со скоростью поезда — допустим, 200 км/ч. А вот пассажиры на пути в вагон-ресторан, расположенный в голове состава, будут двигаться ещё быстрее: их скорость сложится со скоростью поезда.

Так происходит при любом сложении скоростей, но есть одно исключение: скорость света. Свет от прожектора на носу нашего поезда будет двигаться всегда с одинаковой скоростью — 300 000 км/с.

Здесь мы вплотную подошли к базовым принципам, на которых строится теория относительности:

Принцип относительности: для тех тел, которые относительно друг друга движутся на постоянной скорости или неподвижны (как пассажир и его книга), физические процессы протекают одинаково.
Принцип постоянства скорости света: скорость света постоянна для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. То есть свет от фонаря на носу поезда или свет от прожектора на космическом корабле имеют одинаковую скорость.

Свет движется так быстро, что его распространение кажется нам мгновенным. Но на космических расстояниях всё выглядит совсем по-другому. К примеру, расстояние от Солнца до Земли, составляющее 150 миллионов километров, свет проходит примерно за 8 минут. А значит, что если Солнце когда-нибудь потухнет, то мы увидим это только через 8 минут.

Следствия теории относительности

Что же следует из описанных выше принципов и как они связаны со временем и пространством? Теория относительности имеет три основных следствия: пространство расширяется, время сжимается, масса увеличивается. Разберёмся с каждым по порядку.

Время сжимается

Эйнштейн первым понял, что время не абсолютно и зависит от системы отсчёта, в которой мы его наблюдаем. Земля и далёкая галактика на другом конце Вселенной находятся в разных точках не только пространства, но и времени.

Относительно движущихся объектов время идёт медленнее. Этот факт был проверен^{Around-the-World Atomic Clocks: Predicted Relativistic Time Gains с использованием двух одинаковых атомных часов: один прибор оставили на Земле, а другой отправили на сверхзвуковом самолёте вокруг планеты. При посадке было отмечено, что часы, которые летали, на несколько тысячных секунды отстают от часов в состоянии покоя.}

Чем ближе скорость объекта становится к скорости света, тем медленнее для него течёт время. В теории, если астронавт отправится в путешествие на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, он попадёт в будущее. Для него пройдёт несколько недель, а на Земле — несколько десятилетий. Это и есть относительность времени.

Пространство сжимается

Ещё одно удивительное следствие относительности: когда мы видим объект в движении, то можем наблюдать, что он становится всё более коротким с увеличением его скорости. С точки зрения наблюдателя, при приближении к скорости света объект становится всё короче и короче по направлению движения, а перпендикулярно ему остаётся в прежних размерах.

Допустим, мы сажаем астронавта в космический корабль, который может двигаться со скоростью света, а сами отправляемся в уютную обсерваторию наблюдать за его путешествием. По мере приближения к скорости света с кораблём начнёт происходить что-то странное. Мы заметим, что он становится всё короче. Но изменения происходят только в отношении направления движения, ширина корабля остаётся постоянной. Достигнув скорости света, он станет практически неразличим в длину.

Наверное, нашему астронавту сейчас не очень весело? Не беспокойтесь за него: для астронавта никаких изменений не происходит. Он всё так же радостно несётся навстречу космическим просторам и ничего не замечает. Пространство сжимается только относительно наблюдателя.

Масса увеличивается

Ещё одним поразительным следствием относительности является то, что по мере увеличения скорости объекта его масса тоже увеличивается.

Масса и энергия неразрывно связаны. Именно это выразил Эйнштейн в знаменитом уравнении E = mc². Эта формула показывает, что энергия тела пропорциональна его массе. При передаче телу энергии (то есть его ускорении) увеличивается и масса. Выходит, что часть энергии идёт на увеличение скорости, а другая часть увеличивает массу.

Вспомним о нашем астронавте, который приближается к скорости света в своём корабле. Наблюдая с Земли, мы видим, что по мере увеличения скорости корабля становится всё труднее ускорить его, то есть всё больше и больше энергии требуется, чтобы его подтолкнуть. Наступает момент, когда корабль достигнет такой массы, что никакая энергия во Вселенной больше не сможет его двигать. Вот поэтому на практике путешествия во времени пока невозможны.

Если коротко

Итак, при приближении к скорости света время расширяется, пространство сжимается. Но происходит всё это только в глазах наблюдателя, который видит движение объекта относительно себя. Для астронавта в корабле ничего не меняется (кроме увеличения массы). Но при этом обе точки зрения верны. Поэтому теория относительности и носит такое название.

Все ещё не очень ясно? Неудивительно, ведь самому Эйнштейну потребовалось 10 лет, чтобы сформировать основные постулаты теории относительности. Есть книга, которая поможет вам ещё раз уложить эти принципы в голове и объяснит всё буквально на пальцах, с яркими картинками и доступными графиками. «Теория относительности» от редакции «Аванта» издательства АСТ адресована школьникам средних классов, но будет интересна любому взрослому, желающему проникнуть в тайны нашей Вселенной. Ведь то, что кажется чудесами, на самом деле реальность!

Купить книгу

Общая и специальная теория относительности, гравитация

Баранов А. А., Колпащиков В.Л. Релятивистская термомеханика сплошных сред. Мн.: Наука и техника, 1974 (pdf)

Баренблатт Г.И. (ред.). Нелинейная теория распространения волн. М.: Мир, 1970 (pdf)

Бейзер А. Основные представления современной физики. М.: Атомиздат, 1973 (pdf)

Бергман П.Г. Введение в теорию относительности. М.: Ин.Лит., 1947 (pdf)

Бергман П. Загадка гравитации. М.: Наука, 1969 (pdf)

Богородский А.Ф. Уравнения поля Эйнштейна и их применение в астрономии. Киев: Изд-во Киевского ун-та, 1962 (pdf)

Богородский А.Ф. Всемирное тяготение. Киев: Наукова думка, 1971 (pdf)

Бом Д. Специальная теория относительности. М.: Мир, 1967 (pdf)

Боргман И.И. (ред.) Новые идеи в физике. Вып. 3. Принцип относительности. СПб.: Образование, 1912 (pdf)

Борн М. Эйнштейновская теория относительности (2-е изд.) М.: Мир, 1972 (pdf)

Брумберг В.А. Релятивистская небесная механика. М.: Наука, 1972 (pdf)

Вебер Дж. Общая теория относительности и гравитационные волны. М.: Ин.Лит., 1962 (pdf)

Вейнберг С. Гравитация и космология. Принципы и приложения общей теории относительности. М.: Мир, 1975 (pdf)

Гольденблат И.И. «Парадоксы времени» в релятивистской механике. М.: Наука, 1972 (pdf)

Гуревич Л.Э., Чернин А.Д. Общая теория относительности в физической картине мира. М.: Знание, 1970 (pdf)

Джеммер М. Понятие массы в классической и современной физике. М.: Прогресс, 1967 (pdf)

Дикке Р. Гравитация и вселенная. М.: Мир, 1972 (pdf)

Дирак П.А.М. Общая теория относительности. М.: Атомиздат, 1978 (pdf)

Дьюрелл К. Азбука теории относительности. М.: Мир, 1970 (pdf)

Жуков А.И. Ведение в теорию относительности. М.: Физматгиз, 1961 (pdf)

Захаров В.Д. Гравитационные волны в теории тяготения Эйнштейна. М.: Наука, 1972 (pdf)

Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Теория тяготения и эволюция звезд. М.: Наука, 1971 (pdf)

Иваненко Д. (ред.) Гравитация и топология. Актуальные проблемы. Сборник статей. М.: Мир, 1966 (pdf)

Иваненко Д. (ред.) Квантовая гравитация и топология. Сборник переводов. М.: Мир, 1973 (pdf)

Иваненко Д. (ред.) Новейшие проблемы гравитации. Сборник статей. М.: ИЛ, 1961 (pdf)

Иваницкая О.С. Лоренцев базис и гравитационные эффекты в эйнштейновой теории тяготения. Мн.: Наука и техника, 1979 (pdf)

Иваницкая О.С. Обобщенные преобразования Лоренца и их применение. Мн.: Наука и техника, 1969 (pdf)

Инфельд Л., Плебаньский E. Движение и релятивизм. Движение тел в общей теории относительности. М.: Ин.Лит., 1962 (pdf)

Куранский Е. (ред.). Альберт Эйнштейн и теория гравитации. Сборник статей. М.: Мир, 1979 (pdf)

Курганов В. Введение в теорию относительности. М.: Мир, 1968 (pdf)

Лайтман А., Пресс В., Прайс Р., Тюкольски С. Сборник задач по теории относительности и гравитации. М.: Мир, 1979 (pdf)

Ландау Л.Д., Румер Ю.Б. Что такое теория относительности. (3-е изд.) М.: Сов. Россия, 1975 (pdf)

Мак-Витти Г.К. Общая теория относительности и космология. М.: Ин. Лит., 1961 (pdf)

Мандельштам Л.И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М.: Наука, 1972 (pdf)

Мёллер К. Теория относительности (2-е изд.) М.: Атомиздат, 1975 (pdf)

Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. Том 1. М.: Мир, 1977 (pdf)

Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. Том 2. М.: Мир, 1977 (pdf)

Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. Том 3. М.: Мир, 1977 (pdf)

Мицкевич Н.В. Физические поля в общей теории относительности. М.: Наука, 1969 (pdf)

Неванлинна Р. Пространство, время и относительность. М.: Мир, 1966 (pdf)

Пеннер Д.И., Угаров В.А. Электродинамика и специальная теория относительности. М.: Просвещение, 1980 (pdf)

Пенроуз Р. Структура пространства-времени. М.: Мир, 1972 (pdf)

Петров А.З. Пространства Эйнштейна. М.: ГИФМЛ, 1961 (pdf)

Петров А.З. Новые методы в общей теории относительности. М.: Наука, 1966 (pdf)

Писаренко В.Г. Проблемы релятивистской динамики многих тел и нелинейной теории поля. Киев: Наук. думка, 1974 (pdf)

Принцип относительности. Сб. работ по специальной теории относительности. М.: Атомиздат, 1973 (pdf)

Рис М., Руффини Р., Уилер Дж. Черные дыры, гравитационные волны и космология. Введение в современные исследования. М.: Мир, 1977 (pdf)

Румер Ю.Б. Исследования по 5-оптике. М.: ГИТТЛ, 1956 (pdf)

Рябушко А.П. Движение тел в общей теории относительности. Мн.: Вышэйшая школа, 1979 (pdf)

Сиама Д. Физические принципы общей теории относительности. М: Мир, 1971 (pdf)

Синг Дж.Л. Общая теория относительности. М.: Ин.Лит., 1963 (pdf)

Скобельцын Д.В. Парадокс близнецов в теории относительности. М.: Наука, 1966 (pdf)

Соколовский Ю.И. Теория относительности в элементарном изложении (2-е изд.) М.: Наука, 1964 (pdf)

Соколовский Ю.И. Элементарный задачник по теории относительности (с решениями). М.: Наука, 1971 (pdf)

Станюкович К.П. Гравитационное поле и элементарные частицы. М.: Наука, 1965 (pdf)

Тейлор Э.Ф., Уилер Дж. А. Физика пространства-времени (2-е изд.) М.: Мир, 1971 (pdf)

Терлецкий Я.П. Парадоксы теории относительности. М.: Наука, 1966 (pdf)

Толмен Р. Относительность, термодинамика и космология. М.: Наука, 1974 (pdf)

Тоннела М.-А. Основы электромагнетизма и теории относительности. М.: ИЛ, 1962 (pdf)

Тредер Г.-Ю. Относительность инерции. М.: Атомиздат, 1975 (pdf)

Тредер Г.-Ю. Теория гравитации и принцип эквивалентности. М.: Атомиздат, 1973 (pdf)

Угаров В.А. Специальная теория относительности (2-е изд.) М.: Наука, 1977 (pdf)

Уилер Дж. Гравитация, нейтрино и Вселенная. М.: Иностр. литература, 1962 (pdf)

Фок В.А. Теория пространства, времени и тяготения. М.: ГИТТЛ, 1956 (pdf)

Фок В.А. Теория пространства, времени и тяготения (2-е изд.). М.: ГИФМЛ, 1961 (pdf)

Франкфурт У.И. Специальная и общая теория относительности. Исторические очерки. М.: Наука, 1968 (pdf)

Фридман А.А. Мир как пространство и время (2-е изд.). М.: Наука, 1965 (pdf)

Хокинг С. , Эллис Дж. Крупномасштабная структура пространства-времени. М.: Мир, 1977 (pdf)

Цзю X., Гоффман В. (ред.) Гравитация и относительность. М.: Мир, 1965 (pdf)

Шарипов Р.А. Классическая электродинамика и теория относительностию. Уфа: БашГУ, 1997 (pdf)

Швебер С. Введение в релятивистскую квантовую теорию поля. М.: Ин.лит., 1963 (pdf)

Ыйглане X.X. В мире больших скоростей. Очерк о теории относительности. М.: Наука, 1967 (pdf)

Эддингтон А.С. Теория относительности. Л.-М.: ГТТИ, 1934 (pdf)

Эйнштейн А. О специальной и общей теории относительности. М.: Госиздат, 1922 (pdf)

Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. Том 1. Работы по теории относительности 1905-1920. М.: Наука, 1965 (pdf)

Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. Том 2. Работы по теории относительности 1921-1955. М.: Наука, 1966 (pdf)

Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. Том 3. Работы по кинетической теории, теории излучения и основам квантовой механики 1901-1955. М.: Наука, 1966 (pdf)

Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. Том 4. Статьи, рецензии, письма. Эволюция физики. М.: Наука, 1967 (pdf)

Эйнштейновский сборник 1966. М.: Наука, 1966 (pdf)

Эйнштейновский сборник 1967. М.: Наука, 1967 (pdf)

Эйнштейновский сборник 1968. М.: Наука, 1968 (pdf)

Эйнштейновский сборник 1969-1970. М.: Наука, 1970 (pdf)

Эйнштейновский сборник 1971. М.: Наука, 1972 (pdf)

Эйнштейновский сборник 1972. М.: Наука, 1974 (pdf)

Эйнштейновский сборник 1973. М.: Наука, 1974 (pdf)

Эйнштейновский сборник 1974. М.: Наука, 1976 (pdf)

Эйнштейновский сборник 1975-1976. М.: Наука, 1978 (pdf)

Эйнштейновский сборник 1977. М.: Наука, 1980 (pdf)

Эренфест П. Относительность. Кванты. Статистика. Сборник статей. М.: Наука, 1972 (pdf)

ЧТО ТАКОЕ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ?

Мало кто, кроме специалистов знает, что в физике есть такие вещи, как теория гравитации Верлинде или, скажем, теория двухкомпонентного нейтрино. Но вот про теорию относительности почему-то слышали все. Хотя никто толком не знает, что это такое.

Начнём с того, что никакой «теории относительности» не существует. Этими словами совершенно неправильно называют две разные теории.

Обе их действительно создал Альберт Эйнштейн – но в остальном сходства между ними не так уж много. Есть специальная теория относительности (СТО), опубликованная в 1905 году. А есть общая теория относительности (ОТО), опубликованная в 1915 году. Так что, когда кто-то говорит «теория относительности», сразу спрашивайте: «А какая из двух?».

АБСОЛЮТНОЕ И ОТНОСИТЕЛЬНОЕ

В мире науки – не только в физике – очень часто используются понятия «абсолютное» и «относительное». Если мама написала бабушке в письме, что во второй четверти Маша стала учиться лучше, чем в первой, сможете ли вы ответить наверняка, хорошо ли учится Маша?

С одной стороны, она стала учиться лучше. А с другой – мы же не знаем, как Маша училась в первой четверти, верно? Может быть, у неё были одни двойки, а теперь она стала учиться на двойки с плюсами! В таких ситуациях мы говорим «смотря с чем сравнивать».

«Миша большой мальчик?» – «Он старше, чем Вася». Такое знание в науке называется относительным. А какое же знание называется абсолютным? То, которое не нужно сравнивать с чем-то другим! «Мише 9 лет». «Маша во второй четверти учится на отлично». Это уже абсолютное знание.

О ПОЛЬЗЕ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ЗНАНИЙ

Некоторые считают, что абсолютное знание всегда лучше, чем относительное. Вовсе нет!

Давным-давно эмир Самарканда Темурленг вызвал к себе своих мудрецов и спросил:

– Сколько лет я ещё проживу на свете?

– О великий, ты проживёшь ещё тысячу лет!

– Ты льстец и врун, – нахмурился эмир. – Отрубите ему голову!

Следующий мудрец сказал:

– О, эмир, ты проживёшь ещё три года!

Эмир разгневался:

– Ты считаешь, что я настолько слаб? Отрубите и ему голову!

Так он велел казнить почти всех мудрецов. Наконец, очередь дошла до Ходжи Насреддина.

– О великий эмир! – воскликнул Насреддин. – Звёзды говорят мне, что ты умрёшь ровно через два дня после меня! А потому не торопись, пожалуйста, рубить мне голову…

СИСТЕМА ОТСЧЕТА

Неважно, какое знание нас интересует – относительное или абсолютное; без системы отсчёта нам будет невозможно ответить ни на один, даже на самый простой, вопрос. Например, нам сказали: «Пётр получил пятёрку по истории». Хорошо учится Пётр или плохо?

– Глупый вопрос! – скажете вы. – Если он получил пятёрку, то, разумеется, хорошо! А вот и необязательно! Потому что, если Пётр живёт не в России, а, скажем, в Чехии, то учится он из рук вон плохо: в чешских школах «5» – это самая плохая отметка, а «1» – наоборот, самая лучшая! То есть для оценки знаний в этих странах используются разные системы отсчёта.

Другой пример.

В мореплавании очень важно знать географические координаты корабля – широту и долготу. Так вот, еще 150 лет назад капитаны разных стран использовали для вычисления долготы разные системы отсчёта, то есть разные меридианы. Английские капитаны использовали в расчётах Гринвичский меридиан, то есть долготу Лондона.

Французские капитаны использовали Парижский меридиан, а русские – Пулковский, то есть считали долготу от тогдашней столицы России, Санкт-Петербурга. И только в 1884 году все народы мира, наконец, договорились принять за 0 градусов долготы Гринвичский меридиан, то есть перешли на единую систему отсчёта.

ЧТО ЖЕ ДОКАЗАЛ ЭЙНШТЕЙН?

В 1905 году Альберт Эйнштейн ответил на весьма серьёзный физический вопрос: является ли движение в нашей Вселенной относительным или абсолютным? Другими словами, существует ли в нашей Вселенной такая система отсчёта, которая в точности позволяет узнать, движется тот или иной объект в пространстве или нет?

Возможно, тебе этот вопрос покажется несерьёзным. «То есть как это? Невозможно узнать, движется объект или нет? Да это же совсем просто! Если я иду в школу, то я двигаюсь. А если сплю в кровати, то не двигаюсь!» Нельзя забывать про то, что наша планета не стоит на месте – она летит вокруг Солнца со скоростью больше 100 000 километров в час!

Так что даже когда ты спишь (то есть неподвижен относительно Земли), в других системах отсчёта (относительно центра Галактики) ты всё равно движешься. Альберт Эйнштейн доказал, что во Вселенной любое движение является относительным.

ДВИЖЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНО!

Помните, с чего мы начинали наш разговор – «смотря с чем сравнивать»? Так вот, специальная теория относительности говорит о том, что если нам «не с чем сравнивать», то мы никогда и никак не сможем сказать, движемся ли мы в пространстве равномерно и прямолинейно или стоим на месте (как говорят физики, «покоимся»).

Представим себе, что мы создали две супернавороченные физические лаборатории. С самыми современными приборами и оборудованием. Но при этом сделали эти лаборатории наглухо закрытыми – то есть учёные внутри не смогут наблюдать за тем, что происходит снаружи.

Оставим одну такую лабораторию на Земле, а вторую запустим в космос на запредельно большой скорости. Тогда учёные внутри каждой лаборатории, проводя физические опыты, получат абсолютно одни и те же результаты, откроют одни и те же физические законы. Фактор движения (относительно Земли) на результатах их экспериментов не скажется. И поэтому учёные ни в первой, ни во второй лабораториях никогда не смогут сказать, движется их лаборатория в пространстве или нет.

ВРЕМЯ НЕ АБСОЛЮТНО!

Одно из важнейших следствий СТО – относительность времени. Если одна из систем отсчёта движется относительно другой, то время в ней начинает замедляться, причём чем больше скорость, тем сильнее замедление. И замедление это очень необычное!

Читали ли вы когда-нибудь фантастический рассказ Герберта Уэллса «Новейший ускоритель»? В нём учёный изобрёл жидкость, которая ускоряет время во много раз. Если такую выпить, весь окружающий мир покажется нам неподвижным, даже мухи будут не летать, а просто висеть в воздухе, еле-еле шевеля крылышками. Зато для всех остальных мы передвигались бы так быстро, что нас бы просто не увидели!

А вот в теории Эйнштейна замедление времени совсем не такое. В ней замедление симметрично, – скажем, если вы будете сидеть дома на Земле, а ваш друг полетит на космическом корабле с огромной скоростью, то для вас время на корабле друга замедлится. Но то же время вашего друга, которое будет идти на Земле, не ускорится (как в «Новейшем Ускорителе») – оно, как бы это ни казалось невероятным, тоже замедлится! При этом «внутри» каждой системы отсчёта ход времени будет нормальным!

Специальная теория относительности оказалась весьма удачной, но она не учитывала такое физическое явление, как всемирное тяготение, то есть гравитацию. Поэтому через 10 лет упорной работы Эйнштейн развил свои идеи и опубликовал общую теорию относительности. В ней он показал, что без внешнего наблюдения (снова «смотря с чем сравнивать», ага?) ни для какого объекта и никаким способом невозможно отличить движение в поле тяготения от любого другого равномерно ускоренного движения.

Многие часто задают вопрос – как на орбитальной космической станции может быть невесомость? Ведь она не покидает гравитационного поля Земли! Ответ прост: поскольку орбитальная станция движется равномерно ускоренно, её движение «уравновешивает» гравитационное поле Земли, и создаётся впечатление, что гравитации нет. На самом деле, конечно же, притяжение нашей планеты никуда при этом не исчезает…

ПОДПИСАТЬСЯ НА «ЛУЧИК 6+» >>>
ГДЕ КУПИТЬ ЖУРНАЛ «ЛУЧИК 6+» >>>

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.

Общая теория относительности Эйнштейна

Одним из проявлений общей теории относительности являются гравитационные волны, изображенные здесь как создаваемые двумя сталкивающимися черными дырами.
(Изображение предоставлено Р. Хёртом/Caltech-JPL)

Общая теория относительности — это понимание физиком Альбертом Эйнштейном того, как гравитация влияет на ткань пространства-времени.

Теория, которую Эйнштейн опубликовал в 1915 году, расширила специальную теорию относительности, которую он опубликовал 10 лет назад. Специальная теория относительности утверждала, что пространство и время неразрывно связаны, но эта теория не признавала существование гравитации .

Эйнштейн провел десятилетие между двумя публикациями, определяя, что особенно массивные объекты искажают ткань пространства-времени , искажение, которое проявляется как гравитация, согласно НАСА .

Связанный: Охота на червоточины: как ученые ищут туннели пространства-времени

Как работает общая теория относительности?

Чтобы понять общую теорию относительности, начнем с гравитации, силы притяжения, с которой два объекта действуют друг на друга. Сэр Исаак Ньютон количественно определил гравитацию в том же тексте, в котором он сформулировал свои три закона движения, «Начала».

По данным НАСА, гравитационная сила, действующая между двумя телами, зависит от того, насколько массивно каждое из них и как далеко друг от друга они расположены . Даже когда центр Земли притягивает вас к себе (удерживая вас прочно закрепленным на земле), ваш центр масс притягивается к Земле. Но более массивное тело почти не ощущает рывка от вас, в то время как с вашей гораздо меньшей массой вы оказываетесь прочно укоренившимся благодаря той же самой силе. Тем не менее законы Ньютона предполагают, что гравитация — это врожденная сила объекта, которая может действовать на расстоянии.

Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности определил, что законы физики одинаковы для всех неускоряющихся наблюдателей, и показал, что скорость света в вакууме одинакова независимо от скорости, с которой движется наблюдатель. путешествует, согласно Wired (открывается в новой вкладке).

В результате он обнаружил, что пространство и время переплелись в единый континуум, известный как пространство-время. И события, происходящие в одно и то же время для одного наблюдателя, могут происходить в разное время для другого.

Связанный: Что произошло бы, если бы скорость света была намного меньше?

Разрабатывая уравнения своей общей теории относительности, Эйнштейн понял, что массивные объекты вызывают искажение пространства-времени. Представьте, что вы устанавливаете большой объект в центре батута. Объект вдавливался в ткань, вызывая появление ямочек. Если затем вы попытаетесь катить шарик по краю батута, шарик будет двигаться по спирали внутрь к телу, притягиваясь почти так же, как гравитация планеты притягивает камни в космосе.

За десятилетия, прошедшие с тех пор, как Эйнштейн опубликовал свои теории, ученые наблюдали бесчисленное количество явлений, соответствующих предсказаниям теории относительности.

Гравитационное линзирование

Свет огибает массивный объект, например черную дыру, заставляя его действовать как линза для объектов, находящихся за ним. Астрономы обычно используют этот метод для изучения звезд и галактик за массивными объектами.

Крест Эйнштейна, квазар в созвездии Пегаса, по данным Европейского космического агентства (ESA), является прекрасным примером гравитационного линзирования. Квазар виден таким, каким он был около 11 миллиардов лет назад; 9Галактика 0005 , за которой она находится, примерно в 10 раз ближе к Земле. Поскольку два объекта выровнены так точно, четыре изображения квазара появляются вокруг галактики, потому что сильная гравитация галактики искривляет свет, исходящий от квазара.

Связанный: Что такое квантовая гравитация?

В случаях, подобных кресту Эйнштейна, различные изображения гравитационно-линзированного объекта появляются одновременно, но это не всегда так. Ученым также удалось наблюдать примеры линзирования, в которых, поскольку свет, проходящий вокруг линзы, движется по разным путям разной длины, разные изображения появляются в разное время, как в случае одного особенно интересного 9.0005 сверхновая .

Крест Эйнштейна — пример гравитационного линзирования. (Изображение предоставлено НАСА и Европейским космическим агентством (ЕКА))

Изменения орбиты Меркурия

Орбита Меркурия очень постепенно смещается с течением времени из-за искривления пространства-времени вокруг массивного Солнца, согласно НАСА (открывается в новой вкладке).

Меркурий, ближайшая к Солнцу планета, перигелий Меркурия (точка на его орбите, ближайшая к Солнцу), по прогнозам, с течением времени будет двигаться в несколько ином направлении. Согласно предсказаниям Ньютона, гравитационные силы в Солнечной системе должны опережать прецессию Меркурия (изменение его орбитальной ориентации), измеряемую в 5600 угловых секунд за столетие (1 угловая секунда равна 1/3600 градуса). Однако существует расхождение в 43 угловых секунды за столетие, что объясняет общая теория относительности Эйнштейна. Используя теорию Эйнштейна об искривленном пространстве-времени, прецессия перигелия Меркурия должна опережать немного больше, чем согласно предсказаниям Ньютона, поскольку планеты не вращаются вокруг Солнца по статической эллиптической орбите.

Действительно, несколько исследовательских работ, опубликованных с середины 20-го века, подтвердили точность расчетов Эйнштейна прецессии перигелия Меркурия.

Через несколько миллиардов лет это колебание может привести даже к столкновению самой внутренней планеты с Солнцем или планетой.

Перетаскивание рамки пространства-времени вокруг вращающихся тел

Вращение тяжелого объекта, такого как Земля, должно скручивать и искажать пространство-время вокруг него. В 2004 году НАСА запустило гравитационный зонд B (GP-B). По данным НАСА , оси точно откалиброванных гироскопов спутника со временем немного сместились, что соответствует теории Эйнштейна.

«Представьте, что Земля погружена в мед», — сказал главный исследователь Gravity Probe-B Фрэнсис Эверитт из Стэнфордского университета в заявлении НАСА о миссии.

«Когда планета вращается, мед вокруг нее будет кружиться, и то же самое с пространством и временем. GP-B подтвердил два самых глубоких предсказания Вселенной Эйнштейна, имеющих далеко идущие последствия для астрофизических исследований.»

Гравитационное красное смещение

электромагнитное излучение объекта слегка растянуто внутри гравитационного поля. Подумайте о звуковых волнах, исходящих от сирены в машине скорой помощи; когда транспортное средство движется к наблюдателю, звуковые волны сжимаются, но когда оно удаляется, они растягиваются или смещаются в красную сторону. То же явление, известное как эффект Доплера, происходит со световыми волнами на всех частотах.

В 1960-х годах, по данным Американского физического общества , физики Роберт Паунд и Глен Ребка выстрелили гамма-лучами сначала вниз, а затем вверх по стене башни Гарвардского университета. Паунд и Ребка обнаружили, что гамма-лучи немного изменили частоту из-за искажений, вызванных гравитацией.

Гравитационные волны

Эйнштейн предсказал, что сильные события, такие как столкновение двух черных дыр, создают рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны. А в 2016 году Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) объявила, что впервые обнаружила такой сигнал.

Это обнаружение произошло 14 сентября 2015 года. LIGO, состоящая из двух объектов в Луизиане и Вашингтоне, недавно была модернизирована и находилась в процессе калибровки, прежде чем они были подключены к сети. Первое обнаружение было настолько большим, что, по словам тогдашнего представителя LIGO Габриэлы Гонсалес, команде потребовалось несколько месяцев анализа, чтобы убедить себя, что это был настоящий сигнал, а не сбой.

Связанный: Фантомная энергия и темная гравитация: объяснение темной стороны Вселенной

«Нам очень повезло с первым обнаружением, которое было настолько очевидным», — сказала она во время 228-го собрания Американского астрономического общества в июне. 2016.

С тех пор ученые начали быстро ловить гравитационные волны. В общей сложности LIGO и ее европейский аналог Virgo обнаружили в общей сложности 50 гравитационно-волновых событий, по словам официальных лиц программы, по данным Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории.

Эти столкновения включали в себя необычные события, такие как столкновение с объектом, который ученые не могут окончательно идентифицировать как черную дыру или нейтронную звезду, слияние нейтронных звезд, сопровождаемое ярким взрывом, столкновение несовпадающих черных дыр и многое другое.

Наблюдение за нейтронными звездами

Представление художника о вращающемся пульсаре. (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech)

В 2021 году исследование, опубликованное в журнале Physical Review X , поставило под сомнение несколько предсказаний Эйнштейна, наблюдая систему двойных пульсаров на расстоянии около 2400 световых лет от Земли. Каждое из семи предсказаний общей теории относительности было подтверждено исследованием.

Пульсары — тип нейтронных звезд, которые пульсируют из-за лучей электромагнитного излучения, исходящих от их магнитных полюсов.

Подопытные пульсары вращаются очень быстро — около 44 раз в секунду — и на 30% массивнее Солнца, но имеют диаметр всего 15 миль (около 24 километров), что делает их невероятно плотными. Это означает, что их гравитационное притяжение огромно, например, на поверхности нейтронной звезды гравитация примерно в 1 миллиард раз сильнее, чем на Земле. Это делает нейтронные звезды отличным объектом для проверки предсказаний теории Эйнштейна, таких как способность гравитации преломлять свет.

«Мы следим за распространением радиофотонов, испускаемых космическим маяком, пульсаром, и отслеживаем их движение в сильном гравитационном поле пульсара-компаньона», — говорится в заявлении профессора Ингрид Стейрс из Университета Британской Колумбии в Ванкувере.

«Впервые мы видим, как свет не только задерживается из-за сильного искривления пространства-времени вокруг спутника, но и что свет отклоняется на небольшой угол в 0,04 градуса, который мы можем обнаружить. Никогда прежде не было такого был проведен эксперимент с такой большой кривизной пространства-времени», — добавляет Лестница.

Дополнительные ресурсы

Относительность: Специальная и общая теория — 100-летие издания (открывается в новой вкладке)
Природа пространства и времени (Серия лекций Института Исаака Ньютона, 3) (открывается в новой вкладке)
Книга по физике: простое объяснение больших идей (открывается в новой вкладке)

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Нола Тейлор Тиллман — автор статей для Space.com. Она любит все, что связано с космосом и астрономией, и наслаждается возможностью узнать больше. Она имеет степень бакалавра английского языка и астрофизики в колледже Агнес Скотт и проходила стажировку в журнале Sky & Telescope. В свободное время она обучает своих четверых детей дома. Подпишитесь на нее в Twitter на @NolaTRedd

Общая теория относительности Эйнштейна

Эйнштейн провел десятилетие между двумя публикациями, определяя, что особенно массивные объекты деформируют ткань пространство-время , искажение, которое проявляется как гравитация, согласно НАСА (открывается в новой вкладке).

Связанный: Охота на червоточины: как ученые ищут туннели пространства-времени

Как работает общая теория относительности?

Чтобы понять общую теорию относительности, давайте начнем с гравитации, силы притяжения двух объектов друг к другу. Сэр Исаак Ньютон количественно определил гравитацию в том же тексте, в котором он сформулировал свои три закона движения, «Начала».

Связанный: Что произошло бы, если бы скорость света была намного меньше?